CN104042212B - 无固定接触式肌电采集系统及其肌电采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无固定接触式肌电采集系统及其肌电采集方法，所述系统包括：多个肌电采集单元以阵列的形式可拆卸地安装在电极阵列固定装置上，其中每一个肌电采集单元均与无线射频接收模块无线连接；电极阵列固定装置，用于放置肌电采集单元，通过调节电极阵列固定装置使肌电采集单元与皮肤紧密接触，并为各个肌电采集单元提供参考电位的连接通路；无线射频接收模块，与多个肌电采集单元无线连接，用于接收每一个肌电采集单元发送的肌电信号特征信息，并将肌电信号特征信息传送至信息处理终端；本发明改变了以往复杂笨重的肌电采集装置，代之以体积小，质量轻，价格低，放置灵活，可重复使用的无线肌电信号采集装置，具备较大的应用价值。

Description

无固定接触式肌电采集系统及其肌电采集方法

技术领域

本发明涉及电生理诊断类设备技术领域的生物电信号的采集、处理和传输仪器，具体是一种基于人体生理特征的无固定接触式肌电采集系统及其肌电采集方法。

背景技术

随着科学技术的不断进步，以及医院就医人数的不断增长，便携式医疗设备应运而生，人们可以足不出户即可使用安全可靠的医疗设备。

肌电信号是肌肉收缩时伴随的电信号，是在体表无创检测肌肉活动的重要方法。通过电极从肌肉表面采集神经肌肉生物电信号，并将其记录，放大，传导和反馈，从而进行肌肉功能的量化评定。它可以对所检查的肌肉进行工作状况、工作效率的量化，指导患者进行神经、肌肉功能训练。其应用背景主要集中在康复医学和体育科学两大领域。临床肌电图的分析大多是肌电图专家通过目测标注的方法来理解和评价，容易引起误差和疲劳，且使得临床上多导肌电信号的“数据压缩”和“特征提取”一直停留在主观处理水平上。上世纪中后期，计算机辅助肌电信号分析和肌电信号自动分析系统的开发研究，从工程角度提出许多对肌电信号进行分析的方法，并取得了一些进展和成绩。

然而通常的肌电信号采集系统使用繁琐、造价较高而且通常需要随身佩戴一个信息记录装置，而且需要在皮肤上涂抹导电介质，值得患者体验较差。而且每个电极需要通过导线与信息记录装置连接，使得患者在测量过程中身上常常缠满了导线，不但影响运动且运动过程中由于电极的移位对信号产生很大干扰。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种无固定接触式肌电采集系统及其肌电采集方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种无固定接触式肌电采集系统，包括多个肌电采集单元、电极阵列固定装置以及无线射频接收模块，其中：

-多个肌电采集单元以阵列的形式可拆卸地安装在电极阵列固定装置上，其中每一个肌电采集单元均与无线射频接收模块无线连接；

-电极阵列固定装置，用于放置肌电采集单元，通过调节电极阵列固定装置使肌电采集单元与采集部位紧密接触，并为各个肌电采集单元提供参考电位的连接通路；

-无线射频接收模块，与多个肌电采集单元无线连接，用于接收每一个肌电采集单元发送的肌电信号特征信息，并将肌电信号特征信息传送至信息处理终端；

所述每一个肌电采集单元均包括：集成的参考电极、肌电测量电极、电源以及信号处理及无线射频发射模块，所述参考电极和肌电测量电极构成肌电采集单元的采集端，所述电源和信号处理及无线射频发射模块构成肌电采集单元的固定端，其中：

-肌电测量电极，整体为环形结构，用于采集肌电信号数据；

-参考电极，设置在肌电测量电极的通孔中心处，可根据需要选择，并为肌电测量电极提供参考电位；

-电源，设置在参考电极的背面，用于向信号处理及无线射频发射模块供电；

-信号处理及无线射频发射模块，设置在肌电测量电极的背面，与无线射频接收模块无线连接，用于对肌电测量电极采集到的肌电信号进行放大、滤波和模式识别，将提取到的肌电信号特征信息发送至无线射频接收模块。

