基于ADS1294的表面肌電信號采集系統(tǒng)的設計

1、林錦榮，譚北海，謝勝利摘 要 目 的 ：設計并實現(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幚砥鳎瑥亩鴮崿F(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 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 換成 24 位 V 級數(shù)據(jù)存儲在個人計算機上。結 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

2、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)學等領域。關 鍵 詞 表面肌電圖；ADS1294；LPC2368中國圖書資料分類號 TP274+.2；R318 文 獻 標 志 碼 A 文 章 編 號 1003-8868（2015）01-0005-04DOI：10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.01.005Design of ADS1294 SEMG acquisition systemLIN Jin-rong, TAN Bei-hai, XIE Sheng-li（School of Automation, Guangdong Univers

3、ity of Technology, Guangzhou 510006, China）Abstract Objective To design and implement one kind of SEMG signal acquisition system. Methods The system consisted of three parts, namely, signal acquisition module based on digital -analog conversion chip ADS1294, LPC2368 microprocessor module and PC appl

4、ication 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. Results The system could acquire multiplex real -time SEMGs,

5、 display in the PC program dynamically, and convert signals into 24 V level data and store them on PC. Conclusion The 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 diseas

6、e, rehabilitation medicine and sport medicine. Chinese Medical Equip-ment Journal，2015，36（1）：5-7，28Key words SEMG; ADS1294; LPC23680引言肌電是神經(jīng)、肌肉興奮發(fā)放生物電的結果，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

7、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、運動技術合理性分析、肌纖維 類型和無氧閾值的損傷性預測等領域3。鑒于 SEMG 具有的優(yōu)點以及廣泛的應用領域，本文設計一種基 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

8、5 mV，且頻率較低，頻譜范 圍一般為 0.02500 Hz，能量主要集中在 0.25350 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Win dows 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) 構建的整體框架如圖 1 所示。處理基 金 項 目 ：國家自然科學基金資助項目 （61203117）作 者 簡 介 ： 林 錦 榮 （1990 ）， 男 ， 研究

9、方向為生物電信 號 處 理 ，E -mai l作 者 單 位 ：510006 廣 州 ，廣東工業(yè)大學自動化學院 （林 錦 榮 ，譚 北 海 ，謝 勝 利 ）通 訊 作 者 ：譚 北 海 ，E-mail：bhtan圖 1 系 統(tǒng) 框 架系統(tǒng)的工作過程：（1）連接設備 ，將采集電極貼到人體的相應部 ·醫(yī) 療 衛(wèi) 生 裝 備·2015 年 1 月 第 36 卷 第 1 期 Chinese Medical Equipment Journal·Vol36·No1·January·2015前端 信號 采集 模塊微處 理器

10、 模塊PC 上 位機程序打印設備位，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 換 后 ， 經(jīng)過濾波、放大及去噪處理傳輸?shù)轿⑻幚砥?，由微?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硬件設計硬件電路的設計如圖 2 所示。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 AD

11、S1294 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，本設計采用用多片磁耦

12、芯片搭建隔離保護電路。3 軟件設計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 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

13、 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， 程序的相關動作都是基于事件觸發(fā)的。事件處理流 程如圖

14、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 50 Hz 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前端采集模塊微處理器模塊護圖 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

15、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)， 本設計將采用由 TI 公司設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、設置增益、采樣率等；其 24 位的 A/D 轉 換精度可達 V 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

16、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·醫(yī) 療 衛(wèi) 生 裝 備·2015 年 1 月 第 36 卷 第 1 期 Ch

17、inese Medical Equipment Journal·Vol36·No1·January·2015體 表 電 位SPI隔 離 保SPI串 口PCADS1294控制信號 及中斷LPC2368GPIO右腿驅(qū)動反饋5 V供電隔離電源·6·Thesis論著·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。4 結果與分析圖 5 顯示的是利用本系統(tǒng)實時采集到

18、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 0.7100 Hz10，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 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

19、路可用 SEMG 信號的要求。目前，在相關的 信號處理領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。開始（a）主函數(shù)流程進入中斷開始采集?停止采集?退出中斷（b）串口中斷程序流程進入中斷退出中斷（c）外部中斷程序流程0.04圖 3 驅(qū)動程序主要流程 0.02觸發(fā)“控制按鍵”事件0-0.02否-0.041234時間/ms56圖 5 采 集 到 的 一 路 SEMG 波 形5結論經(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

20、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)學等領域。參 考 文 獻事件結束（a）“控制按鍵”事件流程觸發(fā)“串口接收到數(shù)據(jù)”事件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.郭紅敏，陶細嬌，梅元武，等. 肌電圖對肌肉萎縮側索硬化與脊髓型（藎藎下 轉 第 28 頁藎藎）事件結束（b）“串口數(shù)據(jù)”事件流程圖 4 事 件 處 理 流 程2·醫(yī)

21、 療 衛(wèi) 生 裝 備·2015 年 1 月 第 36 卷 第 1 期Chinese Medical Equipment Journal·Vol36·No1·January·2015電壓/V從串口讀取控制命令根據(jù)驅(qū)動程序中的編碼方式進行解碼，得到多路信號進行 50 Hz 梳妝濾波以及基線漂移處理更新畫筆，進行繪圖是否“開始采集”命令是初始化繪畫類對象，并以用戶名創(chuàng)建目錄向串口發(fā)送“開始采集”命令向串口發(fā)送“停止采集”命令初始化 SPI 配置從 SPI 中讀取采集到的多通道 SEMG 數(shù)據(jù)使能標志位，表明有可用數(shù)據(jù)否 否是初始化 ADS1294，

