蓝牙无线表面肌电采集系统设计及应用_邱萍
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Abstract： A design of bluetooth surface electromyogram signal （ SEMG） collection system based on the MSP430
processor is introduced in the paper，which has been used to detect muscle function in patients with knee joint problem．
knee joint problem while squatting．
Key words： surface electromyogram signal （ SEMG） ； bluetooth； SEMG integral； instantaneous median frequency
0 引言
1 系统的总体结构
QIU Ping1，2 ，ZHU Min2 ，SHUANG Feng2
（ 1． Department of Automation，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China；
2． Institue of Intelligent Machines，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China）
通过 MATLAB 提供的信号处理工具箱，给肌电信 号进行滤波预处理，去除 50 Hz、100 Hz、150 Hz 工频干 扰，并根据肌电信号特征提取出 10 ～ 199 Hz 的频段。 选用 Kaiser 窗设计陷波滤波器，具体的设计参数和方 法与文献［4］相同。
采集到的每组数据是病人连续下蹲五次或者六次 的结果，故需要根据单个病人的下蹲动作次数来自动 读取每次动作的 SEMG 信号，得到单个动作数据段的 起始和结束序列。为此，本文设计了一个基于 MATLAB 的自动切割数据算法，定义函数 cutnum = cutEmg （ s，N，threhold，motion _ num） ，s 为预处理后的肌电信 号，N 为 SEMG 信号有效长度，threhold 为截取信号的 阈值，motion_num 为单个病人下蹲动作数，cutnum 为 肌电 s 的 motion_num 个动作的切割起始结束序列矩 阵。图 7 为病人（ 编号 b20） 下蹲左腿股中肌 SEMG 信 号预处理后的自动切割时域波形，横坐标为采样点数， 纵坐标为未经过换算的 SEMG 信号采样值，虚线和横 坐标交点为五个下蹲动作数据段的起始点和结束点， 此处选取阈值 threhold = 50，motion_num = 5； 其五个下 蹲动作数据段的起始和结束序列如表 1 所示。其他病 人数据也是做同样的三步预处理。
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仪表技术
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图 3 末级放大电路
图 4 四阶低通滤波
2． 4 A /D 转换和蓝牙传输
× 13 mm × 2 mm） ； 内置天线，用户无需调试天线； 蓝牙
德州仪器公司的 MSP430 系列超低功耗微控制器 2． 0 带 EDＲ，2 ～ 3 Mbit / s 调制度； 波特率是 115 200； 透
表面肌电信号（ SEMG） 是肌肉收缩时动作电位信 号在皮肤表面产生的集合信号。随着临床诊断、康复 工程、神经生理学和生物力学的发展，人们越来越重视 肌肉运动、肌 肉 功 能 疾 病 和 神 经 康 复 的 检 测 和 识 别。 SEMG 检测肌肉活动状态，是体表无创检测方法之一， 特别是基于无线传输的 SEMG 检测，能够减小信号传 输导线对被测对象的约束，且易于构建传感网络，从而 具有更广泛的应用。
2． 3 滤波电路
计人员只要根据具体的电路要求将参数输入到 BB 公
为滤除肌电信号中的多种低频干扰信号和大量无 司提供的软件 FILTEＲ42 中，就可计算出相应的元件
效的高频信号，这里设计一个高通滤波器和四阶巴特 值，并且可以仿真滤波器的输出效果。具体的设计参
沃斯低通滤波电路。图 2 中最后一个 OPA4277 运算 数和电路实现方法与文献［3］相同。
SEMG 信号一般为几十微伏到几毫伏，频率主要 集中在 20 ～ 300 Hz，而且 SEMG 信号采集与传输中存 在较多噪声，例如肌肉舒张导致双电极间距离变化和 肌肉层阻抗的变化产生的噪声。因此，根据上述分析， 本文设计一种模拟信号多级放大和数字信号无线蓝牙 传输的四通道无线肌电采集系统，并被成功地应用于 膝关节病人的肌肉功能检测中。
行前级放大后才能滤波。电路图如图 2 所示，放大电路
选用高共模抑制比、低输入偏置电流的仪表运放 INA118，
增益定为 10 倍左右。前级放大器的增益不宜过高，否则
易造成差分放大器饱和。INA118 的增益公式如下：
G1
=
1
+
50 kΩ ＲG
（ 1）
选取 ＲG = 4． 7 kΩ，可得前级放大倍数为 11． 64。
