开题报告-表面肌电信号检测与分析—硬件部分.doc

淮 阴 工 学 院毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：王玉鹏学 号：1111205502专 业：电子信息工程设计(论文)题目：表面肌电信号检测与分析硬件部分指 导 教 师:王林高2015年2月12日 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述文 献 综 述一. 课题的研究意义 表面肌电信号是肌肉收缩时伴随的电信号，是由肌肉兴奋时所募集的运动单位产生的一个个动作电位序列在皮肤表面叠加而成，是一种非平稳的微弱信号，英文名是sEMG，在临床医学中，肌电图测试已成为日常诊断某些椎体外神经肌肉病变的有力手段。在体育训练和运动生物学领域中，肌电也已成为对运动员或其他人员的分析的依据。所以，用表面肌电信号的检测与分析也为人们所重视。近年来,随着计算机技术与数据处理技术的发展,越来越多的学者开始从事表面肌电信号(sEMG)的研究,并将其广泛地应用于肌肉生理、肌肉代谢、康复医学及体育运动等方面的研究和神经肌肉疾病诊断。与此同时,由于生物电信号的微弱性,怎样有效获取sEMG也是一项具有挑战性的研究。因此,研制出一种性价比高、方便实用、性能稳定的sEMG数据监测系统具有重要意义。但是肌电信号采集过程中也存在一些问题，如肌电控制装置采集肌电信号时候肌肉易疲劳。信息模式的重复再现性相对较差，模式形态亦不稳定，外电场对其干扰严重，表面电极检出的肌电信息是肌群的交错信息，并不能完全反映脑运动区对该肌肉的运动指令。二. 国内外研究的历史，现状和发展空间2.1 国外：国外的肌电放大采集系统发展半个多世纪，已经较好的解决了原始信号的提取放大分析。自1791年伽伐尼( Galva ni )证实肌肉收缩与电有密切关系以来, 1851年法国的杜波依斯一雷蒙德( Dudoi s-Reymo nd)首先检测到人体肌肉随意收缩时能产生电毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告信号,随后1922年加塞( Gasser)和厄兰格( Erlang re)利用阴极射线示波器代替传统的检流计观察到肌电图,并因此而荣获1944年的诺贝尔奖。加拿大Thought公司是全球表面肌电领域的领导厂商，经过三十年的持续发展，其表面肌电的提取、分析、训练技术已成为全球公认的最高标准。其全球专利数字传感器技术，有效的还原原始信号，可以对多路的肌电，心电，脑电等生理参数进行分析。提供多种函数运算,同时支持全程数据分析、分段分析、实时分析，和开放数据输出至SPSS、MatLab、ASCLL。荷兰BioSemi公司的ActiveTwo采用280通道，24位解析度能有效的检测肌电和脑电，其应用程序可直接与电脑相连。国外公司肌电采集系统能很好的完成肌电信号的提取采集，但是由于高昂的价格和较差的兼容性，以及较差的便携性，对于我们的康复工程和假肢控制带来不便。2.2 国内： 在国内生理信号采集技术已有几十年的技术积累。70年代末，国内医学信息技术进入了新的发展阶段。许多专家开始了以赶超国际医学研究水平为目标的课题实施。而真正以微型计算机为基础的革命性生物医学工程研究则从80年代初开始。83年后，由Z-80至8086/8088CPU及PC总线机种与DOS系统的普及。国内近几年肌电采集放大系统发展迅速。南京大学微弱信号研究中心研制的HB-851系统能采集到原始的肌电信号，能够比较好的消除噪声的影响。Pclab生物信号采集处理硬件主要完成对各种生物电信号（如：心电、肌电、脑电）与非电生物信号（如：血压、张力、呼吸）的采集，并对采集到的信号进行调理、放大，进而对信号进行模/数（A/D）转换，使之进入计算机。特别是近2年合肥旭宁有限公司的表面肌电仪可以选择有线/无线模式，存储器保存原始肌电数据，数据完整性，在不需要计算机干预的情况下，独立实现肌电信号采集和存储。对于国内进行的已经研究出来的采集系统，也都能较好的实现肌电信号提取采集，但是对于我们日后进行的假肢控制依旧会因为设备体积，繁琐性带来不便。2.3 发展空间：20世纪以来,随着电子技术的迅猛发展和微电脑的出现,使肌电信号的定量分析及更深入研究成为可能。新的检测和记录技术已经使人们可以对肌电信号和神经肌肉功能进行极为细致的研究。复杂的信号处理与分析技术的出现和微处理器的引入使得肌电信号。表面肌电信号检测具有无创性,有广泛的应用前景,可广泛用于神经肌肉的基础研究、临床诊断、康复工程、运动医学及老年医学等领域。自从1975年Graupe D 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告提出用ARMA模型来判别肌肉的动作以来,电子假肢的研究进入了新的发展时期,过去电子假肢的控制靠使用者人为开关和选择运动模式来完成,现在则可通过检测人体残肢表面肌电信号,提取出肢体的动作特征,来自动控制假肢运动,利用残肢表面肌电信号的肌电假肢研制在国内外都取得较大进展。