反射式红外光电肌肉收缩传感器设计*

2021-10-15黄剑平穆瑞珍林振衡

传感器与微系统 2021年10期

黄剑平,穆瑞珍,林振衡

(1.厦门理工学院光电与通信工程学院，福建厦门 361024；2.莆田学院现代精密测量与激光无损检测福建省高校重点实验室，福建莆田 351100)

0 引言

对肌肉收缩状态的研究通常采用测量表面肌电信号(surface electromyography,sEMG)的方法，表面肌电信号由人体的运动神经元产生，是电极所接触到的许多运动单元发出的动作电位的总和。通过将3个传感电极(正极、负极和地)贴在肌肉表面上，肌肉收缩时，会产生微弱的生物电流，从而检测出肌肉的收缩情况[1,2]。但EMG测量法仍有许多缺点，如系统的功耗比较大；肌电信号比较微弱，容易受到电磁干扰；而且电极与皮肤需要接触良好，接触的部位容易因出汗等原因滑动和脱落，造成测量误差等[3]。

目前，更好的方法是采用光体积描记法(photoplethysmogram，PPG)，它的探测更灵敏，电路的体积和功耗更小，使用更方便。已有文献报道将该技术用于血氧、呼吸、心率、脉搏、血压[4～8]等人体健康指标的测量上。光体积描记法根据光源与探测传感器的位置不同，分为透射法和反射法。透射法中光源与传感器位于人体探测部位的两侧，适用于探测较薄的部位，如耳朵、指尖等；反射法中光源与传感器位于探测部位的同一侧。对于肌肉组织，光线很难透射过去，适合采用反射法。

本文基于光电反射法的优点，通过测量从皮肤出射的散射光强度，实现了对肌肉收缩状态的检测。

1 测量原理

1.1 光在肌肉组织中的传输特性

人体肌肉里包含有表皮、肌肉、血管、骨骼等组织。当光线入射到肌肉中时，对光产生吸收作用的物质有两种：一是浓度基本保持恒定的水、黑色素、胆红素等；另一种会随着组织状态的不同而发生变化，如血红蛋白、细胞色素氧化酶等。研究表明血液中红血球携带的血红蛋白对光线起主要吸收作用[9,10]，其他没有吸收的光在肌肉中会经历透射和散射。一部分散射光最终会从皮肤出射，呈现一个香蕉状的传输路径[11]。

表皮、血管、骨骼，对光的散射作用基本不变，而肌肉则会变化。当肌肉收缩时，肌肉中的肌纤维变粗，压迫肌肉中的血管，使血液量减少。根据修正的朗伯比尔定律如公式(1)所示

A=ln(Ii/Io)=BLεc+G

(1)

式中A为光衰量；Ii和Io分别为入射和出射的光强；L为光源和探测器间的距离；B为差分路径因子(differential pathlength factor,DPF)描述实际路径与L的倍数，BL则为光的实际传播距离；ε为消光系数；c为吸光物质的浓度；G为表示散射衰减因子。

收缩的肌肉中血液量减少引起吸光物质浓度c减少，从而吸收的光量减少，散射的光量相应地增加[12,13]。这为探测肌肉的收缩状态提供了依据。

1.2 探测光的波长选择

不同波长的光在人体肌肉中的吸收和穿透深度不同，波长较长的红光、红外光透射过皮肤的深度较深，而波长较短的蓝光、绿光透射深度则较浅[14]。设计需要光能尽可能照射到深层的肌肉组织中，本文设计中光源选择红外光。

2 电路系统设计

2.1 系统整体设计

可编程LED恒流驱动电路驱动大功率红外LED发出红外光，照射到肌肉组织中。红外探测电路检测经过“香蕉状”路径散射出皮肤的光，将微弱的光强信号转换为电压信号，经过后继的滤波和放大电路处理后，通过一块ATmega48单片机进行AD采样。采样后的数据通过HC05无线蓝牙模块发送到远端的电脑上。整个电路的工作电源由聚合物锂电池经DC-DC升压后提供。

2.2 DC-DC升压电路

整个电路选用移动便携设备常用的聚合物锂离子电池供电，型号为302030，标称输出电压是3.7 V，随着电量的消耗，电池的输出电压会从充满电的4.2 V降到2.75 V。为了给系统提供一个稳定的电压，设计了5 V的DC-DC升压电路，如图1所示。升压芯片选用TI公司的TPS613222A，该芯片所需的外围元件较少，可以节省电路板空间，适合可穿戴应用场合。电路的输出电压为5 V，最大输出电流可达500 mA。图中，L1为提供续流用的2.2 μH高磁通密度功率贴片电感；D3为增加供电电流的肖特基二极管；C8，C9为减小输出纹波的22 μF多层陶瓷贴片电容。

