一种肌电信号采集装置及其采集处理方法
【专利摘要】本发明提供了一种肌电信号采集装置及其采集处理方法。包括获取肌电信号的体表贴边电极，及对肌电信号进行处理的信号调理电路；所述信号调理电路与MCU相连，还包括与MCU相连的肌电信号存储单元；所述肌电信号调理电路包括依次相连的高通滤波器、放大器和低通滤波器，采集的肌电信号经过高通滤波、放大和低通滤波处理后发送给MCU；所述电极采用Ag和/或AgCl表面电极，一个电极由三片互相平行的Ag和/或AgCl电极构成，中间电极为参考地端，两侧两个构成差分输入端。与现有技术相比，不容易受采集环境干扰，数据处理难度低；采用电池供电，避免了外部导线容易引入的干扰。
【专利说明】
一种肌电信号采集装置及其采集处理方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种肌电信号采集装置及其采集处理方法，特别是涉及一种适用于对众多肌纤维中运动单元进行肌电信号采集的机电信号采集装置及其采集处理方法。
【背景技术】
[0002]肌电信号(EMG)是众多肌纤维中运动单元动作电位(MUAP)在时间和空间上的叠加。表面肌信号(SEMG)是浅层肌肉EMG和神经元上电活动在皮肤表面的综合效应，能在一定程度上反映神经肌肉的活动;相对于针电极EMG，SEMG在测量上具有非侵入性、无创伤、操作简单等优点。因为SEMG在临床医学、人机功效学、康复医学以及体院科学等方面均有重要的实用价值。
[0003]随着检测技术和信号处理手段的发展，用SEMG代替针电极EMG进行全面临床无损诊断已经成为生物医学和医学界研究的热点问题之一。人体的SEMC很微弱，易收干扰，测量难度大，如何有效采集提取SEMG已经成为SEMG应用的关键技术之一。
[0004]目前应用的SEMG采集装置大多将采集到的SEMG通过导线传送到数据采集卡或特定的医疗仪器进行分析处理，采样电极粘帖于皮肤表面，电极供电测间接来自市电。这种方法的显著不足如下:
(1)需要专用的仪器完成信号采集，应用场合受限制，如无法采集短跑运动中的运动员肢体SEMG;
(2)因有导线相连，淡定哥肢体运动时，易导致电极与皮肤间的相对运动，影响采集结果;
(3)供电电源由市电处理后获取，引入了较大的工频干扰，增加了数据处理难度；
(4)若导线较长，则极容易引入环境中的其他干扰，如电磁干扰等。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种应用场合广、不容易受采集环境干扰，数据处理难度低的肌电信号采集装置及采集方法。
[0006]本发明采用的技术方案如下:一种肌电信号采集装置，其特征在于:包括获取肌电信号的体表贴边电极，及对肌电信号进行处理的信号调理电路;所述信号调理电路与MCU相连，还包括与MCU相连的肌电信号存储单元;所述肌电信号调理电路包括依次相连的高通滤波器、放大器和低通滤波器，采集的肌电信号经过高通滤波、放大和低通滤波处理后发送给MCU;所述电极采用Ag和/或AgCl表面电极，一个电极由三片互相平行的Ag和/或AgCl电极构成，中间电极为参考地端，两侧两个构成差分输入端。
[0007]根据神经生理知识，肌肉动作电位将产生-90mV到30mV的电势差，由于人体是电的不良导体，所以从体表的贴片电极上只能获得ImV左右的峰值。SEMG中往往混合着甚低频(接近直流)和高频的干扰信号，而有效的肌电信号频谱分布在10-500HZ间。所以从贴片电极检测出的信号需经过高通滤波(隔直处理)、高倍放大和低通滤波(滤除高频干扰)等信号调理过程。
[0008]如图1所示，采用Ag和/或AgCl表面电极，其极化电压小，能快速获得稳定的机电信号。一个电极由三片互相平行的Ag和/或AgCl电极构成，中间电极为参考地端，两侧两个构成差分输入端。引入的参考地端电极有效降低了噪声干扰，提高了共模抑制能力。
