基于光電容積描記法的多路肌肉收縮傳感系統(tǒng)?

黃劍平 穆瑞珍林振衡

(1.廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.莆田學(xué)院現(xiàn)代精密測(cè)量與激光無(wú)損檢測(cè)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 莆田 351100)

肌肉運(yùn)動(dòng)是人類長(zhǎng)期以來(lái)一直研究的課題。對(duì)肌肉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的研究在臨床診斷、疾病防控、假肢控制、體育運(yùn)動(dòng)以及日常健康保健等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用價(jià)值。目前對(duì)肌肉運(yùn)動(dòng)的研究通常采用表面肌電信號(hào)法(surface electromyography，sEMG)和光電容積描記法(Photoplethysmography，PPG)。其中，表面肌電信號(hào)法存在容易受到電磁干擾，與皮膚接觸的電極容易因出汗而造成測(cè)量誤差等缺點(diǎn)[1－2]，與之相比光電容積描記法具有探測(cè)靈敏，不受電磁干擾，體積小，功耗低等優(yōu)勢(shì)。已有文獻(xiàn)報(bào)道將光電容積描記法用于測(cè)量人體多項(xiàng)健康指標(biāo)，如:血氧、呼吸、心率、血壓等[3－7]。

目前利用光電容積描記法對(duì)肌肉收縮運(yùn)動(dòng)的研究，多采用光源與傳感器位于探測(cè)部位同一側(cè)的反射法。但已報(bào)道的絕大多數(shù)的研究樣機(jī)每次只能測(cè)量一處肌肉的狀態(tài)，如果要檢測(cè)多處肌肉的狀態(tài)，只能分多次測(cè)量。且大部分設(shè)計(jì)都將發(fā)光、探測(cè)光的檢測(cè)模塊以及單片機(jī)主控電路、信號(hào)處理電路等模塊全部設(shè)計(jì)在一塊電路板上，這樣整個(gè)電路系統(tǒng)的體積比較大，不利于穿戴在身上測(cè)量?；谏鲜霾蛔悖疚奶岢隽烁倪M(jìn)方案，設(shè)計(jì)了可以同時(shí)檢測(cè)多處肌肉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的傳感電路系統(tǒng)，且將傳感部分和其他處理電路分開(kāi)，提高了傳感器穿戴的方便性。

1 傳感原理

肌肉里包含有表皮、血管、肌肉、骨骼等組織。當(dāng)用一束光照射到肌肉中時(shí)，血液中的各種物質(zhì)都會(huì)不同程度地吸收光線，研究表明血液中紅血球攜帶的血紅蛋白對(duì)光線起主要吸收作用[8－9]。其他沒(méi)有被吸收的光在肌肉中會(huì)經(jīng)歷透射和散射，如圖1所示。一部分散射光最終會(huì)從皮膚出射，呈現(xiàn)一個(gè)彎曲狀的傳輸路徑[10]。

圖1 光線在肌肉組織中的傳輸路線

當(dāng)肌肉收縮時(shí)，肌肉中的肌纖維會(huì)變粗，壓迫肌肉中的血管，使血流量減少，引起主要吸光物質(zhì)血紅蛋白濃度減少，從而引起吸收的光量減少，散射出皮膚的光量增加[11－12]，皮膚外光電探測(cè)電路的輸出相應(yīng)地增大。這就為探測(cè)肌肉的收縮狀態(tài)提供了依據(jù)。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件框圖

電路系統(tǒng)的整體硬件框圖如圖2 所示。整個(gè)電路系統(tǒng)由一塊ATmega48 單片機(jī)作為控制核心，控制4 路LED 可編程恒流源驅(qū)動(dòng)紅外LED 發(fā)出紅外光，照射到肌肉中。另外，分別有4 路的紅外光傳感電路探測(cè)透射出肌肉的光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。隨后4 路電信號(hào)送到一個(gè)4 入1 出的模擬多路開(kāi)關(guān)，每路信號(hào)分時(shí)導(dǎo)通，然后經(jīng)過(guò)濾波放大后，分別送到ATmega48 單片機(jī)進(jìn)行AD 采樣。最后，采樣得到的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊傳送到上位機(jī)電腦端進(jìn)行后繼處理。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

探測(cè)光選擇紅外光是因?yàn)楸绕鹌渌ㄩL(zhǎng)的光線，紅外光在肌肉中有更好的穿透性，能探測(cè)到更深層的肌肉組織。此外，整個(gè)系統(tǒng)由一塊聚合物鋰電池經(jīng)過(guò)DC-DC 升壓電路輸出穩(wěn)定的5 V 電壓供電，避免隨著電池電量的消耗，電池電壓下降造成整個(gè)系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。

