基于肌電感應(yīng)的可穿戴運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)　

作者/ 李鋒 陳波 東華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(上海 201620)

*基金項(xiàng)目：上海市自然基金(編號(hào)：16ZR1401100)

李鋒(1969-)，男, 博士, 教授, 研究方向：嵌入式、軀干網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí);陳波，男，碩士生，研究方向：肌電信號(hào)采集與模式識(shí)別。

摘要：表面肌電信號(hào)是皮下肌肉活動(dòng)在皮膚表面處表現(xiàn)出的微弱的電壓信號(hào)，它反映了人體運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉動(dòng)作的時(shí)間和空間信息。對(duì)于不同的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，人體各個(gè)肌肉群產(chǎn)生的肌電信號(hào)的強(qiáng)度也各有差異。本文設(shè)計(jì)了一種基于肌電信號(hào)感應(yīng)的可穿戴運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)。通過提取采集到的多路肌電信號(hào)的時(shí)域、頻域特征值，用加權(quán)歸一化的方法給信號(hào)強(qiáng)度評(píng)級(jí)，從而確定人體運(yùn)動(dòng)時(shí)指定肌肉群的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。可以利用這套系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的性較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作。

引言

　　肌電信號(hào)是皮下肌肉活動(dòng)在皮膚表面處表現(xiàn)出微弱電壓信號(hào)，它反映了人體運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉動(dòng)作的時(shí)間和強(qiáng)度信息^[1]。隨著肌電信號(hào)模式識(shí)別方面研究的日益深入和肌電檢測技術(shù)的不斷提高，表面肌電信號(hào)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于肌肉運(yùn)動(dòng)、康復(fù)醫(yī)學(xué)、肌肉損傷診斷、體育等方面的研究。

　　國內(nèi)外許多研究都表明，通過對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行分析，能夠發(fā)掘出人體肌肉在做不同動(dòng)作時(shí)的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度等信息^[2~4]。

　　肌電信號(hào)反應(yīng)了相應(yīng)肌肉群的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。通過計(jì)算肌電信號(hào)的強(qiáng)度，能判斷出某種動(dòng)作下對(duì)應(yīng)肌肉群的收縮強(qiáng)度。本文設(shè)計(jì)了一套肌電感應(yīng)系統(tǒng)對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行的處理和分析。通過監(jiān)測不同運(yùn)動(dòng)動(dòng)作下各相關(guān)肌肉群的肌電信號(hào)強(qiáng)度，判定某一動(dòng)作相關(guān)肌肉群的運(yùn)動(dòng)情況，從而判定不同運(yùn)動(dòng)對(duì)哪些肌肉群鍛煉效果更好。因此，該系統(tǒng)可以科學(xué)地輔助設(shè)計(jì)各類鍛煉動(dòng)作，現(xiàn)根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)備已經(jīng)被應(yīng)用于體育研究和軍事訓(xùn)練部門，取得良好效果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)分為三個(gè)部分：肌電采集模塊、通訊模塊和控制中心(圖1)。其中肌電采集模塊主要完成肌電信號(hào)感知。

　　由于該系統(tǒng)為直接接觸人體的健康類消費(fèi)產(chǎn)品，本系統(tǒng)不提供交流介入和充電功能。采集模塊和通訊模塊電源由小型鋰電池提供。

　　另外，為了接觸的可靠性和肌肉群的測試，本系統(tǒng)的采集電極由多個(gè)肌電采集電極組裝成采集束帶，每個(gè)束帶有8個(gè)采集點(diǎn)，控制模塊和通訊模塊設(shè)計(jì)在束帶背面，可直接佩戴在肢體上，方便操作，如圖2。

　　在本系統(tǒng)的控制中心主要負(fù)責(zé)收集多路肌電信號(hào)，完成肌電信號(hào)強(qiáng)度分析及結(jié)果展示。無線通訊模塊主要負(fù)責(zé)肌電采集模塊和控制中心的無線通訊。

1.1 肌電感知模塊

　　肌電感知模塊主要是通過肌電采集電極，采集個(gè)體運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的肌電信號(hào)，完成信號(hào)的濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。

　　1)放大濾波電路

　　肌電信號(hào)的電壓范圍在10μV和1000μV之間，頻率為20~1kHz，主要能量分布于50~100Hz內(nèi)。由于信號(hào)容易形成運(yùn)動(dòng)的偽跡，且主要集中在0~20Hz頻率范圍內(nèi)[5]。針對(duì)肌電信號(hào)的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了相應(yīng)的濾波放大電路(圖3)。系統(tǒng)采用AD8220和OPA364兩個(gè)高輸入阻抗、高CMRR、低電流噪聲的放大芯片。信號(hào)以差分方式輸入，兩個(gè)運(yùn)算放大器與外圍元件形成了一個(gè)共1000倍、20~1000Hz的兩級(jí)帶通濾波放大器。前級(jí)運(yùn)放為AD8220，它的電流噪聲僅1fA/Hz，芯片占用電路板面積小，適用于可穿戴設(shè)備。放大電阻為1.5kΩ，電容為10μf的電容，放大倍數(shù)為32倍。