所述肌电测量电极和参考电极均包括：导电材料，填充内胆和底衬，所述导电材料包裹在填充内胆的外部，并安装在底衬上，其中，所述参考电极的底衬为带有弹簧结构的绝缘塑料，所述测量电极的底衬为不带弹簧结构的绝缘塑料；所述肌电测量电极和参考电极的导电材料均为银纤维导电布或电镀银涂层；所述肌电测量电极和参考电极的填充内胆均为海绵或绝缘塑料。

所述导电材料为银纤维，所述填充内胆为海绵填充内胆。

所述肌电测量电极和参考电极均可拆卸。

所述电源为可充电锂电池。

所述肌电采集单元的大小为2×2×1．5cm。

所述电极阵列固定装置包括多个肌电采集单元固定槽以及自粘弹性绑带，所述多个肌电采集单元固定槽以阵列的形式设置在自粘弹性绑带上，每一个肌电采集单元固定槽的槽底均为金属导电材料，多个肌电采集单元固定槽的槽底通过柔性导线相互连接，所述肌电采集单元固定槽与肌电采集单元的固定端的形状相适配。

所述白粘弹性绑带的形状呈十字叉状、带状、扇形或蝶形。

所述无线射频接收模块，包括射频天线以及microUSB接口，其中，所述射频天线用于接收信号处理及无线射频发射模块发送的肌电信号特征信息，所述microUSB接口用于与信息处理终端相连接。

所述射频天线为板载射频天线或外接2db-9db天线。

所述无线射频接收模块的大小为2x4x0．5cm。

上述无固定接触式肌电采集系统，还包括肌电采集单元充电座，所述肌电采集单元充电座包括充电槽和USB接口，所述USB接口用于与外部电源相连接，所述充电槽与肌电采集单元的固定端的形状相适配，并用于肌电采集单元的使用前充电。

一种无固定接触式肌电采集系统的肌电采集方法，包括以下步骤：

步骤1，肌电信号数据采集：多个肌电采集单元构成肌电采集单元阵列：

-任一个肌电采集单元的参考电极为弹起状态时，能够作为该肌电采集单元的肌电测量电极的参考电极，并为其他肌电采集单元提供参考电位；或

-任一个肌电采集单元的参考电极为按下状态时，该该肌电采集单元的肌电测量电极使用其他肌电采集单元提供的参考电位；

从而完成多路肌电信号的数据采集；

步骤2，肌电信号预处理：将步骤1中采集到的肌电信号送至信号处理及无线射频发射模块，进行放大和滤波，并通过模式匹配的方法提取肌电信号特征信息；

步骤3，肌电信号特征信息的无线射频发送：将步骤2中得到的肌电信号特征信息，通过无线射频发送至无线射频接收模块；

步骤4，肌电信号特征信息的无线射频接收：无线射频接收模块可同时接受多路肌电信号及其特征信息，并通过microUSB口转发给信息处理终端。

所述步骤1中，参考电极的状态选择方法为，按下对应采集单元的参考电极按钮。

所述步骤2中，肌电采集单元无需用户配置传输地址，并且在测量时加入更多的肌电采集单元而不影响正在工作的肌电采集单元。

所述信号处理及无线射频发射模块采用智能中继多点无线医疗设备通信协议，包括：IEEEl1073定义的医疗设备互联通信标准和IEC80001医疗设备IT网络风险管理协议。

所述步骤2和步骤3中使用的信号处理及信号传输代码均在信号处理及无线射频发射模块的嵌入式系统中实现。

本发明的第一创新点在于本肌电采集系统包含多个参考电极，通过按下和弹起参考电极，从而在使用时可以根据需要选择其中任意一个或几个参考电极作为系统的参考电极，这一创新克服了传统肌电测量过程中需多次选择参考电极的测量位置时需要反复粘黏电极的问题；

