一種新型的表面肌電檢測與訓(xùn)練系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

摘要：表面肌電檢測與訓(xùn)練系統(tǒng)是開發(fā)出來用于保健、訓(xùn)練、檢測，提高人民生活水平的產(chǎn)品。它具有實(shí)用性、便攜性，易于操作。表面肌電檢測與訓(xùn)練系統(tǒng)由兩個(gè)主要平臺(tái)構(gòu)成；PC計(jì)算顯示存儲(chǔ)平臺(tái)和下位機(jī)采集、顯示、傳輸、存儲(chǔ)平臺(tái)。下位機(jī)硬件為ARM7數(shù)字處理中心和前端放大濾波模擬處理電路；下位機(jī)軟件為帶觸摸屏的嵌入式系統(tǒng)，有USB傳輸、WiFi無線傳輸，SD儲(chǔ)存等模塊，方便高效。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對肌電信號(hào)的非線性動(dòng)學(xué)分析和反饋治療訓(xùn)練。這個(gè)系統(tǒng)具有可行性和靈活性，可用于更深層次的研究。
關(guān)鍵詞：表面肌電；USB；SD卡；非線性動(dòng)學(xué)分析

0 引言
肌電是人體肌肉、神經(jīng)興奮產(chǎn)生生物電的結(jié)果。利用肌電信號(hào)可以達(dá)到很多目標(biāo)，例如利用肌電控制假肢、肌電刺激治療肌肉萎縮、在體育活動(dòng)中診斷肌肉力量和肌肉疲勞等。表面肌電則是從人體皮膚表面通過電極記錄下來的神經(jīng)肌肉的生物電信號(hào)，具有無創(chuàng)性，操作簡單的優(yōu)點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景。該系統(tǒng)檢測接口人簡單方便，易于讓人接受，小型實(shí)用低功耗。下面主要介紹表面肌電檢測與訓(xùn)練系統(tǒng)的下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 表面肌電檢測與訓(xùn)練系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)分前端模擬放大電路，AT91SAM7SE512下位機(jī)編程和上位機(jī)軟件。

系統(tǒng)的主要技術(shù)環(huán)節(jié)由模擬前端、A／D采樣、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示、USB 2．0數(shù)據(jù)傳輸、無線數(shù)傳、軟件分析與反饋治療等6大部分構(gòu)成，如圖1所示。

2 前端模擬放大和A／D采樣電路設(shè)計(jì)
微弱信號(hào)放大是保證整個(gè)系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)是高輸入阻抗，高增益，寬頻帶，低噪聲，高共模抑制比，能在有效放大表面肌電信號(hào)的同時(shí)抑制各種噪聲信號(hào)?；趕EMG信號(hào)的特點(diǎn)，ISEK和SENIAM都建議不要采用50 Hz陷波器，所以該系統(tǒng)中選用高共模抑制比的INA 129作為前置放大，以盡可能消除工頻干擾。為防止由于共模信號(hào)引起的飽和，引入?yún)⒖茧姌O，使用右腿驅(qū)動(dòng)技術(shù)。采用OPA2277構(gòu)成右腿驅(qū)動(dòng)、濾波和放大單元。為了提高精度，前端模擬放大部分已經(jīng)盡量接近測試端，然后再傳到主放大板。
AD與主放大板對主控制板SPI接口信號(hào)進(jìn)行隔離后，控制AD器件ADS8513對放大后的表面肌電進(jìn)行采樣。表面肌電信號(hào)主要由OPA2277進(jìn)行濾波放大。板上為雙通道表面肌電放大器，經(jīng)四階低通、二階高通濾波，有效帶寬20～500Hz，放大到4 000～20 000倍。前置放大由INA129構(gòu)成，并以O(shè)PA2277構(gòu)成共模負(fù)反饋電路，以提高測量的總共模抑制比。前置放大板與AD與主放大板之間借用IEEE 1394線纜連接。

3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示
系統(tǒng)采集的sEMG數(shù)據(jù)可以直接存儲(chǔ)于本地的SD卡，需要基于嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行SD卡驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和FAT32文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。移植FatFs Modu le以先寫一個(gè)最簡單的測試讀／寫512 B的讀／寫程序，然后再包裝給上層的文件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用。
與UIGUI的接口，就是引用ff．h中的讀寫文件函數(shù)。例如，要讀文件目錄，則用f_readdir(＆dlist，＆finfo)寫一個(gè)遞歸函數(shù)，能夠讀出SD卡里面所有的文件名。讀出的文件名就可以直接地放在GUI的應(yīng)用函數(shù)里。

4 USB 2．0數(shù)據(jù)傳輸
采集的數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)，也可經(jīng)USB 2．0接口將存儲(chǔ)于SD卡中的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。為此，需在下位機(jī)設(shè)計(jì)USB 2．0接口，上位機(jī)沒計(jì)USB2．0設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。USB高速穩(wěn)定，易插拔，能夠方便地應(yīng)用在電子產(chǎn)品上。USB使用簡單，但是編程復(fù)雜。首先要熟悉USB的工作流程，USB的設(shè)備請求格式由8個(gè)字節(jié)組成。分別為設(shè)備請求類型，設(shè)備請求，數(shù)值，值，索引，長度。下位機(jī)從電腦中獲取標(biāo)準(zhǔn)命令，然后下位機(jī)通過void userDriver_RequestHandler(const USBGenericRequest*request)來選出所要的命令。USB傳輸如圖2所示。