　　后級(jí)運(yùn)放OPA364，SOT23-5封裝，適合于傳感器的微型化設(shè)計(jì)，為一個(gè)頻帶為20~1kHz切比雪夫Ⅰ型的1階帶通濾波器，放大倍數(shù)約30倍。

　　2)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

　　LTC1867L是一個(gè)8通道12位/16位A/D轉(zhuǎn)換器，芯片具有串行I/O通道，采用內(nèi)部電壓基準(zhǔn)。LTC1867L的DC性能出眾，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有±3LSB INL規(guī)格和16位無漏失碼。通過對(duì)芯片8通道輸入多路復(fù)用器的配置，芯片可工作于單端或差分輸入，單極或雙極轉(zhuǎn)換操作(或其組合)。

　　ADC接口采用12位ADC值，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換0V至2.5V單極輸入或±1.25V雙極輸入。在本方案中，其工作于雙極差分輸入狀態(tài)。LTC1867L僅吸收750μA電流，有自動(dòng)打盹和睡眠模式，有利于那些對(duì)功耗敏感的應(yīng)用。LTC1867L采用緊湊型、窄體16引腳 SSOP封裝，適用于空間敏感以及低功率的應(yīng)用。

1.2 通訊模塊

　　1.2.1 藍(lán)牙通訊

　　通訊模塊采用藍(lán)牙通訊協(xié)議，用以完成肌電束帶和控制中心(智能手機(jī))的通訊，向中心匯報(bào)束帶各點(diǎn)電位信號(hào)。本系統(tǒng)中采用ATK-HC05模塊，藍(lán)牙版本為藍(lán)牙4.0BLE。

　　藍(lán)牙4.0協(xié)議提供了2種模式：BLE模式和BR/EDR模式。其中BLE模式適合對(duì)成本和功耗都有較高要求的無線方案。運(yùn)行和待機(jī)功耗極低，一粒紐扣電池可以連續(xù)工作一年之久。能與支持4.0協(xié)議設(shè)備通信，適應(yīng)節(jié)能且收發(fā)少量數(shù)據(jù)的設(shè)備。由于單次發(fā)送的肌電信號(hào)數(shù)據(jù)量并不是很大，并且系統(tǒng)對(duì)功耗要求高，因此，本系統(tǒng)藍(lán)牙版本采用4.0BLE^[6]。

　　系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，藍(lán)牙模塊處于待機(jī)模式，此時(shí)為空閑狀態(tài)，需要通過AT指令控制模塊連接采集設(shè)備。與采集模塊成功連接后，藍(lán)牙模塊會(huì)自動(dòng)查找主從設(shè)備的透傳通道，兩個(gè)模塊之間可以通過通用串口與STTM(BLE從透傳協(xié)議模塊)進(jìn)行雙向通訊，從而實(shí)現(xiàn)透明傳輸功能。

　　本系統(tǒng)使用搭載Android系統(tǒng)的智能手機(jī)作為控制中心。配置好藍(lán)牙權(quán)限后，只需要獲取藍(lán)牙適配器對(duì)象，獲得目標(biāo)藍(lán)牙設(shè)備(藍(lán)牙模塊)對(duì)象，建立連接，即可獲得輸入輸出流。

　　1.2.2 數(shù)據(jù)格式

　　在應(yīng)用層，協(xié)議格式如表1所示(16進(jìn)制)。

　　首字節(jié)為幀頭，第二和第三字節(jié)表示肌電信號(hào)數(shù)據(jù)，但這里的肌電數(shù)據(jù)每個(gè)字節(jié)的高位被置為零，其真正的高位被放置到幀頭規(guī)定位上[7]。幀頭在這里標(biāo)示一幀數(shù)據(jù)的開設(shè)，同時(shí)也包含了通道序號(hào)和數(shù)據(jù)的最高位，其各位的含義如表2所示。

　　幀頭的最高位Bit7固定為1，是幀頭的標(biāo)志位。Bit6～Bit4標(biāo)示通道的序號(hào)，共8個(gè)通道。Bit3和Bit2分別為傳輸數(shù)據(jù)的最高位。

1.3 控制中心

　　控制中心接收藍(lán)牙模塊發(fā)送過來由采集模塊采集到的多路肌電信號(hào)，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)級(jí)。本文采取的評(píng)級(jí)方法是通過提取肌電信號(hào)的平均值、積分均值、功率譜比值，進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算。

