肌電信號（EMG）是眾多肌纖維中運動單元動作電位（MUAP）在時間和空間上的疊加。表面肌電信號（SEMG）是淺層肌肉EMG和神經幹上電活動在皮膚表面的綜合效應，能在一定程度上反映神經肌肉的活動；相對於針電極EMG，SEMG在測量上具有非侵入性、無創傷、操作簡單等優點。因而，SEMG在臨床醫學、人機功效學、康復醫學以及體育科學等方面均有重要的實用價值。
基本介紹
- 中文名：肌電信號
- 外文名：EMG
- 類型：信號
- 屬性：肌電
套用,SEMG採集問題,硬體電路設計,軟體系統設計,總結,
套用
表面肌電信號是肌肉收縮時伴隨的電信號，是在體表無創檢測肌肉活動的重要方法。我們研究分析表面肌電信號的檢測與分析方法，也包括檢測技術與裝置及利用表面肌電信號反饋控制外部裝置的方法等。其套用背景主要集中在康復醫學和體育科學兩大領域。
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肌電信號（EMG）是眾多肌纖維中運動單元動作電位（MUAP）在時間和空間上的疊加。表面肌電信號（SEMG）是淺層肌肉EMG和神經幹上電活動在皮膚表面的綜合效應，能在一定程度上反映神經肌肉的活動；相對於針電極EMG，SEMG在測量上具有非侵入性、無創傷、操作簡單等優點。因而，SEMG在臨床醫學、人機功效學、康復醫學以及體育科學等方面均有重要的實用價值。
肌電信號（EMG）是眾多肌纖維中運動單元動作電位（MUAP）在時間和空間上的疊加。表面肌電信號（SEMG）是淺層肌肉EMG和神經幹上電活動在皮膚表面的綜合效應，能在一定程度上反映神經肌肉的活動；相對於針電極EMG，SEMG在測量上具有非侵入性、無創傷、操作簡單等優點。因而，SEMG在臨床醫學、人機功效學、康復醫學以及體育科學等方面均有重要的實用價值。
SEMG採集問題
隨著檢測技術和信號處理手段的發展，用SEMG代替針電極EMG進行全面臨床無損診斷已成為生物醫學和醫學界研究的熱點問題之一。人體的SEMG很微弱、易受干擾，測量難度大，如何有效採集提取SEMG已成為SEMG套用的關鍵技術之一。
目前套用的SEMG採集裝置大多將採集到的SEMG通過導線傳送到數據採集卡或特定的醫療儀器進行分析處理，採樣電極貼上於皮膚表面，電極供電則間接來自市電。這種方法的顯著不足如下：（1）需要專用儀器完成信號採集，套用場合受限制，如無法採集短跑運動中的運動員肢體SEMG；（2）因有導線相連，當肢體運動時，易導致電極與皮膚間的相對運動，影響採集結果；（3）供電電源由市電處理後獲取，引入了較大的工頻干擾，增加了數據處理難度；（4）若導線較長，則極易引入環境中的其他干擾，如電磁干擾等。
本文介紹了一種微型的、無線的、採用電池供電、帶數據存儲功能的SEMG採集裝置，較好解決了當前SEMG採集裝置普遍存在的問題。
本文介紹了一種微型的、無線的、採用電池供電、帶數據存儲功能的SEMG採集裝置，較好解決了當前SEMG採集裝置普遍存在的問題。
硬體電路設計
根據神經生理知識，肌肉動作電位將產生-90mV到30mV的電勢差，由於人體是電的不良導體（1MΩ數量級內阻），故從體表的貼片電極上只能獲得1mV左右的峰值。根據文獻，SEMG中往往混合著甚低頻（接近直流）和高頻的干擾信號，而有效的肌電信號頻譜分布在10-500Hz間。故從貼片電極檢測出的信號需經過高通濾波（隔直處理）、高倍放大、低通濾波（濾除高頻干擾）等信號調理過程。據此，本文的SEMG採集裝置結構如圖1所示。
圖1 SEMG採集裝置框圖
採樣電極採用Ag/AgCl表面電極，其極化電壓小，能快速獲得穩定的肌電信號。本設計中一個電極由三片相互平行的Ag/AgCl電極構成，中間電極為參考地端，兩側兩個構成差分輸入端。引入的參考地端電極有效降低了噪聲干擾，提高了共模抑制能力。
