CN103598885A - 一种表面肌电和近红外光谱联合采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种表面肌电和近红外光谱联合采集装置，包括信号采集模块、信号处理模块、电源模块和佩戴模块，信号采集模块用于采集信号，信号处理模块用于处理信号，佩戴模块用于将表面肌电和近红外光谱联合采集装置佩戴于采集信号的部位；信号包括表面肌电信号和近红外光谱信号。采用本发明提供的表面肌电和近红外光谱联合采集装置，能够同时获取肌肉活动时的sEMG信号和近红外光谱信号，综合sEMG信号与近红外光谱信号的特征，能够减弱干扰和噪声对人机接口的影响，从而提高人机接口的鲁棒性。

Description

一种表面肌电和近红外光谱联合采集装置

技术领域

本发明涉及生物医学工程与人机接口技术领域，尤其涉及一种表面肌电和近红外光谱联合采集装置。

背景技术

表面肌电信号sEMG（surface ElectroMyoGraphy）是肌肉收缩时伴随的电信号，可以理解为多块肌肉产生的电信号在人体表面时间和空间上的综合，体现了肌肉对神经冲动的响应，反映了神经和肌肉的功能状态，是一种在体表无创检测肌肉活动的重要信息。sEMG信号广泛应用于人机接口技术，如肌电假肢等。

然而sEMG信号本身对干扰和噪声很敏感，对于深层肌肉的串扰较为严重；sEMG信号的特征会随着时间的推移发生变化，例如肌肉疲劳时，sEMG信号的中值频率会减小，均方根（RMS）会增大，造成采集到的sEMG信号特征发生变化，严重影响了基于sEMG的人机接口的鲁棒性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种表面肌电和近红外光谱联合采集装置，综合sEMG信号与近红外光谱的特征，能够减弱干扰和噪声对人机接口的影响，提高基于sEMG的人机接口的鲁棒性。

近红外光谱技术（NIRS）能提供肌肉活动过程中的血氧代谢信息——氧合血红蛋白浓度变化（△[HbO2]）和还原血红蛋白浓度变化（△[Hb]），也可以用于肌肉活动的检测。NIRS采用两个以上波长在650nm～950nm的近红外光光源照射肌肉组织，利用血液对近红外光的吸收和散射特性，在距离光源2cm～5cm的肌肉表面放置光电探测器探测未被肌肉组织吸收的光。由于肌肉组织中血液是最主要的吸收近红外光的物质，当肌肉收缩时，光电探测器检测到的光强会发生变化，进而可以推算出氧合血红蛋白浓度变化和还原血红蛋白浓度变化。

本发明提供一种表面肌电和近红外光谱联合采集装置，包括信号采集模块、信号处理模块、电源模块和佩戴模块，信号采集模块、信号处理模块、电源系统设置在佩戴模块上，信号采集模块通过柔性电路线与信号处理模块相连接；信号采集模块用于采集信号，信号处理模块用于处理信号，电源模块用于向信号采集模块与信号处理模块提供电源，佩戴模块用于将表面肌电和近红外光谱联合采集装置佩戴于采集信号的部位；信号包括表面肌电信号和近红外光谱信号。

采用本发明提供的表面肌电和近红外光谱联合采集装置，能够同时获取肌肉活动时的sEMG信号和近红外光谱信号，对sEMG信号产生干扰的信号，不会对近红外光谱信号产生同样的影响，因此综合sEMG信号与近红外光谱信号的特征，能够减弱干扰和噪声对人机接口的影响。

进一步地，信号采集模块为单通道，能够同时采集一块骨骼肌的表面肌电信号和近红外光谱信号。

进一步地，信号采集模块为单通道时，佩戴模块包括一个壳体。信号采集模块设置在壳体内。

进一步地，信号采集模块为多通道，能够同时采集肌群的多块骨骼肌的表面肌电信号和近红外光谱信号。

进一步地，信号采集模块为多通道时，佩戴模块包括多个壳体，壳体之间通过弹性材料连接。每个采集模块设置在一个壳体内，壳体之间通过弹性连接件连接，使得本发明提供的表面肌电和近红外光谱联合采集装置能够适应不同尺寸的肢体佩戴。

