CN107708547A - 表面肌电图系统、记录器和方法 - Google Patents

表面肌电图系统、记录器和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于从对象(100)的胸部上的肋间肌获取的表面肌电图测量结果来确定患有慢性阻塞性肺病(COPD)的患者中的神经呼吸驱动(NRD)。呈现了一种肌电图系统，其包括：第一电极(2’)和第二电极(3’)，其用于接触对象(100)的皮肤；以及记录器(4’)，其用于记录所述第一电极(2’)与所述第二电极(3’)之间的肌电图；其中，所述第一电极(2’)包括用于接触所述对象(100)的所述皮肤的第一电极区域(2A)和第二电极区域(2B)，其中，所述第一电极区域(2A)和所述第二电极区域(2B)彼此绝缘；并且所述记录器(4’)被配置为形成所述第一电极(2’)的所述第一电极区域(2A)与所述第二电极区域(2B)之间的噪声测量结果，以确定所述第一电极(2’)的电极皮肤接触的接触质量。根据另外的方面，呈现了用于肌电图系统的对应的肌电图记录器(4’)、用于肌电图测量的方法和对应的计算机程序。

Description

表面肌电图系统、记录器和方法
技术领域
本发明的领域涉及基于从对象的胸部上的肋间肌取得的表面肌电图测量结果确定具有慢性阻塞性肺病(COPD)的患者中的神经呼吸驱动(NRD)。本发明涉及表面肌电图，并且具体而言，涉及表面肌电图系统和对应的记录器和方法以及用于执行所述方法的对应的计算机程序。
背景技术
肌电图(EMG)是用于确定肌肉的活动的技术。肌电图系统检测当这些细胞电学地或神经地激活时由肌肉细胞所生成的电势。一个或多个电极被应用于获得指示肌肉的活动的电压信号。
信号可以直接地在肌肉内(侵入性EMG)或者在肌肉上面的皮肤上(表面EMG)被测量。对于侵入性EMG，电极直接地被插入到感兴趣的肌肉组织中。对于作为无创技术的表面EMG，电极被应用到对象的皮肤。
表面EMG测量结果涉及由肌肉组织所生成的非常小电变化的检测、处理和记录。这些信号在幅度方面常常是仅几微伏，并且可以因此经受来自其他更多主导噪声源(来自测量系统要么或者人体自身)的干扰。
表面EMG的一个应用是确定具有慢性阻塞性肺病(COPD)的患者中的神经呼吸驱动(NRD)。NRD值可以使用从对象的胸部上的肋间肌获取的肌电图测量结果来计算。
WO 2013/045920 A1公开了对应的患者监测方法和监测设备。通过获得第二肋间空间胸骨旁肌电图的量度来测量神经呼吸驱动(NRD)。使用常规电极和放大器来采集信号。使用跟随有信号的数字滤波和算术转换的模数转换来处理信号。为了改进EMG信号，建议应用滤波算法来从EMG信号移除心电图(ECG)伪影。高通滤波器被应用到原始信号以移除基线噪声并且12-20Hz之间的额外的带通滤波可以被执行以移除呼吸伪影。基于可检测的呼吸活动和所测量的EMG信号中的背景噪声水平的比较来确定所测量的EMG信号的信号质量。
US 2014/0088394 A1公开了评价电极与身体之间进行的连接的质量的肌电图仪器。质量被测量为电阻抗，其中，较高的阻抗指示较低的质量连接并且较低的阻抗指示较高的质量连接。
WO 2008/005478 A2涉及经由电刺激的神经混乱的处理和与其有关的方法。而且在本公开中，阻抗可以被确定并且被用作对于皮肤的电极的电接触的质量的量度。
表面EMG电极的放置通常留给经训练的专业人员。表面EMG电极的放置可以涉及其中EMG电极要被放置的皮肤的准备。这样的准备可以涉及最高皮肤层的清洁、修面和磨损以移除死皮肤细胞。但是，显著的个体内测量结果变异性可以从不一致的电极附接产生。
发明内容
本发明的目标是促进肌电图系统的处理。具体而言，检测电极与皮肤之间的不佳的质量接触使得甚至未经训练的人可以采取可靠的测量结果将是有利的。本发明的目标还提供对应的方法以及对应的计算机程序。
根据本发明的第一方面，呈现了一种肌电图系统，其包括：
-第一电极和第二电极，其用于接触对象的皮肤，以及
-记录器，其用于记录所述第一电极与所述第二电极之间的肌电图；其中
-所述第一电极包括用于接触所述对象的所述皮肤的第一电极区域和第二电极区域，其中，所述第一电极区域和所述第二电极区域彼此绝缘；并且其中
-所述记录器被配置为在所述第一电极的所述第一电极区域与所述第二电极区域之间执行噪声测量，以确定所述第一电极的电极皮肤接触的接触质量。
在本发明的另一方面中，提供了一种用于肌电图测量结果的方法。所述方法包括以下步骤：
-从用于接触对象的皮肤的第一电极的第一电极区域获得第一信号；
-从所述第一电极的第二电极区域获得第二信号，其中，所述第一电极区域和所述第二电极区域彼此绝缘；
-在所述电极的所述第一电极区域与所述第二电极区域之间执行噪声测量，以确定所述第一电极的电极皮肤接触的接触质量；并且
-记录所述第一电极与第二电极之间的肌电图信号。
根据本发明的又一方面，用于如上文所描述的肌电图系统的肌电图记录器被呈现用于记录第一电极与第二电极之间的肌电图信号，所述记录器包括：
