基于三轴加速度传感器的肌音信号检测系统设计

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肌肉是人体运动系统的重要组成部分,在人类的日常生活和工作中发挥了十分重要的作用。肌音信号是一种记录和量化骨骼肌肌纤维的低频横向振动信号,它能反映肌肉收缩过程中的力学特性,相比肌电信号,它具有采集更加便捷、抗电磁干扰能力更强等检测优势,越来越受到临床和高校工作者的重视,并逐步应用到康复领域中。传统的运动康复治疗在运动损伤患者的恢复期可以通过肌力训练来增强肌肉力量,但缺乏一种客观评估肌肉活动水平的方法,无法获取患者在康复过程中的肌力变化以及肌肉活动水平,不能使康复效果最优化。本文基于肌音信号的检测优势,通过肌力训练的方式持续地监测肌力变化,来客观评估患者的肌肉活动水平,帮助医生提供科学的诊断依据,加速患者的康复进程。因此本文设计了一款肌音信号检测系统,在肌力训练过程中能够有效的获取肌音信号并评估肌肉活动水平。本文主要工作和结果包括以下四个方面:(1)根据前期的临床调研和文献阅读,确定了运动损伤患者在康复过程中的需求,并结合肌音信号在康复领域的优势,从肌音信号的检测原理、采集方法、分析方法及应用等方面确定了肌音信号检测系统的应用场景、功能、技术参数、技术路线。(2)搭建了肌音信号检测电路。肌音信号检测电路主要包含主控芯片STM32F103RCT6、三轴加速度传感器ADXL362、无线传输模块ESP8266、电源管理模块。接着在Keil开发软件中实现了STM32主程序、基于SPI协议的传感器、基于USART协议的无线传输模块、定时中断发送传感器数据等的嵌入式软件编程,测试结果表明检测电路能够有效检测肌音信号。(3)搭建了肌音信号检测的上位机程序。首先对上位机进行总体设计,确定了上位机的开发软件和设计流程。然后在Lab VIEW上实时显示经过滤波处理后的肌音信号,并持续监测康复过程中的肌力变化,通过肌力来评估肌肉活动水平。最后在Lab VIEW上调用MATLAB脚本实现小波去噪等算法,回溯训练过程中的肌力变化,并对上位机功能进行测试,测试结果表明上位机能较好获取肌力训练过程中的肌力变化。(4)对检测系统进行系统集成和测试验证。首先对肌音信号检测电路进行集成化设计,主要包含PCB设计、传感器模块结构设计、可穿戴装置设计,使检测电路具有可穿戴的功能。然后通过传感器模块结构测试和传感器对比测试,说明传感器模块结构设计的合理性;通过接触条件测试表明本检测装置具有隔衣穿戴检测肌音信号的优势。最后通过握力训练和上肢运动训练实验,提取肌音信号特征值来反映肌力变化,结果表明本肌音信号检测系统能实现持续采集肌音信号反映肌肉活动水平的功能,并对肌音信号检测系统进行漏电流和电磁兼容测试,结果表明本检测装置具有较好的电气安全和电磁兼容性。
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