0 引言

    肌肉纖維在人體動(dòng)作時(shí)會(huì)因刺激發(fā)生生物離子運(yùn)動(dòng)而形成生物電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過時(shí)間和空間的疊加在皮膚表面便形成了表面肌電信號(hào)(Surface Electromyography Signal，sEMG)。sEMG可以反映肌肉的活動(dòng)狀況或者肌肉的疲勞程度，在假肢、手語交流、肌肉疾病等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，例如可以通過檢測(cè)手指肌肉的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別手勢(shì)從而實(shí)現(xiàn)手語交流；通過檢測(cè)相應(yīng)肌肉的動(dòng)作信號(hào)控制假肢活動(dòng)；通過分解sEMG可以評(píng)判肌肉疲勞程度并據(jù)此對(duì)患者進(jìn)行相應(yīng)的疾病診斷、肌肉康復(fù)或訓(xùn)練。

    sEMG是一種微弱的生物電信號(hào)且受到多種噪聲干擾，如何有效采集一直是sEMG研究的重要課題，本文利用銀電極的換能作用設(shè)計(jì)一種可貼于人體表面的sEMG檢測(cè)電極，銀電極將皮膚表面的生物信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電壓信號(hào)，將電壓信號(hào)放大濾波后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過Bluetooth通信發(fā)送至其他設(shè)備，后續(xù)可經(jīng)處理或顯示或作為控制信號(hào)。

1 實(shí)現(xiàn)方式

    如圖1所示，采集系統(tǒng)整體由五部分構(gòu)成，檢測(cè)電極選取兩級(jí)放大濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的1 000倍放大以及保留主要的能量帶寬20 Hz～450 Hz信息^[1]，STM32F103作為控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)化，并通過Bluetooth 4.0發(fā)送至PC，PC基于MATLAB平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，MATLAB以串口方式實(shí)現(xiàn)與Bluetooth 4.0通信，并通過中斷方式讀取接收到的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)整體由電池供電。

1.1 檢測(cè)電極設(shè)計(jì)

1.1.1 設(shè)計(jì)原理

    sEMG是眾多肌纖維中運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼麟娢辉跁r(shí)間和空間上的疊加，經(jīng)過皮膚等物質(zhì)的阻抗和電容作用在皮膚表面通常只有1 mV左右的峰值。因此在設(shè)計(jì)檢測(cè)電極時(shí)需考慮多種影響因素，如檢測(cè)電極的設(shè)計(jì)、放置、噪聲污染等。

    檢測(cè)電極設(shè)計(jì)的基本原理是生物組織在刺激過程中會(huì)發(fā)生生物離子運(yùn)動(dòng)，從而形成微弱的生物電流，利用銀電極可與皮膚構(gòu)成簡(jiǎn)單的回路，將生物電信號(hào)轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電壓信號(hào)。根據(jù)研究表明^[2]，銀電極一般采取固定式間距效果較好，最佳的間距可設(shè)為10 mm，可較好地減少鄰近肌肉的串?dāng)_。對(duì)于電極安放，最佳放置是肌肉腹部^[3]，可以減小串?dāng)_并提高信噪比。對(duì)于噪聲污染，主要考慮生理噪聲、環(huán)境噪聲以及運(yùn)動(dòng)偽跡，針對(duì)不同的噪聲可采取不同的措施，通過差分放大，選取高共模抑制比的放大器，選擇合適的測(cè)量位置可以一定程度減小生理噪聲；將測(cè)量電極和放大濾波電路一體化，避免使用連接線，可以有效減小環(huán)境噪聲；而運(yùn)動(dòng)偽跡頻率集中在20 Hz以下，采用高通濾波器可消除運(yùn)動(dòng)偽跡的影響，另外系統(tǒng)采用電池供電，可減小工頻干擾。

1.1.2 實(shí)現(xiàn)方式

    綜合以上分析，設(shè)計(jì)了如圖2所示的電路，電路總體分為兩級(jí)放大濾波，實(shí)現(xiàn)1 000倍的放大以及20 Hz～450 Hz的帶通濾波。首先選取高共模抑制比的AD8220作為初級(jí)放大濾波器^[4]，AD8220具有體積微小的MSOP封裝，放大倍數(shù)由R決定，R和C可構(gòu)成簡(jiǎn)單的無源RC高通濾波器濾除低頻的運(yùn)動(dòng)偽跡，銀電極以差分的方式輸入以減少共模噪聲的影響，測(cè)量時(shí)注意接入?yún)⒖茧姌O并接地，然后選擇具有雙運(yùn)放的AD8642構(gòu)成帶通濾波器，保留帶寬20 Hz～450 Hz，濾除其他無用頻率。電路制作時(shí)盡可能選取貼片式器件以減小電路板尺寸，便于貼于皮膚表面及最大程度減小受試者的不適感。

