CN106725467A - 阵列式肌电信号采集装置及下背痛辅助诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列式肌电信号采集装置及下背痛辅助诊断系统。阵列式肌电信号采集装置包括腰带本体和无线发射模块，所述腰带本体的内侧嵌设有多个呈阵列式分布的电极，所述电极通过内嵌导线连接于无线发射模块，所述电极用于采集人体腰部的表面肌电信号并传输至无线发射模块，所述无线发射模块用于以无线电的形式发出所述表面肌电信号。本发明易于佩戴于人体、可防止电极脱落、便于热量散发，进而提高舒适度、提高信号采集的准确性与可靠性。

Description

阵列式肌电信号采集装置及下背痛辅助诊断系统

技术领域

本发明涉及人体腰部以及背部的辅助诊断设备，尤其涉及一种阵列式肌电信号采集装置、下背痛辅助诊断系统。

背景技术

下背痛是极为常见的骨科多发病，是仅次于上呼吸道感染的第二大就医原因。全世界约70％-85％的人在一生中至少有过一次下背痛的经历，其终生流行率可高达60％-90％，年流行率15％-45％。无论是发展中国家还是发达国家，肌肉骨骼疾患都是最常见和花费最多的职业健康问题。下背痛产生的疼痛可不同程度地限制腰部肌肉的活动强度和范围，造成肌肉萎缩和功能退化；而肌肉收缩能力下降又可直接影响腰部脊柱的结构稳定性，造成锥间小关节及其周围韧带组织和锥间盘损伤，从而加重下背疼痛。因此，下背痛患者腰部肌肉功能障碍评估对于下背痛的诊断和疗效评价具有关键的意义。

目前的测量腰部以及背部的肌电设备较复杂，信号采集极其不方便。由美国Biopac公司生产的Biopac BioNomadix无线肌电记录仪采用多个双通道无线发射接收器进行生理信号采集，测量范围10米。发射接收器包括两个部分，一个是火柴盒大小的无线发射器，戴在被试者身上完成生理信号采集发送，另外还有一个接收器将信号接收放大后送入计算机进行数据处理。被试者穿戴好发射系统后就可以在测试范围内自由活动，数据被实时采集并传输到MP150系统中进行分析处理。由于仅是双通道，因此在采集腰背部多块肌肉群的肌电信号时，需要多个发射装置，并且在采集过程中很难保证每位受试者的腰背部贴片位置一致，且电极片易脱落，使得腰背部肌电信号的采集不准确，从而影响实验结果。

中国专利CN201520742891.8设计了一种基于表面肌电图信号检测的智能护腰带，该护腰带分为7层，将电极传感器、信号预处理模块、蓝牙通讯模块、电热丝、医用磁片、多频震子、支撑钢板、锂电池模块等分别嵌入在不同层，不仅可以采集受试者的表面肌电信号，而且可以对受试者腰部进行按摩、缓解镇痛、驱寒等作用。但是该专利仅仅采集了受试者的肌电信号，并且多层组成的护腰带在采集受试者运动过程中腰部肌肉肌电信号时，由于采集、传输、发射模块等都嵌入在腰带中，腰部进行运动时会带动这些模块运动，对肌电信号的采集产生一定的影响，并且多层的堆叠加重了腰部肌肉的负重感，减少了佩戴的舒适感，也影响患者腰部的散热能力。

由此可见，现有技术对于腰部及背部肌电信号的采集方法，大多是采用普通的肌电信号测量方法。在发射端，对腰部或者背部肌肉采用电极片分布式贴法以及将电极片与块状信号发射器利用导线连接，在接收端对信号进行接收与放大。一方面，由于着装，胖瘦,性别等差异，对测量背部及腰部的肌电信号一定的局限性与不便性，并且测试人员需要花费很长时间对测试者进行电极片以及块状信号发射器的安装。另一方面，由于测试者是在对腰部以及背部进行运动时被采集肌电信号，而在运动的过程中块状信号发射器会有所滑动，并且电极片与块状信号发射器之间的导线会被拉扯，人体在运动过程中会产生热量，皮肤表面或多或少的会有汗液分泌出来，这样在运动的过程中，电极片极易脱落，影响生理电信号的采集，这使得肌电信号的干扰强度很大，极其不稳定或者随时被中断。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种易于佩戴于人体、可防止电极脱落、便于热量散发，进而提高舒适度、提高信号采集的准确性与可靠性的阵列式肌电信号采集装置、下背痛辅助诊断系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种阵列式肌电信号采集装置，其包括有腰带本体和无线发射模块，所述腰带本体的内侧嵌设有多个呈阵列式分布的电极，所述电极通过内嵌导线连接于无线发射模块，所述电极用于采集人体腰部的表面肌电信号并传输至无线发射模块，所述无线发射模块用于以无线电的形式发出所述表面肌电信号。

