CN106137189B - 一种运动机能恢复检测仪 - Google Patents

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Abstract

为了提高运动机能恢复信号的处理精度，降低其中混杂的噪声，本发明提供了一种运动机能恢复检测仪，包括：控制单元、运动机能训练和检测单元，以及信号存储与处理单元，其中所述控制单元控制所述运动机能训练和检测单元辅助人体进行机能训练并进行运动机能恢复信号的检测，所述信号存储与处理单元用于存储被转换成数字信号格式的所述运动机能训练和检测单元输出的人体运动机能恢复信号以供分析和参考。本发明能够避免出现激励信号对肌电信号的混叠和干扰，极大地提高了现有运动机能恢复情况主要依靠人工判断的缺陷，克服了现有的检测设备对干扰和混叠的处理无法满足要求的弊端。

Description

一种运动机能恢复检测仪
技术领域
本发明涉及运动机能监测设备的信号处理技术领域，更具体地，涉及一种运动机能恢复检测仪。
背景技术
现代康复科学认为，人体受伤后的运动机能能够通过适当的运动和锻炼得到康复，例如，借助于健身器。然而，传统的健身器通常功能简单、价格昂贵，主要用于健康人的体能强化训练或健身训练。不适合用作中风或偏瘫患者康复的机能训练。现有技术中，中风或偏瘫患者康复的机能训练通常由专业理疗师完成，其治疗费用高、疗程长，通常需要使用者到医院接受训练，从而带来很多不便。对健康者而言，通常的健身费用很高，且受场地、人员、费用等诸多方面的限制。
康复机器人技术在欧美等国家已经得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，比较典型的是1991年MIT设计完成了第一台上肢运动机能恢复机器人系统MIT-MANUS，该设备采用五连杆机构，末端阻抗较小，利用阻抗控制实现训练的安全性、稳定性和平顺性，它有2个自由度，帮助中风患者的肩、肘运动。另一个上肢运动机能恢复机器人系统是MIME，该设备由斯坦福大学研究人员设计，使用工业机器人PUMA-560对患者患肢进行操纵，既可以提供平面运动训练，也可以作三维运动训练。患者前臂以夹板夹持，夹板上装有六轴力传感器、气动过载断开传感器和快速连接/断开机构。在我国，清华大学等高校也在进行积极研究。
目前，运动机能恢复用途的机器人逐渐形成了远程监督和指导的机制，即，通常以电极激励后反馈获得的肌音信号和/或肌电信号为目标，发送到远端指导者所在的监控端进行监控和指导。然而，反馈得到的信号中，难免混杂有人体正常的生理机能、代谢机能等产生的噪声，并且，当刺激作用肌肉和诱发肌电同时发生并且刺激电极和记录电极的位置相近时，肌电信号混有激励信号的干扰，会影响到信号的采集精度。
发明内容
为了在运动机能恢复过程中从康复机器人获得准确表示运动机能恢复状态的信号，本发明提供了一种运动机能恢复检测仪，包括：控制单元、运动机能训练和检测单元，以及信号存储与处理单元，其中所述控制单元控制所述运动机能训练和检测单元辅助人体进行机能训练并进行运动机能恢复信号的检测，所述信号存储与处理单元用于存储被转换成数字信号格式的所述运动机能训练和检测单元输出的人体运动机能恢复信号以供分析和参考。
进一步地，所述运动机能训练和检测单元包括：用于进行运动机能恢复和锻炼的运动机能训练设备以及用于在该恢复和锻炼过程中检测运动机能恢复信号的运动机能训练检测设备，所述运动机能训练设备包括通过激励电极向被激励部位发射电极激励信号的电极激励信号产生单元以及采集作为该电极激励信号的响应的肌电响应信号采集单元，所述运动机能训练检测设备包括：激励残余去除信号单元、信号检测模式匹配单元、放大通道开关阵列、第一滤波单元和第二滤波单元，其中所述激励残余去除信号单元、所述信号检测模式匹配单元、所述放大通道开关阵列、所述第一滤波单元和所述第二滤波单元顺次串联。
