陳暢明 周炫汝 譚迎宵 黃鴻彪 曹東

上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)的肌肉電信號(hào)采集系統(tǒng)*

陳暢明 周炫汝 譚迎宵 黃鴻彪 曹東

（廣州中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

基于腦卒中患者肩部出現(xiàn)不同程度的運(yùn)動(dòng)功能障礙，設(shè)計(jì)上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)的肌肉電信號(hào)采集系統(tǒng)。首先，利用表貼式方法采集八通道的表面肌肉電信號(hào)；然后，通過(guò)前置電路放大肌肉電信號(hào)，并利用右腿驅(qū)動(dòng)技術(shù)降低共模；接著，通過(guò)低通和高通濾波，進(jìn)行工頻陷波；最后，進(jìn)行后級(jí)放大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)采集肌肉電信號(hào)準(zhǔn)確率達(dá)82%。

上肢康復(fù)；肌肉電信號(hào)；采集系統(tǒng)

0 引言

隨著我國(guó)人口老齡化進(jìn)程的不斷加快，腦卒中的發(fā)病率呈上升趨勢(shì)。腦卒中亦稱(chēng)腦中風(fēng)，是腦部血管發(fā)生急性損傷導(dǎo)致的疾病。后遺癥主要表現(xiàn)為偏癱、面癱、視力障礙和語(yǔ)言表達(dá)障礙等，其中偏癱是最常見(jiàn)癥狀，這給患者家庭和社會(huì)帶來(lái)了沉重負(fù)擔(dān)。根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)，偏癱患者發(fā)病2年內(nèi)如果康復(fù)措施得當(dāng)，可較好地恢復(fù)。上肢康復(fù)醫(yī)療器械對(duì)偏癱患者康復(fù)起到重要作用，其中肌肉電信號(hào)采集是上肢康復(fù)醫(yī)療器械的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文對(duì)上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)的肌肉電信號(hào)采集系統(tǒng)開(kāi)展研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的

上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)的肌肉電信號(hào)采集系統(tǒng)應(yīng)用于上肢康復(fù)機(jī)器人，主要目的：

1）采集肩部功能正常者完成某一運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)肩部主要肌肉的表面肌電（surface?electromyography, SEMG）信號(hào)，并計(jì)算每塊肌肉的貢獻(xiàn)比，用于評(píng)估患者康復(fù)訓(xùn)練的準(zhǔn)確性和必要性；

2）采集患者完成某一運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)患側(cè)肩部主要肌肉的SEMG信號(hào)，并提取其特征值（幅值、頻率等），用于評(píng)估患者康復(fù)效果，以便及時(shí)調(diào)整康復(fù)方案，減少康復(fù)周期；

3）采集患者健康側(cè)上肢運(yùn)動(dòng)時(shí)的SEMG信號(hào)，基于上肢康復(fù)機(jī)器人的鏡像運(yùn)動(dòng)模式功能，實(shí)現(xiàn)患側(cè)上肢功能恢復(fù)。

2 系統(tǒng)框架

上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)的肌肉電信號(hào)采集系統(tǒng)根據(jù)肩關(guān)節(jié)功能主要采集肱二頭肌、肱三頭肌、胸大肌、三角肌、小圓肌和斜方肌等肌肉的SEMG信號(hào)，主要功能包括信號(hào)放大、濾波和抑制共模信號(hào)等，整體框架如圖1所示。

圖1 上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)的肌肉電信號(hào)采集系統(tǒng)整體框架

3 硬件設(shè)計(jì)

SEMG信號(hào)的采集方法主要有植入式和表貼式。SEMG信號(hào)較微弱，且源阻抗較大。表貼式采集的SEMG信號(hào)在0 mV~1.5 mV，頻率大都集中在20 Hz~ 100 Hz[1]，且具有隨機(jī)性強(qiáng)、易受干擾等缺點(diǎn)。但相對(duì)植入式而言，具有操作簡(jiǎn)單、成本低、風(fēng)險(xiǎn)低，不會(huì)對(duì)患者造成痛苦等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用。為滿足便捷、簡(jiǎn)易和安全無(wú)創(chuàng)等需求，本系統(tǒng)采用表貼式采集SEMG信號(hào)。

上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)的肌肉電信號(hào)采集系統(tǒng)硬件部分主要包括前置電路、右腿驅(qū)動(dòng)電路、濾波電路、工頻陷波電路和后級(jí)放大電路，系統(tǒng)硬件組成框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件組成框架

3.1 前置電路

前置電路主要由輸入緩沖級(jí)和前級(jí)放大器2部分組成。由于各電極與皮膚接觸電阻不同，且SEMG信號(hào)具有幅值微弱、源阻抗高等特點(diǎn)，因此SEMG信號(hào)通過(guò)導(dǎo)聯(lián)線進(jìn)入前級(jí)放大器之前，需先通過(guò)輸入緩沖級(jí)，增加系統(tǒng)的輸入阻抗，使信號(hào)與放大輸入端達(dá)到阻抗匹配，以保證肌肉電信號(hào)不失真。

