基于ADS1294的表面肌电信号采集系统的设计

1、林锦荣，谭北海，谢胜利摘 要 目 的 ：设计并实现一种表面肌电信号采集系统。方 法 ：由基于 ADS1294 数模转换芯片的前端信号采集模块、基于 LPC2368 的微处理器模块以及运行在 Windows 环境下的上位机控制程序构成整套系统。由上位机程序发出控制命 令，经串口传输到微处理器，从而实现对前端采集模块的控制，将采集到的信号经过微处理器模块最终传输到个人计 算机上进行显示与保存。结 果 ：系统能够实时从人体采集多路表面肌电信号，在上位机程序中动态显示，并将信号转 换成 24 位 V 级数据存储在个人计算机上。结 论 ：经过大量临床试验表明，系统具有体积小、功耗低、精度高以及操作 直观

2、等优点，可以获得多路清晰的表面肌电信号，可以应用于肌肉临床诊断、康复医学及运动医学等领域。关 键 词 表面肌电图；ADS1294；LPC2368中国图书资料分类号 TP274+.2；R318 文 献 标 志 码 A 文 章 编 号 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引言肌电是神经、肌肉兴奋发放生物电的结果，它 是产生肌肉力的电信号根源。常用的获取肌电信号 的手段有针电极插入 肌肉检测和表面肌电检测 2 种。其中，采用针电极的优点是干扰小、定位性好、易 识别，但由于它是一种有创的检测方法，其应用受到 一定限制1-2。而采用表面电极相比较而言具有无创 性、操作简易、患者易于接受等优点，并且采集到的

7、表 面 肌 电 图（surface electro myography，SEMG）作 为 特异性良好的评估神经肌肉功能状态指标被广泛应 用于临床医学、康复医学的肌肉功能评价，以及体 育科学中的疲劳判定、运动技术合理性分析、肌纤维 类型和无氧阈值的损伤性预测等领域3。鉴于 SEMG 具有的优点以及广泛的应用领域，本文设计一种基 于集成模块以及微处理器的体积小、功耗低、操作简 易、功能完善的表面肌电采集系统。1系统构建与工作原理作为生物电的 SEMG 具有一般电信号的 3 大特征：幅度小、频谱低及信号源阻抗大。SEMG 是自人 体体表特定点处拾取的生物电信号，信号通常十分 微弱，其幅度一般不超过

8、5 mV，且频率较低，频谱范 围一般为 0.02500 Hz，能量主要集中在 0.25350 Hz 的范围内。作为肌电的信号源，人体源阻抗一般较 大，可达几千欧姆甚至几十千欧姆4。因此，在系统的 设计中需要考虑信号放大、滤波以及去噪等问题，才 能获取到可用于观测与分析的 SEMG。同时为了使 系统的操作更为直观，系统将配套一个运行在Win dows 环境下带界面的上位机程序，该程序具有实时 显示采集到的多路信号以及数据保存等功能。系统 构建的整体框架如图 1 所示。处理基 金 项 目 ：国家自然科学基金资助项目 （61203117）作 者 简 介 ： 林 锦 荣 （1990 ）， 男 ， 研究

9、方向为生物电信 号 处 理 ，E -mai l作 者 单 位 ：510006 广 州 ，广东工业大学自动化学院 （林 锦 荣 ，谭 北 海 ，谢 胜 利 ）通 讯 作 者 ：谭 北 海 ，E-mail：bhtan图 1 系 统 框 架系统的工作过程：（1）连接设备 ，将采集电极贴到人体的相应部 ·医 疗 卫 生 装 备·2015 年 1 月 第 36 卷 第 1 期 Chinese Medical Equipment Journal·Vol36·No1·January·2015前端 信号 采集 模块微处 理器

10、 模块PC 上 位机程序打印设备位，并启动上位机程序，完成系统的通信配置；由上位机程序通过微处理模块向前端信号采集模块发出 控制命令，开始信号的采集。（2）采集到 的 多 路 SEMG 信 号 在 A/D 转 换 后 ， 经过滤波、放大及去噪处理传输到微处理器，由微处 理器对其进行编码处理，传输到上位机程序。（3）上位机程序对接收到的多路数据进行解码 与预处理，得到多路清晰的 SEMG，并实现显示、保 存以及打印输出的功能。2硬件设计硬件电路的设计如图 2 所示。配置 ADS1298 芯片，并通过 SPI 从 ADS1294 中读取多通道 SEMG 数据；外部中断采用边沿触发方式，每 当 AD