[0009]信号调理电路主要包括高通滤波、高倍放大和低通滤波几个部分。若将电极拾取的体表肌电信号直接接入高倍放大器，则由于噪声的影响，输出信号容易发生漂移并很快达到饱和，所以将信号接入高通滤波电路后再送入高倍放大电路。
[0010]所述肌电信号存储单元采用FLASH，FLASH采用了 8Mbit的SST25VF80B，与MCU间采用SPI接口，操作方便。本装置中，每个采样数据占两个字节，能够记录将近500秒的肌电信号，完全满足肌电信号的一半处理需要。特别是，当需要完整记录运动员在某一运动过程中肌电信号变化情况时，本装置特有的无线连接及超长存储时间的优点是传统采集仪所不具备的。
[0011]供电电路为电池供电电路。
[0012]所述电池供电电路采用电压稳定且纯净的电池供电。避免了外部导线容易引入的干扰，所以能够省去常见的50Hz陷波器。使用50Hz的陷波器存在消除部分50Hz有用信号的缺点。
[0013]所述MCU采用型号为MSP430F167的外围芯片，利用ADC12对肌电信号采样，并对采样结果进行滤波处理。
[0014]MCU采用MSP430F167，其片内外围丰富，有01^、12位六0模块(六0(:12)、硬件乘法器(MPY)、USART、16位Timer及多达48个I/O口。本装置中，利用ADC12对肌电信号采样，并对采样结果进行滤波处理，提高了采样的准确性;DMA配合ADC12使用，大大提高了读取AD采样结果的速度；MPY极大提高了数据处理速度。本装置运行于SM时钟下，且设定采样频率为2000Hz，完全满足采样间隔要求。
[0015]还包括电池电压监控单元，对电池电压进行监控，设置有电池电压监控LED灯;还包括信号采集按键，用于控制肌电信号采集的开始和停止。
[0016]装置由3.6V锂电池供电，经高效的RH5RL33AA后为系统提供+3.3V电源，同时系统对电池电压进行监控，当电池电量不足时通过LED发光提示。按键用于启动和停止信号肌电信号采集，也能够实现其他基本操作。考虑到系统低功耗及精简的需要，本装置未采用液晶或数码管显示，仅通过两个LED灯只是系统的当前状态。
[0017]还包括通过CP2021与MCU相连的USB接口，所述USB接口用于与计算机通信；所述M⑶与CP2102之间通过UART接口相连;所述CP2102与M⑶及肌电信号存储单元之间独立供电。
[0018]本装置的USB接口用于与PC机进行通讯，操作简单方便。当需要将采集的肌电信号上传到PC机分析处理时，MCU从FLASH内读取存储的肌电信号，通过UART接口发送到CP2102。CP2102用于实现USB信号与UART之间的转换。CP2102与MCU及存储电路之间独立供电，在肌电信号采集阶段及装置待机状态下，CP2102不消耗电池能量;当与PC及通讯时，CP2102供电电路工作，其中的BMI117-3.3将USB总线的+5V电源转换为+3.3V向CP2102供电。
[0019]基于上述肌电信号采集装置的按键中断处理方法，具体方法步骤为:
一、判断是否有按键中断发生，是则进入下一步； 二、判断是否为按键中断类型一，是则进入下一步，否则进入步骤四；
三、判断是否有按键中断类型二发生，是则LED灯I闪烁2次，清除肌电信号存储单元中的肌电存储信号;否则LED灯I闪烁I次，启动肌电信号采集；
四、判断是否为按键中断类型二，是则进入下一步，否则进入步骤六；
五、判断是否有按键中断类型三发生，是则LED灯2闪烁2次，准备与PC机通信;否则LED灯2闪烁I次，停止肌电信号采集；
六、判断是否为按键中断类型三，是则LED灯I和2同时闪烁I次，进行电池电量监测，电量不足则LED灯I闪烁3次，反之LED灯2闪烁3次;否则进入步骤七；
