基于CAN總線的肌電檢測系統開發與應用

王金平

摘 要： 簡要闡述了肌電檢測系統的構成與應用，是典型的跨學科研究，采用醫工結合的方法，應用在醫療康復機器人系統中，明顯地具有實踐效果的放大性。

關鍵詞： sEMG；CAN總線；肌電檢測；康復機器人

跨學科研究是近來科學方法討論的熱點之一，基于CAN總線的肌電檢測系統提出一種全新的方案與研究方法，利用醫工結合的方法，發揮交叉學科優勢，建立新型系統平臺。系統由三大部分組成：肌電檢測模塊、CAN總線通信模塊和上位機軟件。

一、肌電檢測模塊

隨著社會的發展，對醫療保健產品的需求變大，同時對產品的要求也會更高，肌電信號是神經肌肉系統在進行隨意性和非隨意性活動時的生物電變化經電極引導、放大、顯示和記錄所獲得的一維電壓時間序列信號，肌電近年來的研究在不斷加深，廣泛用于體育科學研究、康復醫學臨床和基礎研究等領域，肌電信號檢測是一個實用系統，不僅是基礎研究的需要，而且對于了解人體神經系統信息及康復工程都有著深遠的意義。表面肌電信號（surface electromyography，sEMG）是肌電檢測的一種，是肌肉收縮時伴隨的電信號，相對于針電極EMG，SEMG在測量上具有非侵入性、無創傷、操作簡單等優點，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。模塊有三片Ag/AgCl電極，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。

二、CAN總線通信模塊運用

基于自主優先級仲裁和錯誤重發機制的CAN總線應用十分廣泛，控制器局部網（CAN—Controller Area Network）是一種現場總線，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。CAN總線網絡上任意一個節點均可以在任意時刻主動地向網絡上的其他節點發送信息，可以實現全分布式多機系統，提高數據在網絡中傳輸的可靠性。在各種現場總線中，其結構簡單、應用靈活方便，CAN總線在汽車工業、自動控制、航空航天、機械工業、醫療器械等領域中得到了極大的應用和發展。肌電檢測系統以CAN總線進行肌電信號的通信，多路肌電信號實時上傳，實現了在設計成本、傳輸速率、傳輸穩定性、傳輸安全性、易于組網以及總線協議完善設計方面的優勢。實際開發中網絡兩端都需要加終端電阻120Ω；使用屏蔽雙絞線，屏蔽層單點接大地；收發器CAN接口輸出的差分電平會隨著供電電壓的變化而變化，供電電壓應在規定范圍內。

三、上位機軟件

基于CAN總線的肌電檢測系統的上位機軟件就是智能康復機器人軟件系統，肌電檢測信號通過CAN總線通信上傳給上位機軟件系統，優化踝關節智能康復機器人功能。

四、總結

中國人口老齡化問題日益突出、人工成本急劇上升以及整體經濟結構面臨轉型，未來無論短期或是長期，助老和醫用的服務型機器人將領先發展，機器人未來的崛起及其巨大的市場規模已經被各大機構認可，目前現有的肌電檢測設備專用性強（如心電圖機），并且價格昂貴；或者無醫療許可，設備接口也不匹配。本課題研究的肌電檢測系統創新的應用于踝關節康復機器人，組成患者健側運動信息檢測部分。利用肌電檢測系統采集健側信號結合康復機器人反饋信息帶動患側進行治療，提高康復訓練的效果，發揮了跨學科應用的優勢。