功能性电刺激治疗系统的研究

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功能性电刺激治疗系统的研究

摘 要

功能性电刺激(Functional Electrical Stimulation，FES)在神经功能失调治疗和神经损伤康复中具有重要的作用。它是利用神经细胞对电刺激的响应来传递外加的人工控制信号，通过外电流的作用使神经细胞能产生一个与自然激发引起的动作电位完全一样的神经冲动，使其支配的肌肉纤维产生收缩，从而获得运动的效果。神经细胞的电活动是人体信息传递的基本方式。外加电刺激也能进行类似的信息传递。因此，FES是恢复神经功能障碍的一种很有应用前景的技术。

本课题针对FES在上下肢助动方面的应用，提出用提取表面肌电信号代替电脉冲信号做刺激源的方法。将刺激源复原放大后再作用于受损机体。表面肌电信号是从皮肤表面通过电极引导记录下来的神经肌肉系统活动时的生物电信号，在一定程度上反映了神经肌肉的活动。然后将采集的肌电信号进行处理，将处理后的肌电信号经过数字到模拟信号的转换，然后放大至对人体有刺激感应的强度，最后将得到的模拟信号作用于人体进行刺激治疗。

关键词：康复治疗，功能性电刺激，表面肌电信号，数模转换，单片机

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FUNCTIONAL ELECTRICAL STIMULATION THERAPY

SYSTEM

ABSTRACT

FES (Functional Electrical Stimulation, FES) in the treatment of neurological disorders and nerve injury has an important role in rehabilitation. It is the use of electrical stimulation of nerve cells in response to the manual control signal transmission plus, by external currents in nerve cells to produce an action potential caused by natural excitation exactly the same as nerve impulses to muscle fiber contraction dominated to obtain the effect of exercise. The electrical activity of nerve cells is the basic way of human information transmission. Plus electrical stimulation, similar information can be passed. Therefore,FES is the restoration of neurological dysfunction a promising technical.

This issue for the FES in the upper and lower extremities to help move the application, proposed to replace the extracted EMG signals do electrical pulse stimuli approach. The source of stimulation and then enlarge the role of recovery in the damaged body. EMG is a guide from the skin surface electrodes recorded by neuromuscular activity of biological signals, to a certain extent, reflects the neural activity of muscles. Then the collected EMG signal processing, the processed EMG signal through digital to analog conversion, and then zoom to the human body to stimulate the sense of strength, and finally the analog signal will be acting on the human body stimulation.

KEY WORDS : FES，sEMG signal，DAC，Single Chip Micyoco

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目 录

摘 要 .......................................................................................................................................... I Abstract.................................................................................................... 错误！未定义书签。

1.1 课题研究的背景及意义 .................................................................................................. 1

1.3 国内外研究的概况 ................................................................................................... 2

1.4 本课题研究的内容 ................................................................................................... 3

1.5 本章小结 ................................................................................................................... 3

2.1 肌电信号 ................................................................................................................... 4

2.2 表面肌电信号 ........................................................................................................... 4

2.3 肌电信号的采集应该考虑的因素 ........................................................................... 5

2.4 肌电信号的分析方法 ............................................................................................... 5

2.4.1 统计方法 ......................................................................................................... 5

2.4.2 人工神经网络方法 ......................................................................................... 5

2.4.3 时频分析方法 ................................................................................................. 5

2.5 本章小结 ................................................................................................................... 6

第三章 表面肌电信号传感器的设计 ................................................................................... 7

3.1 检测电路的特点及数字传感器的设计思路 ........................................................... 7

3.2 表面肌电信号采集电极 ........................................................................................... 7

3.3 放大电路 ................................................................................................................... 9

3.4 低通滤波电路 ......................................................................................................... 11

4.1 SPCE061A单片机的应用......................................................................................... 13

4.1.1 μ‘nSPTM内核有以下特点：......................................................................... 13

4.1.2 以μ‘nSPTM为核心的SPCE061A微控制器的性能特点： ....................... 13

4.2 输入输出接口 ......................................................................................................... 14

4.3 模/数转换器ADC................................................................................................... 16

4.4 A/D转换芯片ADC0832的应用 ........................................................................... 17

4.4.1 功能特点 .............................................................................................................. 17

4.4.2 单片机对ADC0832的控制原理................................................................. 18

4.4.3 接口程序的编写 ........................................................................................... 19

4.3.4 U盘文件读写模块的应用 ........................................................................... 21

4.3.5 接口程序的编写 ........................................................................................... 23

4.4 采集系统方案设计 ................................................................................................. 26

4.4.1单通道采集方案 .............................................................................................. 26

4.4.2多通道采集方案 .............................................................................................. 27

4.5 采集的结果 ............................................................................................................. 29

第五章 系统的稳定性 ......................................................................................................... 32

5.1 系统噪声来源 ......................................................................................................... 32

5.1.1 电磁干扰源 ................................................................................................... 32

5.1.2 噪声耦合途径 ............................................................................................... 32

5.1.3 噪声的接收 ................................................................................................... 32

