基于微电子肌电桥的EMG信号采集模块设计

论文总字数：25525字

摘 要

偏瘫俗称半身不遂，是指大脑损伤引起的以一侧上、下肢体的运动障碍为主的一组症状或一组体征，主要表现为一侧上、下肢体的运动麻痹。瘫痪患病者将面临丧失劳动能力甚至自理能力的困境，这给人类家庭与社会带来巨大的灾难。因此，研究瘫痪肢体的运动功能重建具有巨大的科学价值与社会意义。

微电子肌电桥作为功能性电刺激治疗装置，对于偏瘫患者康复具有很好的效果。本人所在的课题组在肌电桥系统的基础上，进行双通道无线超再生肌电桥系统的设计工作，使得肌电桥系统向着可穿戴式设备的方向发展。本人通过使用ADS1x9x和MSP430设计出低功耗、小尺寸的EMG信号采集模块，工作包括进行模块的硬件电路设计，编写相关的软件算法完成所需的功能，并设计出与系统内其它设备通讯的接口，最终使得模块能够很好地替换现有微电子肌电桥中的EMG信号采集部分以及与课题组内设计的其它模块共同组成双通道无线超再生肌电桥系统，更好地为广大病人服务。

关键字: 偏瘫，肌电桥，EMG信号，ADS1x9x，MSP430

EMG Signal Acquisition Module

Based on Microelectronic EMG Bridge

Abstract

Hemiplegia refers to the upper side and lower limb movement disorder caused by brain damage or a group of symptoms. Paralyzed sick will face difficulties incapacitated even self-care ability, which brought a huge disaster for the human family and society. Therefore, the study of motor function of paralyzed limbs reconstruction has great scientific value and social significance.

Microelectronic EMG Bridge as functional electrical stimulation therapy device, have a good effect for the rehabilitation of patients with hemiplegia. My research group now is designing the dual-channel wireless EMG bridge super-regenerative system, making EMG bridge system toward wearable device direction. I design the EMG signal acquisition module by using ADS1x9x and MSP430, to make it has low power consumption and small size. My work including hardware design, software algorithms, and interfaces with other devices.

