文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.031
中文引用格式: 李佳妮,,王云峰. 一種表面肌電信號(hào)的無(wú)線采集方式[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2017,43(1):118-120,,128.
英文引用格式: Li Jiani,,Wang Yunfeng. Wireless way to collect surface electromyography signal[J].Application of Electronic Technique,2017,,43(1):118-120,,128.
0 引言
肌肉纖維在人體動(dòng)作時(shí)會(huì)因刺激發(fā)生生物離子運(yùn)動(dòng)而形成生物電信號(hào),,電信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)間和空間的疊加在皮膚表面便形成了表面肌電信號(hào)(Surface Electromyography Signal,sEMG),。sEMG可以反映肌肉的活動(dòng)狀況或者肌肉的疲勞程度,,在假肢、手語(yǔ)交流,、肌肉疾病等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值,,例如可以通過(guò)檢測(cè)手指肌肉的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別手勢(shì)從而實(shí)現(xiàn)手語(yǔ)交流;通過(guò)檢測(cè)相應(yīng)肌肉的動(dòng)作信號(hào)控制假肢活動(dòng),;通過(guò)分解sEMG可以評(píng)判肌肉疲勞程度并據(jù)此對(duì)患者進(jìn)行相應(yīng)的疾病診斷,、肌肉康復(fù)或訓(xùn)練,。
sEMG是一種微弱的生物電信號(hào)且受到多種噪聲干擾,如何有效采集一直是sEMG研究的重要課題,,本文利用銀電極的換能作用設(shè)計(jì)一種可貼于人體表面的sEMG檢測(cè)電極,,銀電極將皮膚表面的生物信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電壓信號(hào),將電壓信號(hào)放大濾波后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,,再通過(guò)Bluetooth通信發(fā)送至其他設(shè)備,后續(xù)可經(jīng)處理或顯示或作為控制信號(hào),。
1 實(shí)現(xiàn)方式
如圖1所示,,采集系統(tǒng)整體由五部分構(gòu)成,檢測(cè)電極選取兩級(jí)放大濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的1 000倍放大以及保留主要的能量帶寬20 Hz~450 Hz信息[1],,STM32F103作為控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)化,,并通過(guò)Bluetooth 4.0發(fā)送至PC,PC基于MATLAB平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,,MATLAB以串口方式實(shí)現(xiàn)與Bluetooth 4.0通信,,并通過(guò)中斷方式讀取接收到的數(shù)據(jù),系統(tǒng)整體由電池供電,。
1.1 檢測(cè)電極設(shè)計(jì)
1.1.1 設(shè)計(jì)原理
sEMG是眾多肌纖維中運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼麟娢辉跁r(shí)間和空間上的疊加,,經(jīng)過(guò)皮膚等物質(zhì)的阻抗和電容作用在皮膚表面通常只有1 mV左右的峰值。因此在設(shè)計(jì)檢測(cè)電極時(shí)需考慮多種影響因素,,如檢測(cè)電極的設(shè)計(jì),、放置、噪聲污染等,。
檢測(cè)電極設(shè)計(jì)的基本原理是生物組織在刺激過(guò)程中會(huì)發(fā)生生物離子運(yùn)動(dòng),,從而形成微弱的生物電流,利用銀電極可與皮膚構(gòu)成簡(jiǎn)單的回路,,將生物電信號(hào)轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電壓信號(hào),。根據(jù)研究表明[2],銀電極一般采取固定式間距效果較好,,最佳的間距可設(shè)為10 mm,,可較好地減少鄰近肌肉的串?dāng)_。對(duì)于電極安放,,最佳放置是肌肉腹部[3],,可以減小串?dāng)_并提高信噪比。對(duì)于噪聲污染,,主要考慮生理噪聲,、環(huán)境噪聲以及運(yùn)動(dòng)偽跡,針對(duì)不同的噪聲可采取不同的措施,,通過(guò)差分放大,,選取高共模抑制比的放大器,,選擇合適的測(cè)量位置可以一定程度減小生理噪聲;將測(cè)量電極和放大濾波電路一體化,,避免使用連接線,,可以有效減小環(huán)境噪聲;而運(yùn)動(dòng)偽跡頻率集中在20 Hz以下,,采用高通濾波器可消除運(yùn)動(dòng)偽跡的影響,,另外系統(tǒng)采用電池供電,可減小工頻干擾,。
1.1.2 實(shí)現(xiàn)方式
綜合以上分析,,設(shè)計(jì)了如圖2所示的電路,電路總體分為兩級(jí)放大濾波,,實(shí)現(xiàn)1 000倍的放大以及20 Hz~450 Hz的帶通濾波,。首先選取高共模抑制比的AD8220作為初級(jí)放大濾波器[4],AD8220具有體積微小的MSOP封裝,,放大倍數(shù)由R決定,,R和C可構(gòu)成簡(jiǎn)單的無(wú)源RC高通濾波器濾除低頻的運(yùn)動(dòng)偽跡,銀電極以差分的方式輸入以減少共模噪聲的影響,,測(cè)量時(shí)注意接入?yún)⒖茧姌O并接地,,然后選擇具有雙運(yùn)放的AD8642構(gòu)成帶通濾波器,保留帶寬20 Hz~450 Hz,,濾除其他無(wú)用頻率,。電路制作時(shí)盡可能選取貼片式器件以減小電路板尺寸,便于貼于皮膚表面及最大程度減小受試者的不適感,。
