基于肌電信號(hào)（EMG）生物反饋儀的研究

成思，薛君，周斌桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院

基于肌電信號(hào)（EMG）生物反饋儀的研究

成思，薛君，周斌
桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院

本課題基于生物肌電信號(hào)的定性研究,旨在設(shè)計(jì)出能夠提取和分析肌電信號(hào)的反饋治療儀,并且該反饋儀可以選取相應(yīng)的電刺激信號(hào)對(duì)患處作出一定的治療。本文主要對(duì)反饋儀的設(shè)計(jì)從軟件和硬件兩方面來概述：硬件設(shè)計(jì)包括肌電信號(hào)采集和電刺激,軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)和下位機(jī)。

肌電信號(hào)；電刺激；信號(hào)提取；生物反饋儀

引言

生物肌電反饋儀（electromyographic feedback instrument）本質(zhì)上是一種對(duì)肌肉活動(dòng)的記錄和顯示裝置,測量身體表面肌電電壓,肌電信號(hào)經(jīng)過反饋儀的一系列處理后反映給患者。生物肌電信號(hào)是從人體皮膚的表面通過電極記錄下來的肌肉神經(jīng)活動(dòng)時(shí)發(fā)出的生物電信號(hào)（EMG）,操作簡單,應(yīng)用廣泛。本課題旨在設(shè)計(jì)出能采集和提取生物肌電信號(hào)（EMG）的生物肌電反饋儀,該儀器能對(duì)提取后的生物肌電信號(hào)分析并產(chǎn)生刺激信號(hào)對(duì)患者作出反饋治療。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與總體方案設(shè)計(jì)

生物反饋治療系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是利用計(jì)算機(jī)軟件控制以STM32為核心工作,通過串口指令和數(shù)據(jù)交換信息,使用電刺激的治療和肌電信號(hào)反饋,通過兩者協(xié)同優(yōu)化治療過程。利用STM32F103V作為主控,4.3寸TFT觸摸屏作為顯示屏,通過對(duì)采集到的生物肌電信號(hào)濾波、放大、衰減、再濾波等一系列步驟,將微弱的肌電信號(hào)清晰地反應(yīng)在觸摸屏上。

2 硬件設(shè)計(jì)

生物肌電反饋儀硬件設(shè)計(jì)主要包括肌電信號(hào)采集和電刺激。其中,肌電信號(hào)采集部分包括檢測電極、前置放大、信號(hào)濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路;電刺激部分包括DA轉(zhuǎn)換電路、電刺激電路。

2.1 肌電信號(hào)采集

2.1.1 前置放大電路

人體肌電信號(hào)相當(dāng)微弱,且信噪比小,因此為了能有效可靠地得到生物肌電信號(hào)（EMG）,必須利用前置放大電路對(duì)所輸入的信號(hào)進(jìn)行濾波和放大。生物肌電信號(hào)（EMG）本身是高內(nèi)阻微弱的電信號(hào),將電極片貼在皮膚表面得到提取后的信號(hào),會(huì)呈現(xiàn)尤為不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源特性（high resistance sources）。相對(duì)于幅度在微伏、毫伏數(shù)量級(jí)的低頻生物肌電信號(hào)來說,前置放大器的性能則尤為重要。

2.1.2 信號(hào)濾波電路

在信號(hào)采集、傳輸?shù)倪^程中,各種具有隨機(jī)性的噪聲混入放大電路中,從而影響對(duì)肌電信號(hào)的采集。因此,我們需要設(shè)計(jì)高通濾波器和低通濾波器對(duì)噪聲信號(hào)加以抑制,盡可能地提高信噪比。高通濾波器是一個(gè)容易被高頻率信號(hào)通過而低頻率信號(hào)被抑制通過的系統(tǒng)。而低通濾波器則有相反的效果。本課題采用二階巴特沃斯高通濾波器和二階低通濾波器。

2.1.3 AD轉(zhuǎn)換電路

由于數(shù)字信號(hào)（digital signal）具有抗干擾能力強(qiáng)、便于傳輸和保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),離散的數(shù)字信號(hào)為本課題所用。雖然離散的數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中也會(huì)摻雜進(jìn)噪聲,但我們利用硬件電路構(gòu)成閾值電壓來判定輸入的信號(hào)電壓的取值,只有電壓達(dá)到某一幅度,輸出值才會(huì)判定為1,并重新生成一串新的脈沖。

