反射式紅外光電肌肉收縮傳感器設(shè)計(jì)*

黃劍平,穆瑞珍,林振衡

(1.廈門(mén)理工學(xué)院 光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 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)

0 引 言

對(duì)肌肉收縮狀態(tài)的研究通常采用測(cè)量表面肌電信號(hào)(surface electromyography,sEMG)的方法，表面肌電信號(hào)由人體的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元產(chǎn)生，是電極所接觸到的許多運(yùn)動(dòng)單元發(fā)出的動(dòng)作電位的總和。通過(guò)將3個(gè)傳感電極(正極、負(fù)極和地)貼在肌肉表面上，肌肉收縮時(shí)，會(huì)產(chǎn)生微弱的生物電流，從而檢測(cè)出肌肉的收縮情況[1,2]。但EMG測(cè)量法仍有許多缺點(diǎn)，如系統(tǒng)的功耗比較大；肌電信號(hào)比較微弱，容易受到電磁干擾；而且電極與皮膚需要接觸良好，接觸的部位容易因出汗等原因滑動(dòng)和脫落，造成測(cè)量誤差等[3]。

目前，更好的方法是采用光體積描記法(photoplethysmogram，PPG)，它的探測(cè)更靈敏，電路的體積和功耗更小，使用更方便。已有文獻(xiàn)報(bào)道將該技術(shù)用于血氧、呼吸、心率、脈搏、血壓[4～8]等人體健康指標(biāo)的測(cè)量上。光體積描記法根據(jù)光源與探測(cè)傳感器的位置不同，分為透射法和反射法。透射法中光源與傳感器位于人體探測(cè)部位的兩側(cè)，適用于探測(cè)較薄的部位，如耳朵、指尖等；反射法中光源與傳感器位于探測(cè)部位的同一側(cè)。對(duì)于肌肉組織，光線很難透射過(guò)去，適合采用反射法。

本文基于光電反射法的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量從皮膚出射的散射光強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)肌肉收縮狀態(tài)的檢測(cè)。

1 測(cè)量原理

1.1 光在肌肉組織中的傳輸特性

人體肌肉里包含有表皮、肌肉、血管、骨骼等組織。當(dāng)光線入射到肌肉中時(shí)，對(duì)光產(chǎn)生吸收作用的物質(zhì)有兩種：一是濃度基本保持恒定的水、黑色素、膽紅素等；另一種會(huì)隨著組織狀態(tài)的不同而發(fā)生變化，如血紅蛋白、細(xì)胞色素氧化酶等。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[9,10]，其他沒(méi)有吸收的光在肌肉中會(huì)經(jīng)歷透射和散射。一部分散射光最終會(huì)從皮膚出射，呈現(xiàn)一個(gè)香蕉狀的傳輸路徑[11]。

表皮、血管、骨骼，對(duì)光的散射作用基本不變，而肌肉則會(huì)變化。當(dāng)肌肉收縮時(shí)，肌肉中的肌纖維變粗，壓迫肌肉中的血管，使血液量減少。根據(jù)修正的朗伯比爾定律如公式(1)所示

A=ln(Ii/Io)=BLεc+G

(1)

式中A為光衰量；Ii和Io分別為入射和出射的光強(qiáng)；L為光源和探測(cè)器間的距離；B為差分路徑因子(differential pathlength factor,DPF)描述實(shí)際路徑與L的倍數(shù)，BL則為光的實(shí)際傳播距離；ε為消光系數(shù)；c為吸光物質(zhì)的濃度；G為表示散射衰減因子。

收縮的肌肉中血液量減少引起吸光物質(zhì)濃度c減少，從而吸收的光量減少，散射的光量相應(yīng)地增加[12,13]。這為探測(cè)肌肉的收縮狀態(tài)提供了依據(jù)。

1.2 探測(cè)光的波長(zhǎng)選擇

不同波長(zhǎng)的光在人體肌肉中的吸收和穿透深度不同，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光、紅外光透射過(guò)皮膚的深度較深，而波長(zhǎng)較短的藍(lán)光、綠光透射深度則較淺[14]。設(shè)計(jì)需要光能盡可能照射到深層的肌肉組織中，本文設(shè)計(jì)中光源選擇紅外光。