七、结束。
[0020]系统平时处于低功耗模式，MCU关闭所有的片内外围，运行与该功耗模式4(LPM4)状态。需要工作时，CPU被唤醒，进入正常工作模式。装置由中断驱动，主要有按键中断、UART中断和定时中断，系统退出中断后运行于低功耗模式。
[0021]当有按键中断发生时，MCU被唤醒，并根据按键值进行相应的处理。
[0022]基于上述肌电信号采集装置的UART接收中断程序处理方法，具体方法步骤为:
一、UART判断收到中断命令后进行解析，判断当前命令是否为读肌电信号，如果是，则启动传输存储在肌电信号存储单元的肌电信号，并进入步骤四，否则进入下一步；
二、判断当前命令是否为读电池状态，是则对电池电量进行采样，发送采样结果，并进入步骤四，否则进入下一步；
三、判断当前命令是否为读肌电信号存储单元状态，是则计算当前占用的存储单元容量并返回，并进入步骤四，否则进入下一步；
四、结束。
[0023]除通过按键和LED指示对本装置进行操作外，系统可接受PC机软件的控制。当按键2和按键3按下后，系统启动定时器，若在定时时间内接收到PC机的控制命令，则进行相应处理，否则未收到通信请求即自动回到低功耗模式。系统与PC机间共有3种命令，分别为读肌电信号、读电池状态、读存储器状态。系统与PC机通讯时，主要由UART发送和接收中断驱动。UART发送中断程序判断有无后续数据需发送并进行相应处理。
[0024]本装置中，PC机软件采用VisualC++设计完成，主要涉及的内容为人机界面设计、串口通讯编程、简单算法实现和文件读写操作。人机界面设计主要用到一些按钮和文本框等控件，用以提供对肌电信号采集装置的控制;所有的通信编程使用控件MSCOMM实现，在PC机安装CP2102驱动后，本装置会被设别为一个串口设备;简单算法主要实现对接收到的数据进行分析处理，还原为实际电压值;读写文件实现将读取到的肌电信号以文本形式存储下来，便于利用其他数学工具(MATLAB)进行分析处理。
[0025]与现有技术相比，本发明的有益效果是:不容易受采集环境干扰，数据处理难度低。采用电池供电，避免了外部导线容易引入的干扰;CP2102与M⑶及存储电路之间独立供电，在肌电信号采集阶段及装置待机状态下，CP2102不消耗电池能量。
【附图说明】
[0026]图1为本发明其中一实施例的装置原理示意图。
【具体实施方式】
[0027]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0028]本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0029]具体实施例一
如图1所示的肌电信号采集装置，包括获取肌电信号的体表贴边电极，及对肌电信号进行处理的信号调理电路;所述信号调理电路与MCU相连，还包括与MCU相连的肌电信号存储单元;所述肌电信号调理电路包括依次相连的高通滤波器、放大器和低通滤波器，采集的肌电信号经过高通滤波、放大和低通滤波处理后发送给MCU;所述电极采用Ag和/或AgCl表面电极，一个电极由三片互相平行的Ag和/或AgCl电极构成，中间电极为参考地端，两侧两个构成差分输入端。
[0030]在本具体实施例中，放大器采用放大器INAl18，其共模抑制比高大115dB，失调电压小于50uV，只需要外挂一个精密电阻就可以设定I到10000的放大倍数。为滤除高频噪声，放大后的信号被接入低通滤波器，低通滤波截止频率设定为600Hz。
[0031]在本具体实施例中，FLASH采用了8Mbit的SST25VF80B，与MCU间采用SPI接口，操作方便。本装置中，每个采样数据占两个字节，能够记录将近500秒的肌电信号，完全满足肌电信号的一半处理需要。特别是，当需要完整记录运动员在某一运动过程中肌电信号变化情况时，本装置特有的无线连接及超长存储时间的优点是传统采集仪所不具备的。