1.2 sEMG無(wú)線傳輸
sEMG經(jīng)電路放大濾波后僅具有1 V左右的峰值,,帶寬集中在20 Hz~450 Hz,而STM32F103內(nèi)部集成12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter,,ADC),,最短采樣時(shí)間為1 μs,足以滿足sEMG的A/D轉(zhuǎn)換,。檢測(cè)電極由電池供電,,選用低功耗的Bluetooth 4.0可延長(zhǎng)設(shè)備待機(jī)時(shí)間。
1.2.1 基于STM32F103的模數(shù)轉(zhuǎn)換
STM32F103內(nèi)部集成3個(gè)12位ADC共18個(gè)通道,,可測(cè)量16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號(hào)源,,信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)寄存器(規(guī)則通道數(shù)據(jù)寄存器或注入通道數(shù)據(jù)寄存器)中。通常ADC需要不間斷采集大量的數(shù)據(jù),,為提高效率,,程序使用直接內(nèi)存存取(Direct Memory Access,DMA)方式從寄存器讀取到內(nèi)存中,,并通過(guò)DMA請(qǐng)求結(jié)束事件以完成一次數(shù)據(jù)采集,,此外程序采用定時(shí)器觸發(fā)方式觸發(fā)ADC并控制采樣率。
DMA方式是將數(shù)據(jù)從一個(gè)地址空間搬運(yùn)到另一個(gè)地址空間,,過(guò)程中無(wú)需CPU中斷,,可很大程度減小CPU中斷負(fù)載,提高采樣效率,。STM32F103具有2個(gè)DMA控制器,,共12個(gè)通道,其中DMA1的Channel1可參與ADC1數(shù)據(jù)搬運(yùn),,在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中程序配置好DMA的相關(guān)參數(shù),,如外設(shè)數(shù)據(jù)地址、內(nèi)存地址,、傳輸方向等,即可實(shí)現(xiàn)DMA方式,?;赟TM32F103 DMA方式進(jìn)行ADC采集程序較為簡(jiǎn)單,故不再詳細(xì)講解程序流程,。
1.2.2 基于Bluetooth 4.0實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸
Bluetooth 4.0是Bluetooth STG在2010年7月7日推出的新規(guī)范,,因其低功耗特性而廣受歡迎。本文選用美國(guó)TI公司CC2541芯片設(shè)計(jì)Bluetooth模塊,,該模塊遵循V4.0 BLE規(guī)范,,可使用AT指令、支持UART接口及SPP Bluetooth串口協(xié)議,。系統(tǒng)基于STM32F103將ADC采集的數(shù)據(jù)通過(guò)Bluetooth 4.0發(fā)送至PC,,該過(guò)程中STM32以UART方式與Bluetooth通信,此方式需保證STM32串口參數(shù)與Bluetooth參數(shù)(波特率,、停止位,、奇偶校驗(yàn)位等)一致,PC以另一個(gè)Bluetooth 4.0設(shè)備接收數(shù)據(jù),,接收和發(fā)送Bluetooth間以MAC地址進(jìn)行配對(duì),,配對(duì)成功后MATLAB采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。
1.2.3 程序設(shè)計(jì)
具體的程序流程如圖3所示,,STM32向Bluetooth發(fā)送AT指令,,并判斷響應(yīng)是否為“OK”,若是則說(shuō)明Bluetooth可正常進(jìn)入AT指令,,可通過(guò)發(fā)送AT指令配置Bluetooth參數(shù),,使之與串口參數(shù)一致;若否則提醒用戶無(wú)法進(jìn)入AT模式并結(jié)束程序。Bluetooth參數(shù)配置完成后,,判斷此時(shí)Bluetooth是否處于配對(duì)狀態(tài),,若否則進(jìn)入查詢狀態(tài),按照MAC地址與上位機(jī)Bluetooth進(jìn)行配對(duì),。配對(duì)成功后,,若PC與STM32成功握手應(yīng)答,則開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù),。
MATLAB將Bluetooth模擬成串口,,其讀取數(shù)據(jù)的方法有查詢發(fā)和事件驅(qū)動(dòng)法。然而由于接收的數(shù)據(jù)較多,、時(shí)間較長(zhǎng),,若采用查詢法,會(huì)極大地占用系統(tǒng)資源,,造成程序效率低下,,因此本文選用事件驅(qū)動(dòng)法結(jié)合回調(diào)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。該方法需指定ByteAvailableFcnMode的值,,其值通??稍O(shè)為byte或terminator。若設(shè)為byte,,表示當(dāng)輸入緩存中的字節(jié)數(shù)達(dá)到BytesAvailableFcnCount指定的大小,,則調(diào)用BytesAvailableFcn中指定的回調(diào)函數(shù);若設(shè)為terminator,,則表示可用鍵盤(pán)某個(gè)按鍵事件觸發(fā)并調(diào)用回調(diào)函數(shù),。
