林錦榮，譚北海，謝勝利

基于ADS1294的表面肌電信號采集系統(tǒng)的設(shè)計

林錦榮，譚北海，謝勝利

目的：設(shè)計并實現(xiàn)一種表面肌電信號采集系統(tǒng)。方法：由基于ADS1294數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的前端信號采集模塊、基于LPC2368的微處理器模塊以及運行在Windows環(huán)境下的上位機控制程序構(gòu)成整套系統(tǒng)。由上位機程序發(fā)出控制命令，經(jīng)串口傳輸?shù)轿⑻幚砥?，從而實現(xiàn)對前端采集模塊的控制，將采集到的信號經(jīng)過微處理器模塊最終傳輸?shù)絺€人計算機上進行顯示與保存。結(jié)果：系統(tǒng)能夠?qū)崟r從人體采集多路表面肌電信號，在上位機程序中動態(tài)顯示，并將信號轉(zhuǎn)換成24位μV級數(shù)據(jù)存儲在個人計算機上。結(jié)論：經(jīng)過大量臨床試驗表明，系統(tǒng)具有體積小、功耗低、精度高以及操作直觀等優(yōu)點，可以獲得多路清晰的表面肌電信號，可以應用于肌肉臨床診斷、康復醫(yī)學及運動醫(yī)學等領(lǐng)域。

表面肌電圖；ADS1294；LPC2368

0 引言

肌電是神經(jīng)、肌肉興奮發(fā)放生物電的結(jié)果，它是產(chǎn)生肌肉力的電信號根源。常用的獲取肌電信號的手段有針電極插入肌肉檢測和表面肌電檢測2種。其中，采用針電極的優(yōu)點是干擾小、定位性好、易識別，但由于它是一種有創(chuàng)的檢測方法，其應用受到一定限制[1-2]。而采用表面電極相比較而言具有無創(chuàng)性、操作簡易、患者易于接受等優(yōu)點，并且采集到的表面肌電圖（surface electro myography，SEMG）作為特異性良好的評估神經(jīng)肌肉功能狀態(tài)指標被廣泛應用于臨床醫(yī)學、康復醫(yī)學的肌肉功能評價，以及體育科學中的疲勞判定、運動技術(shù)合理性分析、肌纖維類型和無氧閾值的損傷性預測等領(lǐng)域[3]。鑒于SEMG具有的優(yōu)點以及廣泛的應用領(lǐng)域，本文設(shè)計一種基于集成模塊以及微處理器的體積小、功耗低、操作簡易、功能完善的表面肌電采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)建與工作原理

作為生物電的SEMG具有一般電信號的3大特征：幅度小、頻譜低及信號源阻抗大。SEMG是自人體體表特定點處拾取的生物電信號，信號通常十分微弱，其幅度一般不超過5 mV，且頻率較低，頻譜范圍一般為0.02～500 Hz，能量主要集中在0.25～350 Hz的范圍內(nèi)。作為肌電的信號源，人體源阻抗一般較大，可達幾千歐姆甚至幾十千歐姆[4]。因此，在系統(tǒng)的設(shè)計中需要考慮信號放大、濾波以及去噪等問題，才能獲取到可用于觀測與分析的SEMG。同時為了使系統(tǒng)的操作更為直觀，系統(tǒng)將配套一個運行在Windows環(huán)境下帶界面的上位機程序，該程序具有實時顯示采集到的多路信號以及數(shù)據(jù)保存等功能。系統(tǒng)構(gòu)建的整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)的工作過程：

（1）連接設(shè)備，將采集電極貼到人體的相應部位，并啟動上位機程序，完成系統(tǒng)的通信配置；由上位機程序通過微處理模塊向前端信號采集模塊發(fā)出控制命令，開始信號的采集。

（2）采集到的多路SEMG信號在A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過濾波、放大及去噪處理傳輸?shù)轿⑻幚砥?，由微處理器對其進行編碼處理，傳輸?shù)缴衔粰C程序。

（3）上位機程序?qū)邮盏降亩嗦窋?shù)據(jù)進行解碼與預處理，得到多路清晰的SEMG，并實現(xiàn)顯示、保存以及打印輸出的功能。

2 硬件設(shè)計

硬件電路的設(shè)計如圖2所示。

圖2 硬件電路

2.1 前端采集模塊

由于SEMG所具備的上述特征，要求信號采集模塊需要包含前置放大電路、工頻陷波、濾波電路、主放大電路、右腿驅(qū)動電路以及A/D轉(zhuǎn)換等。如采用傳統(tǒng)模擬電路進行硬件電路的搭建，電路將存在整體成本較高、體積較大、調(diào)試復雜等缺點，同時鑒于目前專門用于生物電信號測量的集成芯片的出現(xiàn)，本設(shè)計將采用由TI公司設(shè)計的專門用于生物電位測量的ADS1294芯片。ADS1294是TI公司推出的4通道生物電采集芯片，內(nèi)部集成了AFE前置模塊、數(shù)字濾波、右腿驅(qū)動、A/D轉(zhuǎn)換，是一款基于SPI接口的可編程芯片，通過內(nèi)部寄存器可以選擇內(nèi)部電路開關(guān)、設(shè)置增益、采樣率等；其24位的A/D轉(zhuǎn)換精度可達μV級，完全滿足SEMG的采集需要。

