CN104027111A - 一种两用电极及采用两用电极实现表面肌电提取及经皮电刺激的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种两用电极及采用两用电极实现表面肌电提取及经皮电刺激的装置及方法，涉及生机电一体化领域。为了解决现有的经皮电刺激与表面肌电信号提取之间相互干扰、且结构复杂不能有效利用皮肤面积及电磁兼容性不强的问题，也是为了满足实现表面肌电提取及经皮电刺激的装置的需求。它包括N个电极单元，每个电极单元由上至下依次为钮扣式电连接触点、无纺布层、电极层和导电胶层；电极层包括主电极和参考电极；参考电极与主电极同轴，且参考电极包围主电极；且参考电极与主电极之间的距离为2mm～3mm，所述装置满足了对实现表面肌电提取及经皮电刺激的装置的需求，而且本装置及方法简单适用范围广。本发明适用于肌肉的理疗康复和肌电假肢的人机交互。

Description

一种两用电极及采用两用电极实现表面肌电提取及经皮电刺激的装置及方法

技术领域

本发明涉及生机电一体化领域。

背景技术

表面肌电信号作为一种常用的肌肉运动监测手段，具有监测准确、无创伤、价格低廉的优点，被广泛应用于肌肉的病理诊断、假肢控制、神经肌肉的理疗康复等。由于肌电信号比较微弱，电极与皮肤间的电化学反应、电极-皮肤界面的阻抗变化、电极的窜动往往会引起较大的伪迹噪声，为了减少这些伪迹噪声，肌电电极应具有稳定的电化学特性和电极-皮肤阻抗，并能够以一定的附着力粘结在皮肤表面。

经皮电刺激是一种在人体皮肤表面敷设电极释放电流，刺激皮下目标区域或深层组织的电刺激手段，选择恰当的电刺激参数，可以使被刺激者感到震动、触动、麻木、压迫等不同的感觉，并可替代神经控制瘫痪的肌肉收缩。由于其不用将电刺激装置植入人体，因此具有创伤小，操作简便的优点，被广泛用于理疗、镇痛、假肢的感觉替代Sensory Substitution、功能康复中。为了使刺激效果明显，刺激电流均匀流入人体而避免局部灼伤，电刺激电极的设计尤为重要。

随着康复医学的发展，目前越来越多的场合将经皮电刺激与表面肌电信号提取结合使用，其中比较典型的是采用经皮电刺激作为感觉反馈的肌电假肢和采用肌电反馈的功能性电刺激。由于电刺激电流的强度远大于肌电信号的幅值，电刺激电流不可避免地会对肌电信号提取产生干扰。另一方面，当前经皮电刺激与表面肌电信号提取往往采用不同的电极，这既增加了成本，又增加了系统复杂度，需要占据较大的皮肤面积。而且，经皮电刺激系统与肌电信号提取系统的电磁兼容性不强。

发明内容

本发明为了解决现有的经皮电刺激与表面肌电信号提取之间相互干扰、且结构复杂不能有效利用皮肤面积及电磁兼容性不强的问题，也是为了满足实现表面肌电提取及经皮电刺激的装置的需求，提出了一种两用电极及采用两用电极实现表面肌电提取及经皮电刺激的装置及方法。

一种两用电极，它包括N个电极单元，N为大于等于2的正整数；每个电极单元由上至下依次固定有钮扣式电连接触点、无纺布层、电极层和导电胶层；钮扣式电连接触点穿过无纺布层与电极层相连接；

电极层包括主电极和参考电极；参考电极与主电极同轴，且参考电极包围主电极；且参考电极与主电极之间的距离为2mm～3mm。

主电极包括1个或多个圆形电极块。

电极层还包括副电极；副电极位于参考电极与主电极之间，参考电极、副电极和主电极同轴，且副电极与主电极之间的距离为2mm～3mm，副电极与参考电极之间的距离为2mm～3mm；