5.2 系统抗噪声设计 ..................................................................................................... 33

5.3 系统性能的测试 ..................................................................................................... 34

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5.3.1 单片机功能测试 ........................................................................................... 34

5.3.2 功率放大功能测试 ....................................................................................... 34

第六章 功能性电刺激的作用应用及进展 ......................................................................... 35

6.1 功能性电刺激的作用 ............................................................................................. 35

6.2 功能性电刺激的应用 ............................................................................................. 35

6.2.1 缓解疼痛的神经电子刺激器 ....................................................................... 35

6.2.2 下肢助行器 ................................................................................................... 35

6.2.3 上肢的助动器 ............................................................................................... 36

6.2.4 助呼吸器 ....................................................................................................... 36

6.2.5 尿失禁控制器 ............................................................................................... 36

6.2.6 助视器 ........................................................................................................... 37

6.2.7 助听器 ........................................................................................................... 37

6.2.8 治疗脊术侧弯 ............................................................................................... 37

6.2.9 脊柱融合刺激瞳 ........................................................................................... 37

6.2.10 经皮神经刺激助产仪 ................................................................................. 37

6.2.11 肩关节半脱位 ............................................................................................. 38

6.2.12 治疗癫痫 ..................................................................................................... 38

6.3 功能性电刺激的研究进展 ..................................................................................... 38

6.4 本章小结 ................................................................................................................. 39

第七章 总结与展望 ............................................................................. 错误！未定义书签。

7.1 总结 ......................................................................................... 错误！未定义书签。

7.2 展望 ......................................................................................... 错误！未定义书签。 结论 ......................................................................................................... 错误！未定义书签。 参考文献 ................................................................................................. 错误！未定义书签。 致 谢 ................................................................................................. 错误！未定义书签。

外文原文 ................................................................................................................................. 41

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

脑损伤是神经系统疾病中的常见病，在发展中国家疾病致死率的排列位居第三，仅次于心脏病和癌症，由于大脑是人体高级中枢所在，所以当其损伤后，在感觉、运动、认知、心理和行为等方面会产生不同程度的障碍。

偏瘫是其中较为严重的一类，它是指一侧上下肢、面肌、舌肌的中枢性瘫痪，是急性脑血管病最常见的后遗症。偏瘫患者的康复目标是尽可能降低残障的程度最大限度地日常生活自理。

如何接触患者和家人的痛苦，康复医学领域的一些前辈们作了很多有益的尝试。

1.2 传统偏瘫的疗法

目前对于偏瘫的康复疗法很多，主要的而且疗效比较好的有：运动疗法、药物疗法、针灸疗法。

1、运动疗法

运动疗法是偏瘫病人获得独立生活能力的重要治疗方法。具体做法为：

第一步：被动锻炼。护理者每天帮助瘫痪病人活动患肢100～200次。对于可以活动的病人，可帮助病人在床上做患肢屈伸运动。

第二步：从卧位到坐位需要一个锻炼和适应过程。患者可每天两次将头背抬高，背与床大约呈10度角，每次3～5分钟，大约一周后病人可以在有靠背的情况下坐稳。然后两足踏地，两手紧握床栏，护理者双手扶住病人腋下，每天锻炼3～5次，每次20～30分钟。

第三步：站立锻炼。瘫痪病人从坐位到站位，每次可站立3～5分钟，每回数次，之后逐渐增加每天站立的次数及时间。具体做法是：先让患者背靠墙站好，护理者双手扶其腋下，双膝顶住患者膝关节。经过几天，病人能够靠墙独自站立后，逐渐锻炼扶床栏站立。进一步可做身体左右摆动和两脚横向移动练习。

第四步：行走锻炼。患者用手扶住护理者肩部，护理者托住病人腰部，从原地踏步开始，缓慢小步行走。经过数天锻炼后，试着扶拐杖行走，延长行走距离。

运动疗法是最基本的康复疗法，对患者无损伤，但是治疗过程中需要护理者的大力协助。该疗法对第三者的依赖性太强，同时需要患者有很强的意志力。而且，此疗法是一个漫长的恢复过程，耗时很长。

2、药物疗法

跟正常人相比，偏瘫患者体内的某些化学物质失调，药物疗法主要是针对发病原因，运用某类药物调节平衡或者加强该项功能的治疗方法。例如某种药物的治疗原理是利用药物中的脂代谢平衡加速血液中的胆固醇、甘油三酯等垃圾物质的代谢，从而使血管逐渐变软变得富有弹性，让血液供给营养畅通无阻，用药物中的活脑多肽可以激活休眠中的脑细胞，修复受损的脑细胞，让它们进行功能重组，让大脑中枢重新指挥人体的正常行动。治疗偏瘫的药物有很多，但是不推崇长期使用药物治疗，偏瘫病人如果长期使用药物，只会加重病症，并诱发多种并发症，如褥疮、高血压、高血脂、溃疡等。