表面肌电信号的检测分析在功能性电刺激中也有较多应用,如利用表面肌电信号提取出的特征作为功能性电刺激的控制信号,帮助瘫痪的肢体恢复运动功能,此外,检测受电刺激的肢体的表面肌电信号,可以提供电刺激下肌电的疲劳状况,用以控制功能性电刺激的强度。参考文献:1 赵德安等编著. 单片机原理与应用M. 北京: 机械工业出版社, 2012.2 张潇. 基于ARM7和USB的表面肌电信号数据采集系统的研究 D. 武汉: 华中科技大学, 2007.3 戴岳刚.直流供电肌电放大器设计报告D4 李晧.人体表面肌电信号采集系统研究D.河北工业大学.20105 丁海曙，容观澳，王广志人体运动信息检测与处理M宇航出版社，19926 贾增强，龙翔Windows环境下生物电信号实时处理的几个关键问题C计算机工程与应用，2002，7 Peter KonradVersion 1.0 April 2005 The ABC of EMG A Practical Introduction to Kinesiological ElectromyographyM8 Gottsauner WF，Egger EL，Schultz FM，et alTendons attached to prostheses by tendon-bone block fixation：an experimental study in dogsJ，J Orthop Res，1994，12:8149 Wynn R Plug&play, networked data acquisition systems reduce testJ10 李立峰智能假肢控制源肌电信号采集分析系统的研究D河北工业大学控制理论与控制工程，200511 高关心，夏慧琳生物医学工程学与最新发展技术M医疗设备信息，2001，8：30-3212 任磊,基于 MSP430 的表面肌电信号采集与处理系统D 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）二. 课题的研究问题和拟采用的研究手段2.1. 课题的研究问题2.1.1研究目标基于51单片机设计出一套能够实现对肌电信号放大、监测、采集显示的系统并且最终将肌电信号通过串口展示在计算机上。2.1.2. 研究内容1.肌电信号的拾取以及对信号的放大。 2.肌电信号的采集过程中程序编写与调试。 3.肌电信号的显示并最终保存显示结果。2.1.3. 关键问题1.肌电信号本身是一种很微弱的电信号。检测和记录表面肌电信号，需要考虑的主要问题是尽量消除噪声和干扰的影响,提高信号的保真度。2.肌电信号采集过程中依旧混杂着许多噪声，肌电信号实际精度不高，可以考虑通过一些仿真软件继续设计更加复杂和优良的滤波电路。2.2. 课题拟采用的研究手段毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告肌电信号的采集电路包括以下几部分：输入电极、前置放大、低通电路、50Hz工频滤波电路、高通电路、可变增益放大电路、有效值电路等针对表面肌电信号这一对象，考虑应用中所遇到的数据采样环节的种种情况，对表面肌电信号数据采集系统的设计都会有如下一些要求：1）能够完成多路数据采集，而且能够保证同步采集，本实验系统要求6路同步采集；2）有效的表面肌电信号一般为5500Hz，根据采样定理，每路信号的采样频率需要达到1KHz以上，对于肌电信号，为了保证不失真我们需要取4倍于有效信号的频率，约2KHz；3）具有较高的采样精度；4）具有丰富的接口，可以方便的与PC机通讯；5）在能够实现技术指标的前提下尽量选用低成本的方案。根据对象的要求，本文设计的系统主要应用于对人体表面肌电信号的提取和分析，用于后续表面肌电信号模式分类研究，同时提供给实验者一个便于监测和管理的友好界面。完成波形显示、波形分析、数据存储、信号处理等功能，系统框图毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告阶段性工作计划：周次工 作 内 容预 定 目 标第1-3周翻译外文资料，撰写开题报告完成外文资料的翻译开题报告第4-6周学习单片机熟悉单片机第7-8周学习信号采集电路熟悉信号采集第9-10周编写程序完成程序编写第11-12周调试优化完成调试优化第13-14周撰写论文论文基本完成第15-18周论文的修改、排版、答辩修改论文，完成答辩预期研究成果：1调查研究、查阅文献和搜集资料。2阅读和翻译与研究内容有关的外文资料（外文翻译不能少于2万印刷字符，约合5000汉字）。3撰写开题报告或文献综述，确定设计方案或研究方案。4总体