基于柔性電路板的肌肉電位采集設(shè)備設(shè)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(chǎn)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(fā)生在皮膚表面的電信號，其特點具有無創(chuàng)性、測量方便等優(yōu)點。使用表面肌電信號來區(qū)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(chǔ)，由于信號發(fā)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(xiàn)階段的表面肌電采集設(shè)備中，商用的設(shè)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(guān)研究中，使用了傳統(tǒng)電路板(Printed Circuit Board，PCB)技術(shù)，其設(shè)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(shè)計，往往會導(dǎo)致設(shè)備體積較大，不適合可穿戴要求；設(shè)計中使用有線傳輸線纜的方式傳輸數(shù)據(jù)，也限制了日常生活中的使用。

柔性電路板(Flexible Printed Circuit，F(xiàn)PC)是一種特殊的電路板具，其特點較為輕薄，可實現(xiàn)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(lǐng)域還是醫(yī)療領(lǐng)域，F(xiàn)PC都有廣泛的應(yīng)用。可穿戴設(shè)備使用FPC技術(shù)，可以提高使用者的穿戴舒適度，也能提高設(shè)備的可彎折性能，增加設(shè)備的貼合度。

本設(shè)計提出一種面向可穿戴的表面肌肉電信號采集設(shè)備，該設(shè)備是采用FPC的設(shè)計，電極附著在FPC上，實現(xiàn)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(shè)備體積，本設(shè)計采用了集成高分辨率的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片(Analog to Digital Converter，ADC)；采集后的電信號通過無線藍牙4.0協(xié)議，傳輸至上位機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。

1 設(shè)計框圖

整體設(shè)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(guān)系如圖1所示。

圖1 設(shè)備模塊框圖

電極模塊采用的設(shè)計方法是將電極設(shè)計在FPC電路板上，將電極和導(dǎo)線合為一體，實現(xiàn)最大程度的集成化。電極使用了表現(xiàn)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(dǎo)電凝膠，可以有效地減少電極與皮膚之間的極化反應(yīng)。

本設(shè)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(shè)計尺寸，使得采集設(shè)備有實現(xiàn)可穿戴化的可能。主控芯片負責與ADC芯片之間傳輸數(shù)據(jù)，收集轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，同時負責協(xié)同所有模塊，需要包含微處理功能和無線傳輸功能。本設(shè)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(xié)議，支持內(nèi)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(shè)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(shè)計生產(chǎn)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(shù)據(jù)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(nèi)置的抗電磁干擾，AD轉(zhuǎn)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(diào)，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(xù)數(shù)據(jù)讀取，也可以使用外部中斷的方式單次讀取數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件框圖

系統(tǒng)上電后，nRF51822對ADS1293先進行初始化，設(shè)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(fā)出采樣的開始命令，等到采樣結(jié)束后，ADS1293使用外部中斷通知nRF51822；nRF51822響應(yīng)外部中斷后，讀取ADC數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取后，先進行簡單的驗證完整性；校驗正確的數(shù)據(jù)將通過藍牙協(xié)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(shè)接口(Serial Peripheral Interface，SPI)通信協(xié)議，遵循標準的SPI通信協(xié)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(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送至上位機。

3.2 SPI讀寫時序

本設(shè)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(fā)送讀或?qū)憳酥疚?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(shù)據(jù)內(nèi)容；如果是寫標志位，主機將發(fā)送寄存器數(shù)據(jù)內(nèi)容。ADS1293芯片的分辨率是24bit，讀取寄存器數(shù)據(jù)時，需要連續(xù)讀取3個寄存器，每次讀取8位數(shù)據(jù)，進行高低位組合后形成真實數(shù)據(jù)。需要讀取的寄存器地址為0x37至0x3F。

3.3 數(shù)據(jù)上傳

本設(shè)計中采集的數(shù)據(jù)，通過藍牙4.0協(xié)議發(fā)送給上位機使用的臺式電腦。藍牙4.0協(xié)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(guān)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(shù)據(jù)。本設(shè)計中采集的電信號一共6個通道，每個通道轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)是24bit，所以一次采集6個通道數(shù)據(jù)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(fā)送數(shù)據(jù)量達到了1.23Mbit，已經(jīng)接近最大傳輸速率的一半以上。考慮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(shè)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?shù)臄?shù)據(jù)為6通道×20位數(shù)據(jù)×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(shè)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(wěn)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(shè)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(shù)據(jù)放置在指伸肌和尺側(cè)腕曲肌位置，放置的位置如圖3所示。

圖3 電極安放位置

設(shè)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(shè)計使用Matlab作為數(shù)據(jù)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(tài)轉(zhuǎn)換到彎曲的狀態(tài)時，尺側(cè)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(shè)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(cè)腕曲肌信號變化

4.2 設(shè)備性能測試

上一節(jié)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(shè)備的具體性能進行測試。ADS1293的數(shù)模轉(zhuǎn)換位數(shù)是24，本設(shè)計中使用的參考電壓為3V，所以本設(shè)計的電壓分辨率為：

(1)

除了分辨率以外，設(shè)備的信噪比(Signal-to-noise ratio，SNR)也是關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)。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(tài)，此時的表面肌電信號作為系統(tǒng)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(jié)論

本文介紹了基于柔性電路板設(shè)計的一種肌肉電位采集設(shè)備的工作原理，分析了設(shè)備的硬件設(shè)計；本設(shè)計采用了nRF51822為主控芯片，ADS1293芯片為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，電極直接接觸手臂，并通過藍牙4.0將采集數(shù)據(jù)傳輸給上位機。這種技術(shù)手段實現(xiàn)了手臂肌肉電位信號的實時采集，設(shè)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(shè)計參數(shù)如下表所示：

肌肉電位采集設(shè)備參數(shù)表