SEMG信號(hào)通過(guò)輸入緩沖級(jí)后，進(jìn)入前級(jí)放大器。前級(jí)放大器是整個(gè)電路的核心部分，具有放大信號(hào)、抑制共模干擾信號(hào)的作用。肌電電極的極化電壓是直流偏置電壓。在傳導(dǎo)過(guò)程中，極化電壓存在緩慢的漂移現(xiàn)象，并混合在SEMG信號(hào)中，同樣被前級(jí)放大器放大[3]。當(dāng)輸入電壓過(guò)高，且增益較大時(shí)，可能導(dǎo)致輸出信號(hào)失真。綜合考慮，本系統(tǒng)選用具有低輸入偏置電流、高輸入阻抗、高共模抑制比和噪聲低等特點(diǎn)的AD8221芯片，前置電路圖如圖3所示。

圖3 前置電路圖

3.2 右腿驅(qū)動(dòng)電路

在上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)的肌肉電信號(hào)采集系統(tǒng)中，前級(jí)放大器除了具有放大信號(hào)的作用，還需降低共模干擾電壓。右腿驅(qū)動(dòng)（driven right leg, DRL）技術(shù)是降低共模干擾的方法之一，電路如圖4所示。其不僅可以降低50 Hz共模干擾，還可以提高共模抑制比。首先由前置電路中2個(gè)相等的偏置電阻G1，G2可得人體的共模電壓，該電壓經(jīng)過(guò)具有輸入緩沖功能的電壓跟隨器，隔離了2與AD8221，以減小兩者間的干擾；然后經(jīng)過(guò)反相放大，作為右腿驅(qū)動(dòng)電路的輸出，其中4為限流電阻，防止電流過(guò)大對(duì)人體造成損傷；最后輸出DL。

圖4 右腿驅(qū)動(dòng)電路圖

右腿驅(qū)動(dòng)電路將共模電平反饋給參考電極，并與原來(lái)的共模電平極性相反，從而在輸入端實(shí)現(xiàn)共模信號(hào)的抑制，提高整個(gè)電路的共模抑制比。本質(zhì)上，右腿驅(qū)動(dòng)電路圖是一個(gè)共模電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，起到快速放電，有效衰減人體所帶共模電壓的作用。對(duì)DRL電路進(jìn)行推導(dǎo)，有

式中，共是前置電路的共模輸入成分；IN是前置電路輸入緩沖級(jí)的輸入成分；REF是前置電路前級(jí)放大器的輸入成分；G1，G2是前置電路中2個(gè)相等的偏置電阻。

由于單級(jí)增益過(guò)高，容易造成運(yùn)放輸出產(chǎn)生自激振蕩，運(yùn)放反饋電阻并接反饋電容7和電阻3，起到調(diào)整作用。

3.3 濾波電路

SEMG信號(hào)主要分布在20 Hz~100 Hz頻率范圍內(nèi)，本系統(tǒng)采用二階壓控型高通濾波器濾除低于 10 Hz的低頻信號(hào)；二階壓控型低通濾波器濾除高于200 Hz的高頻信號(hào)。

本系統(tǒng)濾波器的上限截止頻率為

本文以二階壓控型低通濾波器為例進(jìn)行介紹，電路如圖5所示。該電路在濾波的同時(shí)，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)腞7，R8，可以完成信號(hào)放大功能。

3.4 工頻陷波電路

在SEMG信號(hào)采集過(guò)程中，50 Hz工頻干擾其主要干擾信號(hào)。工頻干擾信號(hào)是共模信號(hào)，通過(guò)AD8221時(shí)，共模信號(hào)被抑制，差模信號(hào)被放大，使SEMG信號(hào)的信噪比提高。但AD8221的共模抑制比是一個(gè)有限值，共模信號(hào)通過(guò)AD8221后不能完全被抑制，會(huì)轉(zhuǎn)化為微弱的差模信號(hào)。同時(shí)主電極、參考電極與皮膚之間的接觸阻抗存在差異，導(dǎo)致共模信號(hào)轉(zhuǎn)化為差模信號(hào)，該差模信號(hào)與工頻干擾差模信號(hào)混合在SEMG信號(hào)中，必須濾除[5]。

綜合考慮，本系統(tǒng)工頻陷波電路選用UAF42芯片，相比于傳統(tǒng)的雙T型陷波器，免去了陷波中心頻率的調(diào)試，如圖6所示。

圖6 工頻陷波電路圖

在實(shí)際應(yīng)用中，市電頻率往往會(huì)有偏差。因此在工頻陷波電路中，采用2個(gè)UAF42級(jí)聯(lián)的方式陷波，陷波中心頻率分別為49.8 Hz和50.2 Hz，其參數(shù)選擇如表1所示。

