無線多通道肌電信號采集系統(tǒng)設計與應用*

陳健寧，劉 蓉

(大連理工大學電子信息與電氣工程學部生物醫(yī)學工程學院，遼寧 大連 116024)

表面肌電信號是一種由神經(jīng)興奮引起的肌肉運動而產(chǎn)生的復雜生物電信號，可以表征肌肉狀態(tài)和動作意圖。其具有幅度微弱，易受外界干擾、采集難度大等特點[1]。對其采集的正確與可靠，能否真實表征肌肉和神經(jīng)功能狀態(tài)，將直接影響后續(xù)的信號處理、動作識別與分析效果，也會給肢體受損患者的自主康復訓練效果帶來直接影響。

本文以非侵入式表面肌電信號采集系統(tǒng)設計為導向，通過設計信號前置放大器、低通濾波器、50Hz工頻陷波器、二級放大器等信號調(diào)理電路，將調(diào)理輸出信號送給多路A/D采樣電路后變成數(shù)字信號，無線傳至PC端。該系統(tǒng)經(jīng)過實驗驗證，很好地滿足了應用需求，為受損患者自主康復訓練和開展基于表面肌電信號動作識別分析與分類提供了技術支撐。

1 表面肌電信號系統(tǒng)設計需求分析

由于表面肌電信號采集時直接使用干電極方式接觸人體，屬于國家Ⅱ類醫(yī)療器械，開發(fā)設計時必須遵循國家醫(yī)用設備檢定和使用規(guī)范，具體要求如下：

1) 電氣安全要求。表面肌電信號采集設備在設計時，應充分考慮電氣安全防護設計，如接地、防電擊和漏電等設計要求。

2) 共模抑制比。由于sEMG信號很微弱、易受外界干擾，特別是當采集設備處在帶寬小于500 Hz噪聲頻段內(nèi)時，干擾信號很容易通過前置放大耦合后形成共模干擾信號；另外電極采集方式與電極的材料屬性也會對肌電信號采集產(chǎn)生一定的影響，使信號發(fā)生偏移。因此，電路設計要求各通道共模抑制比不小于100dB。

3) 采樣頻率設置。雖然sEMG信號頻率集中在0 Hz～500 Hz，但是考慮到應用場合和研究的需求應設置不同采樣頻率量程，可設置為1 kHz、2 kHz、3 kHz三個檔位。

4) 增益可調(diào)。由于sEMG信號采集會因受試者的皮膚狀態(tài)、性別、年齡、健康及采集環(huán)境差異的影響，導致電極輸出信號具有差異性。由于采集信號幅度的差異性，應設置增益可調(diào)功能，才可以滿足不同信號的輸出都能滿足ADC采樣要求，通常增益設為100-1000倍。

2 表面肌電信號采集系統(tǒng)方案設計

為了實現(xiàn)表面肌電信號的便攜式采集與實時數(shù)據(jù)傳輸設計要求，系統(tǒng)應包括肌電信號預處理、信號采集轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、無線傳輸和PC端。對應的主要硬件包括電極有效連接電路、信號預處理電路、A/D采集轉(zhuǎn)換電路、系統(tǒng)電源模塊、WiFi傳輸模塊、下位機最小系統(tǒng)等。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 肌電信號采集系統(tǒng)整體框圖

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 sEMG信號采集前端模擬電路設計

由于sEMG信號幅值較小，基本在100-5000μV之間，頻率主要集中在500 Hz以內(nèi)，易受到外部工頻耦合干擾，因而設計了如圖2所示肌電信號采集系統(tǒng)預處理電路。整個前端模擬電路包括表面接觸電極及連線、前置放大、帶通濾波、50 Hz工頻陷波器及后置放大等功能，具體結構如圖2所示。

圖2 sEMG信號采集預處理電路結構

3.2 表面電極選擇與放置

基于非侵入方式獲取表面肌電信號必須依靠表面電極感受器來實現(xiàn)。由于肌電信號極其微弱且具有高的阻抗，因此電極的材質(zhì)、阻抗、表面積大小、放置位置及間距和連線方式都直接影響信號的獲取質(zhì)量[2]。應該考慮選擇低阻抗材質(zhì)、與皮膚接觸的面積、形狀在允許情況下盡量表面積大，安放位置和間距適當(對帶寬和幅值干擾小)。

綜合以上考慮此，系統(tǒng)選用銀-氯化銀(Ag-AgCl)材料作為檢測電極，具有極化電壓小、噪聲低、運動偽跡小等優(yōu)點。兩個檢測電極安放距離在20 mm左右，并構成差分系統(tǒng)，可以提高共模抑制比。

