引言

肌電是人體肌肉、神經(jīng)興奮產(chǎn)生生物電的結(jié)果。利用肌電信號可以達到很多目標，例如利用肌電控制假肢、肌電刺激治療肌肉萎縮、在體育活動中診斷肌肉力量和肌肉疲勞等。表面肌電則是從人體皮膚表面通過電極記錄下來的神經(jīng)肌肉的生物電信號，具有無創(chuàng)性，操作簡單的優(yōu)點，有著廣泛的應(yīng)用前景。該系統(tǒng)檢測接口人簡單方便，易于讓人接受，小型實用低功耗。下面主要介紹表面肌電檢測與訓(xùn)練系統(tǒng)的下位機軟件的設(shè)計與實現(xiàn)。

1 表面肌電檢測與訓(xùn)練系統(tǒng)的總體設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計分前端模擬放大電路，AT91SAM7SE512下位機編程和上位機軟件。

系統(tǒng)的主要技術(shù)環(huán)節(jié)由模擬前端、A／D采樣、數(shù)據(jù)存儲與顯示、USB 2．0數(shù)據(jù)傳輸、無線數(shù)傳、軟件分析與反饋治療等6大部分構(gòu)成，如圖1所示。

2 前端模擬放大和A／D采樣電路設(shè)計

微弱信號放大是保證整個系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)，其設(shè)計要點是高輸入阻抗，高增益，寬頻帶，低噪聲，高共模抑制比，能在有效放大表面肌電信號的同時抑制各種噪聲信號?；趕EMG信號的特點，ISEK和SENIAM都建議不要采用50 Hz陷波器，所以該系統(tǒng)中選用高共模抑制比的INA 129作為前置放大，以盡可能消除工頻干擾。為防止由于共模信號引起的飽和，引入?yún)⒖茧姌O，使用右腿驅(qū)動技術(shù)。采用OPA2277構(gòu)成右腿驅(qū)動、濾波和放大單元。為了提高精度，前端模擬放大部分已經(jīng)盡量接近測試端，然后再傳到主放大板。

AD與主放大板對主控制板SPI接口信號進行隔離后，控制AD器件ADS8513對放大后的表面肌電進行采樣。表面肌電信號主要由OPA2277進行濾波放大。板上為雙通道表面肌電放大器，經(jīng)四階低通、二階高通濾波，有效帶寬20～500Hz，放大到4 000～20 000倍。前置放大由INA129構(gòu)成，并以O(shè)PA2277構(gòu)成共模負反饋電路，以提高測量的總共模抑制比。前置放大板與AD與主放大板之間借用IEEE 1394線纜連接。

3 數(shù)據(jù)存儲與顯示

系統(tǒng)采集的sEMG數(shù)據(jù)可以直接存儲于本地的SD卡，需要基于嵌入式系統(tǒng)進行SD卡驅(qū)動的設(shè)計和FAT32文件系統(tǒng)的實現(xiàn)。移植FatFs Modu le以先寫一個最簡單的測試讀／寫512 B的讀／寫程序，然后再包裝給上層的文件系統(tǒng)進行調(diào)用。

與UIGUI的接口，就是引用ff．h中的讀寫文件函數(shù)。例如，要讀文件目錄，則用f_readdir（＆dlist，＆finfo）寫一個遞歸函數(shù)，能夠讀出SD卡里面所有的文件名。讀出的文件名就可以直接地放在GUI的應(yīng)用函數(shù)里。

4 USB 2．0數(shù)據(jù)傳輸

采集的數(shù)據(jù)可實時傳送到上位機，也可經(jīng)USB 2．0接口將存儲于SD卡中的數(shù)據(jù)傳送到上位機。為此，需在下位機設(shè)計USB 2．0接口，上位機沒計USB2．0設(shè)備驅(qū)動程序。USB高速穩(wěn)定，易插拔，能夠方便地應(yīng)用在電子產(chǎn)品上。USB使用簡單，但是編程復(fù)雜。首先要熟悉USB的工作流程，USB的設(shè)備請求格式由8個字節(jié)組成。分別為設(shè)備請求類型，設(shè)備請求，數(shù)值，值，索引，長度。下位機從電腦中獲取標準命令，然后下位機通過void userDriver_RequestHandler（const USBGenericRequest*request）來選出所要的命令。USB傳輸如圖2所示。