3、针灸疗法

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根据中国传统医学，健康的身体取决于一种极其重要的能量循环，这就是身体中的―气‖。这种能量存在于全身的脉络中（十二经），穴位便坐落在这些脉络之上。当一个器官过渡活跃或是机能减退的时候，能量的循环则变得不正常。经脉当中产生了一个堵塞的地方，必须将之打通。所以通过针刺则可以治疗病患，使脉络的循环恢复正常。

针灸治疗的第一步至少需要45分钟：深入的了解病情，观察舌苔，脸色，和触诊（阴冷的部位，过软的部位等）还有就是中医特有的方式――诊脉，医生通过这种方法可以了解病人的身体状态。针灸理疗师利用细针刺激能量通道，使得加强受损组织并重塑和谐。但是同一种病症，病人需要治疗的穴位并不一定是相同的，因人而异。

针灸疗法是针法和灸法的合称。针法是把毫针按一定穴位刺入患者体内，用捻、提等手法来治疗疾病。灸法是把燃烧着的艾绒按一定穴位熏灼皮肤，利用热的刺激来治疗疾病。

针灸具有疏通经络，调和阴阳和扶正祛邪的作用。疏通经络的作用就是使淤阻的经络通畅而发挥其正常的生理作用，是针灸最基本最直接的治疗作用；调和阴阳的作用就是使机体从阴阳失衡的状态向平衡状态转化，是针灸治疗最终要达到的目的。扶正祛邪的作用就是可以扶助机体正气及驱除病邪。

针灸疗法的特点是治病不靠吃药，只是在病人身体的一定部位用针刺入，达到刺激神经并引起局部反应，或用火的温热刺激烧灼局部，以达到治病的目的。针灸疗法有良好的兴奋身体机能、提高抗病能力和镇静、镇痛等作用：操作方法简便易行；医疗费用经济；没有或极少有副作用，基本安全可靠。

针灸疗法对于偏瘫的康复有一定疗效，但是见效较慢，而且效果不会特别明显。

1.3 国内外研究的概况

1、国外研究概况

目前，肌电信号的放大和采集系统主要是国外的产品占据主导地位，美国Naroxion公司的MyoSystem采用享有国际专利的电子反馈信号处理技术，较传统电极端前置放大处理方法显示了无可比拟的无噪音干扰和赝像处理优势，进而对肌活动电位的发生时期、振幅、积分值、频率等提供了高精度的测定。加拿大Thought Technology公司的Procomp+Biograph多媒体生物反馈监控仪可以监测肌电、脑电、心电、皮电、皮温、心率、呼吸、血容量博动的生理指标。荷兰BioSemi公司研制的生理信号测量系统Active One是一个通用的32道生理信号测量系统，可以测量脑电、心电和肌电等生理信号。虽然这些产品已比较成熟，但是由于这些信息采集系统与外来仪器的兼容性较差，并且价格昂贵，特别是它们所离线存储的均为原始波形数据，并不能直接应用于假肢、康复机器人这类课题的研究。

2、国内研究概况

在国内生理信号采集技术已有几十年的技术积累。70年代末，国内医学信息技术进入了新的发展阶段。许多专家开始了以赶超国际医学研究水平为目标的课题实施。而真正以微型计算机为基础的革命性生物医学工程研究则从80年代初开始。83年后，由Z—80至8086/8088 CPU及PC总线机种与DOS系统的普及，尤其是国产化优质价廉的采集控制接口产品的推广，给国内生理医学工程技术的发展，注入了强有力的增长剂。Pclab生物信号采集处理系统是国内对生理信号采集研究的最新科研成果，它主要由硬件与软件两大部分组成。硬件主要完成对各种生物电信号（如：心电、肌电、脑电）与非电生物信号（如：血压、张力、呼吸）的采集，并对采集到的信号进行调理、放大，

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进而对信号进行模/数（A/D）转换，使之进入计算机。软件主要用来对已经数字化了的生物信号进行显示、记录、存储、处理及打印输出，同时对系统各部分进行控制。该设备是基于PC机的生理信息采集系统，在测试时受到场地、资金、技术和人员的限制，不能直接应用在假肢、康复机器人等人机智能控制系统中。

1.4 本课题研究的内容

本课题将研制一种利用肌电治疗偏瘫等残疾的治疗仪。治疗仪以人体正常的肌电信号作为刺激源，选取合适的穴位模拟肌电频率的信号进行电刺激，观察治疗效果，改善肢体肌肉状态，防止发生萎缩，并进一步实现对肢体的康复治疗效果。

本文的工作主要分为两部分，肌电信号特性及分析方法研究；功能性电刺激理论及应用研究。以下是本课题的主要内容简介：

1、分组分类不同部位采集正常肌电信号，利用matlabI具对采集的肌电信号进行分析和处理，存在标准库中。这部分信号作为刺激源，经过数模转换和放大电路后，作用于人体。

2、刺激系统的硬件设计。在电刺激理论的指导下，设计仪器系统。硬件设计主要包括单片机控制模块、DA转换模块和功率放大模块三部分，其中，单片机控制模块又涉及到键盘控制和显示部分。

