CN107180233A - 一种表面肌电和a型超声信号联合采集装置 - Google Patents

一种表面肌电和a型超声信号联合采集装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种表面肌电和A型超声信号联合采集装置，包括信号采集模块、佩戴模块、信号处理模块和电源模块，信号采集模块被设置在佩戴模块内，信号处理模块和电源模块分别被设置在佩戴模块的外侧，其中，信号采集模块包括A型超声换能器和肌电信号采集电极组；信号处理模块包括肌电信号处理模块和A型超声信号处理模块。本发明的一种表面肌电和A型超声联合采集装置，综合分析sEMG信号与A超信号的特征，以方便探求同一肌肉群的肌电信号和超声信号之间的关系；并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。

Description

一种表面肌电和A型超声信号联合采集装置
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A型超声信号联合采集装置。
背景技术
人机接口(Human Machine Interface)技术指的是机械或电子设备与人的意识之间交流的界面。它在人与计算机之间建立联系、交换信息的输入/输出设备的接口，这些设备包括键盘、显示器、打印机、鼠标等。在生物医学工程领域的应用方面，人机接口通过一系列相应的传感技术获取人体的生理信号，经过特定的分类算法获知人类的运动“意图”，从而控制轮椅、假肢、外骨骼等外部设备。
人体表面肌电信号(surface electromyograph，简称sEMG信号)是从肌肉表面通过电极记录下来的神经肌肉系统活动时发放的生物电信号，蕴含肌肉活动强度、活动时间等信息，成为体表无创检测肌肉活动的重要方法，被广泛应用于人机接口技术，如肌电假肢，外骨骼机器人等。
然而EMG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；不同个体之间的sEMG信号差异性较为明显，即便是同一肌肉群，其sEMG信号的统计学特征只在变化趋势上有较大的近似，而度量值本身有较大的差异，难以形成统一的评价标准。
A型超声(A-scan ultrasonography)是一种利用单振元超声换能器，对某一位置的不同深度进行扫描，得到所谓的一维特性的超声波探测方式。超声在人体内传播，由于人体各种组织有声学的特性差异，超声波在两种不同组织界面处产生反射、折射、散射、绕射、衰减以及声源与接收器相对运动产生多普勒频移等物理特性。用于诊断时，超声波只作为信息的载体。把超声波射入人体通过它与人体组织之间的相互作用获取有关生理与病理的信息。近些年，A超探测被广泛应用于人体生理信号的探索，并也逐渐在人体肌肉群的运动信息检测上有所发展。其主要采集传感器为单频单振元超声换能器，即A型超声探头。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种表面肌电和A型超声联合采集装置，综合分析sEMG信号与A超信号的特征，以方便探求同一肌肉群的肌电信号和超声信号之间的关系；另一方面，综合两种信号的特征，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。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是开发一种表面肌电和A型超声联合采集装置，综合分析sEMG信号与A超信号的特征，以方便探求同一肌肉群的肌电信号和超声信号之间的关系；另一方面，综合两种信号的特征，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。
为实现上述目的，本发明提供了一种表面肌电和A型超声信号联合采集装置，包括信号采集模块、佩戴模块、信号处理模块和电源模块，信号采集模块被设置在佩戴模块内，信号处理模块和电源模块分别被设置在佩戴模块的外侧，其中，
信号采集模块包括A型超声换能器和肌电信号采集电极组，A型超声换能器和肌电信号采集电极组相连接；