Keywords: Hemiplegia, Microelectronic EMG Bridge, EMG, ADS1x9x, MSP430

目 录

摘要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 偏瘫简介 1

1.1.2 偏瘫患者康复治疗方法简介 1

1.2 研究理论基础 1

1.2.1 FES简介 1

1.2.2 对侧控制功能性电刺激 2

1.2.3 微电子肌电桥 3

1.2.4 EMG信号简介 3

1.3 课题研究内容、目标 4

第二章 EMG信号采集模块概述 5

2.1 无线双通道肌电桥原型机系统概述 5

2.2 EMG信号采集概述 6

2.2.1 典型EMG信号采集电路简介 6

2.2.2 ADS1x9x系列芯片简介 7

2.3模块构成及功能介绍 8

2.3.1 模块简介 8

2.3.2 模块功能 9

2.4 本章小结 9

第三章 模块硬件设计 10

3.1 模块硬件设计简介 10

3.1 ADS1299外围电路设计 10

3.1.1 人体连接接口电路 11

3.1.2 右腿驱动电路 12

3.1.3 外部时钟电路 13

3.1.4 其它电路 14

3.2 MSP430F169外围电路设计 14

3.2.1 晶振电路 15

3.2.2 复位电路 15

3.2.3 JTAG仿真调试电路 15

3.2.4 SPI接口电路 16

3.2.5 超再生接口电路 16

3.2.6 USART接口电路 16

3.3 电源部分设计 17

3.3.1 5V稳压电路 17

3.3.2 3.3V稳压电路 18

3.4 模块PCB设计 18

3.5 本章小结 19

第四章 模块软件设计 21

4.1 模块整体算法 21

4.2 ADS1299通信相关程序 21

4.2.1 SPI中时钟设置 22

4.2.2 ADS1299命令集的实现 22

4.2.3 读取采集转换好的EMG信号 26

4.3 EMG信号处理算法 27

4.3.1 阈值不应期算法简介 27

4.3.2 数字滤波器设计 27

4.3.3 编码设计 29

4.3.4 EMG信号处理算法整体说明 29

4.4 本章小结 31

第五章 系统调试与应用效果 32

5.1 模块调试 32

5.1.1 硬件部分调试 32

5.1.2 软件部分调试 32

5.2 模块应用效果 34

结论 36

致谢 37

参考文献（References） 38

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 偏瘫简介

偏瘫俗称半身不遂，是指大脑损伤引起的以一侧上、下肢体的运动障碍为主的一组症状或一组体征，主要表现为一侧上、下肢体的运动麻痹，可伴有偏身感觉障碍及腱反射的改变。

偏瘫有多种成因，包括脑卒中、脊髓损伤等都，其中脑卒中是引起偏瘫的最常见诱因。脑卒中又称脑中风，是中老年人的常见病、多发病，是造成人类死亡的三大疾病之一^[1]，仅次于心脏病与癌症。其发病概率与人的年龄呈线性关系^[2]，随着世界范围内老龄化的加重，病患者将越来越多。随着现代医疗水平技术的提高，脑卒中患者的抢救成功概率大大提高，但依然伴随着很高的致残率，约70%~80%^[3]的脑卒中患者有不同程度的功能障碍后遗症，其中又以运动功能障碍表现的偏瘫发病率最高。

偏瘫患者的病灶可分为两类，一类是发生在在脑类，如脑卒中引起出血或失血使得大脑无法发出肢体控制信号，虽然大脑到肢体的神经通路是完好的，但受控肢体却没有信号来源；另一类则是发生在神经通路，如脊髓损伤引起的神经通路断开，使得大脑发出的控制信号无法传递到肢体。两类病灶均发生在中枢神经，对其进行根本性的治愈是世界性的医疗难题。瘫痪患病者将面临丧失劳动能力甚至自理能力的困境，这给人类家庭与社会带来巨大的灾难。因此，研究瘫痪肢体的运动功能重建具有巨大的科学价值与社会意义。

1.1.2 偏瘫患者康复治疗方法简介

目前对于偏瘫患者的完全治愈并没有完全有效的医学方法，因此主要以康复治疗训练为主，包括日常生活自理训练与肢体功能训练两大方面。前者主要内容为训练患者能够充分利用健侧肢体残余功能，掌握在偏瘫状态下的生活自理动作与技巧，减轻家庭负担，提升生活质量。后者通过相关的治疗手段训练病人患侧肢体，包括肌肉力量、关节活动性等，使患侧肢体尽可能恢复功能，防止费用性萎缩。目前肢体功能训练常用技术手段有神经发育促进技术、针灸（经穴刺激）疗法、生物反馈疗法、神经肌肉电刺激等^[4]。

其中神经肌肉电刺激分为功能性电刺激（functional electrical stimulation，FES）和经皮神经电刺激。经皮神经电刺激的主要作用是帮助患者恢复对反射和运动的控制能力，利用特定的低频脉冲电流经过皮肤输入人体，从而使相应患侧部分的神经得到刺激。FES最初成功使用在治疗足下垂，之后其在对肢体运动功能恢复方面的作用得到医学界的广泛认可。

FES在世界范围内有着广泛的研究，已有很多学者医疗人员通过随机、对照的方法验证了FES疗法在临床医学上的有效性，能很好的帮助偏瘫病人进行肢体的功能恢复重建。最新医学研究还表明，通过FES治疗，刺激患侧肢体，其对应的控制脑区也会得到刺激，这将有助于运动脑区控制肢体功能的恢复。大量的临床医学研究也证明，FES治疗有助于脑卒中病人的康复，能显著改善脑卒中患者偏瘫肢体的功能，提高患者的生活自理能力与生活质量^[5]。

1.2 研究理论基础

1.2.1 FES简介

功能性电刺激（FES）是通过低频电流刺激诱发患侧肌肉产生收缩行为，相比于经皮神经电刺激，FES将刺激肌肉运动或模拟正常自主运动，使患侧肌肉逐渐恢复包括收缩力、耐力、诱发反射活动等的正常功能。虽然FES是施加在肌肉上，但其最终刺激目标则是神经，尤其是肌肉周围相关的神经^[6]。

神经细胞具有电兴奋性能够产生动作电位，这源于细胞膜对钠离子、钾离子具有不同的通透性，当细胞受到电刺激时，细胞膜对离子的通透性发生改变，离子形成流动，改变了跨膜电位，从而产生动作电位^[7]。FES治疗所使用的刺激电流是人工编写的脉冲序列，通过预设程序经由刺激电极输出到待刺激肌肉上，肌肉附近的神经元受到刺激后产生动作电位，使相应肌肉产生运动，肌肉或肌肉群的功能便得到锻炼，从而帮助患者的进行患侧肢体的恢复训练，改善其功能。

FES的应用已有几十年的历史，大量临床医学研究^[8][9]表明FES有助于加强被刺激肌肉力量、提高关节活动能力、扩大关节活动范围、提高肢体的运动功能及协调能力，有效地促进患侧肢体的恢复治疗。因此长期被运用于治疗脑卒中等引起的瘫痪，现已成为一种常规的治疗手段应用于康复医疗中。