进一步地，所述激励残余去除信号单元用于消除肌电信号采集单元内的激励信号干扰分量，包括：电极激励信号特征频谱产生单元、肌电信号频谱生成单元、延时确定单元、延时单元、求差电路，其中所述电极激励信号特征频谱产生单元产生在所述电极激励信号产生单元产生的电极激励信号的基础上被附加有特定激励信号特征的预定信号频谱，该信号频谱被输入到所述延时确定单元，所述延时确定单元用于根据所述预定信号频谱的周期性特征确定其与所述电极激励信号产生单元产生的电极激励信号的频谱之间的相位差，并根据该相位差确定所述电极激励信号产生单元向被激励部位产生电极激励信号后与所述肌电信号采集单元采集到响应信号之间的时间差，所述延时单元根据该时间差对所述电极激励信号产生单元产生的电极激励信号进行延时，延时后得到的信号被与所述肌电信号采集单元采集到的肌电响应信号共同输入到所述求差电路，从而将所述电极激励信号在所述肌电响应信号中的残余从所述肌电响应信号中去除。
进一步地，所述预定信号频谱为具有2秒的方波信号的频谱。
进一步地，所述信号检测模式匹配单元包括：模式存储器、频谱分析单元和数据处理器，所述模式存储器存储有与运动机能恢复信号的多种模式一一对应的电极激励信号的频谱的第一特征值，所述频谱分析单元用于将所述电极激励信号产生单元产生的电极激励信号变换为频谱并确定该频谱的第二特征值，所述第二特征值与所述第一特征值类型相同，所述数据处理器在所述模式存储器中查找所述第二特征值，并确定与之匹配的第一特征值对应的模式。
进一步地，所述第一特征值和所述第二特征值均为谱密度。
进一步地，所述放大通道开关阵列包括多个可控开关和与之串联的放大器构成的开关阵列以及通道状态存储器，所述开关阵列内的各个放大器的输入端与向被激励部位发射电极激励信号的各个激励电极一一对应地串接，所述通道状态存储器用于存储与所述多种模式一一对应的各个激励电极在该各个模式下的最佳开关状态，所述开关阵列根据所述信号检测模式匹配单元确定的模式从所述通道状态存储器中查找与该模式对应的各个激励电极在该模式下的最佳开关状态，并控制所述开关阵列内的各个可控开关的开关状态。
进一步地，所述最佳开关状态根据各种运动机能恢复模式之一下，对断开和/或闭合各个可控开关后获得的肌电响应信号的信噪比之间的关系确定。
进一步地，所述第一滤波单元为带通滤波器，其下截止频率和上截止频率分别为5Hz和1800Hz。
进一步地，所述第二滤波单元包括：6.84kΩ电阻、19.73kΩ电阻、9.75kΩ电阻、14.3kΩ电阻、5.13kΩ电阻、10.94kΩ电阻、1.73kΩ电阻、3.91kΩ电阻、2.8kΩ电阻、5kΩ电阻、2kΩ电阻、第一1kΩ电阻、第一2.5kΩ电阻、第一2.2kΩ电阻、第二2.2kΩ电阻、第二1kΩ电阻、9.31kΩ电阻、2.32kΩ电阻、4.2kΩ电阻、4.8kΩ电阻、第二2.5kΩ电阻、0.27uF电容、0.22uF电容、第一0.31uF电容、0.33uF电容、0.38uF电容、0.82uF电容、6.8uF电容、0.57uF电容、第二0.31uF电容、0.12uF电容、2uF电容、第一0.8uF电容、第二0.8uF电容、第一0.35uF电容、第二0.35uF电容、第三0.31uF电容、0.47uF电容、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、第五运算放大器、第六运算放大器、第七运算放大器、第一齐纳二极管、第二齐纳二极管、第三齐纳二极管、第四齐纳二极管、第五齐纳二极管、第六齐纳二极管、第七齐纳二极管、第一求差电路，以及第二求差电路，其中，所述6.84kΩ电阻的第一端分别连接输入信号端以及2.8kΩ电阻的第一端，所述6.84kΩ电阻的第二端连接所述19.73kΩ电阻的第一端，所述19.73kΩ电阻的第二端分别连接所述第一运算放大器的正输入端和所述0.22uF电容的第一端，所述0.22uF电容的第二端接地，所述19.73kΩ电阻的第一端还连接所述0.27uF电容的第一端，所述0.27uF电容的第二端连接所述第一运算放大器的输出端、2uF电容的第一端、所述9.75kΩ电阻的第一端以及第一运算放大器的负输入端，所述9.75kΩ电阻的第二端与所述14.3kΩ电阻的第一端串联，所述14.3kΩ电阻的第二端分别连接所述第二运算放大器的正输入端和所述第一0.31uF电容的第一端，所述第一0.31uF电容的第二端接地，所述14.33kΩ电阻的第一端还连接所述0.33uF电容的第一端，所述0.33uF电容的第二端连接所述第二运算放大器的输出端、2uF电容的第一端、所述5.13kΩ电阻的第一端以及第二运算放大器的负