下位機用中斷來響應(yīng)上位機的命令，在枚舉時就開始屏蔽下位機的顯示屏和觸摸屏的觸摸檢測。然后上位機發(fā)送來采樣的信號后，就開始創(chuàng)建任務(wù)，傳輸數(shù)據(jù)。上位機傳來停機的命令后，就讓采樣和傳輸仟務(wù)自動刪除，同時釋放下位機的顯示屏和觸摸屏的觸摸檢測。

5 無線傳輸

系統(tǒng)連接PC時可選無線和有線兩種，無線網(wǎng)絡(luò)在日常生活中的應(yīng)用很多，如可以在出差途中直接連上英特網(wǎng)。在醫(yī)療保健設(shè)備中如果能用上無線設(shè)備，那么它的靈活，便于攜帶，遠程監(jiān)控等作用就可以很好地表現(xiàn)出來。在這個系統(tǒng)中采用了WiFi無線設(shè)備。

Nano WiReach能夠?qū)崿F(xiàn)串口透明WiFi傳輸，配置合理的參數(shù)，如合理發(fā)送的數(shù)據(jù)包大小和發(fā)送間隔，努力使得滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎驼_性下，減輕傳輸部件的負擔(dān)。用算法保證一定的正確性，減少TCP＼IP包重傳的可能性。

編程流程如圖3所示。

6 軟件分析與反饋治療

軟件分析與反饋治療是整個系統(tǒng)功能的具體體現(xiàn)，實現(xiàn)功能評估與反饋治療兩大部分功能。功能評估以表面肌電作為監(jiān)控設(shè)備，對增強或減弱肌肉的生物電活動、是否緩解肌強直癥狀、是否使肌肉靜息電位恢復(fù)正常的治療有明確的評估標準。反饋治療通過由表面肌電信號分析結(jié)果驅(qū)動的卡通動畫信號或聲音反饋給人體的視覺、聽覺被直接感知，引導(dǎo)受試者有意識地進行學(xué)習(xí)和生理活動的自我調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)自我控制，達到防病治療之目的。可利用反饋進行肌肉放松訓(xùn)練、興奮性訓(xùn)練（肌力增強訓(xùn)練、肌肉耐力訓(xùn)練）、協(xié)調(diào)性及精準性訓(xùn)練、上／下肢、主／被動康復(fù)訓(xùn)練等。

軟件部分需要對獲取的sEMG信號進行處理和分析，首先是預(yù)處理，包括濾波（去除心電干擾和50Hz工頻干擾）、全波整流（RMS方法）、正則化（Maximum Voluntary Contraction．MVC）等，然后是時域參數(shù)提取（包括Peak．Mcan，Arca／IEMG）、頻域參數(shù)提?。ò∕ean Frequency，Median Frequency，Peak Power），其他還包括Time to Peak計算、Onset／Offset計算（計算Onset時間和Offset時間來反應(yīng)神經(jīng)傳導(dǎo)速度）等。另外，擬進行非線性參數(shù)的提取和相關(guān)的實驗研究，包括基本尺度熵、多重分形分析等非線性參數(shù)的提取，以及這些非線性參數(shù)與各種神經(jīng)肌肉系統(tǒng)特件的相關(guān)性研究等。軟件連接時可以進行有線或者無線的連接，界面如圖4所示。

游戲功能和數(shù)據(jù)顯示如圖5，圖6所示。其中系統(tǒng)采集輸入是雙通道的，界面采用VC編程。

7 結(jié)語

隨著社會的發(fā)展，對醫(yī)療保健產(chǎn)品需求會變大，同時對產(chǎn)品的要求也會更高，肌電近年來的研究在不斷加深，表面肌電訓(xùn)練與檢測系統(tǒng)能夠?qū)‰娦盘栠M行檢測，同時還可以幫助進行訓(xùn)練，是一個實用的系統(tǒng)。表面肌電訓(xùn)練與檢測系統(tǒng)是基于ARM平臺的系統(tǒng)，小型，功能完善，而且采用UCOS操作系統(tǒng)，方便以后功能拓展，便于維護和使用。