基于柔性電路板的肌肉電位采集設備設計

章家寧 李曉靖 張玉 鄧寬

金陵科技學院電子信息工程學院 江蘇南京 211169

生物電信號是生物在活動的時候產生的電信號，生物信號往往非常微弱。生物電信號范圍很廣，包括肌電、腦電、心電等。表面肌電信號(surface Electromyography，sEMG)是生物電信號中的一種，它是在生物的肌肉收縮運動時，發生在皮膚表面的電信號，其特點具有無創性、測量方便等優點。使用表面肌電信號來區分人體上肢運動成為一種潛在的研究方向。采集表面肌電是這種研究的基礎，由于信號發生在皮膚表面，因此，采集方法有特殊的要求，比如舒適性、生物相容性、可穿戴性等。

現階段的表面肌電采集設備中，商用的設備大多是體積較大，有一個外置的放大電路，這個放大電路裝在一個盒子里，放置在桌上。而在相關研究中，使用了傳統電路板(Printed Circuit Board，PCB)技術，其設備屬于剛性電路板，無法適用于皮膚的貼合以及不支持彎曲；使用多級運算放大電路采集表面肌電的設計，往往會導致設備體積較大，不適合可穿戴要求；設計中使用有線傳輸線纜的方式傳輸數據，也限制了日常生活中的使用。

柔性電路板(Flexible Printed Circuit，FPC)是一種特殊的電路板具，其特點較為輕薄，可實現彎曲，例如在大屏幕智能手機中，屏幕和手機控制芯片就是使用FPC軟排線。無論是在消費領域還是醫療領域，FPC都有廣泛的應用。可穿戴設備使用FPC技術，可以提高使用者的穿戴舒適度，也能提高設備的可彎折性能，增加設備的貼合度。

本設計提出一種面向可穿戴的表面肌肉電信號采集設備，該設備是采用FPC的設計，電極附著在FPC上，實現電極與皮膚表面緊密接觸，從而更好地采集肌膚表面的電信號；為了最大程度地縮小設備體積，本設計采用了集成高分辨率的模擬數字轉換芯片(Analog to Digital Converter，ADC)；采集后的電信號通過無線藍牙4.0協議，傳輸至上位機，實現數據的實時傳輸。

1 設計框圖

整體設計分成5個模塊，分別為電極模塊、ADC芯片模塊、主控芯片模塊、電源模塊和上位機模塊。模塊之間關系如圖1所示。

圖1 設備模塊框圖

電極模塊采用的設計方法是將電極設計在FPC電路板上，將電極和導線合為一體，實現最大程度的集成化。電極使用了表現鍍銅和鍍金的方式，厚度分別為0.32mm和0.002mm，可以有效地降低電極與皮膚之間的阻抗。同時使用少量的導電凝膠，可以有效地減少電極與皮膚之間的極化反應。

本設計使用了集成化較高的高分辨率ADC芯片-ADS1293，高集成化的芯片可以有效降低電路板設計尺寸，使得采集設備有實現可穿戴化的可能。主控芯片負責與ADC芯片之間傳輸數據，收集轉換后的數字信號，同時負責協同所有模塊，需要包含微處理功能和無線傳輸功能。本設計采用了nRF51822芯片，該芯片無須外接藍牙模塊，自身直接支持低功耗藍牙4.0協議，支持內部晶振或者外部晶振。電源使用了紐扣電池，滿足小尺寸的需求。

2 硬件設計

2.1 無線通信模塊和微處理單元模塊

主控芯片是nordic公司設計生產的nRF51822，包含外部晶振、電源濾波電路、天線和外部接口。其中天線使用了板載天線，能夠最大程度地減小體積。保留的外部接口包含一組SPI通信總線，一組外部中斷，外部晶振使用16MHz。

2.2 數據采集模塊

ADC芯片使用的是Texas Instruments公司的ADS1293芯片。該芯片支持3個通道的差分模擬輸入，輸入端有內置的抗電磁干擾，AD轉換達到了24bit。工模干擾抑制比例達到了85dB，采樣頻率從25～6400Hz可調，完全滿足肌肉電信號的采集。該芯片支持多種采集方式，可以支持連續數據讀取，也可以使用外部中斷的方式單次讀取數據。

3 軟件設計

3.1 軟件框圖

系統上電后，nRF51822對ADS1293先進行初始化，設置芯片工作方式和采樣速度。初始化完成后開始采集肌肉電信號，nRF51822發出采樣的開始命令，等到采樣結束后，ADS1293使用外部中斷通知nRF51822；nRF51822響應外部中斷后，讀取ADC數據，數據讀取后，先進行簡單的驗證完整性；校驗正確的數據將通過藍牙協議至上位機。程序的運行框圖如圖2所示。

