基于肌电信号（EMG）生物反馈仪的研究

成思，薛君，周斌桂林电子科技大学信息科技学院

基于肌电信号（EMG）生物反馈仪的研究

成思，薛君，周斌
桂林电子科技大学信息科技学院

本课题基于生物肌电信号的定性研究,旨在设计出能够提取和分析肌电信号的反馈治疗仪,并且该反馈仪可以选取相应的电刺激信号对患处作出一定的治疗。本文主要对反馈仪的设计从软件和硬件两方面来概述：硬件设计包括肌电信号采集和电刺激,软件设计包括上位机和下位机。

肌电信号；电刺激；信号提取；生物反馈仪

引言

生物肌电反馈仪（electromyographic feedback instrument）本质上是一种对肌肉活动的记录和显示装置,测量身体表面肌电电压,肌电信号经过反馈仪的一系列处理后反映给患者。生物肌电信号是从人体皮肤的表面通过电极记录下来的肌肉神经活动时发出的生物电信号（EMG）,操作简单,应用广泛。本课题旨在设计出能采集和提取生物肌电信号（EMG）的生物肌电反馈仪,该仪器能对提取后的生物肌电信号分析并产生刺激信号对患者作出反馈治疗。

1 系统结构与总体方案设计

生物反馈治疗系统主要设计目标是利用计算机软件控制以STM32为核心工作,通过串口指令和数据交换信息,使用电刺激的治疗和肌电信号反馈,通过两者协同优化治疗过程。利用STM32F103V作为主控,4.3寸TFT触摸屏作为显示屏,通过对采集到的生物肌电信号滤波、放大、衰减、再滤波等一系列步骤,将微弱的肌电信号清晰地反应在触摸屏上。

2 硬件设计

生物肌电反馈仪硬件设计主要包括肌电信号采集和电刺激。其中,肌电信号采集部分包括检测电极、前置放大、信号滤波电路、模数转换电路;电刺激部分包括DA转换电路、电刺激电路。

2.1 肌电信号采集

2.1.1 前置放大电路

人体肌电信号相当微弱,且信噪比小,因此为了能有效可靠地得到生物肌电信号（EMG）,必须利用前置放大电路对所输入的信号进行滤波和放大。生物肌电信号（EMG）本身是高内阻微弱的电信号,将电极片贴在皮肤表面得到提取后的信号,会呈现尤为不稳定的高内阻源特性（high resistance sources）。相对于幅度在微伏、毫伏数量级的低频生物肌电信号来说,前置放大器的性能则尤为重要。

2.1.2 信号滤波电路

在信号采集、传输的过程中,各种具有随机性的噪声混入放大电路中,从而影响对肌电信号的采集。因此,我们需要设计高通滤波器和低通滤波器对噪声信号加以抑制,尽可能地提高信噪比。高通滤波器是一个容易被高频率信号通过而低频率信号被抑制通过的系统。而低通滤波器则有相反的效果。本课题采用二阶巴特沃斯高通滤波器和二阶低通滤波器。

2.1.3 AD转换电路

由于数字信号（digital signal）具有抗干扰能力强、便于传输和保密性强等优点,离散的数字信号为本课题所用。虽然离散的数字信号在传输过程中也会掺杂进噪声,但我们利用硬件电路构成阈值电压来判定输入的信号电压的取值,只有电压达到某一幅度,输出值才会判定为1,并重新生成一串新的脉冲。

2.2 电刺激部分

2.2.1 DA转换电路

模数转换电路是数模转换电路的逆过程,直观形象地在液晶屏上显示,供患者和治疗师作为进一步治疗的依据。数模转换器内部电路结构差异不大,通常是根据输出电流或电压。大部分的数模转换器通过电阻阵列和电流开关组成。根据信号输入大小切换开关,产生相应比例的输入电流（或电压）。

2.2.2 电刺激电路

电刺激在低中频电流恒流刺激治疗应用程序,选择低频运动类型之间的单向整流器、双向交换等,根据特定的处方达到治疗目的。通过上机位软件编程选择刺激波形,存储串口波形,每一个波形存储周期为32。波形选择、电刺激波形的参数如频率、时间由上位机接收决定,读取刺激波形的存储器数据发送到达32位。这样的设计有利于临床实践中增加医务人员选择的范围和病人适应范围,最大限度地发挥本设计的作用。

3 软件运用

CPU根据反馈的可靠生物肌电信号（EMG）,计算出该生物肌电信号的有效值。根据生物肌电信号（EMG）有效值的大小和时间，决定输出肌肉电刺激信号的强度与频率等。生物电刺激信号的研究与开发对该生物反馈仪的治疗效果有决定性作用。高速度、高精度的AD转换芯片以及高速率芯片是模拟量的采集所需要的,本课题采用常见的STM32处理器来控制。

3.1 上位机软件设计概述

上位机采用模块设计,利于调试和管理,也容易调用。单片机通过串口发送指令,对用户界面进行操作,实现控制单片机系统。实现初始化后的单片机,根据串口中断命令调用相应的子程序执行工作,数字信号被采集后通过串口发送给处理器。同时,信号需要被进一步分析处理,让用户更容易直接地接收反馈信号。

3.2 下位机软件设计概述

下位机的主要作用是接收来自上位机的操作指令,并通过控制单片机完成相应的操作。上电后,初始化操作由下位机执行完毕后,就等待上位机的指令。当接收到上位机的指令后,标志位由串行中断传给主程序,同时设置相应的标志数。单片机循环查询标志数,确保主程序各个任务同时执行来增强实时性。单片机需执行的任务很多,因此会影响系统的实时性,故本课题设计采用中断的方法来增强系统的实时性。

4 结束语

本课题以肌电反馈信号为研究对象,对生物肌电信号的特征及提取方法深入研究,配合电刺激信号参与肌电信号反馈治疗。本课题对生物反馈治疗仪的硬件电路（肌电信号采集和电刺激）和软件设计（上、下位机）作出了概述。经实践验证,本设计可完成对生物肌电信号的提取和处理,并自主选择相应的电刺激信号对患者进行一定的治疗,帮助其康复治疗。

[1]王健,金小刚.表面肌电信号分析及其应用研究.中国体育科技,2000,36（8）：26-28.

[2]胡天培.肌电特征发现与肌电康复研究.上海交通大学学报, 1994,第28卷,第3期.

[3]李后强等.肌电图波形的分形表征及模拟初探.体育科学, 1991,11（5）：52-55.

[4]李卓.表面肌电的信号分析及在体育科研中的应用[D].南京理工大学,2011.

[5]杨瑞.肌电信号采集与分析系统的研制[D].河北工业大学, 2005.