钮扣式电连接触点位于副电极的上表面。

采用两用电极实现表面肌电提取及经皮电刺激的装置，该装置包括外围电路及两用电极；

所述外围电路包括电极复用电路、表面肌电信号处理电路、经皮电刺激电路及上位机；表面肌电信号处理电路包括差分放大电路、工频陷波电路、低通滤波电路和模数转换电路；

上位机的控制端连接电极复用电路的控制端；上位机的经皮电刺激信号端连接经皮电刺激电路的经皮电刺激信号端；电极复用电路的输入端连接经皮电刺激电路的输出端；差分放大电路的输入端作为表面肌电信号处理电路的输入端连接电极复用电路的输出端，所述差分放大电路的输出端连接工频陷波电路的输入端，所述工频陷波电路的输出端连接低通滤波电路的输入端，所述低通滤波电路的输出端连接模数转换电路的输入端，模数转换电路的输出端作为表面肌电信号处理电路输出端连接上位机的肌电信号输入端；

两用电极的主电极的输入输出端连接电极复用电路输出输入端。

采用两用电极实现表面肌电提取及经皮电刺激的方法，该方法包括：

上位机向电极复用电路发送经皮电刺激指令，此时电极复用电路将经皮电刺激电路与两用电极连通，实现对人体肌肉或神经的经皮电刺激；

上位机向电极复用电路发送表面肌电信号指令，两用电极采集人体肌肉的表面肌电信号，采用表面肌电信号处理电路对采集到的表面肌电信号进行信号处理后，上传至上位机。

本发明适用于肌肉的理疗康复和肌电假肢的人机交互。

根据本发明所记载的内容，两用电极的电极单元中的电极层只含有主电极和参考电极，电磁兼容性强，且有效地利用了皮肤面积，本发明所述的两用电极的结构简单，既能实现经皮电刺激信号的传输，还能实现表面肌电信号的传输，解决了经皮电刺激与表面肌电信号提取之间相互干扰的问题。

附图说明

图1为本发明的两用电极中的电极单元的层次结构图；

图2为本发明的两用电极中的电极单元的俯视图；

图3为本发明的两用电极的电极单元的结构图；

图4为本发明的两用电极与外围电路的连接关系图。

具体实施方式

具体实施方式一、参照图1、图2及图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的它包括N个电极单元，N为大于等于2的正整数；每个电极单元由上至下依次固定有钮扣式电连接触点1、无纺布层2、电极层3和导电胶层4；钮扣式电连接触点1穿过无纺布层2与电极层3相连接；

电极层3包括主电极3-1和参考电极3-3；参考电极3-3与主电极3-1同轴，且参考电极3-3包围主电极3-1；且参考电极3-3与主电极3-1之间的距离为2mm～3mm。

本实施方式中，两用电极包括N个电极单元，各电极单元应尽量布置在肌肉群或神经束上方。无纺布层2用于支撑及固定电极层3的各个电极单元，从而将电极单元的各个部分结合为一体。

一个电极层只含有主电极3-1和参考电极3-3，是为了减少不同电极间信号的串扰和更灵活地布置电极单元。

根据本实施方式记载的内容，两用电极既能实现经皮电刺激信号的传输，还能实现表面肌电信号的传输，解决了经皮电刺激与表面肌电信号提取之间相互干扰的问题，而且电极单元中的电极层只含有主电极3-1和参考电极3-3，电磁兼容性强，且有效地利用了皮肤面积，本实施方式所记载的两用电极的结构简单。

具体实施方式二、参照图3说明本实施实施方式，本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种两用电极的进一步说明，本实施方式中，主电极3-1包括1个或多个圆形电极块。

主电极3-1用1个圆形电极块就能实现信号的采集及传输；采用多个圆形电极块，可减少肌电信号提取的共模噪声和经皮电刺激的空间分辨能力。

具体实施方式三、参照图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种两用电极的进一步说明，本实施方式中，电极层3还包括副电极3-2；

副电极3-2位于参考电极3-3与主电极3-1之间，参考电极3-3、副电极3-2和主电极3-1同轴，且副电极3-2与主电极3-1之间的距离为2mm～3mm，副电极3-2与参考电极3-3之间的距离为2mm～3mm；