优选地，相邻两个电极之间的腰带本体上开设有透气孔。

优选地，所述无线发射模块包括有选择通道开关，多个电极的导线分别电性连接于选择通道开关，所述选择通道开关用于控制多个电极的输出线路的通断状态，以令无线发射模块获取预设位置电极的输出信号。

优选地，所述无线发射模块还包括有多个指示灯，所述指示灯与所述电极一一对应，且所述指示灯用于指示电极的通断状态。

一种下背痛辅助诊断系统，其包括有：阵列式肌电信号采集装置；一接收装置，与所述无线发射模块建立无线连接，所述接收装置用于接收无线发射模块发出的表面肌电信号；一信号处理装置，连接于接收装置，所述信号处理装置用于对多个表面肌电信号进行滤波、二值粗粒化处理，对处理后的信号进行特征值提取；一诊断评估装置，电性连接于信号处理装置，所述诊断评估装置用于获取所述特征值，并根据特征值判断是否患有下背痛病症。

优选地，所述接收装置包括有：一滤波器，用于对所述表面肌电信号进行滤波；一AD转换器，设于所述滤波器的输出端，所述AD转换器用于将滤波后的表面肌电信号转换为数字信号，并上传至信号处理装置。

优选地，所述信号处理装置包括有：一小波滤噪模块，用于对所述表面肌电信号进行小波去噪处理；一小波分解模块，设于小波滤噪模块的输出端，所述小波分解模块用于对小波去噪后的表面肌电信号进行小波4级分解，以获得第四级低频小波系数数据；一二值粗粒化与Lempel_Ziv处理模块，设于小波分解模块的输出端，用于对第四级低频小波系数数据进行二值粗粒化处理，之后进行Lempel_Ziv复杂度算法处理，得出低频小波参数复杂度特征值；一参数提取模块，设于二值粗粒化与Lempel_Ziv处理模块的输出端，所述参数提取模块用于获取所述特征值并发送至诊断评估装置。

优选地，所述信号处理装置为计算机。

优选地，所述信号处理装置还用于实时显示表面肌电信号在采集过程中的动态图形。

优选地，所述信号处理装置安装有Matlab2010b软件，并利用Matlab2010b软件进行小波滤噪、小波分解、二值粗粒化与Lempel_Ziv处理。

本发明公开的阵列式肌电信号采集装置中，在腰带本体的内侧设置了多个电极，多个电极分别对应人体的多个部位，因此可同时采集多块肌肉的表面肌电信号，由于多个电极呈阵列式分布，所以多个电极所采集的表面肌电信号可构成矩阵数据，利用无线发射模块将这些矩阵数据上传至上位机，有助于上位机进行运算、处理，此外，本发明以腰带作为电极的承载部件，其穿戴简单，肌肉采集部位定位准确、贴合性好，采集过程中不会因为受试者运动强度大小变化而导致电极片脱落，不仅提高了舒适度，还使得信号采集过程的准确性与可靠性更好。

附图说明

图1为本发明阵列式肌电信号采集装置的的结构示意图。

图2为下背痛辅助诊断系统的组成框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。

本发明公开了一种阵列式肌电信号采集装置，如图1所示，其包括有腰带本体10和无线发射模块11，所述腰带本体10的内侧嵌设有多个呈阵列式分布的电极12，所述电极12通过内嵌导线13而电性连接于无线发射模块11，所述电极12用于采集人体腰部的表面肌电信号并传输至无线发射模块11，所述无线发射模块11用于以无线电的形式发出所述表面肌电信号。