22、并啟動前端采集模塊是停止前端采集模塊從串口中讀取控制命令串口、IO 以及相關的系統(tǒng)配置串口中斷、外部中斷的配置通過標志位判斷 是否有可用數(shù)據(jù)？否是將數(shù)據(jù)進行編碼，再經(jīng)串口發(fā)送到 PC論著Thesis·7·28·Thesis參 考 文 獻1付 峰 ，董 秀 珍 ，臧 益 民 ，等. 用虛擬設備驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn) Windows95平臺的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)J. 計算機應用研究，1999（8）：144-146. 杜 研 ，程 吉 寬 . 用組合變尺度法求解電阻抗成像 問 題 J. 中 國 生 物醫(yī)學工程學報 ，1997，18（1）：42-44.劉 銳 崗 ，董 秀 珍 ，秦 明

23、 新 ，等. 基 于 物理模型的靜態(tài)電阻抗斷層成 像 初 步 結 果J. 第四軍醫(yī)大學學報 ，2001，22（4）：297-300.任 超 世 . EIT 一 種 誘 人的醫(yī)學成像新技術 J. 電 子 科 技 導 報 ，1996（5）：9-13.鄭 萬 松 ，董 秀 珍 ，尤 富 生 ，等. 家 兔 腹部內(nèi)出血模型電阻抗斷層成 像 初 步 研 究J. 北京生物醫(yī)學工程 ，2005，24（5）：376-378. Hoekema R，Wieneke G H，Leijten F S S，et al. Measurement of the conductivity of the skullJ. Tem

24、porarily Removed During Epilepsy Surgery，2003，16（1）：29-38.Ferree T C，Eriksen K J，Tucker D M. Regional head tissue cond - uctivity estimation for improved EEG analysis J. IEEE Transacti - ons on Biomedical Engineering，2000，47（12）：1 584-1 592. Humberto R G，Richard B，David H，et al. Measurement of elect

25、rical current density distribution in a simple head phantom with magnet- ic resonance imagingJ. Phys Med Biol ，1999，44：281-291.劉 銳 崗 ，董 秀 珍 ，秦 明 新 ，等. 基 于 物理模型的靜態(tài)電阻抗斷層成 像 初 步 結 果J. 第四軍醫(yī)大學學報 ，2001，22（4）：297-300.23（a）初始狀態(tài)（b）按壓頸動脈4圖 6 按壓頸動脈成像結果 相應變化。如圖 7 所示，在 0-1 電極邊界電壓量也有相 應 變 化（驅(qū)動電極分別為 0 -8，1 -9， ，15

26、 -7 電 極）。在監(jiān)護實驗過程中（約 3 h），人體佩戴電極帽無不舒適感，電極帽位置沒有發(fā)生改變。5670.50-0.5-1.0-1.5-2.0-2.580510電極15209圖 7 按壓左側頸動脈時 （驅(qū)動電極分別為 0-8，1-9，15-7 電 極 ）0-1 電極邊界電壓變化 10 LI Y，RAO L，HE R，et al. A movel combination method of electricalimpedance tomography inverse problem for brain imagingJ. IEEE Trans Magnetics，2005，41（5）：1 8

27、48-1 851.11 楊 琳 ，徐 燦 華 ，史 學 濤 ，等. 一 種 基 于 多頻電阻抗斷層成像系統(tǒng)的 校 準 方 法 研 究J. 醫(yī) 療 衛(wèi) 生 裝 備 ，2014，35（1）：1-5.12 史 學 濤 ，霍 旭 陽 ，尤 富 生 ，等. 顱 內(nèi) 出 血電阻抗成像系統(tǒng)及初步動 物 實 驗J. 航天醫(yī)學與醫(yī)學工程 ，2007，20（1）：24-27.13 田 海 燕 ，何 為 ，楊 浩 ，等. 電 阻 抗 斷 層 成像技術應用于腦血腫實時 監(jiān)測的仿真研究J. 生物醫(yī)學工程學雜志 ，2003，20（2）：245-248.14 Thomas J. Comparing reconstructi

28、on methods for electrical imped - ance tomograohyD. Madison：The University of Wisconsin-Madi- son，1986：74-75.15 Rigaud B，Morucci J P. Bioelectrical impedance techniques in medi- cine J. Critical Review in Biomedical Engineering ，1996，24 （4 -6）：467-497.16 鄭 萬 松 . EIT 腹部電極系統(tǒng)設計研究 D. 西 安 ： 第 四 軍 醫(yī) 大 學 ，

29、2006：18.17 吳 小 明 ，董 秀 珍 ，秦 明 新 ，等. 家 兔 腦 組織復電阻抗頻率特性及其 等 效 電 路 模 型 J. 中國生物醫(yī)學工程學報 ，2003，22 （3）：228 -234.（收 稿 ：2014-01-29 修 回 ：2014-04-05）2結語頭部電阻抗斷層成像主要應用于長期監(jiān)護，電 極移動會引起偽差，影響成像結果。在電阻抗斷層成像實驗中，對于電極位置的穩(wěn)定性要求較高9-11。電 極帶是電極系統(tǒng)的支撐部分12-15，起到固定電極、保護導線、傳導信號等作用，是電極系統(tǒng)中必不可少的 組成部分之一，在長期監(jiān)護中起到重要作用16。本文通過材料實驗選取松緊帶作為制作頭部電阻抗斷層 成像監(jiān)護的電極帽材料，并通過按壓人頸動脈實驗驗證電極帽的可靠性。在按壓左、右側頸動脈時，造成 大腦內(nèi)血液分布發(fā)生改變，在頭部電阻抗斷層成像監(jiān)護可以反映出變化17。在監(jiān)護實驗過程中