3.3 前端放大電路

由于從表面電極引出的肌電信號具有強度弱，往往與噪聲干擾共生，因此前置放大電路的設計要滿足高輸入阻抗(可減少信號在內(nèi)阻上的衰減)、高共模抑制比(可減少共模信號干擾)、高增益(提高電極輸出電信號幅值)、低噪聲(合理設置前置級的放大增益)、低漂移(降低放大器的基線漂移)等要求[3]。

在這里采用AD8422儀表運放芯片設計前端放大電路。帶通放大器由高通和低通濾波電路組成。高通濾波電路用于去除經(jīng)前端放大電路放大的直流電壓，將輸出電壓VOUT經(jīng)積分電路，反饋到基準電壓VREF端濾除直流信號。這樣可實現(xiàn)極低頻信號濾波，但是對于肌電信號的高端頻段外(500 Hz以上)部分需要設計低通濾波電路，這樣就形成了帶通濾波器[4]。由AD8639組成二階低通濾波器。具體儀表放大與濾波電路原理圖如圖3所示。

圖3 儀表放大與濾波電路原理圖

AD8422芯片的輸出電壓VOUT為：

VOUT=G×(V+IN-V-IN)+VREF.

(1)

其中：

(2)

公式(2)中G為放大倍數(shù)，公式(2)中的Rg與電路中的RG6對應(增益調(diào)節(jié)電阻)，改變RG6可以實現(xiàn)前端放大電路調(diào)節(jié)。

3.4 信號采集電路

這里選用德州儀器公司的24位工業(yè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1278芯片，內(nèi)部集成有多個獨立的高階斬波穩(wěn)定調(diào)制器和FIR數(shù)字濾波器，可實現(xiàn)4/8通道同步采樣，支持高速、高精度、低功耗、低速4種工作模式；具有優(yōu)良的AC和DC特性，采樣率最高可達128 Ks/s以及110dB的信噪比，此外ADS1278采樣結束標志位可用于觸發(fā)CPU中斷，可實現(xiàn)真正的實時采樣。具體電路如圖4所示。

3.5 微控制器及無線通信模塊

圖4 ADS1278接口電路

微控制器模塊采用STM32單片機，其中包括復位電路、晶振電路、電源電路、程序下載電路、Wifi模塊接口。另外采用ESP8266模塊實現(xiàn)WiFi數(shù)據(jù)傳輸，模塊中首先要VCC連接正極，GND連接負極；單片機的數(shù)據(jù)發(fā)送端連接其數(shù)據(jù)的接收端；單片機的數(shù)據(jù)接收端連接其數(shù)據(jù)的發(fā)送端即可實現(xiàn)控制接口。

4 sEMG信號采集系統(tǒng)程序設計

下位機數(shù)據(jù)采集程序主要由初始化、轉(zhuǎn)換結束判斷、數(shù)據(jù)打包發(fā)送等模塊組成。初始化主要是對MCU運行環(huán)境進行初始化配置。在主循環(huán)函數(shù)里一直對中斷采集完成標志位DRDY進行判斷，當ADC完成采樣觸發(fā)外部中斷，MCU對ADC采集到的數(shù)據(jù)進行讀取。MCU對讀取的8個通道的24位數(shù)據(jù)進行打包，共需要24字節(jié)，以0xaa、0x55為數(shù)據(jù)包頭，第三個字節(jié)設置為marker信息標記位，后24字節(jié)為數(shù)據(jù)信息。以打包好的數(shù)據(jù)形式無線發(fā)送。

5 系統(tǒng)性能驗證

為驗證采集數(shù)據(jù)有效性，系統(tǒng)通過對受試者上肢不同的動作模式經(jīng)sEMG信號采集后，采用肌電信號時域分析特征提取評價方法來驗證數(shù)據(jù)的合理性。即利用取絕對平均值(MAV)、均方根(RMS)來檢驗，其中圖5為采集現(xiàn)場實景，圖6為受試者時域特征(MAV和RMS)的特征圖。從圖6可知不同動作模式以及不同通道處的特征具有明顯的區(qū)分性，也證明了數(shù)據(jù)的可靠性。

圖6 受試者特征提取結果(上圖MAV、下圖RMS)

綜上，sEMG信號采集系統(tǒng)的性能測試結果表明能達到設計需求。在后續(xù)應用中，可以強化PC端應用開發(fā)，從時域、頻域和動作識別分析等方面深化系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)庫管理功能，同時可在下位機端與圖像采集結合，可進行受試者運動狀態(tài)及實施觀測，進一步拓展系統(tǒng)功能。