3、刺激系统的软件设计。该部分主要包括刺激源信号的处理程序和单片机控制系统的程序实现。

有关研究资料表明，刺激频率30～50Hz，刺激强度100mA左右，脉冲刺激时间200～400us，就可以使受损肌肉有明显的收缩反应，达到康复治疗的效果。

1.5 本章小结

本章介绍了课题的研究背景，偏瘫的传统治疗方法，明确了本功能电刺激系统的研究目标和主要研究内容。

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第二章 肌电信号的产生机理极其分析方法

2.1 肌电信号

自1791年伽伐尼(Galvani)证实肌肉收缩与电有密切关系以来，1851年法国的杜波依斯－雷蒙德(DuBois-Reymond)首先检测到人体肌肉随意收缩时能产生电信号，随后1922年加塞(Gasser)和厄兰格(Erlangre)利用阴极射线示波器代替传统的检流计观察到肌电图，并因此而荣获1944年的诺贝尔奖[3]。20世纪以来，随着电子技术的迅猛发展和微电脑的出现，使肌电信号的定量分析及更深入研究成为可能。

肌电信号(EMG)是中枢神经系统支配肌肉活动时伴随的电变化，是最早被人类发现的生物电现象，它已经被广泛应用在临床医学、运动医学、生物医学与工程等领域。尤其足表面EMG，无创伤测量的优点使它在康复医学工程界倍受重视。

2.2 表面肌电信号

表面肌电信号是从肌肉表面通过电极引导、记录下来的神经肌肉系统活动时的生物电信号，主要是浅层肌肉EMG和神经干上电活动的综合效应[7]。它与肌肉的活动状态和功能状态之间存在着不同程度的关联性，因而能在一定的程度上反映神经肌肉的活动，在临床医学的神经肌肉疾病诊断，在人机工效学领域的肌肉工作的工效学分析，在康复医学领域的肌肉功能评价以及在体育科学中的疲劳判定，运动技术合理性分析，肌纤维类型和无氧阈值的无损伤性预测等方面均有重要实用价值。

实验表明，表面肌电信号是一种非常微弱的信号，其幅值在100～5000μV，其峰―峰值一般在0～6mV，均方根在0～1.5mV，一般有用的信号频率成分位于0～500Hz 范围内，其中主要能量集中在50～150Hz范围内，如波士顿大学神经肌肉研究中心发现利用双极型模型得到的肌电频谱分布在20～500Hz，绝大部分频谱集中在50～150Hz 之间。

通常通过肌电图机所获得的表面肌电图信号是一维时间序列信号，它是表面引导电极所触及的多个运动单位活动时所产生的电变化在时间和空间上迭加的结果，与不同机能状态和活动状态下的参加活动的运动单位数量、不同运动单位的放电频率、运动单位活动的同步化程度、运动单位募集模式以及表面电极放置位置、皮下脂肪厚度、体温变化等因素有关。多年来，对sEMG信号的分析主要集中在时域和频域两个方面，近年来，随着信号分析方法的推陈出新，信号分析技术的不断进步，越来越多的信号分析方法被应用到了表面肌电信号分析领域。下一节将着重对肌电信号的分析方法进行介绍。目前，用于假肢的肌电信号的研究的主要是自发的表面肌电信号（即在神经支配下肌肉的随意收缩）。sEMG，具有采集方便、无创伤、无痛苦的优点。信号分析的目的在于通过研究sEMG信号的时、频域特征与肌肉结构以及肌肉活动状态和功能状态之间的关联性，探讨sEMG信号变化的可能原因及应用sEMG信号的变化有效反映肌肉的活动和功能。

表面肌电信号非常微弱，先要对微弱信号进行放大，才能达到AD采集单元的要求，而且由于人体是一导电体，工频干扰及体外的电场、磁场感应都会在人体内形成测量噪声，干扰肌电信息的检测，严重影响了测量系统的工作和有用信号的正确测量，所以放大电路首要解决的问题是信号的滤波和电路的屏蔽。

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2.3 肌电信号的采集应该考虑的因素

首先，由于皮肤基本上是电的不良导体，而皮下组织是电的良导体，它们之间存在阻抗，于是实际形成了在信号源与信号放大器电路之间的串联回路。当放大器输入阻抗较低而皮下组织阻抗较高时，输入信号将大大减弱，使肌电采集效果不良。选用高输入阻抗的放大器，可以提高输入电压，但会影响整个系统对周围环境电气干扰的抗干扰能力(即对电气干扰的敏感度)。因此放大器输入阻抗应选取适当。

其次，电极与皮肤表面接触，它们之间形一个接触电阻。由于皮肤表面汗液等化学成分，接触面上可能发生溶液的电解并产生有损皮肤组织的物质，应当考虑在肌电信号的检出过程中，使电极接触阻抗保持稳定（通常这种接触电位差达几百毫伏电平，远远超过微弱的肌电发放电平），并避免对人体有害的物质产生。