2.2 微處理器模塊

本系統(tǒng)采用LPC2368作為微處理器。LPC2368是一款NXP公司生產(chǎn)的基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM7TDMI-S CPU的低功耗微控制器芯片，可在高達72 MHz的工作頻率下運行。ARM7TDMI-S是基于RISC原理設(shè)計的，RISC簡化了處理器的譯碼工作，從而大大提高了處理速度、指令吞吐量和中斷響應速度。

同時，由于LPC2368內(nèi)置一個SPI接口控制器、多種向量中斷控制器以及串口，大大簡化了模塊的外圍電路設(shè)計。在系統(tǒng)中，SPI工作在主從機模式，作用是由主控LPC2368對SPI接口發(fā)起寫操作，從而配置ADS1298芯片，并通過SPI從ADS1294中讀取多通道SEMG數(shù)據(jù)；外部中斷采用邊沿觸發(fā)方式，每當ADS1294完成數(shù)據(jù)采集且其指示引腳/DRDY的下降沿到來時，便會觸發(fā)外部中斷，從而在ARM中觸發(fā)中斷響應程序，讀取SPI中的數(shù)據(jù)；由于系統(tǒng)采集的是多路信號，因此，在串口傳輸前需對其進行分通道的編碼處理，進而利用串口將編碼后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺€人計算機的上位機處理程序。

2.3 隔離保護電路

為了使系統(tǒng)具備便攜的優(yōu)點，系統(tǒng)采用USB進行供電。由于引入了220 V市電，為防止市電通過數(shù)字電路串入導聯(lián)的電極從而對人體產(chǎn)生直接傷害，需要在采集電極與處理器模塊間增加隔離電路。傳統(tǒng)的生物電采集設(shè)計中采用光耦進行隔離[5]，考慮到光耦芯片存在能耗較大的問題，因此，本設(shè)計采用用多片磁耦芯片搭建隔離保護電路。

3 軟件設(shè)計

3.1 ARM驅(qū)動程序

微處理器模塊采用LPC2368作為控制芯片，采用C語言編寫驅(qū)動控制程序。程序主要采用前后臺工作模式。主函數(shù)先進行串口以及相關(guān)IO的初始化，進入輪詢，通過不斷檢測標志信號判斷是否接收到可用的多通道SEMG數(shù)據(jù)，有則將數(shù)據(jù)進行分通道編碼并通過串口傳輸?shù)絺€人計算機的上位機程序；后臺工作2個中斷程序，包括高優(yōu)先級的串口中斷以及低優(yōu)先級的外部中斷。當上位機發(fā)出“開始/停止采集”命令，將觸發(fā)串口中斷程序，以判斷命令的種類（是“開始采集”還是“停止采集”），進而實現(xiàn)對ADS1294的使能或停止控制；當ADS1294完成一次數(shù)據(jù)采集則通過IO向ARM處理器發(fā)出中斷信號，此時將觸發(fā)外部中斷程序，進而通過SPI讀取采集到的數(shù)據(jù)，并改變標志信號，以通知主函數(shù)已經(jīng)接收到可用數(shù)據(jù)。驅(qū)動程序主要流程如圖3所示。

3.2 上位機處理程序

這是一個運行在Windows環(huán)境下帶界面的上位機程序，開發(fā)環(huán)境是VC++6.0。主要功能包括發(fā)送系統(tǒng)控制命令（開始/停止采集）、對數(shù)據(jù)進行濾波去噪、實時顯示濾波后的多路SEMG信號、保存用戶數(shù)據(jù)等。由于上位機程序是基于MFC類進行開發(fā)的，程序的相關(guān)動作都是基于事件觸發(fā)的。事件處理流程如圖4所示。

其中，“控制按鍵”事件中主要調(diào)用writefile函數(shù)向串口發(fā)送控制命令，而“串口數(shù)據(jù)”事件中則主要調(diào)用readfile函數(shù)從串口中讀取數(shù)據(jù)；由于采集到的SEMG中仍然存在50Hz工頻干擾[6]，因此，采用50 Hz梳狀濾波器進行濾波，以去掉明顯的工頻干擾；再者，由于受到呼吸干擾和電極移動所引入的低頻干擾的影響，采集信號中往往出現(xiàn)基線漂移的現(xiàn)象[7]；由于基線漂移干擾頻率存在隨機性，傳統(tǒng)的截止頻率固定的濾波器濾波效果無法滿足。因此，這里采用基于排序統(tǒng)計理論非線性濾波法的中值濾波[8]，這是被廣泛應用于基線漂移的處理方法[9]。