2.2 可編程恒流源

LED 發(fā)光需要用恒流方式驅(qū)動(dòng)，這里選擇可編程恒流源電路方案，如圖3 所示。ATmega48 單片機(jī)通過(guò)I2C 總線與4 通道8 位分辨率的DAC 芯片LTC2635－LZ8 連接，DAC 芯片的A 通道輸出控制電壓VA到一塊低噪聲精密運(yùn)放AD8656 的“＋”輸入端，使運(yùn)放的輸出端電壓升高，從而使MOS 管BSR606N 導(dǎo)通，隨著流過(guò)MOS 管電流的增大，電流取樣電阻R5上的壓降也相應(yīng)增大，該壓降反饋到運(yùn)放的“－”輸入端，直至運(yùn)放的“＋”“－”輸入端電壓達(dá)到均衡狀態(tài)，這時(shí)，流過(guò)LED 的電流達(dá)到穩(wěn)定值。

從圖3 中看出流過(guò)LED 與取樣電阻R5的電流基本一致，電流計(jì)算公式為:

圖3 可編程LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路

LED 驅(qū)動(dòng)電流通路中還串聯(lián)了導(dǎo)通電阻僅有0.5 Ω 的PMOS 管DMP2012SN 作為導(dǎo)通控制開(kāi)關(guān)。在單片機(jī)輸出端口的控制下，實(shí)現(xiàn)4 路LED 驅(qū)動(dòng)電路分時(shí)導(dǎo)通。

2.3 紅外光探測(cè)電路

沒(méi)有被肌肉組織吸收的入射光，在肌肉中經(jīng)過(guò)彎曲形路徑從皮膚出射，出射光通過(guò)如圖4 所示的光電探測(cè)電路被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。當(dāng)光電二極管BPW34SR 上有光照射時(shí)，光電二極管產(chǎn)生微弱的電流，電流流過(guò)精準(zhǔn)運(yùn)放AD8606 與取樣電阻R19組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，電流信號(hào)ID轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)Vo，轉(zhuǎn)換傳遞函數(shù)為:

圖4 紅外光探測(cè)電路

實(shí)際電路中，紅外LED 和光電二極管探測(cè)電路安裝在同一塊電路板的同一側(cè)，并墊上黑色擋光海綿，只留出2 個(gè)通光口。測(cè)量時(shí)，讓電路板緊貼皮膚，用膠布固定好，最大程度地避免環(huán)境雜散光泄漏進(jìn)來(lái)產(chǎn)生測(cè)量誤差。

2.4 多路開(kāi)關(guān)和濾波電路

4 個(gè)通道的紅外探測(cè)信號(hào)隨后被送到模擬多路開(kāi)關(guān)芯片74LV4051 的4 個(gè)輸入端，如圖5 所示。在單片機(jī)的控制下，多路開(kāi)關(guān)每次只導(dǎo)通一路信號(hào)到后繼的二階巴特沃夫低通濾波器以濾除高頻噪聲干擾。濾波后，信號(hào)經(jīng)同相放大后，再送到ATmega48單片機(jī)自帶的10 位ADC 采樣端口轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

圖5 多路開(kāi)關(guān)和低通濾波電路

2.5 單片機(jī)及外圍電路

主控單片機(jī)及外圍電路如圖6 所示，選用Microchip 公司的ATmega48 單片機(jī)，這是一款具有增強(qiáng)RISC 架構(gòu)的低功耗CMOS 微控制器，具有豐富的片上資源。它集成有前述DAC 芯片LTC2635－LZ8 控制所需的I2C 總線控制模塊、10 位ADC 采樣模塊、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等。單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部USART串口傳輸模塊與HC42 低功耗藍(lán)牙模塊連接，以57 600 bit/s的波特率，將采樣到的10 位數(shù)字信號(hào)分2 byte 發(fā)送到上位機(jī)電腦端進(jìn)行處理。

圖6 單片機(jī)及外圍電路

2.6 4 路探測(cè)通道的控制時(shí)序

4 路探測(cè)通道的控制時(shí)序如圖7 所示。首先，單片機(jī)控制多路開(kāi)關(guān)導(dǎo)通通道1，先進(jìn)行一次AD 采樣，這時(shí)讀取到的是少量泄漏進(jìn)來(lái)的雜散光干擾信號(hào)。隨后讓通道1 的LED 導(dǎo)通100 μs，待LED、光電二極管、運(yùn)放等元器件的狀態(tài)達(dá)到上升時(shí)間并穩(wěn)定工作后，再采樣一次。這時(shí)讀取到的是從肌肉透射出來(lái)的光信號(hào)，用它減去前面的干擾信號(hào)，就得到去除干擾的傳感信號(hào)，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送出去。接著，通道2、3、4 也進(jìn)行同樣的操作，然后又控制通道1 進(jìn)行下一個(gè)周期的操作，每個(gè)周期用時(shí)10 ms，如此循環(huán)。這樣，實(shí)現(xiàn)了4 個(gè)通道數(shù)據(jù)的分時(shí)采集發(fā)送。同時(shí)，每個(gè)通道的工作時(shí)間很短，整個(gè)系統(tǒng)的功耗很小。