再次，不是采用悬浮电极的情况下，电极与皮肤表面发生的微小位移会引起噪音，干扰肌电信号。

另外，肌电信号在人体组织内的传递，会随着距离的增加而很快衰减。因此电极宜贴放在肌电信号最强的肌肉上，以减少邻近肌肉的肌电干扰。采用较小的电极可提高选择性，但会增加电极与皮肤间的接触阻抗。

2.4 肌电信号的分析方法

肌电信号具有非平稳和非线性特征，为了有效地对肌电信号进行分析、识别，研究者们进行了很多探索和研究，传统的分析方法有统计法现代分析方法有人工神经网络，时频分析和混沌分析。

2.4.1 统计方法

传统肌电信号分析方法是将肌电信号看作时间的函数，通过对时域信号的分析，得到信号的某些统计特征，对信号进行整形、滤波，计算信号的均值、幅值的直方图、过零次数、均方值、三阶原点矩或四阶原点矩等信号特征。

2.4.2 人工神经网络方法

人工神经网络是由大量处理单元互联组成的非线性、自适应信息处理系统。它是在现代神经科学研究成果的基础上提出的，试图通过模仿生物神经元结构和神经信息传递机理的方式进行信息处理。由于人工神经网络具有非线性、非局限性、非常定性和非凸性的特征，目前成为广受关注的信号处理新方法。它由许多具有非线性映射能力的神经元组成，神经元之间通过权系数相连接构成自适应非线性动态系统。在各种神经网络模型中，Hopfield网络和多层感知器模型在肌电分析中应用最为广泛。神经网络用于肌电模式分类近几年进行了相当多的研究，并取得了非常好的结果。通常的处理方法是在提取了信号的特征矢量(如AR模型系数，信号统计量，谐特征等)之后，将其作为网络输入，以相应的动作模式作为输出，通过学习和训练能够很好地实现分类。Kohomen自组织神经网络具有较好的拓朴聚类特性，特别适合于特征提取和模式分类，它在肌电信号处理上有着很大的应用潜力。

2.4.3 时频分析方法

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肌电信号在产生机理上具有非平稳时变特性。针对这一特点，近年来产生了表示信号特征的时间——频率方法，将时、频两域结合起来表示信号特征。维格纳分布(Wigner--Ville Distribution)和小波变换(Wavelet Transf)是在生物医学信号处理，包括肌电信号的分析上应用比较多的两种时频分析方法。维格纳分布是信号在由时间、频率组成的二维平面上的能量密度分布，在时频空间上能够提供高分辨率的信号特征和很好的抗噪声性能，从信号角度来看，它具有许多优越性，如定义域的同一性，反演性，位移特性，一阶矩特性等，因而在非平稳信号的处理中颇有前景。现在，维格纳分布在模式识别、图像分析、信号检测与估计等工程领域都有应用。

实数离散维格纳分布的计算式如下所示；

k

Wx(k,l) 2

m kx(k m)x (k m)e* j2 Mlm (2-1)

其中，k和l分别为时问指数和频率指数。

小波变换是傅罩叶变换的新发展，传统傅氏级数的系数不能反映信号的局部特性，而小波变换系数却能给出这种局部性能的丰富信息，它在时频两域都有局部性质。小波分析中的正交函数系是在选择适当的基本小波后，经过不同的移位和尺度变化来产生小波。小波分析相当于一个数字显微镜，具有放大、缩小和平移的功能，其作用相当于一组带宽相等、中心频率可变的带通滤波器。小波分析在高频时使用短窗口，而在低频时使用宽窗口，充分体现了相对带宽频率分析和适应变分辨率分析的思想，从而为信号的实时处理提供了一条途径。由于小波分析既能在整体上提供信号的全部信息，又能提供在任一局部时段内信号变化剧烈程度的信息。利用它的时频定位特性，可以实现信号的时变谱分析，可以在任意细节上分析信号，而且对噪声不敏感，因而，小波分析被广泛应用于生物医学信号处理。

2.4.4 混沌和分形方法

混沌过程是具有确定性机制的类随机过程，它具有非周期性、非随机性、非线性、对初始条件敏感等特点，可以通过李雅普诺夫指数、相平面图、功率谱图等特征参数表示。在生物医学领域，很多生理信号可能存在着混沌特性，混沌与分形方法在心电、脑电分析中已经有越来越多的应用。

在生理基础上，肌电信号是大量运动单元的非线性耦合，是一个非线性的多单元连接的集合体，非线性动力学的发展为肌电信号的识别提供了一条新的道路。目前，混沌方法在肌电分析中的应用尚处在初阶段，科学家Bodruzzaman等对肌电信号采用谱分析和Poincare映射技术检测它的混沌行为，通过计算相关维数对神经肌肉疾病实现了在线的混沌分类。

