双通道表面肌电信号采集装置的设计与分析*

戴季高,徐秀林△,吴曦

(1.上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200082；2.上海市长海医院，上海 200433)

1 引 言

表面肌电信号(surface electromyography, sEMG)是一种伴随着肌肉活动，在皮肤表面传递的生物电，蕴含了多种肌肉运动信息。其作为一种新颖的人机交互输入方式，广泛应用于疾病诊断、康复医学、运动科学等领域[1-2]。Raj等[3]提出了基于PID控制直流电机的实时sEMG驱动的假肢模型。Jang等[4]实现了电动轮椅基于sEMG的简单分类器的连续控制。

从信号精准度来讲，无线采集模块相对有线方式具有较大优势，电池供电有效避免了工频干扰，采集过程中也不会因为人体的运动而造成导联线的串扰，且体积相对较小，便于携带[5]。但对于sEMG采集及基于sEMG控制策略的电路集成，无线采集系统很难满足功能性电刺激、控制电机[6]等的功率要求。对于有线方式，Khushaba等[7]在利用sEMG控制假肢的实验中，用32个电极对手指运动的sEMG进行采集，准确率高达98%，之后利用双电极，准确率也能达到93%，因此，在不影响分类准确度的前提下，减少电极数量将大大简化对控制策略的要求。

本研究设计了一款双通道sEMG采集装置，采用上下位机结构。下位机主要由sEMG采集模块和STM32主控芯片等组成，实现sEMG的采集。上位机由MATLAB编写的图形用户界面(GUI)，实现了与下位机的数据通讯，可以对采集的sEMG进行处理分析，并且可以发送指令对下位机进行控制。

2 设计与实现

sEMG采集装置包括上、下位机两部分。下位机主要包括电源模块、信号采集模块及MCU控制模块；上位机是由MATLAB编写的图形用户界面，主要用来进行数据的处理分析及对下位机的指令控制，数据处理包含串口数据收发功能及对数据的频谱转换。系统整体流程结构框图见图1。

图1 系统结构框图Fig.1 System structure block diagram

2.1 硬件设计

硬件电路见图2，其设计包括sEMG采集模块、ADC前级驱动电路、MCU主控模块[8]。主要工作流程为：信号采集模块通过对信号滤波放大，再经由ADC前级驱动电路获得0～3.3 V范围内的sEMG，最终STM32芯片将转换数据通过串口发送至上位机。

图2 硬件电路板Fig.2 Hardware circuit board

2.1.1电源模块 本研究通过电源适配器将交流电转化为直流电，通过DC-DC芯片将适配器电压转换至稳定的5 V电压以保证信号采集模块的供电，通过低压差线性稳压器(LDO)将+5 V转至3.3 V保证MCU的正常供电。

2.1.2信号采集模块 人体sEMG幅值一般在0～500 μF，下肢功能性障碍患者的sEMG更加微弱。因此,为了更加清晰地观察患者的sEMG，本研究将原始sEMG放大5 000倍，并在此基础上添加了模拟选择开关CD4052芯片作为增益调节电路，见图3，通过Stm32控制A、B的逻辑状态，其对应增益见表1。

图3 增益调节电路Fig.3 Gain adjusting circuit

表1 增益调节倍数真值表Table 1 True value of gain adjustment multiple

前级放大电路利用差分放大器AD8221先放大10倍；由于采用了CD4052增益调节电路，为保持信号稳定，需要保持滤波器品质因数的递增，因此，本研究中级放大电路由三个一阶和一个二阶高通滤波器组成，截止频率为20 Hz；后级放大电路采用7阶巴特沃斯低通滤波器，截止频率为500 Hz。

2.1.3干扰噪声处理 由于sEMG的微弱性，采集过程中极易受到干扰，而包含人体内各种组织生物电信号、采集装置器件之间的串扰及周围环境的噪声等[9-10]。对于这些干扰，不能单纯依靠上位机软件滤波，要尽可能地在硬件设计环节将其抑制最大化[11]，本研究主要考虑以下四个方面：

(1)人体皮肤阻抗会随周围环境的变化而显出差异，除在测试前利用酒精擦拭皮肤外，本研究利用运算放大器OP2177将人体信号与后级测量电路分隔，其具有高阻输入、低阻输出的特点。

(2)sEMG主要集中于200 Hz以下，而心电信号作为sEMG采集过程中最大的生物电干扰，其频率范围集中于0.25～20 Hz，因此，为避免心电信号的干扰，本研究选取20～500 Hz作为信号采集的范围。

(3)工频干扰是外部最主要的一个干扰源，但50 Hz也是sEMG能量最为丰富的频段，当周围其他不同工作频率的设备打开时，通过50 Hz陷波器去除工频干扰并不能较好地滤除，并且易受其他设备的干扰。对于该共模干扰，本研究采用了信号预处理电路，见图4，高共模抑制比的差分放大器配合对消驱动电路降低工频共模干扰，OP2177跟随器的输出不仅给了后级68倍的反相放大，还驱动了屏蔽层，从人体获得的共模电压使外部干扰难以突破该屏蔽电位，保证两个电极之间的电位差最小。该预处理方法使得50 Hz的工频干扰及周边设备工作时产生的共模电压难以逾越屏蔽层电位，而包括50 Hz在内所有频段的肌电差模信号则能够通过差分放大器输出。活性电极沿着肌肉纤维方向摆放，参考电极置于活性电极中线正交处[12-13]。

