肌電信號無線采集裝置的研制及應(yīng)用

馮媛媛，戴威，王文波，蔡雷，王浩

(1. 南京航空航天大學(xué) a. 航天學(xué)院，b. 仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所, c. 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210016; 2. 山東省科學(xué)院生物研究所，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

肌電(EMG)信號的采集與分析已成為生物學(xué)和醫(yī)學(xué)界研究的熱點(diǎn)之一。肌電信號微弱，采集易受干擾、測量難度大，有效地提取肌電信號是EMG應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵方面[1]。

采集肌電信號的傳輸方式分有線信號傳輸和無線信號傳輸兩種。有線信號傳輸速度快，穩(wěn)定性高，但在便攜性方面存在缺陷，通常應(yīng)用于靜止目標(biāo)肌電信號的采集。無線信號傳輸避免了過多的信號傳輸線路對采集目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的束縛和運(yùn)動(dòng)區(qū)域的限制，適于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的肌電信號采集。

在適于小動(dòng)物攜帶的肌電信號無線采集設(shè)備方面，國外Harrison等研制了基于集成電路的EMG無線采集設(shè)備，用于蝗蟲EMG信號的采集[2]。Thomos等人研制出的適用于飛行昆蟲的EMG無線采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)以集成電路為核心，通過無線射頻傳輸電能，有效地減除了電池的質(zhì)量[3]。 Grand等人研制出適用于貓、兔子等動(dòng)物的EMG無線采集設(shè)備，同時(shí)結(jié)合了高速攝像機(jī)，用于同步記錄貓的肌電信號以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[4]。國內(nèi)對人體表面肌電信號的采集系統(tǒng)研究較多[5-8]，而對適用于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)肌電信號采集的無線信息傳輸研究較少。目前僅有南京航空航天大學(xué)劉婷婷設(shè)計(jì)了大壁虎肌電信號在體采集裝置[9]，將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至TF卡，通過后期讀取數(shù)據(jù)對大壁虎的肌電信號進(jìn)行研究，不具備EMG信號實(shí)時(shí)顯示與監(jiān)測功能。

考慮到集成電路設(shè)計(jì)難、成本高，以及適用于自由運(yùn)動(dòng)小動(dòng)物EMG信號采集、實(shí)時(shí)傳輸與顯示存儲(chǔ)方面的研究尚未見報(bào)道。故本文提出了一套適用于靜態(tài)以及運(yùn)動(dòng)小動(dòng)物EMG信號的實(shí)時(shí)采集、傳輸與監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在實(shí)時(shí)監(jiān)測EMG信號的同時(shí)，兼具遠(yuǎn)距離傳輸和操作便捷的特點(diǎn)，為自由運(yùn)動(dòng)小動(dòng)物EMG信號采集，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及力學(xué)同步測試和分析奠定基礎(chǔ)。

1 工作原理

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。首先8個(gè)通道所采集到的肌電信號經(jīng)過單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)CD4051進(jìn)行選通。其中CD4051可以達(dá)到MHz級別的選通速度，由單片機(jī)引腳控制選通，以此實(shí)現(xiàn)信號的同步采集功能。然后，經(jīng)過首級電壓放大、濾波、末級電壓放大后由單片機(jī)的A/D進(jìn)行模擬信號采集。STM32F103RCT6將采集到的肌電信號進(jìn)行數(shù)字濾波后，經(jīng)過nRF24L01無線收發(fā)模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，無線接收端將接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機(jī)同步實(shí)現(xiàn)信號的顯示與存儲(chǔ)。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)所用STM32F103RCT6具有256 kB的Flash、48 kB的SRAM、2個(gè)SPI、3個(gè)串口、1個(gè)DMA控制器以及2個(gè)12位的ADC。ADC的最大轉(zhuǎn)換速率可達(dá)1 MHz，完全滿足頻率范圍在0～500 Hz的肌電信號采樣要求。所用nRF24L01無線模塊為工作頻率2.4～2.5 GHz的ISM單片無線收發(fā)器芯片，通過配置最高可實(shí)現(xiàn)2 Mb/s的通信速率，具有功耗低，抗干擾能力強(qiáng)等特性，與單片機(jī)的DMA控制器配合進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可有效提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能。

