无线多通道肌电信号采集系统设计与应用*

2020-05-07陈健宁

山西电子技术 2020年2期

陈健宁，刘蓉

(大连理工大学电子信息与电气工程学部生物医学工程学院，辽宁大连 116024)

表面肌电信号是一种由神经兴奋引起的肌肉运动而产生的复杂生物电信号，可以表征肌肉状态和动作意图。其具有幅度微弱，易受外界干扰、采集难度大等特点[1]。对其采集的正确与可靠，能否真实表征肌肉和神经功能状态，将直接影响后续的信号处理、动作识别与分析效果，也会给肢体受损患者的自主康复训练效果带来直接影响。

本文以非侵入式表面肌电信号采集系统设计为导向，通过设计信号前置放大器、低通滤波器、50Hz工频陷波器、二级放大器等信号调理电路，将调理输出信号送给多路A/D采样电路后变成数字信号，无线传至PC端。该系统经过实验验证，很好地满足了应用需求，为受损患者自主康复训练和开展基于表面肌电信号动作识别分析与分类提供了技术支撑。

1 表面肌电信号系统设计需求分析

由于表面肌电信号采集时直接使用干电极方式接触人体，属于国家Ⅱ类医疗器械，开发设计时必须遵循国家医用设备检定和使用规范，具体要求如下：

1) 电气安全要求。表面肌电信号采集设备在设计时，应充分考虑电气安全防护设计，如接地、防电击和漏电等设计要求。

2) 共模抑制比。由于sEMG信号很微弱、易受外界干扰，特别是当采集设备处在带宽小于500 Hz噪声频段内时，干扰信号很容易通过前置放大耦合后形成共模干扰信号；另外电极采集方式与电极的材料属性也会对肌电信号采集产生一定的影响，使信号发生偏移。因此，电路设计要求各通道共模抑制比不小于100dB。

3) 采样频率设置。虽然sEMG信号频率集中在0 Hz～500 Hz，但是考虑到应用场合和研究的需求应设置不同采样频率量程，可设置为1 kHz、2 kHz、3 kHz三个档位。

4) 增益可调。由于sEMG信号采集会因受试者的皮肤状态、性别、年龄、健康及采集环境差异的影响，导致电极输出信号具有差异性。由于采集信号幅度的差异性，应设置增益可调功能，才可以满足不同信号的输出都能满足ADC采样要求，通常增益设为100-1000倍。

2 表面肌电信号采集系统方案设计

为了实现表面肌电信号的便携式采集与实时数据传输设计要求，系统应包括肌电信号预处理、信号采集转换、数据处理、无线传输和PC端。对应的主要硬件包括电极有效连接电路、信号预处理电路、A/D采集转换电路、系统电源模块、WiFi传输模块、下位机最小系统等。系统整体框图如图1所示。

图1 肌电信号采集系统整体框图

3 系统硬件设计

3.1 sEMG信号采集前端模拟电路设计

由于sEMG信号幅值较小，基本在100-5000μV之间，频率主要集中在500 Hz以内，易受到外部工频耦合干扰，因而设计了如图2所示肌电信号采集系统预处理电路。整个前端模拟电路包括表面接触电极及连线、前置放大、带通滤波、50 Hz工频陷波器及后置放大等功能，具体结构如图2所示。

图2 sEMG信号采集预处理电路结构

3.2 表面电极选择与放置

基于非侵入方式获取表面肌电信号必须依靠表面电极感受器来实现。由于肌电信号极其微弱且具有高的阻抗，因此电极的材质、阻抗、表面积大小、放置位置及间距和连线方式都直接影响信号的获取质量[2]。应该考虑选择低阻抗材质、与皮肤接触的面积、形状在允许情况下尽量表面积大，安放位置和间距适当(对带宽和幅值干扰小)。

综合以上考虑此，系统选用银-氯化银(Ag-AgCl)材料作为检测电极，具有极化电压小、噪声低、运动伪迹小等优点。两个检测电极安放距离在20 mm左右，并构成差分系统，可以提高共模抑制比。

3.3 前端放大电路

由于从表面电极引出的肌电信号具有强度弱，往往与噪声干扰共生，因此前置放大电路的设计要满足高输入阻抗(可减少信号在内阻上的衰减)、高共模抑制比(可减少共模信号干扰)、高增益(提高电极输出电信号幅值)、低噪声(合理设置前置级的放大增益)、低漂移(降低放大器的基线漂移)等要求[3]。

在这里采用AD8422仪表运放芯片设计前端放大电路。带通放大器由高通和低通滤波电路组成。高通滤波电路用于去除经前端放大电路放大的直流电压，将输出电压VOUT经积分电路，反馈到基准电压VREF端滤除直流信号。这样可实现极低频信号滤波，但是对于肌电信号的高端频段外(500 Hz以上)部分需要设计低通滤波电路，这样就形成了带通滤波器[4]。由AD8639组成二阶低通滤波器。具体仪表放大与滤波电路原理图如图3所示。

图3 仪表放大与滤波电路原理图

AD8422芯片的输出电压VOUT为：

VOUT=G×(V+IN-V-IN)+VREF.

(1)

其中：

(2)

公式(2)中G为放大倍数，公式(2)中的Rg与电路中的RG6对应(增益调节电阻)，改变RG6可以实现前端放大电路调节。

3.4 信号采集电路

这里选用德州仪器公司的24位工业模数转换器ADS1278芯片，内部集成有多个独立的高阶斩波稳定调制器和FIR数字滤波器，可实现4/8通道同步采样，支持高速、高精度、低功耗、低速4种工作模式；具有优良的AC和DC特性，采样率最高可达128 Ks/s以及110dB的信噪比，此外ADS1278采样结束标志位可用于触发CPU中断，可实现真正的实时采样。具体电路如图4所示。

3.5 微控制器及无线通信模块

图4 ADS1278接口电路

微控制器模块采用STM32单片机，其中包括复位电路、晶振电路、电源电路、程序下载电路、Wifi模块接口。另外采用ESP8266模块实现WiFi数据传输，模块中首先要VCC连接正极，GND连接负极；单片机的数据发送端连接其数据的接收端；单片机的数据接收端连接其数据的发送端即可实现控制接口。

4 sEMG信号采集系统程序设计

下位机数据采集程序主要由初始化、转换结束判断、数据打包发送等模块组成。初始化主要是对MCU运行环境进行初始化配置。在主循环函数里一直对中断采集完成标志位DRDY进行判断，当ADC完成采样触发外部中断，MCU对ADC采集到的数据进行读取。MCU对读取的8个通道的24位数据进行打包，共需要24字节，以0xaa、0x55为数据包头，第三个字节设置为marker信息标记位，后24字节为数据信息。以打包好的数据形式无线发送。

5 系统性能验证

为验证采集数据有效性，系统通过对受试者上肢不同的动作模式经sEMG信号采集后，采用肌电信号时域分析特征提取评价方法来验证数据的合理性。即利用取绝对平均值(MAV)、均方根(RMS)来检验，其中图5为采集现场实景，图6为受试者时域特征(MAV和RMS)的特征图。从图6可知不同动作模式以及不同通道处的特征具有明显的区分性，也证明了数据的可靠性。