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表面肌电分析系统——无线肌电解决方案的应用

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。表面肌电信号(SEMG)是浅层肌肉EMG和神经干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 。因而，SEMG在临床医学、人机功效学、康复医学以及体育科学等方面均有重要的实用价值。

表面肌电信号是肌肉收缩时伴随的电信号，是在体表无创检测肌肉活动的重要方法。我们研究分析表面肌电信号的检测与分析方法，也包括检测技术与装置及利用表面肌电信号反馈控制外部装置的方法等。其应用背景主要集中在康复医学和体育科学两大领域。

表面肌电分析系统——SEMG采集问题

随着检测技术和信号处理手段的发展，用SEMG代替针电极EMG进行临床无损诊断已成为生物医学和医学界研究的热点问题之一。人体的SEMG很微弱、易受干扰，测量难度大，如何有效采集提取SEMG已成为SEMG应用的关键技术之一。

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类仪器进行分析处理，采样电极粘贴于皮肤表面，电极供电则间接来自市电。这种方法的显著不足如下：

(1) 需要仪器完成信号采集，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，当肢体运动时，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，则极易引入环境中的其他干扰，如电磁干扰等。

表面肌电分析系统——硬件电路设计

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(1MΩ数量级内阻)，故从体表的贴片电极上只能获得1mV左右的峰值。根据文献，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。故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、低通滤波(滤除高频干扰)等信号调理过程。

采样电极采用Ag/AgCl表面电极，其极化电压小，能快速获得稳定的肌电信号。本设计中一个电极由三片相互平行的Ag/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。

表面肌电分析系统——软件系统设计

系统平时处于低功耗模式，MCU关闭所有的片内外围，运行于低功耗模式4(LPM4)状态。需要工作时，CPU被唤醒，进入正常工作模式。系统由中断驱动，主要有按键中断、UART中断、定时中断，系统退出中断后运行于低功耗模式。

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。

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。