佩戴模块包括佩戴模块壳体和连接佩戴模块壳体的魔术贴；
信号处理模块包括肌电信号处理模块和A型超声信号处理模块，A型超声信号处理模块被设置为通过超声信号线与A型超声换能器连接，肌电信号处理模块被设置为通过肌电信号线与肌电信号采集电极组连接。
进一步地，肌电信号采集电极组包括第一共模电极、第二共模电极和参考电极，第一共模电极和第二共模电极分别被设置于A型超声换能器的两侧，参考电极被设置于第一共模电极的另一侧。
进一步地，信号采集模块被设置为单通道或多通道中的一种。
进一步地，信号采集模块被设置为单通道时，佩戴模块包括一个壳体，每个壳体上设置有3个肌电信号采集电极组和1个A型超声换能器。
进一步地，信号采集模块被设置为多通道时，佩戴模块包括多个壳体，每个壳体上设置有3个肌电信号采集电极组和1个A型超声换能器。
进一步地，多个壳体之间被设置为头尾壳体通过弹性魔术贴材料连接，其他壳体之间通过无弹性的勾毛同体魔术贴材料连接。
进一步地，信号采集模块还包括圆形扁头纽扣电极，圆形扁头纽扣电极被设置为用于采集表面肌电信号，提高电极和皮肤的接触稳定性。
进一步地，信号采集模块所处壳体位置的凹槽深度被设置为均小于对应的肌电信号采集电极组与A型超声换能器的高度，保证电极和换能器与皮肤表面有良好的接触。
进一步地，A型超声换能器的突出高度被设置为比肌电信号采集电极组的突出高度少0.5～1mm。
进一步地，信号采集模块的外壳被设置为由不导电材料制成。
技术效果
1)本发明的一种表面肌电和A型超声信号联合采集装置综合表面肌电信号与A型超声信号的特征，能够减弱干扰和噪声对人机接口的影响；
2)可对同一处肌肉的A型超声信号与sEMG信号的定性或者定量关系进行对比，以获取肌肉单位深度变化的肌电信号之间的关系，有益于回避肌电信号在不同个体不同肌肉群上的不规律性。
3)每个佩戴模块之间都是独立的，两两之间的距离都可以通过魔术贴的贴合灵活调整，从而适应不同肢体尺寸的人员的佩戴，同时也可以灵活调整采集模块到信号明显稳定的肌肉区域进行检测；此外模块的独立性，有益于便捷的更换与升级。
4)肌电信号采集电极组与单频单振元超声换能器的分布科学合理，保证能够两种信号所对应的检测对象的同一性。
5)本装置从壳体的材料，冗余的耦合剂的收纳结构设计以及信号引出线的电磁屏蔽层的包裹等角度，极大限度保证了肌电信号采集过程中准确性与稳定性。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的一种表面肌电和A型超声信号联合采集装置的透视图。
图2是本发明的一个较佳实施例的一种表面肌电和A型超声信号联合采集装置的信号采集模块的示意图。
图3是本发明的一个较佳实施例的一种表面肌电和A型超声信号联合采集装置的头尾壳体配合弹性魔术贴和佩戴模块示意图。
图4是本发明的一个较佳实施例的一种表面肌电和A型超声信号联合采集装置的佩戴模块的外壳透视图。
图5是本发明的一个较佳实施例的一种表面肌电和A型超声信号联合采集装置的尾部佩戴模块示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种表面肌电和A型超声信号联合采集装置，包括信号采集模块、佩戴模块1、信号处理模块3和电源模块4，信号采集模块被设置在佩戴模块1内，信号处理模块3和电源模块4分别被设置在佩戴模块3的外侧，其中，
信号采集模块包括A型超声换能器8和肌电信号采集电极组，A型超声换能器8和肌电信号采集电极组相连接，如图2所示，肌电信号采集电极组包括第一共模电极5、第二共模电极9和参考电极6，第一共模电极5和第二共模电极9分别被设置于A型超声换能器8的两侧，参考电极6被设置于第一共模电极5的另一侧。；
信号处理模块3包括肌电信号处理模块和A型超声信号处理模块，A型超声信号处理模块被设置为通过超声信号线10与A型超声换能器8连接，肌电信号处理模块3被设置为通过肌电信号线11与肌电信号采集电极组连接，具体地，肌电信号采集电极组的第一共模电极5、第二共模电极9和参考电极6分别通过肌电信号线11与信号处理模块3连接。
又如图1和2所示，佩戴模块1包括佩戴模块壳体7和连接佩戴模块壳体的魔术贴2。