信號調理電路主要包括高通濾波、高倍放大、低通濾波幾個部分。若將電極拾取的體表肌電信號直接接入高倍放大器，則由於噪聲的影響，輸出信號易發生漂移並很快達到飽和，故先將信號接入高通濾波電路後再送入高倍放大電路。高倍放大電路中採用儀用放大器INA118，其共模抑制比高達115dB，失調電壓<50uV，只需外掛一個精密電阻就可設定1~10000的放大倍數。為濾除高頻噪聲，放大後的信號被接入低通濾波器，低通濾波截止頻率設定為600Hz。本系統採用電壓穩定、純淨的電池供電，且避免了外部導線易引入的干擾，故可省去常見的50Hz陷波器。使用50Hz陷波器存在消除部分50Hz有用信號的缺點。
MCU採用MSP430F167，其片內外圍豐富，有DMA、12位AD模組（ADC12）、硬體乘法器（MPY）、USART、16位Timer及多達48個I/O口。本系統中，利用ADC12對肌電信號採樣，並對採樣結果進行濾波處理，提高了採樣的準確性；DMA配合ADC12使用，大大提高了讀取AD採樣結果的速度；MPY極大提高了數據處理速度。本系統運行於8M時鐘下，且設定採樣頻率為2000Hz，完全滿足採樣間隔要求。
FLASH採用了8Mbit的SST25VF080B，與MCU間採用SPI接口，操作方便。本系統中，每個採樣數據占兩個位元組，可記錄近500秒的肌電信號，完全滿足肌電信號的一般處理需要。特別是，當需要完整記錄運動員在某一運動過程中肌電信號變化情況時，本裝置特有的無線連線及超長存儲時間的優點是傳統採集儀所不具備的。
系統由3.6V鋰電池供電，經高效的RH5RL33AA後為系統提供+3.3V電源，同時系統對電池電壓進行監控，當電池電量不足時通過LED發光提示。按鍵用於啟動、停止肌電信號採集，也可實現其他基本操作。考慮到系統低功耗及精簡的需要，本設計中未採用液晶或數碼管顯示，僅通過兩個LED燈指示系統的當前狀態。
本裝置的USB接口用於與PC機進行通訊，操作簡單方便。當需要將採集的肌電信號上傳到PC機分析處理時，MCU從FLASH內讀取存儲的肌電信號，通過UART接口傳送到CP2102。CP2102用於實現USB信號與UART之間的轉換。CP2102與MCU及存儲電路之間獨立供電，在肌電信號採集階段及系統待機狀態下，CP2102不消耗電池能量；當與PC機通訊時，CP2102供電電路工作，其中的BM1117-3.3將USB匯流排的+5V電源轉換為+3.3V向CP2102供電。
採樣電極採用Ag/AgCl表面電極，其極化電壓小，能快速獲得穩定的肌電信號。本設計中一個電極由三片相互平行的Ag/AgCl電極構成，中間電極為參考地端，兩側兩個構成差分輸入端。引入的參考地端電極有效降低了噪聲干擾，提高了共模抑制能力。
信號調理電路主要包括高通濾波、高倍放大、低通濾波幾個部分。若將電極拾取的體表肌電信號直接接入高倍放大器，則由於噪聲的影響，輸出信號易發生漂移並很快達到飽和，故先將信號接入高通濾波電路後再送入高倍放大電路。高倍放大電路中採用儀用放大器INA118，其共模抑制比高達115dB，失調電壓<50uV，只需外掛一個精密電阻就可設定1~10000的放大倍數。為濾除高頻噪聲，放大後的信號被接入低通濾波器，低通濾波截止頻率設定為600Hz。本系統採用電壓穩定、純淨的電池供電，且避免了外部導線易引入的干擾，故可省去常見的50Hz陷波器。使用50Hz陷波器存在消除部分50Hz有用信號的缺點。
MCU採用MSP430F167，其片內外圍豐富，有DMA、12位AD模組（ADC12）、硬體乘法器（MPY）、USART、16位Timer及多達48個I/O口。本系統中，利用ADC12對肌電信號採樣，並對採樣結果進行濾波處理，提高了採樣的準確性；DMA配合ADC12使用，大大提高了讀取AD採樣結果的速度；MPY極大提高了數據處理速度。本系統運行於8M時鐘下，且設定採樣頻率為2000Hz，完全滿足採樣間隔要求。
FLASH採用了8Mbit的SST25VF080B，與MCU間採用SPI接口，操作方便。本系統中，每個採樣數據占兩個位元組，可記錄近500秒的肌電信號，完全滿足肌電信號的一般處理需要。特別是，當需要完整記錄運動員在某一運動過程中肌電信號變化情況時，本裝置特有的無線連線及超長存儲時間的優點是傳統採集儀所不具備的。