进一步地，信号采集模块通过镀金铜电极采集表面肌电信号，提高了电极与皮肤的接触稳定性，从而保证了采集到的表面肌电信号的稳定性。

进一步地，信号采集模块通过光电探测器与近红外光光源采集近红外光谱信号。

进一步地，信号采集模块的外壳是不透光的，降低了环境中光噪声对近红外光谱信号的干扰。

进一步地，在信号采集模块的外壳设置防止透光的结构，在防止透光的结构中填充防止透光的材料。

进一步地，信号处理模块包括蓝牙模块，将转换后的数字信号通过无线通信传输到接收端。佩戴者可以在通信范围内随意移动，方便使用。

与现有技术相比，采用本发明提供的表面肌电和近红外光谱联合采集装置具有以下有益效果：

（1）综合sEMG信号与近红外光谱信号的特征，能够减弱干扰和噪声对人机接口的影响；

（2）信号采集模块为多通道时，能够同时采集肌群的表面肌电信号和近红外光谱信号；

（3）信号采集模块的外壳设计为不透光的，降低了环境中光噪声对近红外光谱信号的干扰；

（4）采用无线通信传输数据，佩戴者可以在通信范围内随意移动，方便使用。

附图说明

图1为本发明的较佳实施例中的表面肌电和近红外光谱联合采集装置的透视图；

图2为图1中的表面肌电和近红外光谱联合采集装置的信号采集模块元件布局示意图；

图3为图1中的表面肌电和近红外光谱联合采集装置的信号采集模块外壳的透视图；

图4为图1中的表面肌电和近红外光谱联合采集装置的佩戴模块壳体的透视图。

在附图中，1为信号采集模块、2为电源模块、3为电源线、4为信号处理模块、5为弹性连接件、6为柔性电路线、7为佩戴模块壳体、8为光电探测器、9为信号采集模块外壳、10为负电极、11为正电极、12为近红外光光源、13为参考电极、14为定位头、15为参考电极槽、16为近红外光光源槽、17为正电极槽、18为防透光槽、19为负电极槽、20为光电探测器槽、21为连接头、22为走线槽、23为防透光槽、24为定位孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明较佳的技术方案作进一步描述。

如图1所示，本发明的一个较佳实施例中，表面肌电和近红外光谱联合采集装置包括信号采集模块1、信号处理模块4、电源模块2和佩戴模块，佩戴模块包括佩戴模块壳体7和连接佩戴模块壳体7的弹性连接件5。

信号处理模块4设置在佩戴模块壳体7内，信号处理模块4与电源模块2设置在佩戴模块壳体7的外侧。

信号采集模块1通过柔性电路线6与信号处理模块4相连接。

信号采集模块1用于采集信号，信号处理模块4用于处理信号，电源模块2通过电源线3向信号采集模块1与信号处理模块4提供电源，佩戴模块用于将表面肌电和近红外光谱联合采集装置佩戴于采集信号的肢体部位。

采集的信号包括表面肌电信号和近红外光谱信号。

采用本实施例中的表面肌电和近红外光谱联合采集装置，能够同时获取肌肉活动时的sEMG信号和近红外光谱信号，对sEMG信号产生干扰的信号，不会对近红外光谱信号产生同样的影响，因此综合sEMG信号与近红外光谱信号的特征，能够减弱干扰和噪声对人机接口的影响。

信号采集模块为单通道，即表面肌电和近红外光谱联合采集装置中包括一个信号采集模块1，能够同时采集一块骨骼肌的表面肌电信号和近红外光谱信号。

信号采集模块为多通道，即表面肌电和近红外光谱联合采集装置中包括多个信号采集模块1，每个信号采集模块1通过柔性电路线6与信号处理模块4连接，具有多个信号采集模块1的表面肌电和近红外光谱联合采集装置，能够同时采集肌群的多块骨骼肌的表面肌电信号和近红外光谱信号。

信号采集模块为单通道时，佩戴模块包括一个佩戴模块壳体7，信号采集模块1设置在佩戴模块壳体7内，弹性连接件5连接在佩戴模块壳体7的两端，形成环状。另外由于采用弹性连接件连接，使得本发明提供的表面肌电和近红外光谱联合采集装置能够适应不同尺寸的肢体佩戴。

信号采集模块为多通道时，佩戴模块包括与通道数量相同的多个佩戴模块壳体7，每个信号采集模块1设置在一个佩戴模块壳体7内，多个佩戴模块壳体7之间通过弹性连接件5首尾相接，形成环状。

如图2所示，信号采集模块包括光电探测器8、负电极10、正电极11、近红外光光源12以及参考电极13；光电探测器8、负电极10、正电极11、近红外光光源12、参考电极13安装在信号采集模块外壳9上。正电极11与负电极10的间距为12mm，正电极11与参考电极13的间距为15mm，光电探测器8与近红外光光源12的间距为28mm。

负电极10、正电极11以及参考电极13为镀金铜电极，信号采集模块采用镀金铜电极采集表面肌电信号，提高了电极与皮肤的接触稳定性，从而保证了采集到的表面肌电信号的稳定性。