2 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

可編程LED恒流驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)大功率紅外LED發(fā)出紅外光，照射到肌肉組織中。紅外探測(cè)電路檢測(cè)經(jīng)過(guò)“香蕉狀”路徑散射出皮膚的光，將微弱的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)后繼的濾波和放大電路處理后，通過(guò)一塊ATmega48單片機(jī)進(jìn)行AD采樣。采樣后的數(shù)據(jù)通過(guò)HC05無(wú)線藍(lán)牙模塊發(fā)送到遠(yuǎn)端的電腦上。整個(gè)電路的工作電源由聚合物鋰電池經(jīng)DC-DC升壓后提供。

2.2 DC-DC升壓電路

整個(gè)電路選用移動(dòng)便攜設(shè)備常用的聚合物鋰離子電池供電，型號(hào)為302030，標(biāo)稱(chēng)輸出電壓是3.7 V，隨著電量的消耗，電池的輸出電壓會(huì)從充滿電的4.2 V降到2.75 V。為了給系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓，設(shè)計(jì)了5 V的DC-DC升壓電路，如圖1所示。升壓芯片選用TI公司的TPS613222A，該芯片所需的外圍元件較少，可以節(jié)省電路板空間，適合可穿戴應(yīng)用場(chǎng)合。電路的輸出電壓為5 V，最大輸出電流可達(dá)500 mA。圖中，L1為提供續(xù)流用的2.2 μH高磁通密度功率貼片電感；D3為增加供電電流的肖特基二極管；C8，C9為減小輸出紋波的22 μF多層陶瓷貼片電容。

圖1 DC-DC升壓電路

2.3 可編程LED恒流驅(qū)動(dòng)電路

根據(jù)LED的特性，需要采用恒流方式驅(qū)動(dòng)[15]，這里采用EMI干擾較小的可編程線性恒流驅(qū)動(dòng)方案，如圖2。

圖2 可編程LED恒流驅(qū)動(dòng)電路

單片機(jī)的I2C總線控制8位DAC芯片LTC2631-LZ8輸出控制電壓VDAC到一塊低噪聲精密運(yùn)放AD8656的“+”輸入端，使該運(yùn)放的輸出端電壓升高，從而使三極管MMBT2222導(dǎo)通，隨著流過(guò)三極管電流的增大，電流取樣電阻R9上的壓降也會(huì)相應(yīng)增大，該電壓反饋到運(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)，從而使流過(guò)LED的電流達(dá)到穩(wěn)定值。從圖2中看出LED、三極管、R9串聯(lián)連接，三極管b極以及R9連接到運(yùn)放“-”輸入端的這兩路電流都非常小，因此流過(guò)R9與LED的電流基本一致，電流計(jì)算公式為

ILED=VDAC/R9

(2)

電路中的LED選用峰值波長(zhǎng)為850 nm，最大驅(qū)動(dòng)電流為100 mA的芯片VSMY3850，R9選用阻值10.0 Ω的精密電阻。LED電流通路中還串聯(lián)了導(dǎo)通電阻僅有0.5 Ω的PMOS管DMP2012SN。單片機(jī)IO端口以100 Hz的頻率控制PMOS管的通斷，在進(jìn)行AD采樣時(shí)導(dǎo)通，其它時(shí)間關(guān)斷，以節(jié)省電池電量。

2.4 紅外光探測(cè)及濾波放大電路

從皮膚散射出來(lái)的紅外光信號(hào)比較微弱，采用如圖3的檢測(cè)電路。選用峰值波長(zhǎng)同樣為850 nm的光電二極管BPW34SR將檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的電流信號(hào)，通過(guò)高精準(zhǔn)運(yùn)放AD8606與電流取樣電阻R1組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，電流信號(hào)ID被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)V1，傳遞函數(shù)為

圖3 紅外光探測(cè)及濾波放大電路

(3)

電壓信號(hào)隨后通過(guò)R4和C6組成的一階低通濾波電路和電阻R7，R8和運(yùn)放組成的同相放大電路進(jìn)行放大后，送到ATmega48單片機(jī)自帶的ADC采樣端口。運(yùn)放AD8606的偏置電壓僅為65 μV，輸入偏置電流僅為1 pA，適用于光電二極管微弱信號(hào)的檢測(cè)。R4和C6組成的低通濾波電路截止頻率計(jì)算公式為

fc=1/(2πR4×C6)=796.2Hz

(4)

