一種肌電信號采集裝置及其采集處理方法
【專利摘要】本發明提供了一種肌電信號采集裝置及其采集處理方法。包括獲取肌電信號的體表貼邊電極，及對肌電信號進行處理的信號調理電路；所述信號調理電路與MCU相連，還包括與MCU相連的肌電信號存儲單元；所述肌電信號調理電路包括依次相連的高通濾波器、放大器和低通濾波器，采集的肌電信號經過高通濾波、放大和低通濾波處理后發送給MCU；所述電極采用Ag和/或AgCl表面電極，一個電極由三片互相平行的Ag和/或AgCl電極構成，中間電極為參考地端，兩側兩個構成差分輸入端。與現有技術相比，不容易受采集環境干擾，數據處理難度低；采用電池供電，避免了外部導線容易引入的干擾。
【專利說明】
一種肌電信號采集裝置及其采集處理方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種肌電信號采集裝置及其采集處理方法，特別是涉及一種適用于對眾多肌纖維中運動單元進行肌電信號采集的機電信號采集裝置及其采集處理方法。
【背景技術】
[0002]肌電信號(EMG)是眾多肌纖維中運動單元動作電位(MUAP)在時間和空間上的疊加。表面肌信號(SEMG)是淺層肌肉EMG和神經元上電活動在皮膚表面的綜合效應，能在一定程度上反映神經肌肉的活動;相對于針電極EMG，SEMG在測量上具有非侵入性、無創傷、操作簡單等優點。因為SEMG在臨床醫學、人機功效學、康復醫學以及體院科學等方面均有重要的實用價值。
[0003]隨著檢測技術和信號處理手段的發展，用SEMG代替針電極EMG進行全面臨床無損診斷已經成為生物醫學和醫學界研究的熱點問題之一。人體的SEMC很微弱，易收干擾，測量難度大，如何有效采集提取SEMG已經成為SEMG應用的關鍵技術之一。
[0004]目前應用的SEMG采集裝置大多將采集到的SEMG通過導線傳送到數據采集卡或特定的醫療儀器進行分析處理，采樣電極粘帖于皮膚表面，電極供電測間接來自市電。這種方法的顯著不足如下:
(1)需要專用的儀器完成信號采集，應用場合受限制，如無法采集短跑運動中的運動員肢體SEMG;
(2)因有導線相連，淡定哥肢體運動時，易導致電極與皮膚間的相對運動，影響采集結果;
(3)供電電源由市電處理后獲取，引入了較大的工頻干擾，增加了數據處理難度；
(4)若導線較長，則極容易引入環境中的其他干擾，如電磁干擾等。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是提供一種應用場合廣、不容易受采集環境干擾，數據處理難度低的肌電信號采集裝置及采集方法。
[0006]本發明采用的技術方案如下:一種肌電信號采集裝置，其特征在于:包括獲取肌電信號的體表貼邊電極，及對肌電信號進行處理的信號調理電路;所述信號調理電路與MCU相連，還包括與MCU相連的肌電信號存儲單元;所述肌電信號調理電路包括依次相連的高通濾波器、放大器和低通濾波器，采集的肌電信號經過高通濾波、放大和低通濾波處理后發送給MCU;所述電極采用Ag和/或AgCl表面電極，一個電極由三片互相平行的Ag和/或AgCl電極構成，中間電極為參考地端，兩側兩個構成差分輸入端。
[0007]根據神經生理知識，肌肉動作電位將產生-90mV到30mV的電勢差，由于人體是電的不良導體，所以從體表的貼片電極上只能獲得ImV左右的峰值。SEMG中往往混合著甚低頻(接近直流)和高頻的干擾信號，而有效的肌電信號頻譜分布在10-500HZ間。所以從貼片電極檢測出的信號需經過高通濾波(隔直處理)、高倍放大和低通濾波(濾除高頻干擾)等信號調理過程。
[0008]如圖1所示，采用Ag和/或AgCl表面電極，其極化電壓小，能快速獲得穩定的機電信號。一個電極由三片互相平行的Ag和/或AgCl電極構成，中間電極為參考地端，兩側兩個構成差分輸入端。引入的參考地端電極有效降低了噪聲干擾，提高了共模抑制能力。