圖7 4 路探測(cè)通道的控制時(shí)序圖

3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)電腦端采用MATLAB 軟件控制藍(lán)牙數(shù)據(jù)的接收和處理。接收硬件同樣選用HC42 藍(lán)牙模塊接收下位機(jī)傳送過(guò)來(lái)的串行數(shù)據(jù)。隨后，利用一塊串口轉(zhuǎn)USB 芯片CH340 連接藍(lán)牙串口和電腦的USB 端口，并在電腦上生成一個(gè)虛擬串口，讓電腦從USB 端口讀入藍(lán)牙串行數(shù)據(jù)。MATLAB 軟件進(jìn)行初始化設(shè)置后，讀取各通道的測(cè)量數(shù)值，并存入相應(yīng)的寄存數(shù)組中，同時(shí)將數(shù)據(jù)波形實(shí)時(shí)描繪出來(lái)，軟件界面如圖8 所示。

圖8 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸程序界面

4 系統(tǒng)實(shí)測(cè)與討論

4.1 系統(tǒng)實(shí)測(cè)

進(jìn)行啞鈴彎舉動(dòng)作的上肢肌肉群實(shí)測(cè)。設(shè)置4個(gè)通道的LED 驅(qū)動(dòng)電流都為80 mA。將4 個(gè)傳感模塊分別放置在前臂的橈側(cè)腕屈肌、肩部的三角肌、上臂的肱二頭肌和肱三頭肌上，各傳感模塊與單片機(jī)主控板用排線連接。手握2 kg 的啞鈴，剛開(kāi)始手臂自然下垂，然后保持上臂固定不動(dòng)，以肘關(guān)節(jié)為支點(diǎn)前臂緩慢向上彎舉至最高點(diǎn)，再慢慢放下來(lái)。將采集到的4 路數(shù)據(jù)用MATLAB 軟件繪制成曲線圖，如圖9 所示。圖中，橫軸表示采樣的點(diǎn)數(shù)，每10 ms采樣一次，共采樣1 500 個(gè)數(shù)據(jù)，用時(shí)15 s，縱軸表示采樣電壓值。從圖中看出，采集到的曲線帶有毛刺干擾，為了消除毛刺，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波，如式(3)所示，滑動(dòng)窗口N每次取8 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)?；瑒?dòng)平均后的曲線如圖10 所示，曲線變得平滑了許多。

圖9 原始測(cè)量數(shù)據(jù)曲線

圖10 滑動(dòng)平均后的測(cè)量曲線

4.2 討論

從測(cè)量結(jié)果看出，電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了同時(shí)檢測(cè)4路肌肉收縮狀態(tài)的功能，數(shù)據(jù)曲線的變化同時(shí)反映出了肌肉群收縮程度的變化。初始曲線上的毛刺干擾，經(jīng)過(guò)滑動(dòng)平均濾波處理后被很好地消除，曲線變得平滑。

從測(cè)量曲線上看，上臂肱二頭肌和前臂橈側(cè)腕屈肌變化明顯，最開(kāi)始手臂自然下垂時(shí)，這2 塊肌肉基本處于放松狀態(tài)，因此檢測(cè)得的電壓較低。隨著前臂向上彎舉到最高點(diǎn)，這2 條曲線都有明顯的升高，肱二頭肌的曲線變化最明顯，有1 V 左右的提升。當(dāng)啞鈴放下時(shí)，這2 條曲線又慢慢回落到初始值附近。肱三頭肌和三角肌在手臂下垂時(shí)，起始電壓較大，原因是手提啞鈴時(shí)，這兩處肌肉初始就是施力收縮的狀態(tài)。從圖10 中看出，在舉起啞鈴的過(guò)程中，肱三頭肌有一個(gè)先略微下降再升高的變化，反之，在放下啞鈴時(shí)，也有一個(gè)略微升高再下降的變化。升高或下降的過(guò)程與肱二頭肌和橈側(cè)腕屈肌曲線的升高或下降是同步的。說(shuō)明隨著舉起啞鈴的動(dòng)作，肱二頭肌和橈側(cè)腕屈肌收縮，與此同時(shí)肱三頭肌先略微拉伸再明顯收縮，放下啞鈴的過(guò)程正好相反。在實(shí)際的動(dòng)作中仔細(xì)觀察肱三頭肌的狀態(tài)變化，的確如曲線所示?？梢钥闯觯? 路數(shù)據(jù)曲線很好地同步反映了肌肉群拉伸和收縮的狀態(tài)變化，細(xì)小的變化也能被檢測(cè)到。

5 小結(jié)

本文介紹了利用光電容積描記法檢測(cè)肌肉收縮運(yùn)動(dòng)的原理，設(shè)計(jì)了可以同步測(cè)量4 路信號(hào)的肌肉收縮傳感電路系統(tǒng)。該電路同時(shí)檢測(cè)4 路信號(hào)的設(shè)計(jì)，是對(duì)同類電路在功能上的改進(jìn)。電路中4 個(gè)傳感模塊與單片機(jī)主控模塊分開(kāi)放置，增加了整個(gè)電路系統(tǒng)穿戴上的方便性。從測(cè)試結(jié)果上看，該電路系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確，工作穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，具有一定的實(shí)用價(jià)值。