输入端，所述2.8kΩ电阻的第二端分别连接所述第二0.31uF电容的第一端、所述0.12uF电容的第一端和所述4.2kΩ电阻的第一端，所述4.2kΩ电阻的第二端接地，所述0.12uF电容的第二端分别连接所述第三运算放大器的负输入端和所述4.8kΩ电阻的第一端，所述第二0.31uF电容的第二端分别连接所述4.8kΩ电阻的第二端和所述第三运算放大器的输出端以及第一齐纳二极管的正极，所述第一齐纳二极管的负极连接所述第二求差电路的正输入端，所述第二求差电路的输出端连接所述第一1kΩ电阻的第二端和所述第二0.8uF电容的第一端，所述第三运算放大器的正输入端连接直流电压，所述2uF电容的第二端分别连接所述第四运算放大器的正输入端、输出端、第一1kΩ电阻的第一端以及5kΩ电阻的第一端，所述5kΩ电阻的第二端连接所述第四运算放大器的负输入端，所述第四运算放大器的输出端还连接第二齐纳二极管的正极，所述第二齐纳二极管的负极分别连接所述5.13kΩ电阻的第一端和所述2kΩ电阻的第一端，所述第三运算放大器的输出端还分别连接所述第三齐纳二极管的负极、第一0.8uF电容的第一端以及所述第一2.5kΩ电阻的第一端，所述第三齐纳二极管的正极分别连接所述第一齐纳二极管的正极、第二0.8uF电容的第一端、第四齐纳二极管的正极、第一1kΩ电阻的第二端、第二1kΩ电阻的第一端、第二2.2kΩ电阻的第一端，所述第一2.5kΩ电阻的第二端分别连接所述2kΩ电阻的第二端和所述5.13kΩ电阻的第二端以及第五齐纳二极管的负极和所述第一2.2kΩ电阻的第一端，所述第四齐纳二极管的正极、第一0.8uF电容的第二端、第二0.8uF电容的第二端、所述第二1kΩ电阻的第二端、所述第一0.35uF电容的第二端、所述第二0.35uF电容的第二端、第六齐纳二极管的负极均接地，所述第二2.2kΩ电阻的第二端分别连接所述第二0.35uF电容的第一端、第六齐纳二极管的正极、第七齐纳二极管的正极，所述第一2.2kΩ电阻的第二端分别连接所述第一0.35uF电容的第一端、第七齐纳二极管的负极以及9.31kΩ电阻的第一端，所述5.13kΩ电阻的第二端分别连接第五齐纳二极管的负极、所述10.94kΩ电阻的第一端以及所述0.82uF电容的第一端，所述10.94kΩ电阻的第二端分别连接第五运算放大器的正输入端、0.38uF电容的第一端，所述0.38uF电容的第二端接地，所述0.82uF电容的第二端分别连接所述第五运算放大器的输出端、所述1.73kΩ电阻的第一端、所述第五运算放大器的负输入端以及所述第五齐纳二极管的正极，所述1.73kΩ电阻的第二端分别连接所述3.91kΩ电阻的第一端以及所述6.8uF电容的第一端，所述3.91kΩ电阻的第二端分别连接第六运算放大器的正输入端和0.57uF电容的第一端，所述0.57uF电容的第二端接地，所述6.8uF电容的第二端分别连接所述第六运算放大器的输出端、所述第一求差电路的负输入端以及所述第六运算放大器的负输入端，所述9.31kΩ电阻的第二端分别连接所述0.47uF电容的第一端、所述第三0.31uF电容的第一端以及2.32kΩ电阻的第一端，所述2.32kΩ电阻的第二端接地，所述第三0.31uF电容的第二端分别连接所述第七运算放大器的负输入端、所述第二2.5kΩ电阻的第一端，所述第二2.5kΩ电阻的第二端分别连接所述0.47uF电容的第二端、第七运算放大器的输出端，所述第七运算放大器的正输入端连接直流电压，所述第七运算放大器的输出端还连接所述第一求差电路的正输入端，所述第一求差电路的输出端连接所述第二求差电路的负输入端，所述第一求差电路的输出端连接输出信号端。
本发明的有益效果是：
(1)本发明能够避免出现激励信号对肌电信号的混叠和干扰，极大地提高了现有运动机能恢复情况主要依靠人工判断的缺陷，克服了现有的检测设备对干扰和混叠的处理无法满足要求的弊端；
(2)本发明从频率域的角度甄别激励信号与肌电信号之间的频谱关系，进而得到肌电信号与激励信号之间的延时信息，为提高肌电信号的纯净度奠定了坚实的基础，相对于直接从现有技术中的时间域处理方式具有更强的抗噪效果和甄别性能；
(3)通过模式选取和基于统计学的大数据量训练，本发明能够智能化地控制激励电极的通道是打开还是闭合，从而尽可能地在相应的运动机能恢复过程中去除噪音，提高总体的输出信号信噪比；