[0009]信號調理電路主要包括高通濾波、高倍放大和低通濾波幾個部分。若將電極拾取的體表肌電信號直接接入高倍放大器，則由于噪聲的影響，輸出信號容易發生漂移并很快達到飽和，所以將信號接入高通濾波電路后再送入高倍放大電路。
[0010]所述肌電信號存儲單元采用FLASH，FLASH采用了 8Mbit的SST25VF80B，與MCU間采用SPI接口，操作方便。本裝置中，每個采樣數據占兩個字節，能夠記錄將近500秒的肌電信號，完全滿足肌電信號的一半處理需要。特別是，當需要完整記錄運動員在某一運動過程中肌電信號變化情況時，本裝置特有的無線連接及超長存儲時間的優點是傳統采集儀所不具備的。
[0011]供電電路為電池供電電路。
[0012]所述電池供電電路采用電壓穩定且純凈的電池供電。避免了外部導線容易引入的干擾，所以能夠省去常見的50Hz陷波器。使用50Hz的陷波器存在消除部分50Hz有用信號的缺點。
[0013]所述MCU采用型號為MSP430F167的外圍芯片，利用ADC12對肌電信號采樣，并對采樣結果進行濾波處理。
[0014]MCU采用MSP430F167，其片內外圍豐富，有01^、12位六0模塊(六0(:12)、硬件乘法器(MPY)、USART、16位Timer及多達48個I/O口。本裝置中，利用ADC12對肌電信號采樣，并對采樣結果進行濾波處理，提高了采樣的準確性;DMA配合ADC12使用，大大提高了讀取AD采樣結果的速度；MPY極大提高了數據處理速度。本裝置運行于SM時鐘下，且設定采樣頻率為2000Hz，完全滿足采樣間隔要求。
[0015]還包括電池電壓監控單元，對電池電壓進行監控，設置有電池電壓監控LED燈;還包括信號采集按鍵，用于控制肌電信號采集的開始和停止。
[0016]裝置由3.6V鋰電池供電，經高效的RH5RL33AA后為系統提供+3.3V電源，同時系統對電池電壓進行監控，當電池電量不足時通過LED發光提示。按鍵用于啟動和停止信號肌電信號采集，也能夠實現其他基本操作。考慮到系統低功耗及精簡的需要，本裝置未采用液晶或數碼管顯示，僅通過兩個LED燈只是系統的當前狀態。
[0017]還包括通過CP2021與MCU相連的USB接口，所述USB接口用于與計算機通信；所述M⑶與CP2102之間通過UART接口相連;所述CP2102與M⑶及肌電信號存儲單元之間獨立供電。
[0018]本裝置的USB接口用于與PC機進行通訊，操作簡單方便。當需要將采集的肌電信號上傳到PC機分析處理時，MCU從FLASH內讀取存儲的肌電信號，通過UART接口發送到CP2102。CP2102用于實現USB信號與UART之間的轉換。CP2102與MCU及存儲電路之間獨立供電，在肌電信號采集階段及裝置待機狀態下，CP2102不消耗電池能量;當與PC及通訊時，CP2102供電電路工作，其中的BMI117-3.3將USB總線的+5V電源轉換為+3.3V向CP2102供電。
[0019]基于上述肌電信號采集裝置的按鍵中斷處理方法，具體方法步驟為:
一、判斷是否有按鍵中斷發生，是則進入下一步； 二、判斷是否為按鍵中斷類型一，是則進入下一步，否則進入步驟四；
三、判斷是否有按鍵中斷類型二發生，是則LED燈I閃爍2次，清除肌電信號存儲單元中的肌電存儲信號;否則LED燈I閃爍I次，啟動肌電信號采集；
四、判斷是否為按鍵中斷類型二，是則進入下一步，否則進入步驟六；
五、判斷是否有按鍵中斷類型三發生，是則LED燈2閃爍2次，準備與PC機通信;否則LED燈2閃爍I次，停止肌電信號采集；
六、判斷是否為按鍵中斷類型三，是則LED燈I和2同時閃爍I次，進行電池電量監測，電量不足則LED燈I閃爍3次，反之LED燈2閃爍3次;否則進入步驟七；
七、結束。