圖3 驅(qū)動程序主要流程

圖4 事件處理流程

4 結(jié)果與分析

圖5顯示的是利用本系統(tǒng)實時采集到的一路人體小腿的表面肌電信號，可以觀測到信號波形比較清晰，沒有出現(xiàn)工頻干擾以及基線漂移等現(xiàn)象，基本滿足對SEMG信號的觀測與分析要求。同時，從圖中也可以觀測到有部分微弱心電信號成分，這是由于人體心電信號的頻率范圍為0.7～100 Hz[10]，與部分肌電信號的頻率相重合，因此，常規(guī)的基于頻帶濾波的方式不能有效去除心電干擾，所以，在采集到的SEMG信號中也可以觀測到包含了這些大致以周期出現(xiàn)的心電信號成分，而這些心電信號隨著測量電極的位置不同，幅值也有所差異。但是，在大量的設(shè)備測量與調(diào)試中，微弱的心電信號并不會對SEMG的測量與分析造成干擾，因此，本系統(tǒng)完全滿足采集多路可用SEMG信號的要求。目前，在相關(guān)的信號處理領(lǐng)域中也提出了多種在肌電信號中去除心電干擾的方法，比如其中一種基于心電定位與小波閾值相結(jié)合的小波變換分析方法[11]，可以去除膈肌肌電圖信號中的心電干擾。

圖5 采集到的一路SEMG波形

5 結(jié)論

經(jīng)實驗證明，系統(tǒng)基于ADS1294信號采集模塊、LPC2368微處理模塊以及上位機信號處理模塊，較好地實現(xiàn)了采集多路清晰的人體表面肌電信號，實時傳輸?shù)絺€人計算機上進行動態(tài)顯示與數(shù)據(jù)保存的功能。同時，系統(tǒng)具備了體積小、功耗低、精度高以及操作直觀等優(yōu)點，可以應用于肌肉臨床診斷、康復醫(yī)學及運動醫(yī)學等領(lǐng)域。

[1]吳文，黃國志，劉湘江.表面肌電圖用于腰椎間盤突出療效評定研究[J].中華物理醫(yī)學和康復雜志，2002，4（9）：551-553.

[2]郭紅敏，陶細嬌，梅元武，等.肌電圖對肌肉萎縮側(cè)索硬化與脊髓型

（????）（????）頸椎病的鑒別診斷價值[J].中國臨床康復，2003，7（10）：1572-1573.

[3]馬慶春，李林.表面肌電圖在兒童神經(jīng)康復醫(yī)學中的應用現(xiàn)狀[J].中國康復理論與實踐，2010，16（12）：1 144-1 146.

[4]趙春雷，孫會琴.基于AVR單片機的肌電信號生物反饋測試儀的設(shè)計[J].醫(yī)療裝備，2012，25（12）：6-9.

[5]楊景芝.數(shù)字信號光耦合器應用電路設(shè)計[J].電子技術(shù)，2008，46（10）：34-36.

[6]周立功，張華.深入淺出ARM7：LPC213X/214X：下冊[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[7]李小玲，劉輝輝，陳曉冰.心電檢測技術(shù)及應用[J].電子測試，2009，16（11）：17-19.

[8]蔡坤，陸堯勝.基于中值濾波的心電基線校正方法的研究[J].醫(yī)療設(shè)備信息，2004，19（2）：5-7.

[9]汪家旺，吳玲燕，楊濤.幾種去心電基線漂移算法的實現(xiàn)和比較[J].中國醫(yī)療器械信息，2008，14（6）：30-33.

[10]Naregalkar A，Naga A V H，Nikita S，et al.ECG noise kemoval and QRS complex detection using UWT[J].ICEIE，2010（2）：438-442.

[11]謝燕江，楊智，范正平，等.應用小波變換去除膈肌肌電圖信號中的心電干擾[J].電子學報，2010，38（2）：365-370.

（收稿：2014-06-13 修回：2014-10-08）

Design of ADS1294 SEMG acquisition system

LIN Jin-rong,TAN Bei-hai,XIE Sheng-li
（School of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China）

ObjectiveTo design and implement one kind of SEMG signal acquisition system.MethodsThe system consisted of three parts,namely,signal acquisition module based on digital-analog conversion chip ADS1294,LPC2368 microprocessor module and PC application program under Windows.The control commands were sent from PC application program first,and transmitted to the microprocessor to control the signal acquisition module,and then the acquired signals were displayed and stored on PC.ResultsThe system could acquire multiplex real-time SEMGs,display in the PC program dynamically,and convert signals into 24 μV level data and store them on PC.ConclusionThe system is proved to have low volume,low power to consumption,high precision and easy operation,which can obtain multiplex SEMGs and thus can be used for diagnosis of muscle disease,rehabilitation medicine and sport medicine.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（1）：5-7，28]

SEMG;ADS1294;LPC2368

TP274+.2；R318

A

1003-8868（2015）01-0005-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.01.005

國家自然科學基金資助項目（61203117）

林錦榮（1990—），男，研究方向為生物電信號處理，E-mail：13422076575@163.com。

510006廣州，廣東工業(yè)大學自動化學院（林錦榮，譚北海，謝勝利）

譚北海，E-mail：bhtan@gdut.edu.cn