　　對(duì)于時(shí)域特征值平均值和積分均值計(jì)算方法如下：

　　平均值計(jì)算公式如式(1)，它是用來衡量數(shù)據(jù)集中趨勢(shì)的一種方法。本文選取平均值衡量表面肌電信號(hào)的平穩(wěn)趨勢(shì)。

(1)

　　若對(duì)離散的數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)直接求均值A(chǔ)VE，很多時(shí)候都會(huì)趨近于0，這不能很好地表征信號(hào)之間的差異，因此，再提取積分均值(計(jì)算方法如式(2)作為判定肌肉運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的另一個(gè)特征。

(2)

　　對(duì)于頻域特征，一般采用功率譜進(jìn)行度量，但由于肌電信號(hào)功率譜的分布相對(duì)比較穩(wěn)定，所以在信號(hào)最大值附近的功率譜的能量在整體信號(hào)中的比重也比較穩(wěn)定，且不受最大值具體出現(xiàn)位置的影響。因此，采用頻域分析法中的功率譜比值法[8]作為特征值。

　　設(shè)功率譜比值為K，其計(jì)算公式如式(3)：

(3)

　　式中，K為功率譜比值，P(f)為功率譜。根據(jù)文獻(xiàn)8中的經(jīng)驗(yàn)得知，取15Hz的特征值有較好的區(qū)分度，P₀為功率譜在P₀±15Hz的面積，P為整個(gè)功率譜的面積，由于肌電信號(hào)的頻率主要集中在50~500Hz，所以求P的積分區(qū)間為50~500Hz，f₀為功率譜最大值處的頻率，即的解，如果有多個(gè)解，則取使得功率譜值最大的解。

　　計(jì)算出每一路信號(hào)的平均值A(chǔ)VE、積分均值MAV，并求解功率譜比值K。再根據(jù)式(4)計(jì)算第i路信號(hào)的加權(quán)強(qiáng)度S_i：

L_i越大表示該通道所對(duì)應(yīng)的肌肉運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度越大。對(duì)于某一個(gè)訓(xùn)練動(dòng)作，給出相應(yīng)的肌肉評(píng)價(jià)，可以判定該動(dòng)作更適合增強(qiáng)哪塊肌肉的訓(xùn)練。

　　以上算法中所涉及到的難點(diǎn)主要集中在控制中心求解功率譜上。目前，功率譜估計(jì)方法主要有兩種：經(jīng)典功率譜估計(jì)和現(xiàn)代功率譜估計(jì)。由于經(jīng)典功率譜估計(jì)將所有在窗口外的數(shù)據(jù)都視為0，這使得功率譜估計(jì)的質(zhì)量不高。而現(xiàn)代功率譜估計(jì)方法對(duì)信號(hào)在窗口外的數(shù)據(jù)做出合理假設(shè)，以達(dá)到提高功率譜估計(jì)質(zhì)量的目的。本文選擇應(yīng)用較為廣泛的AR模型進(jìn)行功率譜估計(jì)，求解出AR模型系數(shù)后，借助C語言IT++庫很容易估計(jì)出功率譜密度。本文采用最小二乘法求解AR模型系數(shù)。假設(shè)肌電信號(hào)是由一個(gè)輸入序列組成，其AR(n)為，其中(通常假設(shè)誤差滿足期望為0，方差為的獨(dú)立分布)，由AR(n)可計(jì)算出e_t，因此，可得出方差：

2 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一套多路肌電信號(hào)采集與分析系統(tǒng)。對(duì)一個(gè)訓(xùn)練動(dòng)作，進(jìn)行了多個(gè)肌肉群的表面肌電信號(hào)采集，并通過提取表面肌電信號(hào)的時(shí)域、頻域特征值，進(jìn)行加權(quán)歸一化等計(jì)算，分析了該動(dòng)作對(duì)應(yīng)肌肉群的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。使用該系統(tǒng)對(duì)握舉啞鈴動(dòng)作時(shí)，上臂肌肉進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)級(jí)結(jié)果如表3。

　　俯臥撐是一種常用的鍛煉上肢、胸肌和腹肌的簡單易行的運(yùn)動(dòng)，是士兵在陸地完成攀爬翻越、匍匐前進(jìn)、進(jìn)出戰(zhàn)壕等各種需要上肢俯臥支撐能力的戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作及戰(zhàn)場作業(yè)的體能基礎(chǔ)之一, 具有很強(qiáng)的實(shí)戰(zhàn)意義，但是針對(duì)不同體質(zhì)人的鍛煉需求，在本系統(tǒng)的幫助下，通過手掌著地位置調(diào)整，就可以達(dá)到不同的鍛煉目的(如表4)。

　　該系統(tǒng)設(shè)備也可應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究中[9]。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第5期第43頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。