便携式表面肌电采集系统研发

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肌电信号是伴随肌肉纤维收缩而产生的生理电信号。空间上相近的几块肌肉,其肌电信号通过人体组织、皮肤传输到体表,即成为表面肌电信号(sEMG)。表面肌电信号机理与应用是当前生机电一体化领域研究的热点问题,通过sEMG特征提取和模式识别,可以判别人体动作,进而应用于手写识别、假肢控制、游戏娱乐输入等。表面肌电信号具有幅值小、易受干扰的特点,且在研究和应用中,通常需要多通道、高精度、长时间、户外采集 sEMG。sEMG的这些特点和应用需求,决定了其采集方案要满足高精度、高抗干扰性、便携、低功耗、倍数稳定、多通道等要求。  本课题针对国内中高端表面肌电采集系统空缺的问题,结合sEMG采集仪的应用需求,开发了一套便携式表面肌电采集系统(Portable surface electromyography acquisition system,简称EMGAS)。性能、应用对比实验表明,其性能指标达到国际主流水准。本文讲述了EMGAS研发过程中的设计思路、实现方法、性能计算、实验验证。  EMGAS由表面肌电信号调理线(surface EMG signal conditioning wire,简称EMGCW)、肌电采集仪(EMG acquisition instrument,简称EMGAI)、管理软件(命名为EMGWIN)三部分组成,实现了sEMG的脱机采集、联机采集、实验管理、特征分析功能。  EMGCW用于将sEMG转化为便于处理的伏特级别信号。它通过Ag/AgCl参比电极片从体表拾取sEMG,针对sEMG幅值较小的特点,利用多级放大,实现了稳定的放大倍数;调理电路的增益频带上下限设定,综合考虑了sEMG的主要能量频带和噪声分布;对常见的噪声来源,设置了针对性的降噪方式;并且对调理电路进行小尺寸、轻质量、低功耗优化,进行全屏蔽封装。  EMGAI用于对EMGCW产生的信号进行模数转换、存储、上传。它采用以ARM9为核心的 S3C2440芯片作为运算核心,主频为500MHz,运算能力强;移植了嵌入式Linux系统,并建立了QT图形库环境,支持多种应用功能,可以方便的更新嵌入式应用程序;支持U盘,USB无线网卡,全触摸屏操作;可以通过USB连接到电脑;带有CAN接口,数字输入输出接口,可以和其他设备进行连接。采用锂电池供电,可以连续工作8小时以上。  EMGWIN具有实验管理、sEMG采集、sEMG数据分析三种功能。实验管理功能细分为受试者管理、实验方案管理、实验记录管理,使得sEMG采集实验系统化;实验方案管理功能中,可以图形化的记录电极片的粘贴位置,让实验精确化、规范化。采集数据过程中操作简洁,可以实时观察采集到的波形,便于对实验进行修正;实验数据统一管理、可以导出为多种不同的格式。  腕部动作识别实验显示EMGAS满足了其设计指标,具有较好的用户体验度。
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