本发明的第二创新点在于将肌电信号的采集，特征提取及无线射频发送均集成在一个由锂电池供电的肌电采集单元中，并可以将多个采集单元组合使用，这一创新克服了现有肌电采集系统需要通过凝胶将电极粘贴于患处、信号干扰强、电极容易脱落、需要很长的传输电缆连接到肌电图仪等问题，随着目前低功耗芯片制造技术，锂电池供电技术的极大发展和成本的持续降低，本发明将可充电锂电池和信号处理及无线发射模块压缩在2-4cm大小的模块中并可持续工作10小时，重复充电1000次以上；

本发明的第三创新点在于电极阵列固定装置为带有肌电采集单元固定槽的白粘弹性绑带，根据用于人体患处的不同(手臂，腿部，肩颈)呈十字叉状，带状，扇形，蝶形等，电极阵列固定装置无需使用任何有机溶剂，能够使电极紧贴在人体的各个部位上，佩戴者体验舒适轻便，不影响日常活动，甚至是剧烈运动；

本发明的第四创新点在于将无线射频接收模块同样压缩至2*4cm大小，并可同时支持多路肌电信号上传。

随着智能手机和平板电脑技术的不断发展，肌电图的处理和显示已经不再局限于特定的肌电图仪。本发明提供的无固定接触式肌电采集系统及其肌电采集方法，通过连接无线射频接收模块，智能手机和平板电脑已经成为便携式肌电图仪的首选信息处理终端。本发明改变了以往复杂笨重的肌电采集装置，代之以体积小，质量轻，价格低，放置灵活，可重复使用的无线肌电信号采集装置，具备较大的应用价值。

本发明将肌电信号的采集，放大，滤波，特征提取和无限射频发送集成在2-4cm的独立模块上并由可充电锂电时供电，克服了普通肌电采集系统不易操作、接触不熨帖导致的信号干扰、以及电极脱落和使用信号传输电缆引起的不便等问题，能够使电极最大限度的敷贴在人体皮肤上，并准确采集肌电信号并实时的无线传输到终端，并根据用户要求迅速摘取且无需任何有机溶剂，具有操作简单、采集速度快、功能强大等特点。

附图说明

图1为肌电采集单元的采集端；

图2为肌电采集单元的固定端；

图3为电极阵列固定装置；

图4为无线射频接收模块；

图5为肌电采集单元充电座；

图中，1为参考电极，2为肌电测量电极，3为锂电池，4为信号处理及无线射频发射模块，6为肌电采集单元固定槽的槽底，7为肌电采集单元固定槽，8为自粘弹性绑带，9为射频天线，10为microUSB接口，11为充电槽，13为USB接口。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供了一种无固定接触式肌电采集系统，包括多个肌电采集单元、电极阵列固定装置以及无线射频接收模块，其中：

-多个肌电采集单元以阵列的形式可拆卸地安装在电极阵列固定装置上，其中每一个肌电采集单元均与无线射频接收模块无线连接；

-电极阵列固定装置，用于放置肌电采集单元，通过调节电极阵列固定装置使肌电采集单元与采集部位紧密接触，并为各个肌电采集单元提供参考电位的连接通路；

-无线射频接收模块，与多个肌电采集单元无线连接，用于接收每一个肌电采集单元发送的肌电信号特征信息，并将肌电信号特征信息传送至信息处理终端；

如图1和图2所示，所述每一个肌电采集单元均包括：集成的参考电极、肌电测量电极、电源以及信号处理及无线射频发射模块，所述参考电极和肌电测量电极构成肌电采集单元的采集端，所述电源和信号处理及无线射频发射模块构成肌电采集单元的固定端，其中：

-肌电测量电极，整体为环形结构，用于采集肌电信号数据；

-参考电极，设置在肌电测量电极的通孔中心处，可根据需要选择，并为肌电测量电极提供参考电位；

-电源，设置在参考电极的背面，用于向信号处理及无线射频发射模块供电；

-信号处理及无线射频发射模块，设置在肌电测量电极的背面，与无线射频接收模块无线连接，用于对肌电测量电极采集到的肌电信号进行放大、滤波和模式识别，将提取到的肌电信号特征信息发送至无线射频接收模块。