11、S1294 完成数据采集且其指示引脚/DRDY 的 下降沿到来时，便会触发外部中断，从而在 ARM 中 触发中断响应程序，读取 SPI 中的数据；由于系统采 集的是多路信号，因此，在串口传输前需对其进行 分通道的编码处理，进而利用串口将编码后的数据 传输到个人计算机的上位机处理程序。2.3 隔离保护电路为了使系统具备便携的优点，系统采用 USB 进 行供电。由于引入了 220 V 市电，为防止市电通过数 字电路串入导联的电极从而对人体产生直接伤害， 需要在采集电极与处理器模块间增加隔离电路。传 统的生物电采集设计中采用光耦进行隔离5，考虑到光耦芯片存在能耗较大的问题，因此，本设计采用用多片磁耦

12、芯片搭建隔离保护电路。3 软件设计3.1 ARM 驱动程序微处理器模块采用 LPC2368 作为控制芯片，采 用 C 语言编写驱动控制程序。程序主要采用前后台 工作模式。主函数先进行串口以及相关 IO 的初始 化，进入轮询，通过不断检测标志信号判断是否接收 到可用的多通道 SEMG 数据，有则将数据进行分通 道编码并通过串口传输到个人计算机的 上 位 机 程 序；后台工作 2 个中断程序，包括高优先级的串口中 断以及低优先级的外部中断。当上位机发出“开始/ 停止采集”命令，将触发串口中断程序，以判断命令 的种类（是“开始采集”还是“停止采集”），进而实现 对 ADS1294 的 使 能 或 停

13、 止 控 制 ；当 ADS1294 完 成 一次数据采集则通过 IO 向 ARM 处理器发出中断信 号，此时将触发外部中断程序，进而通过 SPI 读取采 集到的数据，并改变标志信号，以通知主函数已经接 收到可用数据。驱动程序主要流程如图 3 所示。3.2 上位机处理程序这是一个运行在 Windows 环境下带界面的上位 机程序，开发环境是 VC+6.0。主要功能包括发送系 统 控 制 命 令（开 始/停 止 采 集）、对数据进行滤波去 噪、实时显示滤波后的多路 SEMG 信号、保存用户数 据等。由于上位机程序是基于 MFC 类进行开发的， 程序的相关动作都是基于事件触发的。事件处理流 程如图

14、4 所示。其中“，控制按键”事件中主要调用 writefile 函数 向串口发送控制命令，而“串口数据”事件中则主要 调用 readfile 函数从串口中读取数据；由于采集到的 SEMG 中仍然存在 50 Hz 工频干扰6，因此，采用 50 Hz梳状滤波器进行滤波，以去掉明显的工频干扰；再者，由于受到呼吸干扰和电极移动所引入的低频干前端采集模块微处理器模块护图 2硬 件 电 路2.1 前端采集模块由于 SEMG 所具备的上述特征，要求信号采集 模块需要包含前置放大电路、工频陷波、滤波电路、 主放大电路、右腿驱动电路以及 A/D 转换等。如采用 传统模拟电路进行硬件电路的搭建，电路将存在整 体成

15、本较高、体积较大、调试复杂等缺点，同时鉴于 目前专门用于生物电信号测量的集成芯片的出现， 本设计将采用由 TI 公司设计的专门用于生物电位 测量的 ADS1294 芯片。ADS1294 是 TI 公司推出的4 通 道生物电采集芯片，内部集成了 AFE 前置模 块、数字滤波、右腿驱动、A/D 转换，是一款基于 SPI 接口的可编程芯片，通过内部寄存器可以选择内部 电 路 开 关、设置增益、采样率等；其 24 位的 A/D 转 换精度可达 V 级，完全满足 SEMG 的采集需要。2.2 微处理器模块本系统采用 LPC2368 作为微处理器。LPC2368 是一款 NXP 公司生产的基于一个支持实时