表1 陷波電路參數(shù)

3.5 后級(jí)放大電路

本系統(tǒng)后級(jí)放大采用反相比例放大電路[4]，如圖7所示，選擇級(jí)聯(lián)一個(gè)同樣放大倍數(shù)的放大電路，共同完成放大功能。

圖7 后級(jí)放大電路結(jié)構(gòu)圖

3.6 阻抗檢測(cè)電路

SEMG信號(hào)采集之前的準(zhǔn)備工作包括電極正確安放和在電極與皮膚之間注入電極膏。當(dāng)電極和皮膚表層接觸不良時(shí)，信號(hào)源阻抗較高，電極的極化電壓較大，不利于SEMG信號(hào)采集。SEMG信號(hào)采集一般要求電極與皮膚之間的阻抗低于10 kΩ[6]。同時(shí)，肌電電極數(shù)較多（本系統(tǒng)有9個(gè)電極），注入電極膏時(shí)可能存在電極接觸不良的情況。阻抗檢測(cè)電路檢測(cè)每個(gè)電極的阻抗是否符合SEMG信號(hào)采集要求。

阻抗檢測(cè)電路采用AD5933芯片，它是一種高精度阻抗數(shù)字直接變換系統(tǒng)，主要由1個(gè)12位、1 Ms/s的片上頻率發(fā)生器和1個(gè)片上模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器組成。頻率發(fā)生器可以產(chǎn)生特定頻率的信號(hào)激勵(lì)外部復(fù)阻抗。復(fù)阻抗的響應(yīng)信號(hào)由片上模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器采樣后，再通過(guò)片上數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行離散傅立葉變換。

4 軟件設(shè)計(jì)

上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)的肌肉電信號(hào)采集系統(tǒng)軟件主要利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多通道的SEMG信號(hào)采集控制，流程如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

首先，系統(tǒng)初始化，設(shè)置采樣頻率為1 kHz；然后，選擇采樣通道，啟動(dòng)A/D采樣，并對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)；最后，通過(guò)USB將信號(hào)上傳到上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)分析處理。

5 實(shí)驗(yàn)

本文利用8路SEMG信號(hào)[7]，通過(guò)前置電路放大，右腿驅(qū)動(dòng)電路降低共模干擾，低通濾波、高通濾波、工頻陷波和后級(jí)放大，測(cè)得SEMG信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)采集10個(gè)受測(cè)者肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)（前伸、后伸、外展、內(nèi)收、肘屈和旋內(nèi)）的SEMG信號(hào)，每個(gè)動(dòng)作采集10段數(shù)據(jù)，每段數(shù)據(jù)采集時(shí)間為30 s，采樣頻率為1 kHz。首先，通過(guò)滑動(dòng)窗口的方法提取每段肩關(guān)節(jié)動(dòng)作數(shù)據(jù)的特征值；然后，將特征值作為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的輸入數(shù)據(jù)，訓(xùn)練分類(lèi)模型；最后，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2和圖9所示，經(jīng)過(guò)模型訓(xùn)練均獲得了82%以上的準(zhǔn)確率。表明本系統(tǒng)采用的方法有效，能較好地滿足后續(xù)分類(lèi)模型的需求。

表2 各動(dòng)作識(shí)別準(zhǔn)確度

6 結(jié)論

本文針對(duì)上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)的肌肉電信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)前置電路、右腿驅(qū)動(dòng)電路、濾波電路、工頻陷波電路、后級(jí)放大電路和阻抗檢測(cè)電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理，能較好滿足后續(xù)分類(lèi)模型的需求。

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Muscle Electrical Signal Acquisition System for Upper Limb Rehabilitation

Chen Changming Zhou Xuanru Tan Yingxiao Huang Hongbiao Cao Dong

(School of Medical Information Engineering, Guangzhou University of Traditional Chinese Medicine, Guangzhou 510006, China)

Based on the different degree of motor dysfunction in the shoulder of stroke patients, a muscle electrical signal acquisition system for rehabilitation of upper limb was designed. Firstly, the surface muscle electrical signals of eight channels were collected by means of the meter stick method. Then through the front circuit for amplification, and using the right leg drive technology to reduce the role of common mode; Then through low - pass and high - pass filtering, power frequency notch wave; Finally, the rear stage is enlarged. The experimental results showed that the accuracy of the system was 82%.

upper limb rehabilitation; muscle electrical signal; acquisition system

本項(xiàng)目獲得廣東省攀登計(jì)劃項(xiàng)目資助

陳暢明，男，1998年，本科，主要研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。

周炫汝，男，1998年，本科，主要研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程。

譚迎宵，男，1998年，本科，主要研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程。

黃鴻彪，男，1997年，本科，主要研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。

曹東（通信作者），男，1975年，博士，教授，主要研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程。E-mail: caodong9@163.com

TP216

A

1674-2605(2020)02-0006-06

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.02.06