(4)采用谱密度作为频谱甄别，有利于节省运算量，降低功耗；
(5)通过带通滤波器，能够初步地进行肌电信号筛选，为后续精细滤波奠定了基础；
(6)本发明提供了一种经过特别设计的滤波电路单元，其结合低阶有源滤波器和低阶无源滤波器并根据滤波器结构的新颖设计，不仅降低了负载效应而且适用于包括对心率信号、运动信号、肌电信号等可能具有较高频率或较低频率且频率变化不规律的信号在内的宽可变信号滤波范围；相比于现有技术中常见的0-10kHz频率的宽频范围滤波处理能力且无法保证宽适用范围下的线性度的弊端，经测试，该滤波电路在保证70Hz低频截止频率的前提下，具有10-25kHz的宽频滤波范围，衰减小于1.9dB，三阶截获点达到30dBm，具有优良的输出线性度和频率输出稳定度，相对于国外专门制造商的芯片极大地降低了成本，有利于可穿戴设备在我国的长足发展和推广普及。
(7)本发明将智能化通道控制和精心设计的滤波单元组成的滤波电路相结合，适合于多种康复模式的不同精度要求，在训练数据的基础上，更具有良好的可扩充性。
附图说明
图1示出了根据本发明的运动机能恢复检测仪的组成框图。
图2示出了第二滤波单元的电路图。
具体实施方式
如图1所示，根据本发明的优选实施例，本发明提供了一种运动机能恢复检测仪，包括：控制单元、运动机能训练和检测单元，以及信号存储与处理单元，其中所述控制单元控制所述运动机能训练和检测单元辅助人体进行机能训练并进行运动机能恢复信号的检测，所述信号存储与处理单元用于存储被转换成数字信号格式的所述运动机能训练和检测单元输出的人体运动机能恢复信号以供分析和参考。
所述控制单元基于ARM或DSP等具有处理能力的处理器实现，所述信号存储与处理单元包括将运动机能恢复信号传输到计算机的通信模块以及对该信号进行数字化转换的模数处理模块和存储器。所述模数处理模块可以选用现有技术中的AD芯片及其周边电路的典型应用实现，所述存储器优选采用Flash存储器阵列。
所述运动机能训练和检测单元包括：用于进行运动机能恢复和锻炼的运动机能训练设备以及用于在该恢复和锻炼过程中检测运动机能恢复信号的运动机能训练检测设备，所述运动机能训练设备包括通过激励电极向被激励部位发射电极激励信号的电极激励信号产生单元以及采集作为该电极激励信号的响应的肌电响应信号采集单元，所述运动机能训练检测设备包括：激励残余去除信号单元、信号检测模式匹配单元、放大通道开关阵列、第一滤波单元和第二滤波单元，其中所述激励残余去除信号单元、所述信号检测模式匹配单元、所述放大通道开关阵列、所述第一滤波单元和所述第二滤波单元顺次串联。
优选地，所述激励残余去除信号单元用于消除肌电信号采集单元内的激励信号干扰分量，包括：电极激励信号特征频谱产生单元、肌电信号频谱生成单元、延时确定单元、延时单元、求差电路，其中所述电极激励信号特征频谱产生单元产生在所述电极激励信号产生单元产生的电极激励信号的基础上被附加有特定激励信号特征的预定信号频谱，该信号频谱被输入到所述延时确定单元，所述延时确定单元用于根据所述预定信号频谱(该预定信号为方波时，其频谱具有周期性)的周期性特征确定其与所述电极激励信号产生单元产生的电极激励信号的频谱之间的相位差，并根据该相位差确定所述电极激励信号产生单元向被激励部位产生电极激励信号后与所述肌电信号采集单元采集到响应信号之间的时间差(因肌电信号采集单元采集到的响应信号中混杂有在幅度上被衰减但频谱特征不会改变的电极激励信号)，所述延时单元根据该时间差对所述电极激励信号产生单元产生的电极激励信号进行延时，延时后得到的信号被与所述肌电信号采集单元采集到的肌电响应信号共同输入到所述求差电路，从而将所述电极激励信号在所述肌电响应信号中的残余从所述肌电响应信号中去除。
优选地，所述预定信号频谱为具有2秒的方波信号的频谱。
优选地，所述信号检测模式匹配单元包括：模式存储器、频谱分析单元和数据处理器，所述模式存储器存储有与运动机能恢复信号的多种模式一一对应的电极激励信号的频谱的第一特征值，所述频谱分析单元用于将所述电极激励信号产生单元产生的电极激励信号变换为频谱并确定该频谱的第二特征值，所述第二特征值与所述第一特征值类型相同，所述数据处理器在所述模式存储器中查找所述第二特征值，并确定与之匹配的第一特征值对应的模式。