2 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

鑒于所采集的肌電信號較弱，幅值一般在5mV以內(nèi)[10]，頻率主要集中在0～500Hz之間，容易受到工頻的干擾，設(shè)計(jì)了如圖2所示肌電信號采集系統(tǒng)前端調(diào)理電路：主要包括前端放大電路、50Hz工頻限波電路、帶通濾波電路以及后端放大電路。前端信號放大是非常重要的階段，需要將信號放大合適范圍同時(shí)抑制干擾與噪聲。本文采用了儀表放大器INA128，該芯片可以有效抑制共模干擾，具有低噪聲、低功耗以及精度高等特點(diǎn)。前端放大倍數(shù)為20倍。選用的運(yùn)算放大器LMH6644，具有超低偏置電流、失調(diào)和漂移的特點(diǎn)，以避免肌電信號淹沒在器件本身的噪聲中。

為了提取有效的肌電信號，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的帶通濾波器的截止頻率范圍是10～1 000Hz，實(shí)際測得幅頻特性如圖3(b)所示。此外，采用有源T型陷波器的方法，對50Hz的工頻干擾進(jìn)行有效濾除，使50Hz工頻衰減-25dB，實(shí)際測得幅頻特性如圖3(a)所示。最后進(jìn)行末級放大，將處理后的信號放大到適合的范圍內(nèi)供單片機(jī)A/D進(jìn)行采樣，整個(gè)調(diào)理電路最終將信號放大了1 000倍。

圖2 信號調(diào)理電路

圖3 濾波電路波特圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為下位機(jī)軟件部分以及上位機(jī)軟件部分，下位機(jī)軟件用以實(shí)現(xiàn)肌電信號的采集、處理及無線傳輸功能。基于LabVIEW的上位機(jī)軟件部分則用于實(shí)現(xiàn)肌電信號數(shù)據(jù)處理、還原顯示以及存儲(chǔ)功能。

3.1 基于STM32F103下位機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件系統(tǒng)包括信號采集與無線發(fā)送以及無線模塊數(shù)據(jù)接收兩部分。由于生物肌電信號的頻率主要集中在0～500Hz，為了真實(shí)、全面地進(jìn)行信號采樣。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，系統(tǒng)采用定時(shí)器方式實(shí)現(xiàn)A/D等間隔信號采樣，定時(shí)間隔為0.1ms，即采樣頻率為10kHz。采樣后的數(shù)據(jù)經(jīng)由nRF24L01無線模塊發(fā)送出去，其程序流程圖如圖4(a)所示。

無線接收端在接收到9 600個(gè)字節(jié)后，為數(shù)據(jù)添加上兩個(gè)字節(jié)的幀頭后將其作為一個(gè)數(shù)據(jù)包通過串口DMA的方式發(fā)送至上位機(jī)，其中串口波特率設(shè)置為921 600，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸；通過DMA傳輸可以有效提高系統(tǒng)傳輸效率，為系統(tǒng)實(shí)時(shí)性提供保障。其無線模塊數(shù)據(jù)接收部分的程序流程圖如圖4(b)所示。

圖4 信號采集無線接收圖

3.2 基于LABVIEW的上位機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)程序前面板如圖5(a)所示，主要包括串口設(shè)置、數(shù)據(jù)保存按鈕、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑設(shè)置以及八通道肌電信號顯示波形圖，其中每個(gè)顯示窗口可以顯示4個(gè)通道的肌電信號波形。本設(shè)計(jì)上位機(jī)系統(tǒng)操作十分便捷，當(dāng)下位機(jī)通過串口向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，上位機(jī)系統(tǒng)即可對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將相應(yīng)通道的數(shù)據(jù)以波形的方式顯示出來，用戶只需觀察到波形參數(shù)并保存即可。

如圖5(b)所示為肌電采集上位機(jī)程序框圖，開始運(yùn)行前，首先對串口進(jìn)行初始化，主要初始化參數(shù)為串口號、數(shù)據(jù)傳輸位數(shù)、校驗(yàn)方式以及數(shù)據(jù)傳輸波特率，程序開始運(yùn)行后，上位機(jī)將對所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，當(dāng)檢測到所設(shè)置的數(shù)據(jù)幀頭時(shí)，將幀頭后的數(shù)據(jù)以9 600字節(jié)為一包的方式進(jìn)行分批處理。處理時(shí)將8個(gè)通道所對應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值并還原到波形圖上進(jìn)行顯示，同時(shí)將采集電壓所對應(yīng)的時(shí)刻和此刻的各個(gè)通道的電壓值以多維數(shù)組的形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉串口，清除緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與保存。