2.2 電刺激部分

2.2.1 DA轉(zhuǎn)換電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的逆過程,直觀形象地在液晶屏上顯示,供患者和治療師作為進(jìn)一步治療的依據(jù)。數(shù)模轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)差異不大,通常是根據(jù)輸出電流或電壓。大部分的數(shù)模轉(zhuǎn)換器通過電阻陣列和電流開關(guān)組成。根據(jù)信號(hào)輸入大小切換開關(guān),產(chǎn)生相應(yīng)比例的輸入電流（或電壓）。

2.2.2 電刺激電路

電刺激在低中頻電流恒流刺激治療應(yīng)用程序,選擇低頻運(yùn)動(dòng)類型之間的單向整流器、雙向交換等,根據(jù)特定的處方達(dá)到治療目的。通過上機(jī)位軟件編程選擇刺激波形,存儲(chǔ)串口波形,每一個(gè)波形存儲(chǔ)周期為32。波形選擇、電刺激波形的參數(shù)如頻率、時(shí)間由上位機(jī)接收決定,讀取刺激波形的存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)發(fā)送到達(dá)32位。這樣的設(shè)計(jì)有利于臨床實(shí)踐中增加醫(yī)務(wù)人員選擇的范圍和病人適應(yīng)范圍,最大限度地發(fā)揮本設(shè)計(jì)的作用。

3 軟件運(yùn)用

CPU根據(jù)反饋的可靠生物肌電信號(hào)（EMG）,計(jì)算出該生物肌電信號(hào)的有效值。根據(jù)生物肌電信號(hào)（EMG）有效值的大小和時(shí)間，決定輸出肌肉電刺激信號(hào)的強(qiáng)度與頻率等。生物電刺激信號(hào)的研究與開發(fā)對(duì)該生物反饋儀的治療效果有決定性作用。高速度、高精度的AD轉(zhuǎn)換芯片以及高速率芯片是模擬量的采集所需要的,本課題采用常見的STM32處理器來控制。

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)概述

上位機(jī)采用模塊設(shè)計(jì),利于調(diào)試和管理,也容易調(diào)用。單片機(jī)通過串口發(fā)送指令,對(duì)用戶界面進(jìn)行操作,實(shí)現(xiàn)控制單片機(jī)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)初始化后的單片機(jī),根據(jù)串口中斷命令調(diào)用相應(yīng)的子程序執(zhí)行工作,數(shù)字信號(hào)被采集后通過串口發(fā)送給處理器。同時(shí),信號(hào)需要被進(jìn)一步分析處理,讓用戶更容易直接地接收反饋信號(hào)。

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)概述

下位機(jī)的主要作用是接收來自上位機(jī)的操作指令,并通過控制單片機(jī)完成相應(yīng)的操作。上電后,初始化操作由下位機(jī)執(zhí)行完畢后,就等待上位機(jī)的指令。當(dāng)接收到上位機(jī)的指令后,標(biāo)志位由串行中斷傳給主程序,同時(shí)設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志數(shù)。單片機(jī)循環(huán)查詢標(biāo)志數(shù),確保主程序各個(gè)任務(wù)同時(shí)執(zhí)行來增強(qiáng)實(shí)時(shí)性。單片機(jī)需執(zhí)行的任務(wù)很多,因此會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,故本課題設(shè)計(jì)采用中斷的方法來增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

4 結(jié)束語

本課題以肌電反饋信號(hào)為研究對(duì)象,對(duì)生物肌電信號(hào)的特征及提取方法深入研究,配合電刺激信號(hào)參與肌電信號(hào)反饋治療。本課題對(duì)生物反饋治療儀的硬件電路（肌電信號(hào)采集和電刺激）和軟件設(shè)計(jì)（上、下位機(jī)）作出了概述。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證,本設(shè)計(jì)可完成對(duì)生物肌電信號(hào)的提取和處理,并自主選擇相應(yīng)的電刺激信號(hào)對(duì)患者進(jìn)行一定的治療,幫助其康復(fù)治療。

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