优选地，所述第一特征值和所述第二特征值均为谱密度。
优选地，所述放大通道开关阵列包括多个可控开关和与之串联的放大器构成的开关阵列以及通道状态存储器，所述开关阵列内的各个放大器的输入端与向被激励部位发射电极激励信号的各个激励电极一一对应地串接，所述通道状态存储器用于存储与所述多种模式一一对应的各个激励电极在该各个模式下的最佳开关状态，所述开关阵列根据所述信号检测模式匹配单元确定的模式从所述通道状态存储器中查找与该模式对应的各个激励电极在该模式下的最佳开关状态，并控制所述开关阵列内的各个可控开关的开关状态。
优选地，所述最佳开关状态根据各种运动机能恢复模式之一下，对断开和/或闭合各个可控开关后获得的肌电响应信号的信噪比之间的关系确定。
优选地，所述第一滤波单元为带通滤波器，其下截止频率和上截止频率分别为5Hz和1800Hz。
优选地，所述第二滤波单元包括：6.84kΩ电阻、19.73kΩ电阻、9.75kΩ电阻、14.3kΩ电阻、5.13kΩ电阻、10.94kΩ电阻、1.73kΩ电阻、3.91kΩ电阻、2.8kΩ电阻、5kΩ电阻、2kΩ电阻、第一1kΩ电阻、第一2.5kΩ电阻、第一2.2kΩ电阻、第二2.2kΩ电阻、第二1kΩ电阻、9.31kΩ电阻、2.32kΩ电阻、4.2kΩ电阻、4.8kΩ电阻、第二2.5kΩ电阻、0.27uF电容、0.22uF电容、第一0.31uF电容、0.33uF电容、0.38uF电容、0.82uF电容、6.8uF电容、0.57uF电容、第二0.31uF电容、0.12uF电容、2uF电容、第一0.8uF电容、第二0.8uF电容、第一0.35uF电容、第二0.35uF电容、第三0.31uF电容、0.47uF电容、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、第五运算放大器、第六运算放大器、第七运算放大器、第一齐纳二极管、第二齐纳二极管、第三齐纳二极管、第四齐纳二极管、第五齐纳二极管、第六齐纳二极管、第七齐纳二极管、第一求差电路，以及第二求差电路，其中，所述6.84kΩ电阻的第一端分别连接输入信号端以及2.8kΩ电阻的第一端，所述6.84kΩ电阻的第二端连接所述19.73kΩ电阻的第一端，所述19.73kΩ电阻的第二端分别连接所述第一运算放大器的正输入端和所述0.22uF电容的第一端，所述0.22uF电容的第二端接地，所述19.73kΩ电阻的第一端还连接所述0.27uF电容的第一端，所述0.27uF电容的第二端连接所述第一运算放大器的输出端、2uF电容的第一端、所述9.75kΩ电阻的第一端以及第一运算放大器的负输入端，所述9.75kΩ电阻的第二端与所述14.3kΩ电阻的第一端串联，所述14.3kΩ电阻的第二端分别连接所述第二运算放大器的正输入端和所述第一0.31uF电容的第一端，所述第一0.31uF电容的第二端接地，所述14.33kΩ电阻的第一端还连接所述0.33uF电容的第一端，所述0.33uF电容的第二端连接所述第二运算放大器的输出端、2uF电容的第一端、所述5.13kΩ电阻的第一端以及第二运算放大器的负输入端，所述2.8kΩ电阻的第二端分别连接所述第二0.31uF电容的第一端、所述0.12uF电容的第一端和所述4.2kΩ电阻的第一端，所述4.2kΩ电阻的第二端接地，所述0.12uF电容的第二端分别连接所述第三运算放大器的负输入端和所述4.8kΩ电阻的第一端，所述第二0.31uF电容的第二端分别连接所述4.8kΩ电阻的第二端和所述第三运算放大器的输出端以及第一齐纳二极管的正极，所述第一齐纳二极管的负极连接所述第二求差电路的正输入端，所述第二求差电路的输出端连接所述第一1kΩ电阻的第二端和所述第二0.8uF电容的第一端，所述第三运算放大器的正输入端连接直流电压，所述2uF电容的第二端分别连接所述第四运算放大器的正输入端、输出端、第一1kΩ电阻的第一端以及5kΩ电阻的第一端，所述5kΩ电阻的第二端连接所述第四运算放大器的负输入端，所述第四运算放大器的输出端还连接第二齐纳二极管的正极，所述第二齐纳二极管的负极分别连接所述5.13kΩ电阻的第一端和所述2kΩ电阻的第一端，所述第三运算放大器的输出端还分别连接所述第三齐纳二极管的负极、第一0.8