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一种新型的表面肌电检测与训练系统的软硬件设计

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  美国delsys表面肌电检测与训练系统是开发出来用于保健、训练、检测,提高人民生活水平的产品。它具有实用性、便携性,易于操作。delsys表面肌电检测与训练系统由两个主要平台构成;PC计算显示存储平台和下位机采集、显示、传输、存储平台。下位机硬件为ARM7数字处理中心和前端放大滤波模拟处理电路;下位机软件为带触摸屏的嵌入式系统,有USB传输、WiFi无线传输,SD储存等模块,方便高效。上位机实现对肌电信号的非线性动学分析和反馈治疗训练。这个系统具有可行性和灵活性,可用于更深层次的研究。

  0 引言

  肌电是人体肌肉、神经兴奋产生生物电的结果。利用肌电信号可以达到很多目标,例如利用肌电控制假肢、肌电刺激治疗肌肉萎缩、在体育活动中诊断肌肉力量和肌肉疲劳等。表面肌电则是从人体皮肤表面通过电极记录下来的神经肌肉的生物电信号,具有无创性,操作简单的优点,有着广泛的应用前景。该系统检测接口人简单方便,易于让人接受,小型实用低功耗。下面主要介绍表面肌电检测与训练系统的下位机软件的设计与实现。

  1 表面肌电检测与训练系统的总体设计

  系统设计分前端模拟放大电路,AT91SAM7SE512下位机编程和上位机软件。

  

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  系统的主要技术环节由模拟前端、A/D采样、数据存储与显示、USB 2.0数据传输、无线数传、软件分析与反馈治疗等6大部分构成,如图1所示。

  2 前端模拟放大和A/D采样电路设计

  微弱信号放大是保证整个系统性能的基础,其设计要点是高输入阻抗,高增益,宽频带,低噪声,高共模抑制比,能在有效放大表面肌电信号的同时抑制各种噪声信号。基于sEMG信号的特点,ISEK和SENIAM都建议不要采用50 Hz陷波器,所以该系统中选用高共模抑制比的INA 129作为前置放大,以尽可能消除工频干扰。为防止由于共模信号引起的饱和,引入参考电极,使用右腿驱动技术。采用OPA2277构成右腿驱动、滤波和放大单元。为了提高精度,前端模拟放大部分已经尽量接近测试端,然后再传到主放大板。

  AD与主放大板对主控制板SPI接口信号进行隔离后,控制AD器件ADS8513对放大后的表面肌电进行采样。表面肌电信号主要由OPA2277进行滤波放大。板上为双通道表面肌电放大器,经四阶低通、二阶高通滤波,有效带宽20~500Hz,放大到4 000~20 000倍。前置放大由INA129构成,并以OPA2277构成共模负反馈电路,以提高测量的总共模抑制比。前置放大板与AD与主放大板之间借用IEEE 1394线缆连接。

  3 数据存储与显示

  系统采集的sEMG数据可以直接存储于本地的SD卡,需要基于嵌入式系统进行SD卡驱动的设计和FAT32文件系统的实现。移植FatFs Modu le以先写一个最简单的测试读/写512 B的读/写程序,然后再包装给上层的文件系统进行调用。

  与UIGUI的接口,就是引用ff.h中的读写文件函数。例如,要读文件目录,则用f_readdir(&dlist,&finfo)写一个递归函数,能够读出SD卡里面所有的文件名。读出的文件名就可以直接地放在GUI的应用函数里。

  4 USB 2.0数据传输

  采集的数据可实时传送到上位机,也可经USB 2.0接口将存储于SD卡中的数据传送到上位机。为此,需在下位机设计USB 2.0接口,上位机没计USB2.0设备驱动程序。USB高速稳定,易插拔,能够方便地应用在电子产品上。USB使用简单,但是编程复杂。首先要熟悉USB的工作流程,USB的设备请求格式由8个字节组成。分别为设备请求类型,设备请求,数值,值,索引,长度。下位机从电脑中获取标准命令,然后下位机通过void userDriver_RequestHandler(const USBGenericRequest*request)来选出所要的命令。USB传输如图2所示。

  

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  下位机用中断来响应上位机的命令,在枚举时就开始屏蔽下位机的显示屏和触摸屏的触摸检测。然后上位机发送来采样的信号后,就开始创建任务,传输数据。上位机传来停机的命令后,就让采样和传输仟务自动删除,同时释放下位机的显示屏和触摸屏的触摸检测。

  5 无线传输

  系统连接PC时可选无线和有线两种,无线网络在日常生活中的应用很多,如可以在出差途中直接连上英特网。在医疗保健设备中如果能用上无线设备,那么它的灵活,便于携带,远程监控等作用就可以很好地表现出来。在这个系统中采用了WiFi无线设备。

  Nano WiReach能够实现串口透明WiFi传输,配置合理的参数,如合理发送的数据包大小和发送间隔,努力使得满足数据传输的速率和正确性下,减轻传输部件的负担。用算法保证一定的正确性,减少TCP\IP包重传的可能性。

  编程流程如图3所示。

  

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  6 软件分析与反馈治疗

  软件分析与反馈治疗是整个系统功能的具体体现,实现功能评估与反馈治疗两大部分功能。功能评估以表面肌电作为监控设备,对增强或减弱肌肉的生物电活动、是否缓解肌强直症状、是否使肌肉静息电位恢复正常的治疗有明确的评估标准。反馈治疗通过由表面肌电信号分析结果驱动的卡通动画信号或声音反馈给人体的视觉、听觉被直接感知,引导受试者有意识地进行学习和生理活动的自我调节,以实现自我控制,达到防病治疗之目的。可利用反馈进行肌肉放松训练、兴奋性训练(肌力增强训练、肌肉耐力训练)、协调性及精准性训练、上/下肢、主/被动康复训练等。

  软件部分需要对获取的sEMG信号进行处理和分析,首先是预处理,包括滤波(去除心电干扰和50Hz工频干扰)、全波整流(RMS方法)、正则化(Maximum Voluntary Contraction.MVC)等,然后是时域参数提取(包括Peak.Mcan,Arca/IEMG)、频域参数提取(包括Mean Frequency,Median Frequency,Peak Power),其他还包括Time to Peak计算、Onset/Offset计算(计算Onset时间和Offset时间来反应神经传导速度)等。另外,拟进行非线性参数的提取和相关的实验研究,包括基本尺度熵、多重分形分析等非线性参数的提取,以及这些非线性参数与各种神经肌肉系统特件的相关性研究等。软件连接时可以进行有线或者无线的连接,界面如图4所示。

  

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  游戏功能和数据显示如图5,图6所示。其中系统采集输入是双通道的,界面采用VC编程。

  

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  7 结语

  随着社会的发展,对医疗保健产品需求会变大,同时对产品的要求也会更高,肌电近年来的研究在不断加深,表面肌电训练与检测系统能够对肌电信号进行检测,同时还可以帮助进行训练,是一个实用的系统。表面肌电训练与检测系统是基于ARM平台的系统,小型,功能完善,而且采用UCOS操作系统,方便以后功能拓展,便于维护和使用。


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