0 引言

    肌肉纖維在人體動作時會因刺激發(fā)生生物離子運動而形成生物電信號,，電信號經(jīng)過時間和空間的疊加在皮膚表面便形成了表面肌電信號(Surface Electromyography Signal，sEMG),。sEMG可以反映肌肉的活動狀況或者肌肉的疲勞程度,，在假肢、手語交流,、肌肉疾病等領域具有重要的應用價值,，例如可以通過檢測手指肌肉的運動狀態(tài)識別手勢從而實現(xiàn)手語交流；通過檢測相應肌肉的動作信號控制假肢活動,；通過分解sEMG可以評判肌肉疲勞程度并據(jù)此對患者進行相應的疾病診斷,、肌肉康復或訓練。

    sEMG是一種微弱的生物電信號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計一種可貼于人體表面的sEMG檢測電極，銀電極將皮膚表面的生物信號轉(zhuǎn)換為可測量的電壓信號,，將電壓信號放大濾波后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,，再通過Bluetooth通信發(fā)送至其他設備，后續(xù)可經(jīng)處理或顯示或作為控制信號,。

1 實現(xiàn)方式

    如圖1所示,，采集系統(tǒng)整體由五部分構(gòu)成，檢測電極選取兩級放大濾波實現(xiàn)對信號的1 000倍放大以及保留主要的能量帶寬20 Hz～450 Hz信息^[1],，STM32F103作為控制器實現(xiàn)對信號的A/D轉(zhuǎn)化,，并通過Bluetooth 4.0發(fā)送至PC，PC基于MATLAB平臺對數(shù)據(jù)進行處理,，MATLAB以串口方式實現(xiàn)與Bluetooth 4.0通信,，并通過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 檢測電極設計

1.1.1 設計原理

    sEMG是眾多肌纖維中運動單元動作電位在時間和空間上的疊加,，經(jīng)過皮膚等物質(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。因此在設計檢測電極時需考慮多種影響因素,，如檢測電極的設計,、放置、噪聲污染等,。

    檢測電極設計的基本原理是生物組織在刺激過程中會發(fā)生生物離子運動,，從而形成微弱的生物電流，利用銀電極可與皮膚構(gòu)成簡單的回路,，將生物電信號轉(zhuǎn)化為可測量的電壓信號,。根據(jù)研究表明^[2]，銀電極一般采取固定式間距效果較好,，最佳的間距可設為10 mm,，可較好地減少鄰近肌肉的串擾,。對于電極安放，最佳放置是肌肉腹部^[3],，可以減小串擾并提高信噪比,。對于噪聲污染，主要考慮生理噪聲,、環(huán)境噪聲以及運動偽跡,，針對不同的噪聲可采取不同的措施，通過差分放大,，選取高共模抑制比的放大器,，選擇合適的測量位置可以一定程度減小生理噪聲；將測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,；而運動偽跡頻率集中在20 Hz以下,，采用高通濾波器可消除運動偽跡的影響，另外系統(tǒng)采用電池供電,，可減小工頻干擾,。

1.1.2 實現(xiàn)方式

    綜合以上分析，設計了如圖2所示的電路,，電路總體分為兩級放大濾波,，實現(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)成簡單的無源RC高通濾波器濾除低頻的運動偽跡,，銀電極以差分的方式輸入以減少共模噪聲的影響,，測量時注意接入?yún)⒖茧姌O并接地，然后選擇具有雙運放的AD8642構(gòu)成帶通濾波器,，保留帶寬20 Hz～450 Hz,，濾除其他無用頻率。電路制作時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），最短采樣時間為1 μs,，足以滿足sEMG的A/D轉(zhuǎn)換,。檢測電極由電池供電,，選用低功耗的Bluetooth 4.0可延長設備待機時間。

1.2.1 基于STM32F103的模數(shù)轉(zhuǎn)換

    STM32F103內(nèi)部集成3個12位ADC共18個通道,，可測量16個外部和2個內(nèi)部信號源,，信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后存儲在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DMA請求結(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)從一個地址空間搬運到另一個地址空間,，過程中無需CPU中斷，可很大程度減小CPU中斷負載,，提高采樣效率,。STM32F103具有2個DMA控制器，共12個通道,，其中DMA1的Channel1可參與ADC1數(shù)據(jù)搬運,，在具體實現(xiàn)過程中程序配置好DMA的相關參數(shù)，如外設數(shù)據(jù)地址,、內(nèi)存地址,、傳輸方向等，即可實現(xiàn)DMA方式,?；赟TM32F103 DMA方式進行ADC采集程序較為簡單，故不再詳細講解程序流程,。