图4 信号预处理电路Fig.4 Signal preprocessing circuit

(4)通过PCB良好的布局布线，最大限度地降低干扰噪声，分割模拟数字区域，以阻隔高频数字信号对肌电采集信号的串扰。

2.1.4ADC前级驱动电路 本研究设计ADC前级驱动电路将放大后-5～+5 V范围内的sEMG转至0～3.3 V，以便ADC能够安全精确的测量肌电原始信号，ADC前级驱动电路见图5。0.3 μF电容保证了采样过程中运放只需提供微弱的电流，Riso避免了电容可能引起的自激振荡，同时与0.3 uF电容组成截止频率为884 Hz的一阶无源低通滤波器，具有抗混叠作用。

图5 ADC前级驱动电路Fig.5 ADC front drive circuit

2.2 软件设计

上位机界面由MATLAB的GUI搭建而成，串口收发功能可以接收采集的sEMG，并实时显示，也可以发送命令使下位机完成相应功能。在此基础上增加了波形实时显示与快速傅里叶变换(FFT)模块，能够直观地观察到sEMG的动态描述并做相应的频谱变换，串口通信与数据处理功能通过可视化界面编译在一起，可以方便地对肌电信号进行分析,见图6。

图6 上位机界面Fig.6 Upper computer interface

3 实验与结果

3.1 硬件电路测试

为了验证本装置采集信号的准确性，本研究对电路设计的有效频段(20～500 Hz)内的信号做信噪比(signal to noise ratio,SNR)定量分析[14]。利用信号发生器给定恒定幅度的正弦波，调制频率20～500 Hz,分别记录输入端接收信号与输入端空载时的输出信号，输入端未输入信号时示波器的峰峰值VN=2.9 mV，当给定输入峰峰值为2 mV，不同频率fs时，示波器的输出峰峰值VS见表2。根据电压幅值的比例关系20lg(VS/VN)换算的结果，见图7，VS和VN分别代表信号和噪声电压的有效值。从图7中可以看出，本研究的装置在20～500 Hz范围内的信噪比保持在60～70 dB，噪声对sEMG的干扰相当微弱，表明采集信号准确性较高。

表2 不同频率示波器的输出值Table 2 Output values of oscilloscopes with different frequencies

图7 信噪比频谱图Fig.7 SNR spectrum

3.2 结果分析

为了进一步评估本研究装置的信号采集效果，将其与美国Noraxon公司的DTS系列无线肌电采集设备进行对比。实验选取4名健康的受试者，年龄(24±1) 岁，身高(170±2) cm，体重(70±3) Kg。测试受试者在静息和屈肘运动两种状态下的sEMG，屈肘运动要求受试者在一个测试周期内做相同角度及速率的两次屈肘运动。图8为静息电位与屈肘运动两种状态下的肌电信号波形，其中图8(a)为本装置测得的静息电位，图8(c)为Noraxon测得的静息电位，图8(b)为本装置测得的屈肘运动电位，图8(d)为Noraxon测得的屈肘运动电位图。本装置是在原始肌电信号的基础上放大了5 000倍，Noraxon装置测得是原始肌电信号，因此，在图中原信号与频谱信号幅值上会表现出5 000倍左右的差异，但是真正说明结果的是频谱分析中频率分布及各频率处的能量密度。由图8(a)和图8(c)两种装置的静息电位比较可以看出，本研究的双通道采集装置的50 Hz工频干扰能量密度显著小于Noraxon无线采集设备，图8(b)和图8(d)分别显示的是本研究装置与Noraxon无线肌电采集装置对受试者一个周期内两次屈肘运动过程中肱二头肌肌电信号的采集情况，频谱分布均在20～150 Hz，二者数值结果呈正相关。实验过程中，周围其他设备正常工作的情况下，波形未产生明显波动。结果表明，本研究装置能滤除50 Hz的工频干扰，经信号频谱分析，本装置抗干扰能力强，可靠性良好。

图8 双通道采集设备与Noraxon无线采集设备比较(a).本装置静息电位;(b).本装置屈肘运动电位;(c).Noraxon静息电位;(d).Noraxon屈肘运动电位Fig.8 Comparison between two channel acquisition equipment and Noraxon wireless acquisition equipment(a).resting potential of the device;(b).elbow flexion motor potential of the device； (c).resting potential of Noraxon;(d).elbow flexion motor potential of Noraxon

4 结论

本研究针对基于sEMG控制策略的需求，设计了一种低噪声高精度的双通道sEMG采集装置。该装置能对原始肌电信号进行放大，在硬件上实现了对人体sEMG采集过程中滤除其他生物电信号及工频干扰信号，抗干扰能力强。通过与美国Noraxon公司的DTS系列无线肌电采集装置测试结果的对比，评估了两者的抗干扰能力及准确性。结果表明，该装置采集的人体表面肌电信号测试精度高，且具有很强的抗干扰能力。本研究为开发集成高精度、智能化、多功能生物反馈电刺激治疗仪等康复治疗相关设备奠定了良好的基础。