uF电容的第一端以及所述第一2.5kΩ电阻的第一端，所述第三齐纳二极管的正极分别连接所述第一齐纳二极管的正极、第二0.8uF电容的第一端、第四齐纳二极管的正极、第一1kΩ电阻的第二端、第二1kΩ电阻的第一端、第二2.2kΩ电阻的第一端，所述第一2.5kΩ电阻的第二端分别连接所述2kΩ电阻的第二端和所述5.13kΩ电阻的第二端以及第五齐纳二极管的负极和所述第一2.2kΩ电阻的第一端，所述第四齐纳二极管的正极、第一0.8uF电容的第二端、第二0.8uF电容的第二端、所述第二1kΩ电阻的第二端、所述第一0.35uF电容的第二端、所述第二0.35uF电容的第二端、第六齐纳二极管的负极均接地，所述第二2.2kΩ电阻的第二端分别连接所述第二0.35uF电容的第一端、第六齐纳二极管的正极、第七齐纳二极管的正极，所述第一2.2kΩ电阻的第二端分别连接所述第一0.35uF电容的第一端、第七齐纳二极管的负极以及9.31kΩ电阻的第一端，所述5.13kΩ电阻的第二端分别连接第五齐纳二极管的负极、所述10.94kΩ电阻的第一端以及所述0.82uF电容的第一端，所述10.94kΩ电阻的第二端分别连接第五运算放大器的正输入端、0.38uF电容的第一端，所述0.38uF电容的第二端接地，所述0.82uF电容的第二端分别连接所述第五运算放大器的输出端、所述1.73kΩ电阻的第一端、所述第五运算放大器的负输入端以及所述第五齐纳二极管的正极，所述1.73kΩ电阻的第二端分别连接所述3.91kΩ电阻的第一端以及所述6.8uF电容的第一端，所述3.91kΩ电阻的第二端分别连接第六运算放大器的正输入端和0.57uF电容的第一端，所述0.57uF电容的第二端接地，所述6.8uF电容的第二端分别连接所述第六运算放大器的输出端、所述第一求差电路的负输入端以及所述第六运算放大器的负输入端，所述9.31kΩ电阻的第二端分别连接所述0.47uF电容的第一端、所述第三0.31uF电容的第一端以及2.32kΩ电阻的第一端，所述2.32kΩ电阻的第二端接地，所述第三0.31uF电容的第二端分别连接所述第七运算放大器的负输入端、所述第二2.5kΩ电阻的第一端，所述第二2.5kΩ电阻的第二端分别连接所述0.47uF电容的第二端、第七运算放大器的输出端，所述第七运算放大器的正输入端连接直流电压，所述第七运算放大器的输出端还连接所述第一求差电路的正输入端，所述第一求差电路的输出端连接所述第二求差电路的负输入端，所述第一求差电路的输出端连接输出信号端。
根据本发明的优选实施例，直流电压为Vdd/2且Vdd＝5V。所述各个求差电路可以选用减法器。
以上对于本发明的较佳实施例所作的叙述是为阐明的目的，而无意限定本发明精确地为所揭露的形式，基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能的，实施例是为解说本发明的原理以及让所属领域的技术人员以各种实施例利用本发明在实际应用上而选择及叙述，本发明的技术思想企图由权利要求及其均等来决定。

Claims (8)

1.一种运动机能恢复检测仪，包括：控制单元、运动机能训练和检测单元，以及信号存储与处理单元，其中所述控制单元控制所述运动机能训练和检测单元辅助人体进行机能训练并进行运动机能恢复信号的检测，所述信号存储与处理单元用于存储被转换成数字信号格式的所述运动机能训练和检测单元输出的人体运动机能恢复信号以供分析和参考；所述运动机能训练和检测单元包括：用于进行运动机能恢复和锻炼的运动机能训练设备以及用于在该恢复和锻炼过程中检测运动机能恢复信号的运动机能训练检测设备，所述运动机能训练设备包括通过激励电极向被激励部位发射电极激励信号的电极激励信号产生单元以及采集作为该电极激励信号的响应的肌电响应信号采集单元，所述运动机能训练检测设备包括：激励残余去除信号单元、信号检测模式匹配单元、放大通道开关阵列、第一滤波单元和第二滤波单元，其中所述激励残余去除信号单元、所述信号检测模式匹配单元、所述放大通道开关阵列、所述第一滤波单元和所述第二滤波单元顺次串联；