钮扣式电连接触点1位于副电极3-2的上表面。

本实施方式中，当主电极采用1个圆形电极块时，电极单元不包括副电极3-2；当主电极采用多个圆形电极块时，为了避免多个圆形电极块之间的电刺激，电极单元包括副电极3-2；副电极3-2位于参考电极3-3与主电极3-1之间，且分别包围主电极3-1的多个圆形电极块。本实施方式中副电极3-2配合主电极3-1使用，进一步减少电极单元之间的串扰和增加经皮电刺激的强度。

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种两用电极的进一步说明，本实施方式中，主电极3-1的材料为Ag/AgCl烧结混合物。

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种两用电极的进一步说明，本实施方式中，所述副电极3-2的材料均为石墨纺织物。

本实施方式中，副电极3-2用于隔离、抵消主电极3-1电刺激时产生的电刺激噪声，当电极单元用作电刺激时，副电极3-2的两枚电极对应其包围的主电极3-1，发放与之相位相反的反相刺激波形，以抵消电刺激噪声，当电极单元用作肌电信号提取时，副电极3-2的两枚电极不接入电路。

具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种两用电极的进一步说明，本实施方式中，参考电极3-3的材料为石墨纺织物。

本实施方式中，参考电极3-3当电极单元用作电刺激时，参考电极3-3用于隔离主电极3-1电刺激时产生的电刺激噪声，当电极单元用作肌电信号提取时，参考电极3-3用作肌电信号提取时的参考电位。

具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种两用电极的进一步说明，本实施方式中，所述参考电极3-3为环状电极。

具体实施方式八、根据具体实施方式三所述的一种两用电极实现表面肌电提取及经皮电刺激的装置，该装置包括外围电路及两用电极；

所述外围电路包括电极复用电路5、表面肌电信号处理电路6、经皮电刺激电路7及上位机8；表面肌电信号处理电路6包括差分放大电路9、工频陷波电路10、低通滤波电路11和模数转换电路12；

上位机8的控制端连接电极复用电路5的控制端；上位机8的经皮电刺激信号端连接经皮电刺激电路7的经皮电刺激信号端；电极复用电路5的输入端连接经皮电刺激电路7的输出端；差分放大电路9的输入端作为表面肌电信号处理电路6的输入端连接电极复用电路5的输出端，所述差分放大电路9的输出端连接工频陷波电路10的输入端，所述工频陷波电路10的输出端连接低通滤波电路11的输入端，所述低通滤波电路11的输出端连接模数转换电路12的输入端，模数转换电路12的输出端作为表面肌电信号处理电路6输出端连接上位机8的肌电信号输入端；

两用电极的主电极3-1的输入输出端连接电极复用电路5输出输入端。

具体实施方式九、根据具体实施方式八所述的采用一种两用电极实现表面肌电提取及经皮电刺激的装置的实现表面肌电提取及经皮电刺激的方法，该方法包括：

上位机8向电极复用电路5发送经皮电刺激指令，此时电极复用电路5将经皮电刺激电路7与两用电极连通，实现对人体肌肉或神经的经皮电刺激；

上位机8向电极复用电路5发送表面肌电信号指令，两用电极采集人体肌肉的表面肌电信号，采用表面肌电信号处理电路6对采集到的表面肌电信号进行信号处理后，上传至上位机8。

工作过程：当电极单元用作电刺激时主电极3-1作为电刺激电极，独立发放正相刺激波形；此时人体肌肉对所述正相刺激波形进行相应的反应动作，并在人形成相应的表面肌电信号。

本实施方式所述的内容是为了满足实现表面肌电提取及经皮电刺激的装置的需求，且本实施方式记载的装置简单、操作方便且采集的表面肌电信号及经皮电刺激信号的精度比较高。

具体实施方式十、根据具体实施方式九所述的采用两用电极实现表面肌电提取及经皮电刺激的方法，所述采用表面肌电信号处理电路6对采集到的表面肌电信号进行信号处理的信号处理过程包括：