16、仿真和 嵌入式跟 踪 的 32/16 位 ARM7TDMI-S CPU 的 低 功 耗微控制器芯片，可在高达 72 MHz 的工作频率下运 行。ARM7TDMI-S 是基于 RISC 原理设计的，RISC 简化了处理器的译码工作，从而大大提高了处理速 度、指令吞吐量和中断响应速度。同时，由于 LPC2368 内置一个 SPI 接口控制器、 多种向量中断控制器以及串口，大大简化了模块的 外围电路设计。在系统中，SPI 工作在主从机模式，作 用是由主控 LPC2368 对 SPI 接口发起写操作，从而·医 疗 卫 生 装 备·2015 年 1 月 第 36 卷 第 1 期 Ch

17、inese Medical Equipment Journal·Vol36·No1·January·2015体 表 电 位SPI隔 离 保SPI串 口PCADS1294控制信号 及中断LPC2368GPIO右腿驱动反馈5 V供电隔离电源·6·Thesis论著·扰的影响，采集信号中往往出现基线漂移的现象7；由于基线漂移干扰频率存在随机性，传统的截止频 率固定的滤波器滤波效果无法满足。因此，这里采用 基于排序统计理论非线性滤波法的中值滤波8，这是被广泛应用于基线漂移的处理方法9。4 结果与分析图 5 显示的是利用本系统实时采集到

18、的一路人 体小腿的表面肌电信号，可以观测到信号波形比较 清晰，没有出现工频干扰以及基线漂移等现象，基本 满足对 SEMG 信号的观测与分析要求。同时，从图中也可以观测到有部分微弱心电信号成分，这是由于人体心电信号的频率范围为 0.7100 Hz10，与部分 肌电信号的频率相重合，因此，常规的基于频带滤 波的方式不能有效去除心电干扰，所以，在采集到 的SEMG 信号中也可以观测到包含了这些大致以周 期出现的心电信号成分，而这些心电信号随着测量电极的位置不同，幅值也有所差异。但是，在大量的设 备 测 量与调试中，微弱的 心电信号并不会对 SEMG 的测量与分析造成干扰，因此，本系统完全满 足采集多

19、路可用 SEMG 信号的要求。目前，在相关的 信号处理领域中也提出了多种在肌电信号中去除心 电干扰的方法，比如其中一种基于心电定位与小波阈值相结合的小波变换分析方法11，可以去除膈肌肌电图信号中的心电干扰。开始（a）主函数流程进入中断开始采集?停止采集?退出中断（b）串口中断程序流程进入中断退出中断（c）外部中断程序流程0.04图 3 驱动程序主要流程 0.02触发“控制按键”事件0-0.02否-0.041234时间/ms56图 5 采 集 到 的 一 路 SEMG 波 形5结论经实验证明，系统基于 ADS1294 信号采集模 块、LPC2368 微处理模块以及上位机信号处理模块，较好地实现了

20、采集多路清晰的人体表面肌电信号， 实时传输到个人计算机上进行动态显示与数据保存 的功能。同时，系统具备了体积小、功耗低、精度高以 及操作直观等优点，可以应用于肌肉临床诊断、康复 医学及运动医学等领域。参 考 文 献事件结束（a）“控制按键”事件流程触发“串口接收到数据”事件1吴 文 ，黄 国 志 ，刘 湘 江 . 表面肌电图用于腰椎间盘突出疗效评定 研 究J. 中华物理医学和康复杂志 ，2002，4（9）：551-553.郭红敏，陶细娇，梅元武，等. 肌电图对肌肉萎缩侧索硬化与脊髓型（荩荩下 转 第 28 页荩荩）事件结束（b）“串口数据”事件流程图 4 事 件 处 理 流 程2·医

21、 疗 卫 生 装 备·2015 年 1 月 第 36 卷 第 1 期Chinese Medical Equipment Journal·Vol36·No1·January·2015电压/V从串口读取控制命令根据驱动程序中的编码方式进行解码，得到多路信号进行 50 Hz 梳妆滤波以及基线漂移处理更新画笔，进行绘图是否“开始采集”命令是初始化绘画类对象，并以用户名创建目录向串口发送“开始采集”命令向串口发送“停止采集”命令初始化 SPI 配置从 SPI 中读取采集到的多通道 SEMG 数据使能标志位，表明有可用数据否 否是初始化 ADS1294，