本课题中，肌电信号的作用是功能电刺激系统的刺激源，对肌电信号的分析不是重点，所以，只用到统计方法，对肌电信号进行了一个简单的整形、滤波处理。

2.5 本章小结

本章介绍了肌电信号的产生机理、基本特性和在康复医学中的重要应用；介绍了肌电信号的提取方法，提取肌电信号的方案和用到的仪器。

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第三章 表面肌电信号传感器的设计

3.1 检测电路的特点及数字传感器的设计思路

表面肌电信号检测的硬件电路主要包括采集电极，放大滤波电路和AD转换，将这几部分硬件设计在一起，用金属盒屏蔽后封装在一起就构成了表面肌电信号数字传感器。依据前面所论述的表面肌电信号的特点和采集技术的基本要求来完成。本章将对这几部分进行详细介绍。

表面肌电信号非常微弱，分布在μV～mV数量级，所以需要对微弱信号进行放大，才能达到AD采集单元的要求，而且由于人体是一导电体，工频干扰及体外的电场、磁场感应都会在人体内形成测量噪声，干扰肌电信息的检测，所以信号的滤波和电路的屏蔽就成为了放大电路研究的重点。图3-1就是典型微弱信号放大电路的组成结构。

图3-1 典型微弱信号放大电路的组成框图

根据图3-1，表面肌电信号数字传感器的设计包括以下几部分：输入电极、前置放大、高通电路、低通电路、二级放大、工频干扰陷波电路、A/D转换电路。

3.2 表面肌电信号采集电极

人体生物电的检出，必须依靠感受器――电极的引导。但并不是任何形状、尺寸、材料、和工艺制作的电极都能取得肌电引导的良好效果，这是因为电极材料要与人体组织(包括细胞组织和体液等)接触，不仅有电化学方面的联系，也会发生物理的和化学方面的作用。由于人体生物电中，肌电比较微弱，因此引导肌电的电极选择关系甚大。电极按构造的不同大致可作如图3-2分类：

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表面电极 单芯 双芯

多芯

电极

埋藏电极

悬浮电极

图3-2 肌电电极分类

对于肌电信号采集，常用的有表面电极和针式电极两种。表3.2是两种常用电极的优缺点比较。

表3-1 表面电极和针电极的优缺电比较

选用表面电极采集肌电应考虑如下因素：

1、由于人的皮肤基本上是电的不良导体，而皮下组织是电的良导体，它们之间存在阻抗（电阻），于是实际形成了在信号源与信号放大器电路之间的串联回路。当放大器输入阻抗较低而皮下组织阻抗较高时，输入信号将大大减弱，使肌电采集效果不良。选用

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高输入阻抗的放大器，可以提高输入电压，但会影响整个系统对周围环境电气十扰的抗十扰能力(即对电气十扰的敏感度)。因此放大器输入阻抗应选取适当;

2、电极与皮肤表面接触，它们之间形成一个接触电阻。由于皮肤表面汗液等(含NaCl等)化学成分，接触面上可能发生溶液的电解并产生有损皮肤组织的物质，应当考虑在肌电信息的检出过程中，使电极接触阻抗保持稳定(通常这种接触电位差达儿白毫伏电平，远远超过微弱的肌电发放电平)，并避免对人体有害的物质产生;

3、不是采用悬浮电极的情况下，电极与皮肤表面发生的微小位移会引起噪音，十扰肌电信号;

4、肌电信息在人体组织(容积导体)内的传递，会随着距离的增加而很快衰减。因此电极宜贴放在肌电发放最强的肌腹部，以减少邻近肌肉的肌电十扰(串音)。采用较小的电极可提高选择性，但会增加电极与皮肤间的接触阻抗。

3.3 放大电路

人体肌肉组织是皮表肌电的信号源，它发放的肌电经过皮下软组织的体电阻传输至皮肤表面，体电阻约数百欧姆，但是，表面电极与皮肤之问的接触阻抗比较高，约几千欧姆至几十万欧姆。接触电阻还受接触松紧程度、皮肤清洁程度、湿度、四季时令变化等多种因素影响，变化很大。由此可见，对于放大器来说，肌电信号源是一个高内阻的信号源，。

由于肌电信号非常微弱，正常人体手臂头的肌电仅有mV级，在传递过程中很容易受外电场和电路噪音的影响。因此整个采集电路的设计不仅要考虑信号的放大，还要充分考虑到怎样去除干扰，取得有用信号。

在设计肌电信号放大电路时，应着重考虑以下问题:

1、放大器的增益要高而目可变

皮表肌电信号幅度约在50uV到500uV之

到1-5伏左右才便于使用，因此放大器的增益应设置在60到90dB之间。

2、电路的共模抑制比要大

皮表肌电信号的采集易受SOHz工频电源及其它高频电噪声的十扰。但这些十扰信号在放大器的输入端表现为同幅同相的信号（共模信号），因此可利用高共模抑制比的放大电路对十扰信号进行抑制。

3、电极的输入阻抗要高于电极与皮肤的接触阻抗

肌肉组织与电极之间的接触阻抗可能在相当大的范围内变化，天气十燥地区，接触电阻甚至高达2兆欧姆，在这种条件下，即使放大器的共模比极优良，如果输入阻抗不够高，共模十扰信号也会造成输出误差。因此必须提高放大器的输入阻抗。