2.5 單片機(jī)及AD采樣電路

單片機(jī)及AD采樣電路如圖4所示，選用Microchip公司的ATmega48單片機(jī)，這是一種具有增強(qiáng)RISC結(jié)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芯片控制所需的I2C傳輸模塊、無(wú)線傳輸所需的串口傳輸模塊、定時(shí)器以及16位ADC采樣模塊。ATmega48專(zhuān)門(mén)為ADC采樣模塊提供一個(gè)電源輸入引腳AVCC，電源電壓通過(guò)10 μH電感和0.1 μF電容組成的LC濾波電路輸送到AVCC引腳，LC濾波電路濾除了電源中的高頻噪聲，保證AD采樣的準(zhǔn)確。

圖4 單片機(jī)及ADC采樣電路

3 數(shù)據(jù)測(cè)量

3.1 DC-DC升壓電路輸出測(cè)量

用示波器觀測(cè)DC-DC升壓電路的輸出，為5.080 V，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。進(jìn)一步觀察紋波電壓，峰峰值約為18 mV，紋波較小。

3.2 LED驅(qū)動(dòng)電流測(cè)量

考慮到兼顧穿透皮膚與低功耗的需要，這里選擇LED的驅(qū)動(dòng)電流為35 mA。為了測(cè)量方便，設(shè)置MOS管DMP2012SN一直導(dǎo)通，測(cè)得取樣電阻R9端的電壓為0.347 V，則計(jì)算出LED的驅(qū)動(dòng)電流為0.347/10=0.0347A=34.7 mA，電流符合預(yù)期。

3.3 肌肉等長(zhǎng)收縮測(cè)試

利用所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行肱二頭肌的等長(zhǎng)收縮測(cè)試。等長(zhǎng)收縮(isometric contraction)是指長(zhǎng)度保持恒定而張力發(fā)生變化的肌肉收縮。測(cè)試時(shí)，上臂保持豎直，前臂彎曲90°，用手提著砝碼，從0 kg開(kāi)始每次增加1 kg，增加到5 kg。將設(shè)計(jì)的傳感電路安裝在測(cè)試者上臂肱二頭肌正面的中間部位，用繃帶固定好，同時(shí)用示波器測(cè)量運(yùn)放AD8606濾波放大后的輸出波形，再以重物的重量為X軸，電路的輸出電壓為Y軸，用Origine軟件在坐標(biāo)圖上畫(huà)出數(shù)據(jù)點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 等長(zhǎng)收縮的測(cè)試數(shù)據(jù)

3.4 數(shù)據(jù)分析討論

在實(shí)際測(cè)試中，DC-DC升壓芯片產(chǎn)生了穩(wěn)定的5 V電壓，且紋波較小。LED恒流驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電流也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。在等長(zhǎng)收縮的測(cè)試中，進(jìn)一步探索了肌肉收縮程度與電路輸出電壓的關(guān)系。在同樣前臂彎曲90°的情況下，電路輸出電壓隨著砝碼重量的增加而呈線性增大的趨勢(shì)，經(jīng)軟件線性擬合，變化的斜率為20.29 mV/kg。結(jié)合前述的檢測(cè)原理，是由于肱二頭肌中的肌纖維隨著所施加力的增加成比例地變粗，阻礙肌肉血管中血液的流動(dòng)，血液中吸光量成比例減少了，透射出去的光量相應(yīng)地增加，探測(cè)電路的輸出電壓也就成比例增大。測(cè)量說(shuō)明了該電路可以很好地探測(cè)肌肉的收縮程度。

4 結(jié) 論

本文討論了光在肌肉組織中的傳輸特性，設(shè)計(jì)了基于光反射法的肌肉收縮傳感器，介紹了探測(cè)原理和電路的設(shè)計(jì)思路。電路實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果，觀測(cè)到了肌肉收縮引起的電平變化，并進(jìn)行了肱二頭肌等長(zhǎng)收縮的測(cè)試。整個(gè)電路體積小巧、性能穩(wěn)定、可靠性高，可以在各種應(yīng)用中檢測(cè)肌肉的收縮狀態(tài)，具有一定的實(shí)用意義。