上述阵列式肌电信号采集装置中，在腰带本体10的内侧设置了多个电极12，多个电极12分别对应人体的多个部位，因此可同时采集多块肌肉的表面肌电信号，由于多个电极12呈阵列式分布，所以多个电极12所采集的表面肌电信号可构成矩阵数据，利用无线发射模块11将这些矩阵数据上传至上位机，有助于上位机进行运算、处理，此外，本发明以腰带作为电极12的承载部件，其穿戴简单，肌肉采集部位定位准确、贴合性好，采集过程中不会因为受试者运动强度大小变化而导致电极片脱落，不仅提高了舒适度，还使得信号采集过程的准确性与可靠性更好。

关于导线13的布设，多个电极12的导线13汇聚后延伸至无线发射模块11。

本实施例中，相邻两个电极12之间的腰带本体10上开设有透气孔。利用这些透气孔，有助于皮肤表面的热量散发，进而放置汗液过多而导致电极片滑落。

为了实现对多个电极12进行通断控制，所述无线发射模块11包括有选择通道开关，多个电极12的导线13分别电性连接于选择通道开关，所述选择通道开关用于控制多个电极12的输出线路的通断状态，以令无线发射模块11获取预设位置电极12的输出信号。进一步地，所述无线发射模块11还包括有多个指示灯14，所述指示灯14与所述电极12一一对应，且所述指示灯14用于指示电极12的通断状态。具体是指，当所述选择通道开关将电极12的输出线路导通时，点亮该电极12所对应的指示灯14。

其中，选择通道开关用于选择不同肌肉部位所对应的电极12，在无线发射模块上，每个电极输出通道对应连接一枚状态指示灯，可利用状态指示灯来说明该通道是否正常工作，例如，用绿色表示正常工作，红色表示异常预警。

关于腰带本体10的优选佩戴方式，本实施例中，所述腰带本体10的端部设有多个固定绑带15，所述固定绑带15用于将腰带本体10固定于人体腰部。

在此基础上，本发明还公开一种下背痛辅助诊断系统，结合图1和图2所示，其包括有一阵列式肌电信号采集装置1、一接收装置2、一信号处理装置3及一诊断评估装置4，其中：

所述接收装置2与所述无线发射模块11建立无线连接，所述接收装置2用于接收无线发射模块11发出的表面肌电信号；

所述信号处理装置3电性连接于接收装置2，所述信号处理装置3用于对多个表面肌电信号进行滤波及二值粗粒化处理，对滤波后的表面肌电信号进行特征值提取；

所述诊断评估装置4电性连接于信号处理装置3，所述诊断评估装置4用于获取所述特征值，并根据特征值判断是否患有下背痛病症。

上述下背痛辅助诊断系统工作过程中，先利用腰带本体10上的电极12采集人体腰部的表面肌电信号，再利用无线发射模块11以无线电的形式发出所述表面肌电信号，当所述接收装置2接收到表面肌电信号后上传至信号处理装置3，由信号处理装置3对多个表面肌电信号进行滤波及粗粒化处理，对滤波后的表面肌电信号进行特征值提取，之后诊断评估装置4获取所述特征值，并根据特征值判断是否患有下背痛病症。该系统能够方便的进行下背痛诊断以及对下背痛患者的康复进行评估。测试者将电极阵列腰带佩戴在腰部，在躯干前倾运动过程中进行表面肌电信号的采集，通过肌电图可视化分析系统对受试者腰背部的肌电信号进行分析，此外，还可利用肌电图对人群腰部肌肉功能状态进行检查，从而解决测量人体腰部、背部肌电信号的准确性问题。

关于该系统的进一步结构，所述接收装置2包括有一滤波器及一AD转换器，其中：

所述滤波器用于对所述表面肌电信号进行滤波；

所述AD转换器设于所述滤波器的输出端，所述AD转换器用于将滤波后的表面肌电信号转换为数字信号，并上传至信号处理装置3。

上述接收装置2中，无当其接收到无线极电信号后，采用简单的滤波电路对信号进行一些初步的滤波处理，随后用AD转换器将肌电信号转化为肌电数字信号，之后数字信号处理单元将输出的肌电数字信号转换成为终端设备能够识别的信息或者能够处理的控制命令，最后信号通过网线传输到信号处理装置3，通过专门的可视化界面实时显示采集过程中信号的动态显示过程。