进一步地，所述肌电测量电极和参考电极均包括：导电材料、填充内胆以及底衬。其中，所述导电材料包裹在填充内胆的外部，并安装在底衬上。所述参考电极的底衬为带有弹簧结构的绝缘塑料，所述测量电极的底衬为不带弹簧结构的绝缘塑料。所述导电材料可以为银纤维导电布或者电镀银涂层。所述填充内胆可以为海绵或者绝缘塑料。具体为，所述肌电测量电极和参考电极的设计方案可以为银纤维导电布包裹海绵内胆并粘贴在绝缘塑料底衬上，也可以为电镀银涂层覆盖在绝缘塑料内胆上并粘贴在绝缘塑料底衬上。

进一步地，肌电测量电极和参考电极优选为银纤维肌电测量电极和银纤维参考电，其中，所述导电材料为银纤维，所述填充内胆为海绵填充内胆。

进一步地，所述肌电测量电极和参考电极均可拆卸。

进一步地，所述电源为可充电锂电池。

进一步地，所述肌电采集单元的大小为2x2x1．5cm。

进一步地，所述电极阵列固定装置包括多个肌电采集单元固定槽以及自粘弹性绑带，所述多个肌电采集单元固定槽以阵列的形式设置在白粘弹性绑带上，每一个肌电采集单元固定槽的槽底均为金属导电材料，多个肌电采集单元固定槽的槽底通过柔性导线相互连接，所述肌电采集单元固定槽与肌电采集单元的固定端的形状相适配。

进一步地，所述白粘弹性绑带的形状呈十字叉状、带状、扇形或蝶形。

进一步地，所述无线射频接收模块，包括射频天线以及microUSB接口，其中，所述射频天线用于接收信号处理及无线射频发射模块发送的肌电信号特征信息，所述microUSB接口用于与信息处理终端相连接。

进一步地，所述射频天线为板载射频天线或外接2db-9db天线。

进一步地，所述无线射频接收模块的大小为2×4×0．5cm。

上述无固定接触式肌电采集系统，还包括肌电采集单元充电座，所述肌电采集单元充电座包括充电槽和USB接口，所述USB接口用于与外部电源相连接，所述充电槽与肌电采集单元的固定端的形状相适配，并用于肌电采集单元的使用前充电。

本实施例提供的无固定接触式肌电采集系统，其肌电采集方法，包括以下步骤：

步骤1，肌电信号数据采集：多个肌电采集单元构成肌电采集单元阵列，其中的肌电采集单元数量以及肌电采集单元的参考电极和肌电测量电极的位置可根据需要变换：

-任一个肌电采集单元的参考电极为弹起状态时，可作为该肌电采集单元的肌电测量电极的参考电极，并为其他肌电采集单元提供参考电位；或

-任一个肌电采集单元的参考电极为按下状态时，该肌电采集单元的肌电测量电极使用其他肌电采集单元提供的参考电位；

从而完成多路肌电信号的数据采集；

步骤2，肌电信号预处理：将步骤1中采集到的肌电信号送至信号处理及无线射频发射模块，进行放大和滤波，并通过模式匹配的方法提取肌电信号特征信息；

步骤3，肌电信号特征信息的无线射频发送：将步骤2中得到的肌电信号特征信息，通过无线射频发送至无线射频接收模块；

步骤4，肌电信号特征信息的无线射频接收：无线射频接收模块可同时接受多路肌电信号及其特征信息，并通过microUSB口转发给信息处理终端。

进一步地，所述步骤1中，参考电极的状态选择方法为，按下对应采集单元的参考电极按钮。

进一步地，所述步骤2中，肌电采集单元无需用户配置传输地址，并且在测量时加入更多的肌电采集单元而不影响正在工作的肌电采集单元。

进一步地，所述信号处理及无线射频发射模块采用智能中继多点无线医疗设备通信协议，包括：IEEEll073定义的医疗设备互联通信标准和IEC80001医疗设备IT网络风险管理协议。