1.2.2 基于Bluetooth 4.0實現(xiàn)無線傳輸

    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TI公司CC2541芯片設計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Bluetooth 4.0發(fā)送至PC,，該過程中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,、奇偶校驗位等）一致，PC以另一個Bluetooth 4.0設備接收數(shù)據(jù)，接收和發(fā)送Bluetooth間以MAC地址進行配對,，配對成功后MATLAB采用中斷方式進行數(shù)據(jù)接收,。

1.2.3 程序設計

    具體的程序流程如圖3所示，STM32向Bluetooth發(fā)送AT指令,，并判斷響應是否為“OK”,，若是則說明Bluetooth可正常進入AT指令，可通過發(fā)送AT指令配置Bluetooth參數(shù),，使之與串口參數(shù)一致,；若否則提醒用戶無法進入AT模式并結(jié)束程序。Bluetooth參數(shù)配置完成后,，判斷此時Bluetooth是否處于配對狀態(tài),，若否則進入查詢狀態(tài)，按照MAC地址與上位機Bluetooth進行配對,。配對成功后,，若PC與STM32成功握手應答，則開始發(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)動法。然而由于接收的數(shù)據(jù)較多,、時間較長，若采用查詢法,，會極大地占用系統(tǒng)資源,，造成程序效率低下，因此本文選用事件驅(qū)動法結(jié)合回調(diào)函數(shù)進行數(shù)據(jù)讀取,。該方法需指定ByteAvailableFcnMode的值,，其值通常可設為byte或terminator,。若設為byte,，表示當輸入緩存中的字節(jié)數(shù)達到BytesAvailableFcnCount指定的大小，則調(diào)用BytesAvailableFcn中指定的回調(diào)函數(shù),；若設為terminator,，則表示可用鍵盤某個按鍵事件觸發(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)會將數(shù)據(jù)換算為實際的數(shù)值（ADC采樣數(shù)據(jù)需經(jīng)過計算才與實際數(shù)值相符）存入txt文件中。當一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后,，txt文件中則包含了此次sEMG檢測的所有數(shù)據(jù),。

2 實驗測試

    如圖4所示，測試受試對象（女，24歲）右手尺側(cè)腕屈肌以觀察握拳動作,，測試掌長肌以觀察右手食指伸屈動作,。進行握拳動作時要求受試對象開始時手掌處于舒張放松狀態(tài)，一段時間后開始握拳,，維持時間不超過10 s,，之后恢復到放松狀態(tài)，10 s后再次握拳,，如此反復,，直至100 s結(jié)束；進行食指伸屈動作受試對象開始五指彎曲,，一段時間后伸展食指,，維持時間不超過10 s，后彎曲食指,，如此反復,，直至100 s結(jié)束。檢測電極以STM32F103為控制器,，將檢測電極采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后通過Bluetooth 4.0發(fā)送至PC,，PC以Bluetooth 4.0接收數(shù)據(jù)，并通過MATLAB讀取接收到的數(shù)據(jù)并對其進行直觀顯示,。

    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，這與實際進行了5次握拳和伸屈動作的事實相符,；5次波動幅值各不相同,，這反應了每次的握拳和伸屈力度各不均等，動作力度越大,，電壓波動越大,，由此可以看出該采集系統(tǒng)可以較為明顯地反映動作次數(shù)和力度。

    對比圖4(a)和圖4(b),，前者在握拳動作持續(xù)期間電壓一直處于波動狀態(tài),，且隨著握拳力度的增加或減小，電壓波形也會劇烈或舒緩,；而后者在食指伸展的瞬間電壓波動較大,，但并不一直存在于食指伸展的過程中，這與實際情況相符,；尺側(cè)腕屈肌在握拳動作持續(xù)期間一直處于刺激狀態(tài),，而掌長肌只在手指伸展的瞬間被刺激之后恢復常態(tài)，這也說明不同肌肉具有不同的sEMG信號特征,，可反映不同的動作信號,，利用該特征可通過測試不同肌肉的sEMG獲取不同的動作信號。 

3 結(jié)束語

    近年來sEMG在手勢識別、假肢控制,、肌肉疾病診斷和康復等領域中呈現(xiàn)了越來越大的研究價值,，但因其微弱和易受干擾性使得檢測存在困難。本文利用銀電極的特性,，將sEMG轉(zhuǎn)換為可測量的電壓信號,，基于STM32F103對其采樣后通過Bluetooth 4.0發(fā)送至其他控制設備，控制設備只需具備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,，控制設備可對接收到的信號進行分解或者特征提取，提取這些生物信息,。

參考文獻

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[4] 趙章琰.表面肌電信號檢測和處理中若干關鍵技術研究[D].合肥：中國科學技術大學,2010.

作者信息:

李佳妮，王云峰

(中國科學院大學 中國科學院微電子研究所 新一代通信射頻芯片技術北京市重點實驗室,，北京100029)