根据以上所述，设计的肌电信号检出电路要求具有非常高的输入阻抗和共摸抑制比、低零漂、低失调、低功耗、尤其是低的1/f噪声电压，一般采用同相并联差动二运放仪表放大器，以获得良好的综合性能。本文选用德州仪器(Texas Instruments)公司的Burr-Bro+0n系列的仪表放大器INA 128PA获得了良好的电路效果。该芯片内部原理电路图如图3-3所示:

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图3-3 INA128内部原理图

INA 128PA是一个体积很小的8脚双列直插塑封的((DIP/SO-8)器件。它的基本原理为二运放仪表放大器。该放大器的特点为，差动输入，单端输出。电压增益可由一个电阻Rg(芯片1、8脚外接电阻)来确定，目增益连续可调，并有效地解决了后级负载对地联接的问题。A1, A2组成了同相高输入阻抗的差动输入，差动输出，并承担了增益放大任务。由于电路结构对称，增益改变时，输入阻抗不变。且反馈电阻R1=R2，放大器A1, A2的共模增益、失调、漂移等误差均得到了相互补偿。后级A3的增益为1，具有较高的共模抑制比和抗十扰能力。由于它的采用的先进工艺，使其输入失调电压小于5 V输入失调漂移最大为0.5 V，低于5nA的输入偏转电流，和700 A的静态工作电流，最小共模抑制比为120dB，而且噪声低，使用简单方便，只需一个外接电阻来设定增益范围。它可以被用作热电偶放大器、数据采集部分和医用放大器等。

一级放大电路如图3-4所示：

图3-4 一级放大电路

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由于表面肌电采集系统的放大倍数要在60dB-90dB之间，所以一级放大倍数应该很高，本次设计采用同相比例放大器，放大倍数为：

G 1 R6

R5 (3-1)

二级放大电路如图3-5所示：

图3-5 二级放大电路

肌电信号非常微弱，需要多级放大，而多级直接祸合的直流放大器虽能满足要求，但容易引起基线飘移。此外，由于极化电压存在的缘故，肌电采集仪的直流放大器更不能采用多级直接祸合。本装置在两级放大器之间采用RC耦合电路，隔离直流信号的同时达到高通滤波的效果。高通滤波器(HPF)的截止频率为lOHz，选择l.OHz是为了减少由于皮肤和电极之间移动伪差(motion artifact)产生的低频十扰。当肌肉收缩时，电极在皮肤表面有微小的移动，这样造成了直流分量输入给前置放大电路单，使得后面的信号大幅度上下漂移，采用高通滤波器可以去除这一影响。

3.4 低通滤波电路

低通滤波器(LPF)的截止频率为825Hz，选择825Hz是因为研究发现表面肌电信号的频率在1000Hz以下，而能量卞要集中在50-350Hz。加低通滤波器后可有效抑制高频十扰。低通滤波器采用压控电压源型一阶低通滤波器，电路如图3-6所示。低通截止频率为:

f 1

2 R7R8C4C5 825Hz （3-2）

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图3-6 低通滤波电路

因为人体肌电信号频率集中在l0Hz-1000Hz之间，根据采样定理，采样频率应该是需转化信号频率的两到四倍，因此采样频率设定为3000Hz。由于采样频率并不高，选用8位串行A/D转换器ADC0832即可。ADC0832使用采样一数据一比较器的结构，采用逐次逼近方式进行转换。根据多路器的软件配置，单端输入方式下，要转换的输入电压连到一个输入端和地端;差分输入方式下，要转换的输入电压连到一个输入端和另一输入端。ADC0832的两输入可以分配为i1，极或负极，可以由多路器进行软件配置。但是要注意的是，当连到分配为i1，端的输入电压低于分配为负端的输入电压时，转换结果为全O。通过和控制处理器相连的串行数据链路传送控制命令，用软件对通道选择和输入端的配置。串行通信格式在不增加封装大小的情况下，可以在转换器中包含更多的功能。另外，可把转换器和模拟传感器放在一起，和远端的控制处理器串行通信，而不是进行低电平的模拟信号的远程传送。这样的处理使返回到处理器的是无噪声的数字数据，避免了模拟信号远传的干扰。

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第四章 表面肌电信号采集系统的设计

4.1 SPCE061A单片机的应用

随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP，Digital Signal Processing）等领域。凌阳16位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的CPU内核采用凌阳最新推出的μ‘nSPTM(Microcontroller and Signal Processor）16位微处理器芯片。

4.1.1 μ’nSPTM内核有以下特点：

1、体积小，集成度高，可靠性好，且易于扩展。

各功能部件模块化地集成在一个芯片里，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连线;提高了其可靠性和抗干扰能力。另外，模块化的结构易于系列扩展以适应不同用户的需求。

2、具有较强的中断处理能力。

中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。片内带有高寻址能力的ROM、静态RAM和多功能的I/O口。另外，指令系统提供具有较高运算速度的16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了DSP功能。运用在复杂的数字信号处理方面，既便利又比专用DSP芯片价廉。