所述表面肌电信号经过差分放大电路9进行放大后发送至工频陷波电路10，工频陷波电路对放大的表面肌电信号进行工频滤除并发送至低通滤波电路11滤波，经滤波后的表面肌电信号经模数转换电路12进行模数转换得到表面肌电信号的数字信号，模数转换电路再将所述表面肌电信号的数字信号发送至上位机8。

该方法可自由地配置表面肌电信号提取与经皮电刺激的功能区域，提高表面肌电信号的信号质量和经皮电刺激的刺激效果。

主电极3-1、副电极3-2的尺寸依据下述理论设计。

设主电极3-1的一枚盘状电极的半径为r_E，副电极3-2的一枚环状电极的内径为r_a，外径为r_b，肌电提取电极的两枚差分电极的距离为d，肌电提取电极的中心距电刺激电极中心的距离为R，为了简化模型，假设人体为电阻率为ρ的均匀电导体，当电刺激电流为I时，电刺激噪声为

$V_{\mathrm{Infer}}={\∫}_{R-d/2}^{R+d/2}{\mathrm{\ρJ}}_R\mathrm{dR}=\frac{\mathrm{I\ρ}}{{2\mathrm{\π}}^2}F(R,d,r_E,r_a,r_b)$

其中F(R,d,r_E,r_a,r_b)为电极参数，其只与电刺激电极的尺寸形状、电刺激电极与肌电电极的距离R、肌电电极两枚差分电极的距离d有关。

$F(R,d,r_E,r_a,r_b)=\frac{1}{{r_E}^2}\underset{R-d/2}{\overset{R+d/2}{\∫}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\πr}}{\∫}}\underset{0}{\overset{r_E}{\∫}}\frac{\mathrm{rdrdRd\θ}}{R^2+r^2-2\mathrm{Rr}\cos }-\frac{1}{(r_b^2-r_a^2)}\underset{R-d/2}{\overset{R+d/2}{\∫}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\underset{r_a}{\overset{r_b}{\∫}}\frac{\mathrm{rdrdRd\θ}}{R^2+r^2-2\mathrm{Rr}\cos },$

由于r_a和r_b与r_E三个变量具有依存关系，为了方便分析，选择两个无量纲数α和s代替r_a和r_b，其中

α＝r_a/r_E,α>1为副电极3-2比例因子，

为副电极3-3面积因子。

通过数学分析，

$\begin{array}{c}\underset{s\&RightArrow;0}{\underset{\mathrm{\&alpha;}\&RightArrow;1}{\lim }}F(R,d,r_E,\mathrm{\&alpha;},s)<0,\frac{\&PartialD;F(R,d,r_E,\mathrm{\&alpha;},s)}{{\&PartialD;r}_E}<0,\frac{\&PartialD;F(R,d,r_E,\mathrm{\&alpha;},s)}{\&PartialD;s}<0,\frac{\&PartialD;F(R,d,r_E,\mathrm{\&alpha;},s)}{\&PartialD;\mathrm{\&alpha;}}<0\\ \left|\frac{\&PartialD;F(R,d,r_E,\mathrm{\&alpha;},s)}{{\&PartialD;r}_E}\right|>\left|\frac{\&PartialD;F(R,d,r_E,\mathrm{\&alpha;},s)}{\&PartialD;\mathrm{\&alpha;}}\right|>\left|\frac{\&PartialD;F(R,d,r_E,\mathrm{\&alpha;},s)}{\&PartialD;s}\right|\end{array}$

可知，电刺激单元主电极3-1和副电极3-2的尺寸越大电刺激对肌电信号提取的干扰越大。因此，在设计电极时，通过减少主电极3-1的尺寸是减少噪声的最有效方式，副电极3-2在保证不发生电接触的情况下应尽量贴近主电极3-1，副电极3-2的面积也应尽量小。

Claims (10)

1.一种两用电极，其特征在于，它包括N个电极单元，N为大于等于2的正整数；每个电极单元由上至下依次固定有钮扣式电连接触点(1)、无纺布层(2)、电极层(3)和导电胶层(4)；钮扣式电连接触点(1)穿过无纺布层(2)与电极层(3)相连接；