[0020]系統平時處于低功耗模式，MCU關閉所有的片內外圍，運行與該功耗模式4(LPM4)狀態。需要工作時，CPU被喚醒，進入正常工作模式。裝置由中斷驅動，主要有按鍵中斷、UART中斷和定時中斷，系統退出中斷后運行于低功耗模式。
[0021]當有按鍵中斷發生時，MCU被喚醒，并根據按鍵值進行相應的處理。
[0022]基于上述肌電信號采集裝置的UART接收中斷程序處理方法，具體方法步驟為:
一、UART判斷收到中斷命令后進行解析，判斷當前命令是否為讀肌電信號，如果是，則啟動傳輸存儲在肌電信號存儲單元的肌電信號，并進入步驟四，否則進入下一步；
二、判斷當前命令是否為讀電池狀態，是則對電池電量進行采樣，發送采樣結果，并進入步驟四，否則進入下一步；
三、判斷當前命令是否為讀肌電信號存儲單元狀態，是則計算當前占用的存儲單元容量并返回，并進入步驟四，否則進入下一步；
四、結束。
[0023]除通過按鍵和LED指示對本裝置進行操作外，系統可接受PC機軟件的控制。當按鍵2和按鍵3按下后，系統啟動定時器，若在定時時間內接收到PC機的控制命令，則進行相應處理，否則未收到通信請求即自動回到低功耗模式。系統與PC機間共有3種命令，分別為讀肌電信號、讀電池狀態、讀存儲器狀態。系統與PC機通訊時，主要由UART發送和接收中斷驅動。UART發送中斷程序判斷有無后續數據需發送并進行相應處理。
[0024]本裝置中，PC機軟件采用VisualC++設計完成，主要涉及的內容為人機界面設計、串口通訊編程、簡單算法實現和文件讀寫操作。人機界面設計主要用到一些按鈕和文本框等控件，用以提供對肌電信號采集裝置的控制;所有的通信編程使用控件MSCOMM實現，在PC機安裝CP2102驅動后，本裝置會被設別為一個串口設備;簡單算法主要實現對接收到的數據進行分析處理，還原為實際電壓值;讀寫文件實現將讀取到的肌電信號以文本形式存儲下來，便于利用其他數學工具(MATLAB)進行分析處理。
[0025]與現有技術相比，本發明的有益效果是:不容易受采集環境干擾，數據處理難度低。采用電池供電，避免了外部導線容易引入的干擾;CP2102與M⑶及存儲電路之間獨立供電，在肌電信號采集階段及裝置待機狀態下，CP2102不消耗電池能量。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明其中一實施例的裝置原理示意圖。
【具體實施方式】
[0027]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0028]本說明書(包括摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或者具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。
[0029]具體實施例一
如圖1所示的肌電信號采集裝置，包括獲取肌電信號的體表貼邊電極，及對肌電信號進行處理的信號調理電路;所述信號調理電路與MCU相連，還包括與MCU相連的肌電信號存儲單元;所述肌電信號調理電路包括依次相連的高通濾波器、放大器和低通濾波器，采集的肌電信號經過高通濾波、放大和低通濾波處理后發送給MCU;所述電極采用Ag和/或AgCl表面電極，一個電極由三片互相平行的Ag和/或AgCl電極構成，中間電極為參考地端，兩側兩個構成差分輸入端。
[0030]在本具體實施例中，放大器采用放大器INAl18，其共模抑制比高大115dB，失調電壓小于50uV，只需要外掛一個精密電阻就可以設定I到10000的放大倍數。為濾除高頻噪聲，放大后的信號被接入低通濾波器，低通濾波截止頻率設定為600Hz。