3、指令系统功能强效率高。

指令系统的指令格式紧凑，执行迅速，并且其指令结构提供了对高级语言的支持，这可以大大缩短产品的开发时间。

4、功耗低电压低。

采用CMOS制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗。另外，工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电，这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。

4.1.2 以μ’nSP为核心的SPCE061A微控制器的性能特点：

1、16位μ‘nSPTM微处理器内核；CPU时钟0.32～49.115MHz；

2、CPU的工作电压VDD为2.6～3.6V，I/O的工作电压VDDH为VDD～5.5V；

3、内置2k字SRAM和32k闪存FLASH；

4、系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)耗电小于2μA/3.6V；

5、2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；2个10位DAC(数模转换)输出通道。

32位通用可编程输入/输出I/O端口；7通道10位电压模—数转换器(ADC)和单通道声音模/数转换器；

6、14个中断源可来自定时器A/B时基2个外部时钟源输入键唤醒；

7、具备触键唤醒的功能，具备串行设备接口；

8、使用凌阳音频编码SACMS240方式(2.4kbit/s)能容纳210s的语音数据，可编程音频处理；

9、锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；32768Hz实时时钟；

TM

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10、声音模/数转换器输入通道，内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；

11、低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；内置在线仿真电路ICE。 SPCE061A的结构如图4-1所示

:

图4-1 SPCE061A的结构

SPCE061A的开发是通过在线调试器PROBE实现的。它既是一个编程器（即程序烧写器），又是一个实时在线调试器。用它可以替代在单片机应用项目的开发过程中常用的软件工具——硬件在线实时仿真器和程序烧写器。它利用了SPCE061A片内置的在线仿真电路ICE（In-Circuit Emulator）接口和凌阳公司的在线串行编程技术。PROBE工作于凌阳IDE集成开发环境软件包下，其5芯的仿真头直接连接到目标电路板上SPCE061A相应管脚，直接在目标电路板上的CPU---SPCE061A调试、运行用户编制的程序。PROBE的另一头是标准25针打印机接口，直接连接到计算机打印口与上位机通讯，在计算机IDE集成开发环境软件包下，完成在线调试功能。

4.2 输入输出接口

SPCE061A提供了位控制结构的I/O端口，每一位都可以被单独定义用于输入或输出数据。通常，对某一位的设定包括以下3个基本项：数据向量Data、属性向量Attribution和方向控制向量Direction。3个端口内每个对应的位组合在一起，形成一个控制字，用来定义相应I/O口位的输入输出状态和方式。例如，假设需要IOA0是下拉输入管脚，则

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相应的Data、Attribution和Direction的值均被置为―0‖。如果需要IOA1是带唤醒功能的悬浮式输入管脚，则Data、Attribution和Direction的值被置为―010‖。与其它的单片机相比，除了每个I/O端口可以单独定义其状态外，每个对应状态下的I/O端口性质电路都是内置的，在实际的电路中不需要再次外接。例：设端口A口为带下拉电阻的输入口，在连接硬件时无需在片外接下拉电路。A口和B口的Data、Attribution和Direction的设定值均在不同的寄存器里，进行I/O口设置时要特别注意。I/O端口的组合控制设置如表4-1所示：

P_IOA_Data(读/写)(7000H)：A口的数据单元，用于向A口写入或从A口读出数据。当A口处于输入状态时，读出是读A口管脚电平状态；写入是将数据写入A口的数据寄存器。当A口处于输出状态时，写入输出数据到A口的数据寄存器。

P_IOA_Buffer(读/写)(7001H)：A口的数据向量单元，用于向数据向量寄存器写入或从该寄存器读出数据。当A口处于输入状态时，写入是将A口的数据向量写入A口的数据寄存器；读出则是从A口数据寄存器内读其数值。当A口处于输出状态时，写入输出数据到A口的数据寄存器。

对输出而言,P_IOA_Data与P_IOA_Buffer是一样的。但对输入而言，P_IOA_Data读的是IO的值，P_IOA_Buffer读的是buffer内的值。

假设IOA[0]作为输出，并去接LED阳极(LED阴极接地)。若P_IOA_Data的IOA[0]为1。在某些需要较大驱动能力的LED而言,LED会亮，但IOA[0]会被拉到一个很低的值。此时从P_IOA_Data读回为0，但P_IOA_Buffer则为1。读回的意义是方便做其它的IO运算。

P_IOA_Dir(读/写)(7002H)：A口的方向向量单元，用于用来设置A口是输入还是输出，该方向控制向量寄存器可以写入或从该寄存器内读出方向控制向量。Dir位决定了口位的输入/输出方向：即 0‘为输入， 1‘为输出。

P_IOA_Attrib(读/写)(7003H)：A口的属性向量单元，用于A口属性向量的设置。 P_IOA_Latch(读)(7004H)：读该单元以锁存A口上的输入数据，用于进入睡眠状态前的触键唤醒功能的启动(参见睡眠/唤醒部分)。

SPCE061A的输入输出接口结构如图4-2所示：

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cl5i.html