为调理与 采 集 电 路、MSP430 、蓝 牙 供 电。 系 统 正 常 工 作需要的电压为： 蓝牙工作电压为 3． 3 V； 模拟电路工 作电压为 ± 5 V； MSP430 供电电压为 3． 3 V； 其外围接 口、存储电路均统一采用 3． 3 V 供电。
系统电源模块主要包括 A05S05 和 LM1117-3． 3。
选用工作电压同为 3． 3 V 民用级的串口蓝牙模块 HC-
05，主从一体。HC-05 采用 CSＲ BC4 + 8M FLASH 方 3． 1 实验对象
案，具 有 USB、PCM、UAＲT、SPI 等 接 口，功 能 强 大；
选取了 54 位患者，男 27 例，女 27 例，年龄范围 13
2． 4 GHz ISM 无线频段，传输大量数据； 体积小（ 27 mm ～ 70 岁。病人特点： 自 2010 年后都做过关节镜手术，设
目前广泛采用的去除工频干扰方法是对称性双 T 阻容有源滤波器，其理论计算和设计都比较成熟，但对
电平抬升电路增益为：
元件的对称性要求极其严格，调试非常困难。故本文
G3
=
（
1
+
15 30
kkΩΩ）
×
5
3． －（
3 －
5）
= 0． 5
（ 3）
采用 UAF42 通用滤波器构成的陷波器，可以使 50 Hz 工频衰减 40 dB，调试方便、对元件精度要求不高。设
式测量设备中的电池寿命。采样频率可达到200 kS / s，
在接收数据并校验完成以后按照图 5 所示流程图
强大的 16 位 ＲISC 结构，能够最大限度的提高代码效 进行数据处理，将接收二进制数据存入二进制数组，并
率。采用 MSP430 中集成的 12 位 4 路 A / D 采样，通过 最终写入． bin 文件（ 二进制文件） 中，作为肌电信号分
大、A / D 转换、蓝牙传输，实现了肌电信号采集与上位机的蓝牙通信，并成功用于采集膝关节病人下蹲动作的肌电信号。
关键词： 表面肌电信号； 蓝牙； 肌电积分； 瞬时中值频率
中图分类号： TP274
文献标志码： A
文章编号： 1006 － 2394（ 2014） 02 － 0006 － 05
Design and Application of the Bluetooth Wireless SEMG Collection System
图 2 前级放大电路
SEMG 信号经前置放大滤波后，其幅值仅为50 mV 放大器为高通滤波电路，Ｒ = 16 kΩ，C = 1 μF，根据截止
左右，信号太弱，还不能进行采集，故必须设计一个后 频率计算公式 f = 1 /2 πＲC，求得截止频率为 10 Hz。低
级放 大 电 路，采 用 TI 公 司 的 低 漂 移 低 功 耗 放 大 器 通滤波电路如图 4 所示，Ｒ = 100 kΩ，C = 10 nF，同理可
2 硬件设计
2． 1 电源设计 为支持无线功能，系统采用可充电锂电池，主要
收稿日期： 2013 － 09 基金项目： 国家自然基金资助项目（ 61273324） 作者简介： 邱萍（ 1989—） ，女，在读硕士研究生，研究方向为信息获取与检测技术。
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图 1 无线肌电采集电路结构框图
包括多款芯片，针对不同应用目标具有不同外围设备， 明串口，直接通过接收模块的 USB 口传到上位机软
本设 计 选 用 了 MSP430F149 芯 片 来 完 成 A / D 转 换。 件，也可充分利用笔记本的蓝牙接收功能，无须再设计
MSP430F149 具有 5 种低功耗模式，可以有效延长便携 接收模块，精简电路。
OPA4277，如图 3 所示。其中后一个 OPA4277 为电平 得截止频率为 159． 2 Hz。这样通过高低通滤波，将肌电
抬升电路，用于将被测量信号调整到 A / D 转换的范围
内。根据需要，设后级放大增益为：
G2
=1
+
51 kΩ 4． 7 kΩ
= 11．
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（ 2）
信号的通带限制在 10 ～ 160 Hz 的范围内，使最后得到的 肌电信号能够包含原始肌电中有用的频率分量。
蓝牙是一种开放性的技术规范，工作在全球通用 + 2． 5） /5，A 为电路 放 大 倍 数，n 为 数 据 采 集 卡 的 位
的 2． 4 GHz 频段，即 ISM 频段，可实现短距离无线通 数，x 单位 mV。这里 A = 759，n = 12。
信。串口通信与 MSP430F149 单片机的连接，本系统 3 膝关节病人下肢 SEMG 数据分析
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图5上位机波形显示流程图
计四个病种： 半月板，髌骨，韧带受损，骨性关节炎。由 于下肢支撑人体起身和行走时病人最常用动作，因此本 文选择下蹲动作作为研究对象。使用本文设计的四通 道肌电信号采集电路测量病人下蹲时两腿股中肌（ vastus lateralis） 和股内侧肌（ vastus medialis） 的表面肌电信 号，如图 6 所示。同时计算四块肌电信号的频率中值和 肌电总量，进行区分识别 54 个病人的病腿 / 健康腿。