其特征在于，所述激励残余去除信号单元用于消除肌电信号采集单元内的激励信号干扰分量，包括：电极激励信号特征频谱产生单元、肌电信号频谱生成单元、延时确定单元、延时单元、求差电路，其中所述电极激励信号特征频谱产生单元产生在所述电极激励信号产生单元产生的电极激励信号的基础上被附加有特定激励信号特征的预定信号频谱，该信号频谱被输入到所述延时确定单元，所述延时确定单元用于根据所述预定信号频谱的周期性特征确定其与所述电极激励信号产生单元产生的电极激励信号的频谱之间的相位差，并根据该相位差确定所述电极激励信号产生单元向被激励部位产生电极激励信号后与所述肌电信号采集单元采集到响应信号之间的时间差，所述延时单元根据该时间差对所述电极激励信号产生单元产生的电极激励信号进行延时，延时后得到的信号被与所述肌电信号采集单元采集到的肌电响应信号共同输入到所述求差电路，从而将所述电极激励信号在所述肌电响应信号中的残余从所述肌电响应信号中去除。
2.根据权利要求1所述的运动机能恢复检测仪，其特征在于，所述预定信号频谱为具有2秒的方波信号的频谱。
3.根据权利要求1所述的运动机能恢复检测仪，其特征在于，所述信号检测模式匹配单元包括：模式存储器、频谱分析单元和数据处理器，所述模式存储器存储有与运动机能恢复信号的多种模式一一对应的电极激励信号的频谱的第一特征值，所述频谱分析单元用于将所述电极激励信号产生单元产生的电极激励信号变换为频谱并确定该频谱的第二特征值，所述第二特征值与所述第一特征值类型相同，所述数据处理器在所述模式存储器中查找所述第二特征值，并确定与之匹配的第一特征值对应的模式。
4.根据权利要求3所述的运动机能恢复检测仪，其特征在于，所述第一特征值和所述第二特征值均为谱密度。
5.根据权利要求3所述的运动机能恢复检测仪，其特征在于，所述放大通道开关阵列包括多个可控开关和与之串联的放大器构成的开关阵列以及通道状态存储器，所述开关阵列内的各个放大器的输入端与向被激励部位发射电极激励信号的各个激励电极一一对应地串接，所述通道状态存储器用于存储与所述多种模式一一对应的各个激励电极在该各个模式下的最佳开关状态，所述开关阵列根据所述信号检测模式匹配单元确定的模式从所述通道状态存储器中查找与该模式对应的各个激励电极在该模式下的最佳开关状态，并控制所述开关阵列内的各个可控开关的开关状态。
6.根据权利要求5所述的运动机能恢复检测仪，其特征在于，所述最佳开关状态根据各种运动机能恢复模式之一下，对断开和/或闭合各个可控开关后获得的肌电响应信号的信噪比之间的关系确定。
7.根据权利要求1所述的运动机能恢复检测仪，其特征在于，所述第一滤波单元为带通滤波器，其下截止频率和上截止频率分别为5Hz和1800Hz。
8.根据权利要求7所述的运动机能恢复检测仪，其特征在于，所述第二滤波单元包括：6.84kΩ电阻、19.73kΩ电阻、9.75kΩ电阻、14.3kΩ电阻、5.13kΩ电阻、10.94kΩ电阻、1.73kΩ电阻、3.91kΩ电阻、2.8kΩ电阻、5kΩ电阻、2kΩ电阻、第一1kΩ电阻、第一2.5kΩ电阻、第一2.2kΩ电阻、第二2.2kΩ电阻、第二1kΩ电阻、9.31kΩ电阻、2.32kΩ电阻、4.2kΩ电阻、4.8kΩ电阻、第二2.5kΩ电阻、0.27uF电容、0.22uF电容、第一0.31uF电容、0.33uF电容、0.38uF电容、0.82uF电容、6.8uF电容、0.57uF电容、第二0.31uF电容、0.12uF电容、2uF电容、第一0.8uF电容、第二0.8uF电容、第一0.35uF电容、第二0.35uF电容、第三0.31uF电容、0.47uF电容、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、第五运算放大器、第六运算放大器、第七运算放大器、第一齐纳二极管、第二齐纳二极管、第三齐纳二极管、第四齐纳二极管、第五齐纳二极管、第六齐纳二极管、第七齐纳二极管、第一求差电路，以及第二求差电路，其中，所述6.84kΩ电阻的第一端分别连接输入信号端以及2.8kΩ电阻的第一端，所述6.84kΩ电阻的第二端连接所述19.73kΩ电阻的第一端，所述19.73kΩ电阻的第二端分别连接所述第一运算放大器的正输入端和所述0.22uF电容的第一端，所述0.22uF电容的第二端接地，所述19.73kΩ电阻的第一端还连接所述0.27uF电容的第一端，所述0.27uF电容的第二端连接所述第一运算放大器的输出端、2uF电容的第一