基于柔性电路板的肌肉电位采集设备设计

章家宁 李晓靖 张玉 邓宽

金陵科技学院电子信息工程学院 江苏南京 211169

生物电信号是生物在活动的时候产生的电信号，生物信号往往非常微弱。生物电信号范围很广，包括肌电、脑电、心电等。表面肌电信号(surface Electromyography，sEMG)是生物电信号中的一种，它是在生物的肌肉收缩运动时，发生在皮肤表面的电信号，其特点具有无创性、测量方便等优点。使用表面肌电信号来区分人体上肢运动成为一种潜在的研究方向。采集表面肌电是这种研究的基础，由于信号发生在皮肤表面，因此，采集方法有特殊的要求，比如舒适性、生物相容性、可穿戴性等。

现阶段的表面肌电采集设备中，商用的设备大多是体积较大，有一个外置的放大电路，这个放大电路装在一个盒子里，放置在桌上。而在相关研究中，使用了传统电路板(Printed Circuit Board，PCB)技术，其设备属于刚性电路板，无法适用于皮肤的贴合以及不支持弯曲；使用多级运算放大电路采集表面肌电的设计，往往会导致设备体积较大，不适合可穿戴要求；设计中使用有线传输线缆的方式传输数据，也限制了日常生活中的使用。

柔性电路板(Flexible Printed Circuit，FPC)是一种特殊的电路板具，其特点较为轻薄，可实现弯曲，例如在大屏幕智能手机中，屏幕和手机控制芯片就是使用FPC软排线。无论是在消费领域还是医疗领域，FPC都有广泛的应用。可穿戴设备使用FPC技术，可以提高使用者的穿戴舒适度，也能提高设备的可弯折性能，增加设备的贴合度。

本设计提出一种面向可穿戴的表面肌肉电信号采集设备，该设备是采用FPC的设计，电极附着在FPC上，实现电极与皮肤表面紧密接触，从而更好地采集肌肤表面的电信号；为了最大程度地缩小设备体积，本设计采用了集成高分辨率的模拟数字转换芯片(Analog to Digital Converter，ADC)；采集后的电信号通过无线蓝牙4.0协议，传输至上位机，实现数据的实时传输。

1 设计框图

整体设计分成5个模块，分别为电极模块、ADC芯片模块、主控芯片模块、电源模块和上位机模块。模块之间关系如图1所示。

图1 设备模块框图

电极模块采用的设计方法是将电极设计在FPC电路板上，将电极和导线合为一体，实现最大程度的集成化。电极使用了表现镀铜和镀金的方式，厚度分别为0.32mm和0.002mm，可以有效地降低电极与皮肤之间的阻抗。同时使用少量的导电凝胶，可以有效地减少电极与皮肤之间的极化反应。

本设计使用了集成化较高的高分辨率ADC芯片-ADS1293，高集成化的芯片可以有效降低电路板设计尺寸，使得采集设备有实现可穿戴化的可能。主控芯片负责与ADC芯片之间传输数据，收集转换后的数字信号，同时负责协同所有模块，需要包含微处理功能和无线传输功能。本设计采用了nRF51822芯片，该芯片无须外接蓝牙模块，自身直接支持低功耗蓝牙4.0协议，支持内部晶振或者外部晶振。电源使用了纽扣电池，满足小尺寸的需求。

2 硬件设计

2.1 无线通信模块和微处理单元模块

主控芯片是nordic公司设计生产的nRF51822，包含外部晶振、电源滤波电路、天线和外部接口。其中天线使用了板载天线，能够最大程度地减小体积。保留的外部接口包含一组SPI通信总线，一组外部中断，外部晶振使用16MHz。

2.2 数据采集模块

ADC芯片使用的是Texas Instruments公司的ADS1293芯片。该芯片支持3个通道的差分模拟输入，输入端有内置的抗电磁干扰，AD转换达到了24bit。工模干扰抑制比例达到了85dB，采样频率从25～6400Hz可调，完全满足肌肉电信号的采集。该芯片支持多种采集方式，可以支持连续数据读取，也可以使用外部中断的方式单次读取数据。

3 软件设计

3.1 软件框图

系统上电后，nRF51822对ADS1293先进行初始化，设置芯片工作方式和采样速度。初始化完成后开始采集肌肉电信号，nRF51822发出采样的开始命令，等到采样结束后，ADS1293使用外部中断通知nRF51822；nRF51822响应外部中断后，读取ADC数据，数据读取后，先进行简单的验证完整性；校验正确的数据将通过蓝牙协议至上位机。程序的运行框图如图2所示。