圖5 上位機(jī)系統(tǒng)圖

4 結(jié)語

整個(gè)系統(tǒng)具有8個(gè)采樣通道，可實(shí)現(xiàn)對頻率高達(dá)12.5kHz的信號進(jìn)行采樣。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了模擬放大濾波電路與上位機(jī)數(shù)字濾波模塊，旨在實(shí)現(xiàn)對常見的幅值為0～1mV，頻率為0～500Hz的肌電信號進(jìn)行采樣。系統(tǒng)配備

無線模塊，最遠(yuǎn)無線傳輸距離可達(dá)200m。系統(tǒng)上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)與絕對時(shí)間進(jìn)行匹配精度可達(dá)微秒級。測試時(shí)須將下位機(jī)采集系統(tǒng)通過通道安置在被測試目標(biāo)身上，采集數(shù)據(jù)通過無線模塊進(jìn)行傳輸，由PC端上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理與保存。測試目標(biāo)主要為生物運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的肌肉電信號，該系統(tǒng)可應(yīng)用于靜態(tài)以及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)肌電信號采集研究。

該系統(tǒng)分為上位機(jī)顯示與存儲(chǔ)單元以及下位機(jī)采集與傳輸單元。其中下位機(jī)采集系統(tǒng)安裝在測試目標(biāo)身上，集成了微處理器、放大濾波電路與無線發(fā)射芯片，采集系統(tǒng)測量通道多、整體尺寸小、質(zhì)量輕，增大了實(shí)驗(yàn)可操作性，減輕了目標(biāo)的負(fù)重。下位機(jī)傳輸系統(tǒng)采用了DMA方式，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能。上位機(jī)顯示與存儲(chǔ)系統(tǒng)界面簡潔，操作方便。在后續(xù)應(yīng)用中，可以分別對8個(gè)通道進(jìn)行同時(shí)采集，從時(shí)域和頻域?qū)υ撓到y(tǒng)采集到的EMG信號進(jìn)行定量分析，并且可與高速攝像相結(jié)合，可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的同步分析，以探索小動(dòng)物自由運(yùn)動(dòng)時(shí)相關(guān)運(yùn)動(dòng)肌的肌電采集與分析方法，為研究其卓越的運(yùn)動(dòng)能力提供基礎(chǔ)。

[1] 陳歲生, 盧建剛. 一種無線肌電信號采集裝置的設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用, 2008，2(1): 12-18.

[2] Harrison R R, Fotowat H, Chan R, et al. Wireless Neural/EMG Telemetry Systems for Small Freely Moving Animals[J]. IEEE Transactions on Biomedical Circuits & Systems, 2011, 5(2):103-111.

[3] Thomas S J,Harrison R R, Leonardo A, et al. A battery-free multi-channel digital neural/EMG telemetry system for flying insects[C]// Biomedical Circuits and Systems Conference. IEEE, 2011:424-436.

[4] Grand L, Ftomov S, TimofeevI. Long-term synchronized electrophysiological and behavioral wireless monitoring of freely moving animals[J]. Journal of Neuroscience Methods, 2013, 212(2):237-241.

[5] 王金鳳, 李濤, 孫漫漫. 基于STM32處理器的表面肌電無線采集裝置設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2012(7):78-80.

[6] 周兵, 紀(jì)曉亮, 張榮,等. 表面肌電信號采集儀的軟硬件設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代科學(xué)儀器, 2010(4):58-61.

[7] 胡巍, 趙章琰, 路知遠(yuǎn),等. 無線多通道表面肌電信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子測量與儀器學(xué)報(bào), 2009, 23(11):30-35.

[8] 王星, 張瑩, 趙德春,等. 多通道表面肌電無線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2012, 33(11):2460-2465.

[9] 劉婷婷, 王浩, 蔡雷,等. 大壁虎肌電信號在體采集與存儲(chǔ)裝置[J]. 生物醫(yī)學(xué)工程研究, 2013，32(3)：135-139.

[10] 任劍鋒. 基于LabVIEW的神經(jīng)信號記錄及分類的虛擬儀器[D]. 南京：南京航空航天大學(xué), 2008.