信号采集模块通过光电探测器8与近红外光光源12采集近红外光谱信号。

信号采集模块外壳9是不透光的，能够降低了环境中光噪声对近红外光谱信号的干扰，从而使采集到的近红外光谱信号稳定、准确性高。

在信号采集模块外壳9上设置防透光槽，在防透光槽中填充防止透光的材料，如黑色海绵等。信号采集模块外壳9也可以采用其他防止透光的结构，用于填充防止透光的材料。

如图1所示，信号采集模块1设置在佩戴模块壳体7内，佩戴模块壳体7是不透光的，能够降低了环境中光噪声对近红外光谱信号的干扰，从而使采集到的近红外光谱信号稳定、准确性高。

在佩戴模块壳体7上设置防透光槽，在防透光槽中填充防止透光的材料，如黑色海绵等。佩戴模块壳体7也可以采用其他防止透光的结构，用于填充防止透光的材料。

信号处理模块4包括蓝牙模块，将转换后的数字信号通过无线通信传输到接收端。佩戴者可以在通信范围内随意移动，方便使用。

信号采集模块1通过差分放大的方式对镀金铜电极采集的表面肌电信号进行放大，并对表面肌电信号进行带通滤波处理，提高了表面肌电信号与近红外光谱信号的检测精度。根据表面肌电信号的特征，设置其下限截止频率为10～20Hz，上限截止频率为450～500Hz。

信号处理模块4包括单片机、模数转换模块和蓝牙模块，其中单片机采用MSP-430系列单片机，该系列单片机同时具备模数转换功能，模数转换模块对信号采集模块1采集的模拟信号进行数字化处理，通过蓝牙模块将转换后的数字信号通过无线通信传送到接收端，整个过程由单片机控制。另外单片机产生周期性的驱动信号，用于驱动信号采集模块1的近红外光光源12工作。

单片机可以采用其他型号，本发明对此不做限制。

如图3所示，信号采集模块的外壳包括用于与佩戴模块壳体7配合安装的定位头14、用于设置参考电极13的参考电极槽15、用于设置近红外光光源12的近红外光光源槽16、用于设置正电极11的正电极槽17、用于填充防止透光的材料的防透光槽18、用于设置负电极10的负电极槽19以及用于设置光电探测器8的光电探测器槽20。

如图4所示，佩戴模块壳体包括用于多个佩戴模块壳体之间连接的连接头21、用于连接走线的走线槽22、用于填充防止透光的材料的防透光槽23以及用于与信号采集模块配合安装的定位孔24。

采用本发明提供的表面肌电和近红外光谱联合采集装置，能够减弱干扰和噪声对人机接口的影响，提高人机接口的鲁棒性；信号采集模块为多通道时，能够同时采集肌群的表面肌电信号和近红外光谱信号；采用无线通信传输数据，佩戴者可以在通信范围内随意移动，方便使用。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种表面肌电和近红外光谱联合采集装置，包括信号采集模块、信号处理模块、电源模块和佩戴模块，所述信号采集模块、所述信号处理模块、所述电源模块设置在所述佩戴模块的壳体上，所述信号采集模块通过柔性电路线与所述信号处理模块相连接；所述信号采集模块用于采集信号，所述信号处理模块用于处理所述信号，所述电源模块用于向所述信号采集模块与所述信号处理模块提供电源，所述佩戴模块用于将所述表面肌电和近红外光谱联合采集装置佩戴于采集所述信号的部位；其特征在于，所述信号包括表面肌电信号和近红外光谱信号。

2.如权利要求1所述的表面肌电和近红外光谱联合采集装置，其特征在于，所述信号采集模块为单通道。

3.如权利要求2所述的表面肌电和近红外光谱联合采集装置，其特征在于，所述信号采集模块为单通道时，所述佩戴模块包括一个壳体。

4.如权利要求1所述的表面肌电和近红外光谱联合采集装置，其特征在于，所述信号采集模块为多通道。

5.如权利要求4所述的表面肌电和近红外光谱联合采集装置，其特征在于，所述信号采集模块为多通道时，所述佩戴模块包括多个壳体，所述壳体之间通过弹性连接件连接。

6.如权利要求1所述的表面肌电和近红外光谱联合采集装置，其特征在于，所述信号采集模块通过镀金铜电极采集所述表面肌电信号。

7.如权利要求1所述的表面肌电和近红外光谱联合采集装置，其特征在于，所述信号采集模块通过光电探测器与近红外光光源采集所述近红外光谱信号。

8.如权利要求1所述的表面肌电和近红外光谱联合采集装置，其特征在于，所述信号采集模块的外壳是不透光的。

9.如权利要求8所述的表面肌电和近红外光谱联合采集装置，其特征在于，在所述信号采集模块的外壳设置防止透光的结构，在所述防止透光的结构中填充防止透光的材料。

10.如权利要求1所述的表面肌电和近红外光谱联合采集装置，其特征在于，所述信号处理模块包括蓝牙模块，将转换后的数字信号通过无线通信传输到接收端。

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