系統由3.6V鋰電池供電，經高效的RH5RL33AA後為系統提供+3.3V電源，同時系統對電池電壓進行監控，當電池電量不足時通過LED發光提示。按鍵用於啟動、停止肌電信號採集，也可實現其他基本操作。考慮到系統低功耗及精簡的需要，本設計中未採用液晶或數碼管顯示，僅通過兩個LED燈指示系統的當前狀態。
本裝置的USB接口用於與PC機進行通訊，操作簡單方便。當需要將採集的肌電信號上傳到PC機分析處理時，MCU從FLASH內讀取存儲的肌電信號，通過UART接口傳送到CP2102。CP2102用於實現USB信號與UART之間的轉換。CP2102與MCU及存儲電路之間獨立供電，在肌電信號採集階段及系統待機狀態下，CP2102不消耗電池能量；當與PC機通訊時，CP2102供電電路工作，其中的BM1117-3.3將USB匯流排的+5V電源轉換為+3.3V向CP2102供電。
軟體系統設計
系統平時處於低功耗模式，MCU關閉所有的片內外圍，運行於低功耗模式4（LPM4）狀態。需要工作時，CPU被喚醒，進入正常工作模式。系統由中斷驅動，主要有按鍵中斷、UART中斷、定時中斷，系統退出中斷後運行於低功耗模式。
當有按鍵中斷髮生時，MCU被喚醒，並根據按鍵值進行相應的處理。按鍵中斷處理流程如圖2所示。
圖2按鍵中斷處理流程
除通過按鍵和LED指示對本裝置進行操作外，系統可接受PC機軟體的控制。當按鍵2和按鍵3按下後，系統啟動定時器，若在定時時間內接收到PC機的控制命令，則進行相應處理，否則未收到通信請求即自動回到低功耗模式。系統與PC機間共有3種命令，分別為讀肌電信號、讀電池狀態、讀存儲器狀態。系統與PC機通訊時，主要由UART傳送和接收中斷驅動。UART傳送中斷程式判斷有無後續數據需傳送並進行相應處理，UART接收中斷程式處理流程如圖3所示。
本系統中，PC機軟體採用Visual C++設計完成，主要涉及的內容為人機界面設計、串口通信編程、簡單算法實現和檔案讀寫操作。人機界面設計主要用到一些按鈕、文本框等控制項，用以提供對肌電信號採集裝置的控制；所有的通信編程使用控制項MSCOMM實現，在PC機安裝CP2102驅動後，本裝置會被識別為一個串口設備；簡單算法主要實現對接收到的數據進行分析處理，還原為實際電壓值；讀寫檔案實現將讀取到的肌電信號以文本形式存儲下來，便於利用其他數學工具（如MATLAB）進行分析處理。圖4為PC機軟體截圖。
除通過按鍵和LED指示對本裝置進行操作外，系統可接受PC機軟體的控制。當按鍵2和按鍵3按下後，系統啟動定時器，若在定時時間內接收到PC機的控制命令，則進行相應處理，否則未收到通信請求即自動回到低功耗模式。系統與PC機間共有3種命令，分別為讀肌電信號、讀電池狀態、讀存儲器狀態。系統與PC機通訊時，主要由UART傳送和接收中斷驅動。UART傳送中斷程式判斷有無後續數據需傳送並進行相應處理，UART接收中斷程式處理流程如圖3所示。
本系統中，PC機軟體採用Visual C++設計完成，主要涉及的內容為人機界面設計、串口通信編程、簡單算法實現和檔案讀寫操作。人機界面設計主要用到一些按鈕、文本框等控制項，用以提供對肌電信號採集裝置的控制；所有的通信編程使用控制項MSCOMM實現，在PC機安裝CP2102驅動後，本裝置會被識別為一個串口設備；簡單算法主要實現對接收到的數據進行分析處理，還原為實際電壓值；讀寫檔案實現將讀取到的肌電信號以文本形式存儲下來，便於利用其他數學工具（如MATLAB）進行分析處理。圖4為PC機軟體截圖。
圖3 UART接收中斷處理流程
圖4 SEMG數據採集軟體界面
總結
本文介紹了一種微型的、採用電池供電、帶數據存儲功能的SEMG採集裝置，大大降低了肌電信號的干擾源，提高了裝置的使用便利性。實際使用結果論證了依據本文所述方法設計的SEMG裝置使用方便靈活，採集的肌電信號干擾小。