信号采集模块用于采集信号，采集的信号包括表面肌肉电信号和A型超声信号。信号处理模块3用于处理信号，电源模块4通过电源线向信号采集模块和信号处理模块3提供电源，佩戴模块1用于将表面肌电和A型超声信号联合采集装置佩戴于采集信号的肢体部位。
本发明一较佳实施例中，信号采集模块被设置为单通道或多通道中的一种。
信号采集模块为单通道，即表面肌电和A型超声信号联合采集装置中包括一个信号采集模块与佩戴模块1，能够同时采集一块骨骼肌的表面肌电信号和A型超声信号。
信号采集模块为单通道时，佩戴模块包括一个壳体，每个壳体上设置有3个肌电信号采集电极组和1个A型超声换能器。其中，佩戴模块包括一个只有普通魔术贴固定槽19的佩戴模块壳体，以及两片勾毛同体魔术贴12，通过两片魔术贴的贴合实现夹紧佩戴。
信号采集模块为多通道，即表面肌电和A型超声信号联合采集装置中包括多个信号采集与佩戴模块1，其中一个为包括一个具有魔术贴反扣卡板21的佩戴模块壳体和一个勾毛同体魔术贴12，另外一个为包括一个只有普通魔术贴固定槽19的佩戴模块壳体，一个勾毛同体魔术贴12以及一个弹性魔术贴13，这两个模块分别在佩戴模块的首尾，通过弹性魔术贴13与魔术贴反扣卡板21的贴合实现闭环紧固，其余模块均为包括一个具有魔术贴反扣卡板21的佩戴模块壳体和两个勾毛同体魔术贴12的模块。
信号采集模块为多通道时，每个模块的之间的距离可以通过相邻勾毛同体魔术贴12的贴合距离来调整，可以适应不同肢体尺寸的用户。模块与肢体的接触的松紧程度可以通过弹性魔术贴13的张弛程度来保证，可以适应用户不同的佩戴要求。
信号处理模块3包括单片机、升压模块和数模转换模块，其中单片机采用dsPIC系列和STM32系列，分别用于控制超声信号采集模块和肌电信号采集模块，升压模块用于将电源提供的12V直流电源电压提升到80V用于超声信号的发射，数模转换模块对信号采集模块采集的模拟信号进行数字化处理。
信号采集模块通过差分放大的方式对纽扣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A型超声信号的检测精度。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。
如图2所示，信号采集模块包括第一共模电极5、参考电极6、A型超声换能器8、第二共模电极9、超声信号线10以及肌电信号线11；第一共模电极5、参考电极6、特制单频单振元超声换能器(A超探头)8、第二共模电极9安装在佩戴模块壳体7上。
肌电信号采集电极组的第一共模电极5、第二共模电极9与对称分布在A型超声换能器8两侧，与A型超声换能器8的圆心距均为14mm。第一共模电极5与参考电极6的圆心距离为14mm，第二共模电极9与参考电极6的圆心距离为42mm。满足肌电采集要求，保证电极组与换能器对皮肤表面施加同样大小的作用力，从而保证肌肉下陷程度基本相同，减少无关变量对两种信号探测肌肉的同一性产生干扰。
第一共模电极5、第二共模电极9与参考电极6为圆形扁头纽扣电极，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。
肌电信号采集电极组和A型超声换能器8的信号引线均用严密的电磁屏蔽材料进行包裹，避免A型超声换能器的信号线中的高频大电流对肌电信号产生干扰。
佩戴模块壳体7是不导电的，避免第一共模电极5、第二共模电极9与参考电极6在采集信号过程中受到壳体改变皮肤表面阻抗特性的影响。
如图4所示，佩戴模块壳体包括第一共模电极槽14、超声探头槽15、第二共模电极槽16、参考电极槽17、肌电信号线走线槽18、魔术贴固定槽19以及冗余超声耦合剂收集槽20。
第一共模电极槽16用于固定第一共模电极5，第二共模电极槽14用于固定第二共模电极9，参考电极槽17用于固定参考电极6，超声探头槽15用于固定A型超声换能器8，魔术贴固定槽19用于固定勾毛同体魔术贴12或者弹性魔术贴13。
超声信号线10通过佩戴模块壳体7上超声探头槽15的侧面出线口，连接特制单频单振元超声换能器8与信号处理模块3。
肌电信号线11通过佩戴模块壳体7上肌电信号线走线槽18的三个导向孔分别与第一共模电极5、第二共模电极9与参考电极6连接，并通过肌电信号线走线槽18的侧面出线孔与信号处理模块连接。