[0031]在本具體實施例中，FLASH采用了8Mbit的SST25VF80B，與MCU間采用SPI接口，操作方便。本裝置中，每個采樣數據占兩個字節，能夠記錄將近500秒的肌電信號，完全滿足肌電信號的一半處理需要。特別是，當需要完整記錄運動員在某一運動過程中肌電信號變化情況時，本裝置特有的無線連接及超長存儲時間的優點是傳統采集儀所不具備的。
[0032]具體實施例二
在具體實施例一的基礎上，供電電路為電池供電電路。所述電池供電電路采用電壓穩定且純凈的電池供電。避免了外部導線容易引入的干擾，所以能夠省去常見的50Hz陷波器。使用50Hz的陷波器存在消除部分50Hz有用信號的缺點。
[0033]具體實施例三
在具體實施例一或二的基礎上，所述M⑶采用型號為MSP430F167的外圍芯片，利用ADC12對肌電信號采樣，并對采樣結果進行濾波處理。
[0034]MCU采用MSP430F167，其片內外圍豐富，有01^、12位六0模塊(六0(:12)、硬件乘法器(MPY)、USART、16位Timer及多達48個I/O口。本裝置中，利用ADC12對肌電信號采樣，并對采樣結果進行濾波處理，提高了采樣的準確性;DMA配合ADC12使用，大大提高了讀取AD采樣結果的速度;MPY極大提高了數據處理速度。在本具體實施例中，本裝置運行于SM時鐘下，且設定采樣頻率為2000Hz，完全滿足采樣間隔要求。
[0035]具體實施例四
在具體實施例三的基礎上，還包括電池電壓監控單元，對電池電壓進行監控，設置有電池電壓監控LED燈;還包括信號采集按鍵，用于控制肌電信號采集的開始和停止。
[0036]裝置由3.6V鋰電池供電，經高效的RH5RL33AA后為系統提供+3.3V電源，同時系統對電池電壓進行監控，當電池電量不足時通過LED發光提示。按鍵用于啟動和停止信號肌電信號采集，也能夠實現其他基本操作。考慮到系統低功耗及精簡的需要，本裝置未采用液晶或數碼管顯示，僅通過兩個LED燈只是系統的當前狀態。
[0037]具體實施例五
在具體實施例一到四之一的基礎上，還包括通過CP2021與MCU相連的USB接口，所述USB接口用于與計算機通信;所述M⑶與CP2102之間通過UART接口相連;所述CP2102與M⑶及肌電信號存儲單元之間獨立供電。
[0038]本裝置的USB接口用于與PC機進行通訊，操作簡單方便。當需要將采集的肌電信號上傳到PC機分析處理時，MCU從FLASH內讀取存儲的肌電信號，通過UART接口發送到CP2102。CP2102用于實現USB信號與UART之間的轉換。CP2102與MCU及存儲電路之間獨立供電，在肌電信號采集階段及裝置待機狀態下，CP2102不消耗電池能量;當與PC及通訊時，CP2102供電電路工作，其中的BMI117-3.3將USB總線的+5V電源轉換為+3.3V向CP2102供電。
[0039]具體實施例六
在具體實施例一到五之一的基礎上，基于上述肌電信號采集裝置的按鍵中斷處理方法，具體方法步驟為:
一、判斷是否有按鍵中斷發生，是則進入下一步；
二、判斷是否為按鍵中斷類型一，是則進入下一步，否則進入步驟四；
三、判斷是否有按鍵中斷類型二發生，是則LED燈I閃爍2次，清除肌電信號存儲單元中的肌電存儲信號;否則LED燈I閃爍I次，啟動肌電信號采集；
四、判斷是否為按鍵中斷類型二，是則進入下一步，否則進入步驟六；
五、判斷是否有按鍵中斷類型三發生，是則LED燈2閃爍2次，準備與PC機通信;否則LED燈2閃爍I次，停止肌電信號采集；
六、判斷是否為按鍵中斷類型三，是則LED燈I和2同時閃爍I次，進行電池電量監測，電量不足則LED燈I閃爍3次，反之LED燈2閃爍3次;否則進入步驟七；
七、結束。
[0040]具體實施例七
在具體實施例一到六之一的基礎上，基于上述肌電信號采集裝置的UART接收中斷程序處理方法，具體方法步驟為:
一、UART判斷收到中斷命令后進行解析，判斷當前命令是否為讀肌電信號，如果是，則啟動傳輸存儲在肌電信號存儲單元的肌電信號，并進入步驟四，否則進入下一步；
二、判斷當前命令是否為讀電池狀態，是則對電池電量進行采樣，發送采樣結果，并進入步驟四，否則進入下一步；
三、判斷當前命令是否為讀肌電信號存儲單元狀態，是則計算當前占用的存儲單元容量并返回，并進入步驟四，否則進入下一步；
四、結束。
【主權項】
1.一種肌電信號采集裝置，其特征在于:包括獲取肌電信號的體表貼邊電極，及對肌電信號進行處理的信號調理電路;所述信號調理電路與MCU相連，還包括與MCU相連的肌電信號存儲單元;所述肌電信號調理電路包括依次相連的高通濾波器、放大器和低通濾波器，采集的肌電信號經過高通濾波、放大和低通濾波處理后發送給MCU;所述電極采用Ag和/或AgCl表面電極，一個電極由三片互相平行的Ag和/或AgCl電極構成，中間電極為參考地端，兩側兩個構成差分輸入端。2.根據權利要求1所述的肌電信號采集裝置，其特征在于:供電電路為電池供電電路。3.根據權利要求2所述的肌電信號采集裝置，其特征在于:所述電池供電電路采用電壓穩定且純凈的電池供電。4.根據權利要求1所述的肌電信號采集裝置，其特征在于:所述MCU采用型號為MSP430F167的外圍芯片，利用ADC12對肌電信號采樣，并對采樣結果進行濾波處理。5.根據權利要求2所述的肌電信號采集裝置，其特征在于:還包括電池電壓監控單元，對電池電壓進行監控，設置有電池電壓監控LED燈;還包括信號采集按鍵，用于控制肌電信號采集的開始和停止。6.根據權利要求1所述的肌電信號采集裝置，其特征在于:還包括通過CP2021與MCU相連的USB接口，所述USB接口用于與計算機通信;所述M⑶與CP2102之間通過UART接口相連；所述CP2102與MCU及肌電信號存儲單元之間獨立供電。7.基于權利要求1所述的肌電信號采集裝置的按鍵中斷處理方法，具體方法步驟為: 一、判斷是否有按鍵中斷發生，是則進入下一步； 二、判斷是否為按鍵中斷類型一，是則進入下一步，否則進入步驟四； 三、判斷是否有按鍵中斷類型二發生，是則LED燈I閃爍2次，清除肌電信號存儲單元中的肌電存儲信號;否則LED燈I閃爍I次，啟動肌電信號采集； 四、判斷是否為按鍵中斷類型二，是則進入下一步，否則進入步驟六； 五、判斷是否有按鍵中斷類型三發生，是則LED燈2閃爍2次，準備與PC機通信；否則LED燈2閃爍I次，停止肌電信號采集； 六、判斷是否為按鍵中斷類型三，是則LED燈I和2同時閃爍I次，進行電池電量監測，電量不足則LED燈I閃爍3次，反之LED燈2閃爍3次;否則進入步驟七； 七、結束。8.基于權利要求1所述的肌電信號采集裝置的UART接收中斷程序處理方法，具體方法步驟為: 一、UART判斷收到中斷命令后進行解析，判斷當前命令是否為讀肌電信號，如果是，則啟動傳輸存儲在肌電信號存儲單元的肌電信號，并進入步驟四，否則進入下一步； 二、判斷當前命令是否為讀電池狀態，是則對電池電量進行采樣，發送采樣結果，并進入步驟四，否則進入下一步； 三、判斷當前命令是否為讀肌電信號存儲單元狀態，是則計算當前占用的存儲單元容量并返回，并進入步驟四，否則進入下一步； 四、結束。
【文檔編號】A61B5/0492GK106073775SQ201610663000
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月15日 公開號201610663000.9, CN 106073775 A, CN 106073775A, CN 201610663000, CN-A-106073775, CN106073775 A, CN106073775A, CN201610663000, CN201610663000.9
【發明人】謝敏
【申請人】成都市和平科技有限責任公司