图2 软件流程框图

nRF51822和ADS1293之间采用串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)通信协议，遵循标准的SPI通信协议。ADC采集信号之后通过DRDY的信号线通知nRF51822。随后nRF51822读取SPI数据，将数据传送至上位机。

3.2 SPI读写时序

本设计中两块芯片的SPI工作模式均为0。当前情况下，nRF51822为主机模式，ADS1293为从机模式，时钟信号由主机提供；在读写寄存器时，主机需要先发送读或写标志位+寄存器地址，在下一个时序中，如果是读标志位，从机将返回寄存器数据内容；如果是写标志位，主机将发送寄存器数据内容。ADS1293芯片的分辨率是24bit，读取寄存器数据时，需要连续读取3个寄存器，每次读取8位数据，进行高低位组合后形成真实数据。需要读取的寄存器地址为0x37至0x3F。

3.3 数据上传

本设计中采集的数据，通过蓝牙4.0协议发送给上位机使用的台式电脑。蓝牙4.0协议的传输速度的理论极值是24Mbps，但是在实际使用中，要考虑例如功耗，信号强度等相关因素，传输速度大致只有2.5Mbps左右，即每秒能够传输2.5Mbit的数据。本设计中采集的电信号一共6个通道，每个通道转换后的数据是24bit，所以一次采集6个通道数据达到了192bit。如果采用最高的6.4k采样率，那么每秒蓝牙需要发送数据量达到了1.23Mbit，已经接近最大传输速率的一半以上。考虑到肌肉电位的有效信号频率在50～150Hz以及奈奎斯特采样定律，本设计中使用的采样速率控制在500Hz，并且省略了低4位信号的传输，保留高20位信号为有效信号。所以最终每秒需要传输的数据为6通道×20位数据×500采样率=60kbit/s。

4 采集效果测试

4.1 手臂动作采集测试

为了验证设备的采集效果，招募了5名被试者，参加手臂表面肌肉电位采集的实验。5名被试者均是在校大学生，右利手，在实验前均没有药物等使用记录。实验中被试被要求进行三种手臂动作，分别是平稳不动，手臂握拳，手臂弯曲。每种动作被要求要成10次。

实验过程中，设备的电极放置情况如下：参考电极放置在靠近手腕部位，三个通道数据放置在指伸肌和尺侧腕曲肌位置，放置的位置如图3所示。

图3 电极安放位置

设备采集到表面肌电信号后，通过蓝牙4.0传输至电脑中。本设计使用Matlab作为数据实时处理工具，绘制表面肌电信号曲线。图4中显示的是某一次实验中，被试者的手臂从放松状态转换到弯曲的状态时，尺侧腕曲肌信号的变化，从图中可以很明显地看出，手腕弯曲的时候，有明显的电信号变化。表明本设备可以有效地采集被试者手臂动作时表面肌肉电位的变化情况。

图4 手臂弯曲与手臂放松时，尺侧腕曲肌信号变化

4.2 设备性能测试

上一节叙述了手臂动作对于采集信号的改变，除此之外还需要对设备的具体性能进行测试。ADS1293的数模转换位数是24，本设计中使用的参考电压为3V，所以本设计的电压分辨率为：

(1)

除了分辨率以外，设备的信噪比(Signal-to-noise ratio，SNR)也是关键的技术参数。SNR的单位一般为dB，计算公式如下：

(2)

在表面肌电信号采集过程中，被试者保持平静不动的状态，此时的表面肌电信号作为系统的噪声；而被试者手臂进行弯曲动作时，采集到的表面肌电信号作为有效信号。图4中上方图片为手臂弯曲时的电压采集情况，下方为手臂放松时电压采集情况。使用公式(2)进行SNR的计算，得到平均信噪比为21.8dB，能够满足实际使用条件。

5 结论

本文介绍了基于柔性电路板设计的一种肌肉电位采集设备的工作原理，分析了设备的硬件设计；本设计采用了nRF51822为主控芯片，ADS1293芯片为数模转换芯片，电极直接接触手臂，并通过蓝牙4.0将采集数据传输给上位机。这种技术手段实现了手臂肌肉电位信号的实时采集，设计的硬件电路体积小，能够可弯折，适合于可穿戴场合。具体的设计参数如下表所示：

肌肉电位采集设备参数表