1.2 sEMG無線傳輸

    sEMG經(jīng)電路放大濾波后僅具有1 V左右的峰值，帶寬集中在20 Hz～450 Hz，而STM32F103內(nèi)部集成12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC），最短采樣時(shí)間為1 μs，足以滿足sEMG的A/D轉(zhuǎn)換。檢測(cè)電極由電池供電，選用低功耗的Bluetooth 4.0可延長(zhǎng)設(shè)備待機(jī)時(shí)間。

1.2.1 基于STM32F103的模數(shù)轉(zhuǎn)換

    STM32F103內(nèi)部集成3個(gè)12位ADC共18個(gè)通道，可測(cè)量16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號(hào)源，信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)寄存器(規(guī)則通道數(shù)據(jù)寄存器或注入通道數(shù)據(jù)寄存器)中。通常ADC需要不間斷采集大量的數(shù)據(jù)，為提高效率，程序使用直接內(nèi)存存取（Direct Memory Access，DMA）方式從寄存器讀取到內(nèi)存中，并通過DMA請(qǐng)求結(jié)束事件以完成一次數(shù)據(jù)采集，此外程序采用定時(shí)器觸發(fā)方式觸發(fā)ADC并控制采樣率。

    DMA方式是將數(shù)據(jù)從一個(gè)地址空間搬運(yùn)到另一個(gè)地址空間，過程中無需CPU中斷，可很大程度減小CPU中斷負(fù)載，提高采樣效率。STM32F103具有2個(gè)DMA控制器，共12個(gè)通道，其中DMA1的Channel1可參與ADC1數(shù)據(jù)搬運(yùn)，在具體實(shí)現(xiàn)過程中程序配置好DMA的相關(guān)參數(shù)，如外設(shè)數(shù)據(jù)地址、內(nèi)存地址、傳輸方向等，即可實(shí)現(xiàn)DMA方式?；赟TM32F103 DMA方式進(jìn)行ADC采集程序較為簡(jiǎn)單，故不再詳細(xì)講解程序流程。

1.2.2 基于Bluetooth 4.0實(shí)現(xiàn)無線傳輸

    Bluetooth 4.0是Bluetooth STG在2010年7月7日推出的新規(guī)范，因其低功耗特性而廣受歡迎。本文選用美國(guó)TI公司CC2541芯片設(shè)計(jì)Bluetooth模塊，該模塊遵循V4.0 BLE規(guī)范，可使用AT指令、支持UART接口及SPP Bluetooth串口協(xié)議。系統(tǒng)基于STM32F103將ADC采集的數(shù)據(jù)通過Bluetooth 4.0發(fā)送至PC，該過程中STM32以UART方式與Bluetooth通信，此方式需保證STM32串口參數(shù)與Bluetooth參數(shù)（波特率、停止位、奇偶校驗(yàn)位等）一致，PC以另一個(gè)Bluetooth 4.0設(shè)備接收數(shù)據(jù)，接收和發(fā)送Bluetooth間以MAC地址進(jìn)行配對(duì)，配對(duì)成功后MATLAB采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。

1.2.3 程序設(shè)計(jì)

    具體的程序流程如圖3所示，STM32向Bluetooth發(fā)送AT指令，并判斷響應(yīng)是否為“OK”，若是則說明Bluetooth可正常進(jìn)入AT指令，可通過發(fā)送AT指令配置Bluetooth參數(shù)，使之與串口參數(shù)一致；若否則提醒用戶無法進(jìn)入AT模式并結(jié)束程序。Bluetooth參數(shù)配置完成后，判斷此時(shí)Bluetooth是否處于配對(duì)狀態(tài)，若否則進(jìn)入查詢狀態(tài)，按照MAC地址與上位機(jī)Bluetooth進(jìn)行配對(duì)。配對(duì)成功后，若PC與STM32成功握手應(yīng)答，則開始發(fā)送數(shù)據(jù)。

