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一種新型的表面肌電檢測與訓練系統的軟硬件設計

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  美國delsys表面肌電檢測與訓練系統是開發出來用于保健、訓練、檢測,提高人民生活水平的產品。它具有實用性、便攜性,易于操作。delsys表面肌電檢測與訓練系統由兩個主要平臺構成;PC計算顯示存儲平臺和下位機采集、顯示、傳輸、存儲平臺。下位機硬件為ARM7數字處理中心和前端放大濾波模擬處理電路;下位機軟件為帶觸摸屏的嵌入式系統,有USB傳輸、WiFi無線傳輸,SD儲存等模塊,方便高效。上位機實現對肌電信號的非線性動學分析和反饋治療訓練。這個系統具有可行性和靈活性,可用于更深層次的研究。

  0 引言

  肌電是人體肌肉、神經興奮產生生物電的結果。利用肌電信號可以達到很多目標,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肌肉的生物電信號,具有無創性,操作簡單的優點,有著廣泛的應用前景。該系統檢測接口人簡單方便,易于讓人接受,小型實用低功耗。下面主要介紹表面肌電檢測與訓練系統的下位機軟件的設計與實現。

  1 表面肌電檢測與訓練系統的總體設計

  系統設計分前端模擬放大電路,AT91SAM7SE512下位機編程和上位機軟件。

  

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  系統的主要技術環節由模擬前端、A/D采樣、數據存儲與顯示、USB 2.0數據傳輸、無線數傳、軟件分析與反饋治療等6大部分構成,如圖1所示。

  2 前端模擬放大和A/D采樣電路設計

  微弱信號放大是保證整個系統性能的基礎,其設計要點是高輸入阻抗,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的同時抑制各種噪聲信號。基于sEMG信號的特點,ISEK和SENIAM都建議不要采用50 Hz陷波器,所以該系統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引起的飽和,引入參考電極,使用右腿驅動技術。采用OPA2277構成右腿驅動、濾波和放大單元。為了提高精度,前端模擬放大部分已經盡量接近測試端,然后再傳到主放大板。

  AD與主放大板對主控制板SPI接口信號進行隔離后,控制AD器件ADS8513對放大后的表面肌電進行采樣。表面肌電信號主要由OPA2277進行濾波放大。板上為雙通道表面肌電放大器,經四階低通、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構成,并以OPA2277構成共模負反饋電路,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 數據存儲與顯示

  系統采集的sEMG數據可以直接存儲于本地的SD卡,需要基于嵌入式系統進行SD卡驅動的設計和FAT32文件系統的實現。移植FatFs Modu le以先寫一個最簡單的測試讀/寫512 B的讀/寫程序,然后再包裝給上層的文件系統進行調用。

  與UIGUI的接口,就是引用ff.h中的讀寫文件函數。例如,要讀文件目錄,則用f_readdir(&dlist,&finfo)寫一個遞歸函數,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的應用函數里。

  4 USB 2.0數據傳輸

  采集的數據可實時傳送到上位機,也可經USB 2.0接口將存儲于SD卡中的數據傳送到上位機。為此,需在下位機設計USB 2.0接口,上位機沒計USB2.0設備驅動程序。USB高速穩定,易插拔,能夠方便地應用在電子產品上。USB使用簡單,但是編程復雜。首先要熟悉USB的工作流程,USB的設備請求格式由8個字節組成。分別為設備請求類型,設備請求,數值,值,索引,長度。下位機從電腦中獲取標準命令,然后下位機通過void userDriver_RequestHandler(const USBGenericRequest*request)來選出所要的命令。USB傳輸如圖2所示。

  

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  下位機用中斷來響應上位機的命令,在枚舉時就開始屏蔽下位機的顯示屏和觸摸屏的觸摸檢測。然后上位機發送來采樣的信號后,就開始創建任務,傳輸數據。上位機傳來停機的命令后,就讓采樣和傳輸仟務自動刪除,同時釋放下位機的顯示屏和觸摸屏的觸摸檢測。

  5 無線傳輸

  系統連接PC時可選無線和有線兩種,無線網絡在日常生活中的應用很多,如可以在出差途中直接連上英特網。在醫療保健設備中如果能用上無線設備,那么它的靈活,便于攜帶,遠程監控等作用就可以很好地表現出來。在這個系統中采用了WiFi無線設備。

  Nano WiReach能夠實現串口透明WiFi傳輸,配置合理的參數,如合理發送的數據包大小和發送間隔,努力使得滿足數據傳輸的速率和正確性下,減輕傳輸部件的負擔。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。

  

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  6 軟件分析與反饋治療

  軟件分析與反饋治療是整個系統功能的具體體現,實現功能評估與反饋治療兩大部分功能。功能評估以表面肌電作為監控設備,對增強或減弱肌肉的生物電活動、是否緩解肌強直癥狀、是否使肌肉靜息電位恢復正常的治療有明確的評估標準。反饋治療通過由表面肌電信號分析結果驅動的卡通動畫信號或聲音反饋給人體的視覺、聽覺被直接感知,引導受試者有意識地進行學習和生理活動的自我調節,以實現自我控制,達到防病治療之目的。可利用反饋進行肌肉放松訓練、興奮性訓練(肌力增強訓練、肌肉耐力訓練)、協調性及精準性訓練、上/下肢、主/被動康復訓練等。

  軟件部分需要對獲取的sEMG信號進行處理和分析,首先是預處理,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,然后是時域參數提取(包括Peak.Mcan,Arca/IEMG)、頻域參數提取(包括Mean Frequency,Median Frequency,Peak Power),其他還包括Time to Peak計算、Onset/Offset計算(計算Onset時間和Offset時間來反應神經傳導速度)等。另外,擬進行非線性參數的提取和相關的實驗研究,包括基本尺度熵、多重分形分析等非線性參數的提取,以及這些非線性參數與各種神經肌肉系統特件的相關性研究等。軟件連接時可以進行有線或者無線的連接,界面如圖4所示。

  

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  游戲功能和數據顯示如圖5,圖6所示。其中系統采集輸入是雙通道的,界面采用VC編程。

  

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  7 結語

  隨著社會的發展,對醫療保健產品需求會變大,同時對產品的要求也會更高,肌電近年來的研究在不斷加深,表面肌電訓練與檢測系統能夠對肌電信號進行檢測,同時還可以幫助進行訓練,是一個實用的系統。表面肌電訓練與檢測系統是基于ARM平臺的系統,小型,功能完善,而且采用UCOS操作系統,方便以后功能拓展,便于維護和使用。


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