传统的FES所使用的低频刺激电流是经由人工编码的，通过刺激电流使相应肌肉产生收缩，帮助患者进行功能重建。控制程序经过更高级的编写，可以对多路低频刺激电流进行时间及空间上的编码，通过刺激时间的先后顺序对每一块肌肉进行动作控制，进而完成一系列连贯的动作。虽然在各种临床对照实验中，传统的FES治疗能很好的帮助患者进行康复治疗，但其也有着一定的缺点，比如人工编码的刺激序列容易使肌肉产生疲劳；患者是被动接受治疗，缺少主动参与影响治疗效果；虽然高级程序能使肢体产生一些连续动作，给予患者暗示，但仍然是人工的并不能完全适应人体。

1.2.2 对侧控制功能性电刺激

随着电子技术的发展，尤其是传感器的发展，出现了一种结合生物反馈疗法的新型FES疗法——生物反馈功能性电刺激。其工作原理是通过传感器及相应电路，将人体正常意识不到的身体功能变化，如肌电、肌张力和关节活动度等转化为神经功能性电刺激，刺激肢体做出功能性运动，使患者能够有意识地、自主地控制患侧肢体运动。这种新型的治疗方法克服了传统FES治疗中的缺点，使患者自身更好的参与到治疗之中，弥补了被动治疗的不足，使治疗效果更显著^[10]。

在生物反馈功能性电刺激的基础上，更进一步发展出了对侧控制功能性电刺激（contralaterally controlled functional electrical stimulation，CCFES），其主要思想是通过健侧手的运动作为触发信号，使患侧手相同部位进行FES做出相似运动，达到对侧控制、健侧肢体带动患侧肢体进行训练的目的。CCFES示例装置如图1.1所示，利用传感器识别健侧肢体运动作为开关信号，引导FES装置对患侧肢体进行功能性电刺激。

图1.1 CCFES装置示例图

相较于传统FES，CCFES更强调患者的自主控制意识，表现在患侧肢体在健侧肢体的引导下做相似运动，而这一过程是在大脑的控制下完成的，并且刺激强度与健侧肢体运动强度成正比。研究表明，CCFES相较于FES对偏瘫患者的恢复有着更好的效果，这可能出于以下原因^[11]：

1）利用意向运动的原则，最大化运动意愿（中枢神经活动）与运动刺激相应（周围神经活动）的同步。在反复的同步过程中，可以促进突触的重建与神经的重构，从而提高中枢神经对瘫痪肢体的控制能力；

2）利用双侧训练，使大脑两侧半球相似的神经网络被激活，增加被刺激肌肉的皮质脊髓兴奋性，促使大脑重组，相较于普通FES的单侧训练效果更加显著；

3）利用感知觉，使大脑“误以为”能够控制健侧和患侧肢体，建起了运动和感觉神经的反馈，在幻想过程中提高患侧存在意识，减轻“习得性费用”。CCFES将运动的想象、模仿和观察有机地结合起来，因此可以很好地促进脑卒中患者的运动再学习。

1.2.3 微电子肌电桥

“微电子肌电桥”这一概念由东南大学王志功教授和吕晓迎教授以“微电子神经桥”专利思想为基础而提出的，并申报了“基于肌电信号通信机理的瘫痪肢体功能重建方法及其装置”的发明专利。

微电子肌电桥系统基本原理如图1.2所示：

图1.2 微电子肌电桥基本原理

当人的肢体要运动时，首先需要运动神经中枢发出神经控制信号，经过神经网络传导至相关肌肉的神经接头，使之产生运动，控制肢体做出各种动作。而肌电信号（EMG）是肌肉纤维中的各种运动电位在时间和空间上的叠加，可以看作是神经信号的放大^[12]。“微电子肌电桥”利用肌电信号这一特点，使用传感器等探测健康肢体运动时运动神经信号所激活的相应肌肉上的EMG信号，进而还原出相关的运动神经信号信息，经过微电子芯片中的算法处理，判断出运动神经信号所包含的指令、强度等一系列信息，再通过数模转换生成相应的刺激脉冲序列，经FES装置施加到瘫痪肢体的对应肌肉上，引导瘫痪肢体同步做出与健康肢体相似的动作。而且患侧肌肉收到的电刺激会通过神经网络反馈给神经中枢，对神经中枢同步产生刺激，通过这一“肌电-肌电”的通信过程，完成了健侧肢体与患侧肢体的运动神经信号桥接，建立起了一条神经电信号通路。

课题组现已设计出一系列基于微电子肌电桥的对侧控制型功能电刺激康复仪设备。

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