[0032]具体实施例二
在具体实施例一的基础上，供电电路为电池供电电路。所述电池供电电路采用电压稳定且纯净的电池供电。避免了外部导线容易引入的干扰，所以能够省去常见的50Hz陷波器。使用50Hz的陷波器存在消除部分50Hz有用信号的缺点。
[0033]具体实施例三
在具体实施例一或二的基础上，所述M⑶采用型号为MSP430F167的外围芯片，利用ADC12对肌电信号采样，并对采样结果进行滤波处理。
[0034]MCU采用MSP430F167，其片内外围丰富，有01^、12位六0模块(六0(:12)、硬件乘法器(MPY)、USART、16位Timer及多达48个I/O口。本装置中，利用ADC12对肌电信号采样，并对采样结果进行滤波处理，提高了采样的准确性;DMA配合ADC12使用，大大提高了读取AD采样结果的速度;MPY极大提高了数据处理速度。在本具体实施例中，本装置运行于SM时钟下，且设定采样频率为2000Hz，完全满足采样间隔要求。
[0035]具体实施例四
在具体实施例三的基础上，还包括电池电压监控单元，对电池电压进行监控，设置有电池电压监控LED灯;还包括信号采集按键，用于控制肌电信号采集的开始和停止。
[0036]装置由3.6V锂电池供电，经高效的RH5RL33AA后为系统提供+3.3V电源，同时系统对电池电压进行监控，当电池电量不足时通过LED发光提示。按键用于启动和停止信号肌电信号采集，也能够实现其他基本操作。考虑到系统低功耗及精简的需要，本装置未采用液晶或数码管显示，仅通过两个LED灯只是系统的当前状态。
[0037]具体实施例五
在具体实施例一到四之一的基础上，还包括通过CP2021与MCU相连的USB接口，所述USB接口用于与计算机通信;所述M⑶与CP2102之间通过UART接口相连;所述CP2102与M⑶及肌电信号存储单元之间独立供电。
[0038]本装置的USB接口用于与PC机进行通讯，操作简单方便。当需要将采集的肌电信号上传到PC机分析处理时，MCU从FLASH内读取存储的肌电信号，通过UART接口发送到CP2102。CP2102用于实现USB信号与UART之间的转换。CP2102与MCU及存储电路之间独立供电，在肌电信号采集阶段及装置待机状态下，CP2102不消耗电池能量;当与PC及通讯时，CP2102供电电路工作，其中的BMI117-3.3将USB总线的+5V电源转换为+3.3V向CP2102供电。
[0039]具体实施例六
在具体实施例一到五之一的基础上，基于上述肌电信号采集装置的按键中断处理方法，具体方法步骤为:
一、判断是否有按键中断发生，是则进入下一步；
二、判断是否为按键中断类型一，是则进入下一步，否则进入步骤四；
三、判断是否有按键中断类型二发生，是则LED灯I闪烁2次，清除肌电信号存储单元中的肌电存储信号;否则LED灯I闪烁I次，启动肌电信号采集；
四、判断是否为按键中断类型二，是则进入下一步，否则进入步骤六；
五、判断是否有按键中断类型三发生，是则LED灯2闪烁2次，准备与PC机通信;否则LED灯2闪烁I次，停止肌电信号采集；
六、判断是否为按键中断类型三，是则LED灯I和2同时闪烁I次，进行电池电量监测，电量不足则LED灯I闪烁3次，反之LED灯2闪烁3次;否则进入步骤七；
七、结束。
[0040]具体实施例七
在具体实施例一到六之一的基础上，基于上述肌电信号采集装置的UART接收中断程序处理方法，具体方法步骤为:
一、UART判断收到中断命令后进行解析，判断当前命令是否为读肌电信号，如果是，则启动传输存储在肌电信号存储单元的肌电信号，并进入步骤四，否则进入下一步；