PC每接收完一次數(shù)據(jù),調(diào)用一次回調(diào)函數(shù),,回調(diào)函數(shù)會(huì)將數(shù)據(jù)換算為實(shí)際的數(shù)值(ADC采樣數(shù)據(jù)需經(jīng)過(guò)計(jì)算才與實(shí)際數(shù)值相符)存入txt文件中,。當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后,txt文件中則包含了此次sEMG檢測(cè)的所有數(shù)據(jù),。
2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
如圖4所示,,測(cè)試受試對(duì)象(女,24歲)右手尺側(cè)腕屈肌以觀察握拳動(dòng)作,,測(cè)試掌長(zhǎng)肌以觀察右手食指伸屈動(dòng)作,。進(jìn)行握拳動(dòng)作時(shí)要求受試對(duì)象開(kāi)始時(shí)手掌處于舒張放松狀態(tài),一段時(shí)間后開(kāi)始握拳,,維持時(shí)間不超過(guò)10 s,,之后恢復(fù)到放松狀態(tài),10 s后再次握拳,,如此反復(fù),,直至100 s結(jié)束,;進(jìn)行食指伸屈動(dòng)作受試對(duì)象開(kāi)始五指彎曲,一段時(shí)間后伸展食指,,維持時(shí)間不超過(guò)10 s,,后彎曲食指,如此反復(fù),,直至100 s結(jié)束,。檢測(cè)電極以STM32F103為控制器,將檢測(cè)電極采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后通過(guò)Bluetooth 4.0發(fā)送至PC,,PC以Bluetooth 4.0接收數(shù)據(jù),,并通過(guò)MATLAB讀取接收到的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行直觀顯示。
從圖4中可以觀察到,,在100 s內(nèi)sEMG具有約5次較大的波動(dòng),,這與實(shí)際進(jìn)行了5次握拳和伸屈動(dòng)作的事實(shí)相符;5次波動(dòng)幅值各不相同,,這反應(yīng)了每次的握拳和伸屈力度各不均等,,動(dòng)作力度越大,電壓波動(dòng)越大,,由此可以看出該采集系統(tǒng)可以較為明顯地反映動(dòng)作次數(shù)和力度,。
對(duì)比圖4(a)和圖4(b),前者在握拳動(dòng)作持續(xù)期間電壓一直處于波動(dòng)狀態(tài),,且隨著握拳力度的增加或減小,電壓波形也會(huì)劇烈或舒緩,;而后者在食指伸展的瞬間電壓波動(dòng)較大,,但并不一直存在于食指伸展的過(guò)程中,這與實(shí)際情況相符,;尺側(cè)腕屈肌在握拳動(dòng)作持續(xù)期間一直處于刺激狀態(tài),,而掌長(zhǎng)肌只在手指伸展的瞬間被刺激之后恢復(fù)常態(tài),這也說(shuō)明不同肌肉具有不同的sEMG信號(hào)特征,,可反映不同的動(dòng)作信號(hào),,利用該特征可通過(guò)測(cè)試不同肌肉的sEMG獲取不同的動(dòng)作信號(hào)。
3 結(jié)束語(yǔ)
近年來(lái)sEMG在手勢(shì)識(shí)別,、假肢控制,、肌肉疾病診斷和康復(fù)等領(lǐng)域中呈現(xiàn)了越來(lái)越大的研究?jī)r(jià)值,但因其微弱和易受干擾性使得檢測(cè)存在困難,。本文利用銀電極的特性,,將sEMG轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電壓信號(hào),基于STM32F103對(duì)其采樣后通過(guò)Bluetooth 4.0發(fā)送至其他控制設(shè)備,,控制設(shè)備只需具備Bluetooth接收功能即可接收數(shù)據(jù),。sEMG包含大量表征肌肉生物特征的信息,控制設(shè)備可對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分解或者特征提取,提取這些生物信息,。
參考文獻(xiàn)
[1] ROY S H,,COLE B T,GILMORE L D,,et al.High-resolution tracking of motor disorders in Parkinson′s disease during unconstrained activity[J].Movement Disorders,,2013,28(8):1080-1087.
[2] DELUCA C J,,KUZNETSOV M,,GILMORE L D,et al.Inter-electrode spacing of surface EMG sensors:Reduction of crosstalk contamination during voluntary contractions[J].Journal of Biomechanics,,2012,,45(3):555-561.
[3] ZAHEER F,ROY S H,,DELUCA C J.Preferred sensor sites for surface EMG signal decomposition[J].Physiological Measurement,,2012(33):195-206.
[4] 趙章琰.表面肌電信號(hào)檢測(cè)和處理中若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010.
作者信息:
李佳妮,王云峰
(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 中國(guó)科學(xué)院微電子研究所 新一代通信射頻芯片技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,,北京100029)