作为一种优选方式，所述信号处理装置3包括有一小波滤噪模块30、一小波分解模块31、一二值粗粒化与Lempel_Ziv处理模块32及一参数提取模块33，其中：

所述小波滤噪模块30用于对所述表面肌电信号进行小波去噪处理；

所述小波分解模块31设于小波滤噪模块30的输出端，所述小波分解模块31用于对小波去噪后的表面肌电信号进行小波4级分解，以获得第四级低频小波系数数据；

所述二值粗粒化与Lempel_Ziv处理模块32设于小波分解模块31的输出端，用于对第四级低频小波系数数据进行二值粗粒化处理，之后进行Lempel_Ziv复杂度算法处理，得出低频小波参数复杂度特征值；

所述参数提取模块33设于二值粗粒化与Lempel_Ziv处理模块32的输出端，所述参数提取模块33用于获取所述特征值并发送至诊断评估装置4。

关于信号处理装置3的进一步实现，所述信号处理装置3为计算机，利用所述信号处理装置3实时显示表面肌电信号在采集过程中的动态图形，所述信号处理装置3安装有Matlab2010b软件，利用Matlab2010b软件进行小波滤噪、小波分解、二值粗粒化与Lempel_Ziv处理。

其中，信号处理装置3将采集的肌电信号首先通过Matlab2010b软件进行小波去燥处理，去燥后对信号进行小波四级分解，获得第四级低频小波系数数据；再对第四级低频小波系数数据进行二值粗粒化处理，随后进行Lempel_Ziv复杂度算法处理，获得低频小波参数复杂度特征值。

上述下背痛辅助诊断系统在执行过程中包括如下步骤：

步骤S1，将所述腰带本体10佩戴于患者腰部；

步骤S2，利用腰带本体10上的电极12采集人体腰部的表面肌电信号，所述无线发射模块11以无线电的形式发出所述表面肌电信号；

步骤S3，所述接收装置2接收无线发射模块11发出的表面肌电信号；

步骤S4，所述信号处理装置3对多个表面肌电信号进行滤波及粗粒化处理，对滤波后的表面肌电信号进行特征值提取；

步骤S5，所述诊断评估装置4获取所述特征值，并根据特征值判断是否患有下背痛病症。

作为一种优选方式，关于步骤S3，所述接收装置2包括有一滤波器及一AD转换器，所述步骤S3包括：

步骤S30，利用滤波器对所述表面肌电信号进行滤波；

步骤S31，利用AD转换器将滤波后的表面肌电信号转换为数字信号，之后上传至信号处理装置3。

作为一种优选方式，关于步骤S4，所述信号处理装置3包括有小波滤噪模块30、小波分解模块31、二值粗粒化与Lempel_Ziv处理模块32及参数提取模块33，所述步骤S4包括：

步骤S40，利用小波滤噪模块30对所述表面肌电信号进行小波去噪处理；

步骤S41，利用小波分解模块31对小波去噪后的表面肌电信号进行小波4级分解，以获得第四级低频小波系数数据；

步骤S42，利用二值粗粒化与Lempel_Ziv处理模块32对第四级低频小波系数数据进行二值粗粒化处理，之后进行Lempel_Ziv复杂度算法处理，得出低频小波参数复杂度特征值；

步骤S43，利用参数提取模块33获取所述特征值并发送至诊断评估装置4。

上述方法在测试过程中，通过招募101例测试者，进行了前倾运动中的多裂肌肌肉的表面肌电信号采集，通过滤波处理后，对信号进行小波分解，获得小波低频和高频系数，并比较了不同处理操作下小波系数的特性差异，得到了经过二值粗粒化和Lempel_Ziv处理后的第四层小波系数复杂度参数，证明了第四层低频小波系数复杂度参数可以作为客观、有效的分离下背痛和健康群体的方式。该方式分离下背痛和健康群体的操作简单，易于实现，成本低廉。