图1 DC-DC升压电路

2.3 可编程LED恒流驱动电路

根据LED的特性，需要采用恒流方式驱动[15]，这里采用EMI干扰较小的可编程线性恒流驱动方案，如图2。

图2 可编程LED恒流驱动电路

单片机的I2C总线控制8位DAC芯片LTC2631-LZ8输出控制电压VDAC到一块低噪声精密运放AD8656的“+”输入端，使该运放的输出端电压升高，从而使三极管MMBT2222导通，随着流过三极管电流的增大，电流取样电阻R9上的压降也会相应增大，该电压反馈到运放的“-”输入端，直至运放的“+”“-”输入端电压达到均衡状态，从而使流过LED的电流达到稳定值。从图2中看出LED、三极管、R9串联连接，三极管b极以及R9连接到运放“-”输入端的这两路电流都非常小，因此流过R9与LED的电流基本一致，电流计算公式为

ILED=VDAC/R9

(2)

电路中的LED选用峰值波长为850 nm，最大驱动电流为100 mA的芯片VSMY3850，R9选用阻值10.0 Ω的精密电阻。LED电流通路中还串联了导通电阻仅有0.5 Ω的PMOS管DMP2012SN。单片机IO端口以100 Hz的频率控制PMOS管的通断，在进行AD采样时导通，其它时间关断，以节省电池电量。

2.4 红外光探测及滤波放大电路

从皮肤散射出来的红外光信号比较微弱，采用如图3的检测电路。选用峰值波长同样为850 nm的光电二极管BPW34SR将检测到的光信号转换为微弱的电流信号，通过高精准运放AD8606与电流取样电阻R1组成的反馈网络，电流信号ID被转换为电压信号V1，传递函数为

图3 红外光探测及滤波放大电路

(3)

电压信号随后通过R4和C6组成的一阶低通滤波电路和电阻R7，R8和运放组成的同相放大电路进行放大后，送到ATmega48单片机自带的ADC采样端口。运放AD8606的偏置电压仅为65 μV，输入偏置电流仅为1 pA，适用于光电二极管微弱信号的检测。R4和C6组成的低通滤波电路截止频率计算公式为

fc=1/(2πR4×C6)=796.2Hz

(4)

2.5 单片机及AD采样电路

单片机及AD采样电路如图4所示，选用Microchip公司的ATmega48单片机，这是一种具有增强RISC结构的低功耗CMOS微控制器，具有丰富的片上资源。它集成有前述DAC芯片控制所需的I2C传输模块、无线传输所需的串口传输模块、定时器以及16位ADC采样模块。ATmega48专门为ADC采样模块提供一个电源输入引脚AVCC，电源电压通过10 μH电感和0.1 μF电容组成的LC滤波电路输送到AVCC引脚，LC滤波电路滤除了电源中的高频噪声，保证AD采样的准确。

图4 单片机及ADC采样电路

3 数据测量

3.1 DC-DC升压电路输出测量

用示波器观测DC-DC升压电路的输出，为5.080 V，符合设计预期。进一步观察纹波电压，峰峰值约为18 mV，纹波较小。

3.2 LED驱动电流测量

考虑到兼顾穿透皮肤与低功耗的需要，这里选择LED的驱动电流为35 mA。为了测量方便，设置MOS管DMP2012SN一直导通，测得取样电阻R9端的电压为0.347 V，则计算出LED的驱动电流为0.347/10=0.0347A=34.7 mA，电流符合预期。

3.3 肌肉等长收缩测试

利用所设计的电路进行肱二头肌的等长收缩测试。等长收缩(isometric contraction)是指长度保持恒定而张力发生变化的肌肉收缩。测试时，上臂保持竖直，前臂弯曲90°，用手提着砝码，从0 kg开始每次增加1 kg，增加到5 kg。将设计的传感电路安装在测试者上臂肱二头肌正面的中间部位，用绷带固定好，同时用示波器测量运放AD8606滤波放大后的输出波形，再以重物的重量为X轴，电路的输出电压为Y轴，用Origine软件在坐标图上画出数据点，如图5所示。

图5 等长收缩的测试数据

3.4 数据分析讨论

在实际测试中，DC-DC升压芯片产生了稳定的5 V电压，且纹波较小。LED恒流驱动电路的驱动电流也达到了设计要求。在等长收缩的测试中，进一步探索了肌肉收缩程度与电路输出电压的关系。在同样前臂弯曲90°的情况下，电路输出电压随着砝码重量的增加而呈线性增大的趋势，经软件线性拟合，变化的斜率为20.29 mV/kg。结合前述的检测原理，是由于肱二头肌中的肌纤维随着所施加力的增加成比例地变粗，阻碍肌肉血管中血液的流动，血液中吸光量成比例减少了，透射出去的光量相应地增加，探测电路的输出电压也就成比例增大。测量说明了该电路可以很好地探测肌肉的收缩程度。