进一步地，所述步骤2和步骤3中使用的信号处理及信号传输代码均在信号处理及无线射频发射模块的嵌入式系统中实现。

电极正面是与人体皮肤直接接触的部分，包括银纤维参考电极，银纤维肌电测量电极。电极反面包括可充电锂电池和信号处理及无线射频发射模块。可充电锂电池采用3．6VLIR2032纽扣电池。其中银纤维参考电极和银纤维肌电测量电极由银纤维导电材料、海绵填充内胆、底衬组成；银纤维导电材料包裹海绵填充内胆，与底衬构成银纤维导电电极；银纤维参考电极和银纤维肌电测量电极均可拆卸更换。信号处理及无线射频发射模块是基于Nordic公司的nRF24L01芯片平台实现。信号的无线射频接收是基于Nordic公司的nRF24LU1P芯片平台实现。

肌电采集单元安装在电极阵列固定装置上，通过电极阵列固定装置紧贴人体皮肤。肌电采集单元中的信号处理及无线射频发射模块由可充电锂电池供电，对采集到的肌电信号进行放大，滤波和模式识别，将提取到的肌电信号特征信息通过无线射频发送至无线射频接收模块。无线射频接收模块通过射频天线接收多路肌电信号特征信息并通过microUSB与手机，平板电脑或台式电脑相连。肌电采集单元使用前需插入电极充电座充电。

银纤维参考电极和银纤维肌电测量电极包括银纤维导电材料、海绵填充内胆、底衬；银纤维导电材料包裹海绵填充内胆，与底衬构成银纤维导电电极；银纤维参考电极和银纤维肌电测量电极均可拆卸更换。每个肌电采集单元均包含一块可充电锂电池，锂电池与信号处理与无线射频发射模块集成为一整体，安装在肌电采集单元固定槽上，并可随需安装或拆卸。电池可持续工作10小时，重复充电1000次以上。银纤维参考电极在弹起状态时可作为银纤维肌电测量电极的参考电极，并为其他肌电采集单元提供参考电位，银纤维参考电极在按下状态时，银纤维肌电测量电极将使用其他肌电采集单元提供的参考电位。整个肌电采集单元的功能包括肌电信号的采集，放大，滤波，提取特征信息以及将特征信息无线射频发送。

电极阵列固定装置为带有肌电采集单元固定槽的白粘弹性绑带，根据用于人体患处的不同(手臂，腿部，肩颈)呈十字叉状，带状，扇形，蝶形等。肌电采集单元固定槽底部为金属导电材料，所有固定槽的底部均通过柔性导线相连，在肌电采集单元被按下时，该肌电采集单元的银纤维参考电极将与固定槽底部连通，也就意味着该肌电采集单元采用公共的参考电极作为参考电位。

无线射频接收模块包含射频天线和MicroUSB口两部分。可根据需要选择板载射频天线或者外接2db-9db天线。可同时接收多路肌电采集单元的信号并通过microUSB接口将数据发给手机，平板电脑，或台式电脑等信息处理终端。

电极充电座，包含了充电槽和USB口两部分。肌电采集单元使用前需插入充电槽充电，整个充电槽由USB口供电。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种无固定接触式肌电采集系统，其特征在于，包括多个肌电采集单元、电极阵列固定装置以及无线射频接收模块，其中：

-多个肌电采集单元以阵列的形式可拆卸地安装在电极阵列固定装置上，其中每一个肌电采集单元均与无线射频接收模块无线连接；

-电极阵列固定装置，用于放置肌电采集单元，通过调节电极阵列固定装置使肌电采集单元与采集部位紧密接触，并为各个肌电采集单元提供参考电位的连接通路；

-无线射频接收模块，与多个肌电采集单元无线连接，用于接收每一个肌电采集单元发送的肌电信号特征信息，并将肌电信号特征信息传送至信息处理终端；

所述每一个肌电采集单元均包括：集成的参考电极、肌电测量电极、电源以及信号处理及无线射频发射模块，所述参考电极和肌电测量电极构成肌电采集单元的采集端，所述电源和信号处理及无线射频发射模块构成肌电采集单元的固定端，其中：