本发明公开的阵列式肌电信号采集装置、下背痛辅助诊断系统，其相比现有技术而言的有益效果在于：首先，本发明采用了单层阵列电极腰带，减少了腰部肌肉所承受的负重感，各电极之间的热量散热孔，有助于测试者释放掉运动过程中腰部肌肉所产生的热量，增加了舒适感；其次，本发明采用了环绕式阵列电极的腰带装置，可以全面的采集测试者腰部前面、后面及侧面的所有肌肉运动状态的表面肌电信号，有助于医生确认每位测试者腰部各肌肉异常程度，帮助医生采取有效的治疗措施；再次，每个电极片的独立导联线及独立选择开关，可以灵活的进行不同部位的测试选择；此外，阵列式电极腰带和采集发射模块之间紧靠一根导线连接，减少了佩戴护腰带运动过程中可能带动采集发射模块运动而影响信号的采集和发射强度。

以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种阵列式肌电信号采集装置，其特征在于，包括有腰带本体(10)和无线发射模块(11)，所述腰带本体(10)的内侧嵌设有多个呈阵列式分布的电极(12)，所述电极(12)通过内嵌导线(13)连接于无线发射模块(11)，所述电极(12)用于采集人体腰部的表面肌电信号并传输至无线发射模块(11)，所述无线发射模块(11)用于以无线电的形式发出所述表面肌电信号。

2.如权利要求1所述的阵列式肌电信号采集装置，其特征在于，相邻两个电极(12)之间的腰带本体(10)上开设有透气孔。

3.如权利要求1所述的阵列式肌电信号采集装置，其特征在于，所述无线发射模块(11)包括有选择通道开关，多个电极(12)的导线(13)分别连接于选择通道开关，所述选择通道开关用于控制多个电极(12)的输出线路的通断状态，以令无线发射模块(11)获取预设位置电极(12)的输出信号。

4.如权利要求3所述的阵列式肌电信号采集装置，其特征在于，所述无线发射模块(11)还包括有多个指示灯(14)，所述指示灯(14)与所述电极(12)一一对应，且所述指示灯用于指示电极(12)的通断状态。

5.一种下背痛辅助诊断系统，其特征在于，包括有：

如权利要求1至3任一项所述的阵列式肌电信号采集装置(1)；

一接收装置(2)，与所述无线发射模块(11)建立无线连接，所述接收装置(2)用于接收无线发射模块(11)发出的表面肌电信号；

一信号处理装置(3)，电连接于接收装置(2)，所述信号处理装置(3)用于对多个表面肌电信号进行滤波及粗粒化处理，对滤波后的表面肌电信号进行特征值提取；

一诊断评估装置(4)，电连接于信号处理装置(3)，所述诊断评估装置(4)用于获取所述特征值，并根据特征值判断是否患有下背痛病症。

6.如权利要求5所述的下背痛辅助诊断系统，其特征在于，所述接收装置(2)包括有：

一滤波器，用于对所述表面肌电信号进行滤波；

一AD转换器，设于所述滤波器的输出端，所述AD转换器用于将滤波后的表面肌电信号转换为数字信号，并上传至信号处理装置(3)。

7.如权利要求5所述的下背痛辅助诊断系统，其特征在于，所述信号处理装置(3)包括有：

一小波滤噪模块(30)，用于对所述表面肌电信号进行小波去噪处理；

一小波分解模块(31)，设于小波滤噪模块(30)的输出端，所述小波分解模块(31)用于对小波去噪后的表面肌电信号进行小波4级分解，以获得第四级低频小波系数数据；

一二值粗粒化与Lempel_Ziv处理模块(32)，设于小波分解模块(31)的输出端，用于对第四级低频小波系数数据进行二值粗粒化处理，之后进行Lempel_Ziv复杂度算法处理，得出低频小波参数复杂度特征值；

一参数提取模块(33)，设于二值粗粒化与Lempel_Ziv处理模块(32)的输出端，所述参数提取模块(33)用于获取所述特征值并发送至诊断评估装置(4)。

8.如权利要求7所述的下背痛辅助诊断系统，其特征在于，所述信号处理装置(3)为计算机。

9.如权利要求8所述的下背痛辅助诊断系统，其特征在于，所述信号处理装置(3)还用于实时显示表面肌电信号在采集过程中的动态图形。

10.如权利要求9所述的下背痛辅助诊断系统，其特征在于，所述信号处理装置(3)安装有Matlab2010b软件，并利用Matlab2010b软件进行小波滤噪、小波分解、二值粗粒化与Lempel_Ziv处理。