用于微电子肌电桥的体表肌电信号探测与处理电路设计、制作与实验

摘要

中国现有各类残疾人总数约8500多万人，其中肢体残障患者有2400多万人。在这些肢残病人当中有相当高的比例是因脊髓损伤导致的截瘫患者、脑卒中导致的偏瘫患者和因工伤车祸造成周围神经损伤的肢体瘫痪患者。截瘫是由于大脑到肢体的神经信号通路损伤，感觉与运动神经信号无法正常传导，导致损伤面以下身体瘫痪;偏瘫是由于大脑神经组织受到损伤，不能产生控制运动的信号，导致受损伤的大脑控制的对侧身体瘫痪;肢体瘫痪是由于周围神经损伤，使得周围神经以下的肢体丧失运动感觉功能。所以，研究肢体运动功能重建的方法具有重大的科学意义和临床应用价值。本课题组在前期提出并研究的植入式微电子神经桥的基础之上，又提出了微电子肌电桥的创新技术，以避免植入式神经电极存在的植入手术复杂，植入后易感染等问题。体表肌电信号作为一种运动控制信号，蕴含着肌肉活动信息，可作为功能性电刺激控制源信号。
　　本论文主要完成了体表肌电信号探测电路的设计，并将其应用于八通道体表肌电信号探测系统与“神手”手套中。最后，使得课题组前期研发的八通道微电子神经肌电桥系统实现了控制端健康人带动受控端健康人完成抓握、腕伸、腕屈、指伸四类动作的实时桥接以及控制端与受控端之间的手部动作功能重建。
　　首先，本文分析了肌电信号的生理学基础及人体体表肌电信号的特性，在此基础之上进行了体表肌电信号探测电路的设计，并对其进行了硬件测试和肌电信号实测。
　　其次，本文以体表肌电信号探测电路为基础，进行了八通道体表肌电信号探测系统的设计。系统的硬件主要包括电源模块、体表肌电信号探测电路、外周接口模块，软件部分包括了下位机ADC数据采集程序和串口数据发送程序、上位机串口数据接收模块、数据实时显示与存储程序。同时本文还把体表肌电信号探测电路应用在“神手”手套中。
　　然后，本文使用ADS1299芯片结合带有DSP的STM32F407微处理器芯片，进行多通道体表肌电信号探测系统设计，探究将多通道体表肌电信号探测系统向小型化、可穿戴式方向发展。
　　最后，本文进行了八通道微电子肌电桥系统多通道桥接模式与“神手”模式的联调实验，实现健康人带动另一健康人完成抓握、腕伸、腕屈、指伸四类动作的实时桥接以及控制端与受控端之间的手部动作运动功能重建。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 脊髓损伤

1．1．2 脑卒中

1．1．3 周围神经损伤

1．1．4 瘫痪肢体运动功能重建方法介绍

1．2 肌电信号生理学基础

1．2．1 肌电信号研究历史

1．2．2 静息电位与动作电位

1．2．3 骨骼肌

1．2．4 运动单元

1．3 肌电信号在康复医学中的运用

1．4 本课题前期工作基础介绍

1．4．1 微电子神经肌电桥理论基础

1．4．2 本论文相关课题进展

1．5 本论文研究内容与目标

第2章 表肌电信号探测电路设计概述

2．1．1 体表肌电信号的产生

2．1．2 体表肌电信号干扰源

2．2 体表肌电信号探测电路方案设计

2．2．1 电极对体表肌电信号探测的影响

2．2．2 体表肌电信号前置放大

2．2．3 体表肌电信号滤波

2．3 本章小结

第3章 体表肌电信号探测电路设计

3．1 体表肌电信号探测传感器

3．1．1 肌电信号探测电极

3．1．2 前置放大电路

3．1．3 右腿驱动电路

3．1．4 机械结构

3．2 体表肌电信号处理电路

3．2．1 滤波电路

3．2．2 放大电路

3．3 硬件测试

3．3．1 滤波电路幅频特性测试

3．3．2 肌电信号实测实验

3．4 本章小结

第4章 体表肌电信号探测电路应用

4．1 八通道体表肌电信号探测系统硬件设计

4．1．1 电源电路

4．1．2 机械外壳封装及电路板(PCB)设计

4．2 八通道体表肌电信号探测系统软件设计

4．2．1 上位机程序

4．2．2 下位机程序

4．3 体表肌电信号探测电路在“神手”手套中的应用

4．3．1 “神手”探测手套简介

4．3．2 腕带式“神手”手套的设计

4．4 本章小结

第5章 基于ADS1299芯片的多通道体表肌电信号探测系统软件设计

5．1 前言

5．1．1 ADS1299芯片简介

5．1．2 SD卡简介

5．1．3 FatFs文件管理系统简介

5．2 系统硬件平台介绍及软件总体框架设计

5．2．1 ADS1299开发套件简介

5．2．2 Devkit407评估板简介

5．2．3 系统软件总体框架设计

5．3 各模块软件设计

5．3．1 ADS1299芯片驱动程序设计

5．3．2 SD卡数据存储程序设计

5．3．3 FatFs文件管理程序移植

5．3．4 数字滤波程序设计

5．4 系统测试

5．4．1 ADS1299读取内部测试信号测试

5．4．2 系统探测体表肌电信号实测

5．5 本章小结

第6章 八通道微电子神经肌电桥系统联调实验

6．1 八通道微电子神经肌电桥系统简介

6．1．2 多通道桥接模式

6．2 “神手”模式实验

6．2．1 仪器的连接和平台的搭建

6．2．2 五指屈曲刺激位点

6．2．3 测试实验

6．3 多通道桥接模式实验

6．3．1 仪器的连接和平台的搭建

6．3．2 体表肌电信号探测位点的选择

6．3．3 测试实验

6．4 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文与取得的奖励和成果

致谢