端、所述9.75kΩ电阻的第一端以及第一运算放大器的负输入端，所述9.75kΩ电阻的第二端与所述14.3kΩ电阻的第一端串联，所述14.3kΩ电阻的第二端分别连接所述第二运算放大器的正输入端和所述第一0.31uF电容的第一端，所述第一0.31uF电容的第二端接地，所述14.3kΩ电阻的第一端还连接所述0.33uF电容的第一端，所述0.33uF电容的第二端连接所述第二运算放大器的输出端、2uF电容的第一端、所述5.13kΩ电阻的第一端以及第二运算放大器的负输入端，所述2.8kΩ电阻的第二端分别连接所述第二0.31uF电容的第一端、所述0.12uF电容的第一端和所述4.2kΩ电阻的第一端，所述4.2kΩ电阻的第二端接地，所述0.12uF电容的第二端分别连接所述第三运算放大器的负输入端和所述4.8kΩ电阻的第一端，所述第二0.31uF电容的第二端分别连接所述4.8kΩ电阻的第二端和所述第三运算放大器的输出端以及第一齐纳二极管的正极，所述第一齐纳二极管的负极连接所述第二求差电路的正输入端，所述第二求差电路的输出端连接所述第一1kΩ电阻的第二端和所述第二0.8uF电容的第一端，所述第三运算放大器的正输入端连接直流电压，所述2uF电容的第二端分别连接所述第四运算放大器的正输入端、输出端、第一1kΩ电阻的第一端以及5kΩ电阻的第一端，所述5kΩ电阻的第二端连接所述第四运算放大器的负输入端，所述第四运算放大器的输出端还连接第二齐纳二极管的正极，所述第二齐纳二极管的负极分别连接所述5.13kΩ电阻的第一端和所述2kΩ电阻的第一端，所述第三运算放大器的输出端还分别连接所述第三齐纳二极管的负极、第一0.8uF电容的第一端以及所述第一2.5kΩ电阻的第一端，所述第三齐纳二极管的正极分别连接第二0.8uF电容的第一端、第四齐纳二极管的正极、第一1kΩ电阻的第二端、第二1kΩ电阻的第一端、第二2.2kΩ电阻的第一端，所述第一2.5kΩ电阻的第二端分别连接所述2kΩ电阻的第二端和所述5.13kΩ电阻的第二端以及第五齐纳二极管的负极和所述第一2.2kΩ电阻的第一端，所述第四齐纳二极管的负极、第一0.8uF电容的第二端、第二0.8uF电容的第二端、所述第二1kΩ电阻的第二端、所述第一0.35uF电容的第二端、所述第二0.35uF电容的第二端、第六齐纳二极管的负极均接地，所述第二2.2kΩ电阻的第二端分别连接所述第二0.35uF电容的第一端、第六齐纳二极管的正极、第七齐纳二极管的正极，所述第一2.2kΩ电阻的第二端分别连接所述第一0.35uF电容的第一端、第七齐纳二极管的负极以及9.31kΩ电阻的第一端，所述5.13kΩ电阻的第二端分别连接第五齐纳二极管的负极、所述10.94kΩ电阻的第一端以及所述0.82uF电容的第一端，所述10.94kΩ电阻的第二端分别连接第五运算放大器的正输入端、0.38uF电容的第一端，所述0.38uF电容的第二端接地，所述0.82uF电容的第二端分别连接所述第五运算放大器的输出端、所述1.73kΩ电阻的第一端、所述第五运算放大器的负输入端以及所述第五齐纳二极管的正极，所述1.73kΩ电阻的第二端分别连接所述3.91kΩ电阻的第一端以及所述6.8uF电容的第一端，所述3.91kΩ电阻的第二端分别连接第六运算放大器的正输入端和0.57uF电容的第一端，所述0.57uF电容的第二端接地，所述6.8uF电容的第二端分别连接所述第六运算放大器的输出端、所述第一求差电路的负输入端以及所述第六运算放大器的负输入端，所述9.31kΩ电阻的第二端分别连接所述0.47uF电容的第一端、所述第三0.31uF电容的第一端以及2.32kΩ电阻的第一端，所述2.32kΩ电阻的第二端接地，所述第三0.31uF电容的第二端分别连接所述第七运算放大器的负输入端、所述第二2.5kΩ电阻的第一端，所述第二2.5kΩ电阻的第二端分别连接所述0.47uF电容的第二端、第七运算放大器的输出端，所述第七运算放大器的正输入端连接直流电压，所述第七运算放大器的输出端还连接所述第一求差电路的正输入端，所述第一求差电路的输出端连接所述第二求差电路的负输入端，所述第一求差电路的输出端连接输出信号端。
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