下位機(jī)用中斷來響應(yīng)上位機(jī)的命令，在枚舉時(shí)就開始屏蔽下位機(jī)的顯示屏和觸摸屏的觸摸檢測。然后上位機(jī)發(fā)送來采樣的信號(hào)后，就開始創(chuàng)建任務(wù)，傳輸數(shù)據(jù)。上位機(jī)傳來停機(jī)的命令后，就讓采樣和傳輸仟?jiǎng)?wù)自動(dòng)刪除，同時(shí)釋放下位機(jī)的顯示屏和觸摸屏的觸摸檢測。

5 無線傳輸
系統(tǒng)連接PC時(shí)可選無線和有線兩種，無線網(wǎng)絡(luò)在日常生活中的應(yīng)用很多，如可以在出差途中直接連上英特網(wǎng)。在醫(yī)療保健設(shè)備中如果能用上無線設(shè)備，那么它的靈活，便于攜帶，遠(yuǎn)程監(jiān)控等作用就可以很好地表現(xiàn)出來。在這個(gè)系統(tǒng)中采用了WiFi無線設(shè)備。
Nano WiReach能夠?qū)崿F(xiàn)串口透明WiFi傳輸，配置合理的參數(shù)，如合理發(fā)送的數(shù)據(jù)包大小和發(fā)送間隔，努力使得滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎驼_性下，減輕傳輸部件的負(fù)擔(dān)。用算法保證一定的正確性，減少TCP＼IP包重傳的可能性。
編程流程如圖3所示。

6 軟件分析與反饋治療
軟件分析與反饋治療是整個(gè)系統(tǒng)功能的具體體現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)功能評(píng)估與反饋治療兩大部分功能。功能評(píng)估以表面肌電作為監(jiān)控設(shè)備，對增強(qiáng)或減弱肌肉的生物電活動(dòng)、是否緩解肌強(qiáng)直癥狀、是否使肌肉靜息電位恢復(fù)正常的治療有明確的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。反饋治療通過由表面肌電信號(hào)分析結(jié)果驅(qū)動(dòng)的卡通動(dòng)畫信號(hào)或聲音反饋給人體的視覺、聽覺被直接感知，引導(dǎo)受試者有意識(shí)地進(jìn)行學(xué)習(xí)和生理活動(dòng)的自我調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)自我控制，達(dá)到防病治療之目的?？衫梅答佭M(jìn)行肌肉放松訓(xùn)練、興奮性訓(xùn)練(肌力增強(qiáng)訓(xùn)練、肌肉耐力訓(xùn)練)、協(xié)調(diào)性及精準(zhǔn)性訓(xùn)練、上／下肢、主／被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練等。
軟件部分需要對獲取的sEMG信號(hào)進(jìn)行處理和分析，首先是預(yù)處理，包括濾波(去除心電干擾和50Hz工頻干擾)、全波整流(RMS方法)、正則化(Maximum Voluntary Contraction．MVC)等，然后是時(shí)域參數(shù)提取(包括Peak．Mcan，Arca／IEMG)、頻域參數(shù)提取(包括Mean Frequency，Median Frequency，Peak Power)，其他還包括Time to Peak計(jì)算、Onset／Offset計(jì)算(計(jì)算Onset時(shí)間和Offset時(shí)間來反應(yīng)神經(jīng)傳導(dǎo)速度)等。另外，擬進(jìn)行非線性參數(shù)的提取和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，包括基本尺度熵、多重分形分析等非線性參數(shù)的提取，以及這些非線性參數(shù)與各種神經(jīng)肌肉系統(tǒng)特件的相關(guān)性研究等。軟件連接時(shí)可以進(jìn)行有線或者無線的連接，界面如圖4所示。

游戲功能和數(shù)據(jù)顯示如圖5，圖6所示。其中系統(tǒng)采集輸入是雙通道的，界面采用VC編程。

7 結(jié)語
隨著社會(huì)的發(fā)展，對醫(yī)療保健產(chǎn)品需求會(huì)變大，同時(shí)對產(chǎn)品的要求也會(huì)更高，肌電近年來的研究在不斷加深，表面肌電訓(xùn)練與檢測系統(tǒng)能夠?qū)‰娦盘?hào)進(jìn)行檢測，同時(shí)還可以幫助進(jìn)行訓(xùn)練，是一個(gè)實(shí)用的系統(tǒng)。表面肌電訓(xùn)練與檢測系統(tǒng)是基于ARM平臺(tái)的系統(tǒng)，小型，功能完善，而且采用UCOS操作系統(tǒng)，方便以后功能拓展，便于維護(hù)和使用。