二、判断当前命令是否为读电池状态，是则对电池电量进行采样，发送采样结果，并进入步骤四，否则进入下一步；
三、判断当前命令是否为读肌电信号存储单元状态，是则计算当前占用的存储单元容量并返回，并进入步骤四，否则进入下一步；
四、结束。
【主权项】
1.一种肌电信号采集装置，其特征在于:包括获取肌电信号的体表贴边电极，及对肌电信号进行处理的信号调理电路;所述信号调理电路与MCU相连，还包括与MCU相连的肌电信号存储单元;所述肌电信号调理电路包括依次相连的高通滤波器、放大器和低通滤波器，采集的肌电信号经过高通滤波、放大和低通滤波处理后发送给MCU;所述电极采用Ag和/或AgCl表面电极，一个电极由三片互相平行的Ag和/或AgCl电极构成，中间电极为参考地端，两侧两个构成差分输入端。2.根据权利要求1所述的肌电信号采集装置，其特征在于:供电电路为电池供电电路。3.根据权利要求2所述的肌电信号采集装置，其特征在于:所述电池供电电路采用电压稳定且纯净的电池供电。4.根据权利要求1所述的肌电信号采集装置，其特征在于:所述MCU采用型号为MSP430F167的外围芯片，利用ADC12对肌电信号采样，并对采样结果进行滤波处理。5.根据权利要求2所述的肌电信号采集装置，其特征在于:还包括电池电压监控单元，对电池电压进行监控，设置有电池电压监控LED灯;还包括信号采集按键，用于控制肌电信号采集的开始和停止。6.根据权利要求1所述的肌电信号采集装置，其特征在于:还包括通过CP2021与MCU相连的USB接口，所述USB接口用于与计算机通信;所述M⑶与CP2102之间通过UART接口相连；所述CP2102与MCU及肌电信号存储单元之间独立供电。7.基于权利要求1所述的肌电信号采集装置的按键中断处理方法，具体方法步骤为: 一、判断是否有按键中断发生，是则进入下一步； 二、判断是否为按键中断类型一，是则进入下一步，否则进入步骤四； 三、判断是否有按键中断类型二发生，是则LED灯I闪烁2次，清除肌电信号存储单元中的肌电存储信号;否则LED灯I闪烁I次，启动肌电信号采集； 四、判断是否为按键中断类型二，是则进入下一步，否则进入步骤六； 五、判断是否有按键中断类型三发生，是则LED灯2闪烁2次，准备与PC机通信；否则LED灯2闪烁I次，停止肌电信号采集； 六、判断是否为按键中断类型三，是则LED灯I和2同时闪烁I次，进行电池电量监测，电量不足则LED灯I闪烁3次，反之LED灯2闪烁3次;否则进入步骤七； 七、结束。8.基于权利要求1所述的肌电信号采集装置的UART接收中断程序处理方法，具体方法步骤为: 一、UART判断收到中断命令后进行解析，判断当前命令是否为读肌电信号，如果是，则启动传输存储在肌电信号存储单元的肌电信号，并进入步骤四，否则进入下一步； 二、判断当前命令是否为读电池状态，是则对电池电量进行采样，发送采样结果，并进入步骤四，否则进入下一步； 三、判断当前命令是否为读肌电信号存储单元状态，是则计算当前占用的存储单元容量并返回，并进入步骤四，否则进入下一步； 四、结束。
【文档编号】A61B5/0492GK106073775SQ201610663000
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月15日 公开号201610663000.9, CN 106073775 A, CN 106073775A, CN 201610663000, CN-A-106073775, CN106073775 A, CN106073775A, CN201610663000, CN201610663000.9
【发明人】谢敏
【申请人】成都市和平科技有限责任公司