A型超声换能器8周围的壳体结构上分布一圈的凹陷结构，即冗余超声耦合剂收集槽20，用于收纳因换能器晶片与皮肤接触解压而溢出的多余耦合剂，避免耦合剂对第一共模电极5、第二共模电极9与参考电极6导电性能产生影响。
考虑到单频单振元超声换能器使用时需要在晶片表面涂用耦合剂的厚度，A型超声换能器8的突出高度被设置为比肌电信号采集电极组的突出高度少0.5～1mm。
本发明的一种表面肌电和A型超声信号联合采集装置能够同时获取表面肌肉电信号和A型超声信号，对肌肉电信号产生干扰的信号，不会对A型超声信号产生同样的影响，因此综合表面肌电信号与A型超声信号的特征，能够减弱干扰和噪声对人机接口的影响。
采用本发明提供的表面肌电和A型超声信号联合采集装置，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A型超声信号；模块的独立性和魔术贴贴合距离的灵活性，能够使得本装置可以适应不同肢体尺寸的人员的佩戴需求以及保证最佳检测区域的精准分布；肌电信号采集电极组与单频单振元超声换能器的分布科学合理，保证能够两种信号所对应的检测对象的同一性。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。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A型超声信号联合采集装置，其特征在于，包括信号采集模块、佩戴模块、信号处理模块和电源模块，所述信号采集模块被设置在所述佩戴模块内，所述信号处理模块和所述电源模块分别被设置在所述佩戴模块的外侧，其中，
所述信号采集模块包括A型超声换能器和肌电信号采集电极组，所述A型超声换能器和所述肌电信号采集电极组相连接；
所述佩戴模块包括佩戴模块壳体和连接所述佩戴模块壳体的魔术贴；
所述信号处理模块包括肌电信号处理模块和A型超声信号处理模块，所述A型超声信号处理模块被设置为通过超声信号线与所述A型超声换能器连接，所述肌电信号处理模块被设置为通过所述肌电信号线与所述肌电信号采集电极组连接。
2.如权利要求1所述的一种表面肌电和A型超声信号联合采集装置，其特征在于，所述肌电信号采集电极组包括第一共模电极、第二共模电极和参考电极，所述第一共模电极和所述第二共模电极分别被设置于所述A型超声换能器的两侧，所述参考电极被设置于所述第一共模电极的另一侧。
3.如权利要求1所述的一种表面肌电和A型超声信号联合采集装置，其特征在于，所述信号采集模块被设置为单通道或多通道中的一种。
4.如权利要求3所述的一种表面肌电和A型超声信号联合采集装置，其特征在于，所述信号采集模块被设置为单通道时，所述佩戴模块包括一个壳体，每个壳体上设置有3个所述肌电信号采集电极组和1个所述A型超声换能器。
5.如权利要求3所述的一种表面肌电和A型超声信号联合采集装置，其特征在于，所述信号采集模块被设置为多通道时，所述佩戴模块包括多个壳体，每个壳体上设置有3个所述肌电信号采集电极组和1个所述A型超声换能器。
6.如权利要求5所述的一种表面肌电和A型超声信号联合采集装置，其特征在于，所述多个壳体之间被设置为头尾壳体通过弹性魔术贴材料连接，其他壳体之间通过无弹性的勾毛同体魔术贴材料连接。
7.如权利要求1所述的一种表面肌电和A型超声信号联合采集装置，其特征在于，所述信号采集模块还包括圆形扁头纽扣电极，所述圆形扁头纽扣电极被设置为用于采集表面肌电信号，提高所述电极和皮肤的接触稳定性。
8.如权利要求1所述的一种表面肌电和A型超声信号联合采集装置，其特征在于，所述信号采集模块所处壳体位置的凹槽深度被设置为均小于对应的所述肌电信号采集电极组与所述A型超声换能器的高度，保证电极和换能器与皮肤表面有良好的接触。
9.如权利要求8所述的一种表面肌电和A型超声信号联合采集装置，其特征在于，所述A型超声换能器的突出高度被设置为比所述肌电信号采集电极组的突出高度少0.5～1mm。
10.如权利要求1所述的一种表面肌电和A型超声信号联合采集装置，其特征在于，所述信号采集模块的外壳被设置为由不导电材料制成。
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