    MATLAB將Bluetooth模擬成串口，其讀取數(shù)據(jù)的方法有查詢發(fā)和事件驅(qū)動(dòng)法。然而由于接收的數(shù)據(jù)較多、時(shí)間較長(zhǎng)，若采用查詢法，會(huì)極大地占用系統(tǒng)資源，造成程序效率低下，因此本文選用事件驅(qū)動(dòng)法結(jié)合回調(diào)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。該方法需指定ByteAvailableFcnMode的值，其值通常可設(shè)為byte或terminator。若設(shè)為byte，表示當(dāng)輸入緩存中的字節(jié)數(shù)達(dá)到BytesAvailableFcnCount指定的大小，則調(diào)用BytesAvailableFcn中指定的回調(diào)函數(shù)；若設(shè)為terminator，則表示可用鍵盤某個(gè)按鍵事件觸發(fā)并調(diào)用回調(diào)函數(shù)。

    PC每接收完一次數(shù)據(jù)，調(diào)用一次回調(diào)函數(shù)，回調(diào)函數(shù)會(huì)將數(shù)據(jù)換算為實(shí)際的數(shù)值（ADC采樣數(shù)據(jù)需經(jīng)過計(jì)算才與實(shí)際數(shù)值相符）存入txt文件中。當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，txt文件中則包含了此次sEMG檢測(cè)的所有數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

    如圖4所示，測(cè)試受試對(duì)象（女，24歲）右手尺側(cè)腕屈肌以觀察握拳動(dòng)作，測(cè)試掌長(zhǎng)肌以觀察右手食指伸屈動(dòng)作。進(jìn)行握拳動(dòng)作時(shí)要求受試對(duì)象開始時(shí)手掌處于舒張放松狀態(tài)，一段時(shí)間后開始握拳，維持時(shí)間不超過10 s，之后恢復(fù)到放松狀態(tài)，10 s后再次握拳，如此反復(fù)，直至100 s結(jié)束；進(jìn)行食指伸屈動(dòng)作受試對(duì)象開始五指彎曲，一段時(shí)間后伸展食指，維持時(shí)間不超過10 s，后彎曲食指，如此反復(fù)，直至100 s結(jié)束。檢測(cè)電極以STM32F103為控制器，將檢測(cè)電極采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后通過Bluetooth 4.0發(fā)送至PC，PC以Bluetooth 4.0接收數(shù)據(jù)，并通過MATLAB讀取接收到的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行直觀顯示。

    從圖4中可以觀察到，在100 s內(nèi)sEMG具有約5次較大的波動(dòng)，這與實(shí)際進(jìn)行了5次握拳和伸屈動(dòng)作的事實(shí)相符；5次波動(dòng)幅值各不相同，這反應(yīng)了每次的握拳和伸屈力度各不均等，動(dòng)作力度越大，電壓波動(dòng)越大，由此可以看出該采集系統(tǒng)可以較為明顯地反映動(dòng)作次數(shù)和力度。

    對(duì)比圖4(a)和圖4(b)，前者在握拳動(dòng)作持續(xù)期間電壓一直處于波動(dòng)狀態(tài)，且隨著握拳力度的增加或減小，電壓波形也會(huì)劇烈或舒緩；而后者在食指伸展的瞬間電壓波動(dòng)較大，但并不一直存在于食指伸展的過程中，這與實(shí)際情況相符；尺側(cè)腕屈肌在握拳動(dòng)作持續(xù)期間一直處于刺激狀態(tài)，而掌長(zhǎng)肌只在手指伸展的瞬間被刺激之后恢復(fù)常態(tài)，這也說明不同肌肉具有不同的sEMG信號(hào)特征，可反映不同的動(dòng)作信號(hào)，利用該特征可通過測(cè)試不同肌肉的sEMG獲取不同的動(dòng)作信號(hào)。 

3 結(jié)束語

    近年來sEMG在手勢(shì)識(shí)別、假肢控制、肌肉疾病診斷和康復(fù)等領(lǐng)域中呈現(xiàn)了越來越大的研究?jī)r(jià)值，但因其微弱和易受干擾性使得檢測(cè)存在困難。本文利用銀電極的特性，將sEMG轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電壓信號(hào)，基于STM32F103對(duì)其采樣后通過Bluetooth 4.0發(fā)送至其他控制設(shè)備，控制設(shè)備只需具備Bluetooth接收功能即可接收數(shù)據(jù)。sEMG包含大量表征肌肉生物特征的信息，控制設(shè)備可對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分解或者特征提取，提取這些生物信息。

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作者信息:

李佳妮，王云峰

(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 中國(guó)科學(xué)院微電子研究所 新一代通信射頻芯片技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029)