电极层(3)包括主电极(3-1)和参考电极(3-3)；参考电极(3-3)与主电极(3-1)同轴，且参考电极(3-3)包围主电极(3-1)；且参考电极(3-3)与主电极(3-1)之间的距离为2mm～3mm。

2.根据权利要求1所述的一种两用电极，其特征在于，主电极(3-1)包括1个或多个圆形电极块。

3.根据权利要求1或2所述的一种两用电极，其特征在于，电极层(3)还包括副电极(3-2)；

副电极(3-2)位于参考电极(3-3)与主电极(3-1)之间，参考电极(3-3)、副电极(3-2)和主电极(3-1)同轴，且副电极(3-2)与主电极(3-1)之间的距离为2mm～3mm，副电极(3-2)与参考电极(3-3)之间的距离为2mm～3mm；

钮扣式电连接触点(1)位于副电极(3-2)的上表面。

4.根据权利要求1或2所述的一种两用电极，其特征在于，主电极(3-1)的材料为Ag/AgCl烧结混合物。

5.根据权利要求1或2所述的一种两用电极，其特征在于，所述副电极(3-2)的材料均为石墨纺织物。

6.根据权利要求1或2所述的一种两用电极，其特征在于，所述参考电极(3-3)的材料均为石墨纺织物。

7.根据权利要求1所述的一种两用电极，其特征在于，所述参考电极(3-3)为环状电极。

8.采用权利要求3所述的一种两用电极实现表面肌电提取及经皮电刺激的装置，其特征在于，该装置包括外围电路及两用电极；

所述外围电路包括电极复用电路(5)、表面肌电信号处理电路(6)、经皮电刺激电路(7)及上位机(8)；表面肌电信号处理电路(6)包括差分放大电路(9)、工频陷波电路(10)、低通滤波电路(11)和模数转换电路(12)；

上位机(8)的控制端连接电极复用电路(5)的控制端；上位机(8)的经皮电刺激信号端连接经皮电刺激电路(7)的经皮电刺激信号端；电极复用电路(5)的输入端连接经皮电刺激电路(7)的输出端；差分放大电路(9)的输入端作为表面肌电信号处理电路(6)的输入端连接电极复用电路(5)的输出端，所述差分放大电路(9)的输出端连接工频陷波电路(10)的输入端，所述工频陷波电路(10)的输出端连接低通滤波电路(11)的输入端，所述低通滤波电路(11)的输出端连接模数转换电路(12)的输入端，模数转换电路(12)的输出端作为表面肌电信号处理电路(6)输出端连接上位机(8)的肌电信号输入端；

两用电极的主电极(3-1)的输入输出端连接电极复用电路(5)输出输入端。

9.根据权利要求8所述的采用一种两用电极实现表面肌电提取及经皮电刺激的装置的实现表面肌电提取及经皮电刺激的方法，其特征在于，该方法包括：

上位机(8)向电极复用电路(5)发送经皮电刺激指令，此时电极复用电路(5)将经皮电刺激电路(7)与两用电极连通，实现对人体肌肉或神经的经皮电刺激；

上位机(8)向电极复用电路(5)发送表面肌电信号指令，两用电极采集人体肌肉的表面肌电信号，采用表面肌电信号处理电路(6)对采集到的表面肌电信号进行信号处理后，上传至上位机(8)。

10.根据权利要求9所述的采用两用电极实现表面肌电提取及经皮电刺激的方法，其特征在于，所述采用表面肌电信号处理电路(6)对采集到的表面肌电信号进行信号处理的信号处理过程包括：所述表面肌电信号经过差分放大电路(9)进行放大后发送至工频陷波电路(10)，工频陷波电路对放大的表面肌电信号进行工频滤除并发送至低通滤波电路(11)滤波，经滤波后的表面肌电信号经模数转换电路(12)进行模数转换得到表面肌电信号的数字信号，模数转换电路再将所述表面肌电信号的数字信号发送至上位机(8)。