圖2 軟件流程框圖

nRF51822和ADS1293之間采用串行外設接口(Serial Peripheral Interface，SPI)通信協議，遵循標準的SPI通信協議。ADC采集信號之后通過DRDY的信號線通知nRF51822。隨后nRF51822讀取SPI數據，將數據傳送至上位機。

3.2 SPI讀寫時序

本設計中兩塊芯片的SPI工作模式均為0。當前情況下，nRF51822為主機模式，ADS1293為從機模式，時鐘信號由主機提供；在讀寫寄存器時，主機需要先發送讀或寫標志位+寄存器地址，在下一個時序中，如果是讀標志位，從機將返回寄存器數據內容；如果是寫標志位，主機將發送寄存器數據內容。ADS1293芯片的分辨率是24bit，讀取寄存器數據時，需要連續讀取3個寄存器，每次讀取8位數據，進行高低位組合后形成真實數據。需要讀取的寄存器地址為0x37至0x3F。

3.3 數據上傳

本設計中采集的數據，通過藍牙4.0協議發送給上位機使用的臺式電腦。藍牙4.0協議的傳輸速度的理論極值是24Mbps，但是在實際使用中，要考慮例如功耗，信號強度等相關因素，傳輸速度大致只有2.5Mbps左右，即每秒能夠傳輸2.5Mbit的數據。本設計中采集的電信號一共6個通道，每個通道轉換后的數據是24bit，所以一次采集6個通道數據達到了192bit。如果采用最高的6.4k采樣率，那么每秒藍牙需要發送數據量達到了1.23Mbit，已經接近最大傳輸速率的一半以上?？紤]到肌肉電位的有效信號頻率在50～150Hz以及奈奎斯特采樣定律，本設計中使用的采樣速率控制在500Hz，并且省略了低4位信號的傳輸，保留高20位信號為有效信號。所以最終每秒需要傳輸的數據為6通道×20位數據×500采樣率=60kbit/s。

4 采集效果測試

4.1 手臂動作采集測試

為了驗證設備的采集效果，招募了5名被試者，參加手臂表面肌肉電位采集的實驗。5名被試者均是在校大學生，右利手，在實驗前均沒有藥物等使用記錄。實驗中被試被要求進行三種手臂動作，分別是平穩不動，手臂握拳，手臂彎曲。每種動作被要求要成10次。

實驗過程中，設備的電極放置情況如下：參考電極放置在靠近手腕部位，三個通道數據放置在指伸肌和尺側腕曲肌位置，放置的位置如圖3所示。

圖3 電極安放位置

設備采集到表面肌電信號后，通過藍牙4.0傳輸至電腦中。本設計使用Matlab作為數據實時處理工具，繪制表面肌電信號曲線。圖4中顯示的是某一次實驗中，被試者的手臂從放松狀態轉換到彎曲的狀態時，尺側腕曲肌信號的變化，從圖中可以很明顯地看出，手腕彎曲的時候，有明顯的電信號變化。表明本設備可以有效地采集被試者手臂動作時表面肌肉電位的變化情況。

圖4 手臂彎曲與手臂放松時，尺側腕曲肌信號變化

4.2 設備性能測試

上一節敘述了手臂動作對于采集信號的改變，除此之外還需要對設備的具體性能進行測試。ADS1293的數模轉換位數是24，本設計中使用的參考電壓為3V，所以本設計的電壓分辨率為：

(1)

除了分辨率以外，設備的信噪比(Signal-to-noise ratio，SNR)也是關鍵的技術參數。SNR的單位一般為dB，計算公式如下：

(2)

在表面肌電信號采集過程中，被試者保持平靜不動的狀態，此時的表面肌電信號作為系統的噪聲；而被試者手臂進行彎曲動作時，采集到的表面肌電信號作為有效信號。圖4中上方圖片為手臂彎曲時的電壓采集情況，下方為手臂放松時電壓采集情況。使用公式(2)進行SNR的計算，得到平均信噪比為21.8dB，能夠滿足實際使用條件。

5 結論

本文介紹了基于柔性電路板設計的一種肌肉電位采集設備的工作原理，分析了設備的硬件設計；本設計采用了nRF51822為主控芯片，ADS1293芯片為數模轉換芯片，電極直接接觸手臂，并通過藍牙4.0將采集數據傳輸給上位機。這種技術手段實現了手臂肌肉電位信號的實時采集，設計的硬件電路體積小，能夠可彎折，適合于可穿戴場合。具體的設計參數如下表所示：

肌肉電位采集設備參數表