-肌电测量电极，整体为环形结构，用于采集肌电信号数据；

-参考电极，设置在肌电测量电极的通孔中心处，为肌电测量电极提供参考电位；

-电源，设置在参考电极的背面，用于向信号处理及无线射频发射模块供电；

-信号处理及无线射频发射模块，设置在肌电测量电极的背面，与无线射频接收模块无线连接，用于对肌电测量电极采集到的肌电信号进行放大、滤波和模式识别，将提取到的肌电信号特征信息发送至无线射频接收模块。

2.根据权利要求1所述的无固定接触式肌电采集系统，其特征在于，所述肌电测量电极和参考电极均包括：导电材料，填充内胆和底衬，所述导电材料包裹在填充内胆的外部，并安装在底衬上，其中，所述参考电极的底衬为带有弹簧结构的绝缘塑料，所述肌电测量电极的底衬为不带弹簧结构的绝缘塑料；所述肌电测量电极和参考电极的导电材料均为银纤维导电布或电镀银涂层；所述肌电测量电极和参考电极的填充内胆均为海绵或绝缘塑料。

3.根据权利要求1所述的无固定接触式肌电采集系统，其特征在于，所述电源为可充电锂电池。

4.根据权利要求1所述的无固定接触式肌电采集系统，其特征在于，所述电极阵列固定装置包括多个肌电采集单元固定槽以及自粘弹性绑带，所述多个肌电采集单元固定槽以阵列的形式设置在自粘弹性绑带上，每一个肌电采集单元固定槽的槽底均为金属导电材料，多个肌电采集单元固定槽的槽底通过柔性导线相互连接，所述肌电采集单元固定槽与肌电采集单元的固定端的形状相适配；

所述自粘弹性绑带的形状呈十字叉状、带状、扇形或蝶形。

5.根据权利要求1所述的无固定接触式肌电采集系统，其特征在于，所述无线射频接收模块，包括射频天线以及microUSB接口，其中，所述射频天线用于接收信号处理及无线射频发射模块发送的肌电信号特征信息，所述microUSB接口用于与信息处理终端相连接；

所述射频天线为板载射频天线或外接2db-9db天线。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的无固定接触式肌电采集系统，其特征在于，还包括肌电采集单元充电座，所述肌电采集单元充电座包括充电槽和USB接口，所述USB接口用于与外部电源相连接，所述充电槽与肌电采集单元的固定端的形状相适配，并用于肌电采集单元的使用前充电。

7.一种利用权利要求1至6中任一项所述的无固定接触式肌电采集系统的肌电采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，肌电信号数据采集：多个肌电采集单元构成肌电采集单元阵列：

-任一个肌电采集单元的参考电极为弹起状态时，能够作为该肌电采集单元的肌电测量电极的参考电极，并为其他肌电采集单元提供参考电位；或

-任一个肌电采集单元的参考电极为按下状态时，该肌电采集单元的肌电测量电极使用其他肌电采集单元提供的参考电位；

从而完成多路肌电信号的数据采集；

步骤2，肌电信号预处理：将步骤1中采集到的肌电信号送至信号处理及无线射频发射模块，进行放大和滤波，并通过模式匹配的方法提取肌电信号特征信息；

步骤3，肌电信号特征信息的无线射频发送：将步骤2中得到的肌电信号特征信息，通过无线射频发送至无线射频接收模块；

步骤4，肌电信号特征信息的无线射频接收：无线射频接收模块同时接受多路肌电信号及其特征信息，并通过microUSB口转发给信息处理终端。

8.根据权利要求7所述的无固定接触式肌电采集系统的肌电采集方法，其特征在于，所述步骤1中，参考电极的状态选择方法为，按下对应采集单元的参考电极按钮。

9.根据权利要求7所述的无固定接触式肌电采集系统的肌电采集方法，其特征在于，所述步骤1中，所述信号处理及无线射频发射模块采用智能中继多点无线医疗设备通信协议，包括：IEEE11073定义的医疗设备互联通信标准和IEC80001医疗设备IT网络风险管理协议。

10.根据权利要求7所述的无固定接触式肌电采集系统的肌电采集方法，其特征在于，所述步骤1中，所述步骤2和步骤3中使用的信号处理及信号传输代码均在信号处理及无线射频发射模块的嵌入式系统中实现。