22、并启动前端采集模块是停止前端采集模块从串口中读取控制命令串口、IO 以及相关的系统配置串口中断、外部中断的配置通过标志位判断 是否有可用数据？否是将数据进行编码，再经串口发送到 PC论著Thesis·7·28·Thesis参 考 文 献1付 峰 ，董 秀 珍 ，臧 益 民 ，等. 用虚拟设备驱动程序实现 Windows95平台的实时数据采集系统J. 计算机应用研究，1999（8）：144-146. 杜 研 ，程 吉 宽 . 用组合变尺度法求解电阻抗成像 问 题 J. 中 国 生 物医学工程学报 ，1997，18（1）：42-44.刘 锐 岗 ，董 秀 珍 ，秦 明

23、 新 ，等. 基 于 物理模型的静态电阻抗断层成 像 初 步 结 果J. 第四军医大学学报 ，2001，22（4）：297-300.任 超 世 . EIT 一 种 诱 人的医学成像新技术 J. 电 子 科 技 导 报 ，1996（5）：9-13.郑 万 松 ，董 秀 珍 ，尤 富 生 ，等. 家 兔 腹部内出血模型电阻抗断层成 像 初 步 研 究J. 北京生物医学工程 ，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.刘 锐 岗 ，董 秀 珍 ，秦 明 新 ，等. 基 于 物理模型的静态电阻抗断层成 像 初 步 结 果J. 第四军医大学学报 ，2001，22（4）：297-300.23（a）初始状态（b）按压颈动脉4图 6 按压颈动脉成像结果 相应变化。如图 7 所示，在 0-1 电极边界电压量也有相 应 变 化（驱动电极分别为 0 -8，1 -9， ，15

26、 -7 电 极）。在监护实验过程中（约 3 h），人体佩戴电极帽无不舒适感，电极帽位置没有发生改变。5670.50-0.5-1.0-1.5-2.0-2.580510电极15209图 7 按压左侧颈动脉时 （驱动电极分别为 0-8，1-9，15-7 电 极 ）0-1 电极边界电压变化 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 杨 琳 ，徐 灿 华 ，史 学 涛 ，等. 一 种 基 于 多频电阻抗断层成像系统的 校 准 方 法 研 究J. 医 疗 卫 生 装 备 ，2014，35（1）：1-5.12 史 学 涛 ，霍 旭 阳 ，尤 富 生 ，等. 颅 内 出 血电阻抗成像系统及初步动 物 实 验J. 航天医学与医学工程 ，2007，20（1）：24-27.13 田 海 燕 ，何 为 ，杨 浩 ，等. 电 阻 抗 断 层 成像技术应用于脑血肿实时 监测的仿真研究J. 生物医学工程学杂志 ，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 郑 万 松 . EIT 腹部电极系统设计研究 D. 西 安 ： 第 四 军 医 大 学 ，

29、2006：18.17 吴 小 明 ，董 秀 珍 ，秦 明 新 ，等. 家 兔 脑 组织复电阻抗频率特性及其 等 效 电 路 模 型 J. 中国生物医学工程学报 ，2003，22 （3）：228 -234.（收 稿 ：2014-01-29 修 回 ：2014-04-05）2结语头部电阻抗断层成像主要应用于长期监护，电 极移动会引起伪差，影响成像结果。在电阻抗断层成像实验中，对于电极位置的稳定性要求较高9-11。电 极带是电极系统的支撑部分12-15，起到固定电极、保护导线、传导信号等作用，是电极系统中必不可少的 组成部分之一，在长期监护中起到重要作用16。本文通过材料实验选取松紧带作为制作头部电阻抗断层 成像监护的电极帽材料，并通过按压人颈动脉实验验证电极帽的可靠性。在按压左、右侧颈动脉时，造成 大脑内血液分布发生改变，在头部电阻抗断层成像监护可以反映出变化17。在监护实验过程中