-第一接口，其用于从用于接触对象的皮肤的所述第一电极的第一电极区域获得第一信号；
-第二接口，其用于从所述第一电极的第二电极区域获得第二信号，其中，所述第一电极区域和所述第二电极区域彼此绝缘；
其中，所述记录器被配置为在所述第一电极的所述第一电极区域与所述第二电极区域之间执行噪声测量，以确定所述第一电极的电极皮肤接触的接触质量。
在本发明的又一方面中，提供了一种包括程序代码模块的计算机程序，所述程序代码模块用于当在计算机上执行所述计算机程序时使得计算机执行本文所公开的方法的步骤，以及一种非暂态计算机可读记录介质，其在其中存储在由处理器运行时使得本文所公开的所述方法实现的计算机程序产品。
在从属权利要求中限定本发明的优选的实施例。应当理解，所请求保护的方法、肌电图记录器和计算机程序可以具有与所请求保护并且在从属权利要求中所限定的肌电图系统相似和/或相同的优选实施例。
本文所呈现的方案提供促进肌电图系统的处理的可能性。具体而言，所提出的方案的各方面提供检测电极与所述电极之间的不佳的质量接触的可能性，使得甚至未经训练的人可以采取可靠的测量结果。
本发明建议将实际的EMG测量结果与确定单独电极的电极皮肤接触的接触质量分离。尽管在所述第一电极与所述第二电极之间执行实际的EMG测量，但是应建议所述第一电极包括用于相应地接触所述对象的所述皮肤的第一电极区域和第二电极区域，其中，所述第一电极区域和所述第二电极区域彼此绝缘。换句话说，应建议将所述第一电极再分为第一区域和第二区域并且在所述第一电极的所述第一电极区域与所述第二电极区域之间执行噪声测量以确定电极皮肤接触质量。因此，代替于确定总体EMG信号质量，可以确定个体电极皮肤接触的接触质量。执行噪声测量的优点在于，其可以被执行为被动测量并且不要求将信号注入所述对象的身体中，如将例如针对阻抗测量所要求的。因此，可以促进用于家庭使用的肌电图系统的所述允许和由权限造成的同意，因为没有信号必须被注入所述对象的所述身体中。由于所述设备是被动的，因而调节可能是不太精确的。所提出的所述肌电图可以特别地适于医院以及家庭设置。有利地，所提出的肌电图系统实现经由EMG的神经呼吸驱动(NRD)值确定的经改进的可重复性和准确度。不使信号注入到身体中的另一优点可以在于，对于在长时间段期间使用“连续的”EMG记录的实施例而言，可以存在对于想要的EMG信号的较少的干扰。
应当指出，EMG测量结果中的噪声可以来自若干源。这样的噪声源可以包括热(约翰逊)噪声、测量系统噪声、金属电解质界面、电极皮肤界面和EMG信号或来自其他肌肉的串扰的贡献。在用于确定肋间肌的活动的表面EMG测量中，由心脏的电学信号引起的间歇干扰可以是串扰的最重要的源之一。已经查明，可以忽视所述金属电解质噪声(例如，湿胶(wetgel)电极中的金属胶噪声)。已经进一步查明，来自更远的肌肉的EMG噪声或串扰倾向于在所述第一电极和第二电极处相关并且可以因此至少部分地被拒绝为共模噪声。发明人已经查明，表面EMG测量结果中的大量的干扰可以有助于所述测量电极与所述皮肤(具体而言所述电极的电解质与所述皮肤)之间的边界中所生成的噪声。已查明，该噪声通常具有1/f光谱特性。具体而言，来自所述皮肤上的电极的噪声的功率谱可以具有1/fα特性，其中，α在1.5与2之间。该噪声源可以被解释为通过半多孔膜(即，在该情况下，通过皮肤电解质边界)的离子电荷输送的结果。以这种方式发生的过度噪声的数量和可重复性可以高度地取决于电极皮肤接触的质量。
通过测量所述第一电极的第一区域与第二区域之间的噪声，用于接触所述对象的所述皮肤的所述第一电极区域的电极皮肤接触与用于接触所述对象的所述皮肤的所述第二电极区域的电极皮肤接触可以被看作串联连接的两个噪声源。基于这样的串联测量结果，可以确定或者估计所述第一电极的所述第一区域和第二区域的个体电极皮肤接触的噪声贡献。对应地，所述第一电极的第一区域和第二区域的并联组合的噪声贡献可以被确定或者估计(例如，针对使用这两个电极区域的组合(具体而言并联连接)的后续EMG测量)。这将参考附图针对范例更详细地解释。
如本文所使用的，接触所述对象的皮肤可以指代电接触所述对象的所述皮肤(具体而言，建立实现EMG测量结果的接触)。
如本文所使用的，电极区域可以指代用于接触所述对象的皮肤的接触区域。所述第一电极可以包括用于接触所述对象的所述皮肤的两个或更多个电极区域。所述肌电图系统可以包括两个或更多个电极并且所述电极中的至少一个包括用于接触所述对象的所述皮肤的至少两个电极区域。
如本文所使用的，来自电极区域的信号可以指代指示电极区域处的电势的信号。
在实施例中，与所述第一电极类似，所述第二电极包括用于接触所述对象的所述皮肤的第三电极区域和第四电极区域，其中，所述第三电极区域和所述第四电极区域彼此绝缘；并且所述记录器还被配置为还在所述第二电极的所述第三电极区域与所述第四电极区域之间执行噪声测量以确定所述第二电极的电极皮肤接触的接触质量。从而，基于被包括在所述第二电极中的两个电绝缘区域的噪声测量结果，可以确定所述第二电极的电极皮肤接触。该实施例的优点在于，可以分别针对所述第一电极和针对所述第二电极确定电极皮肤接触。任选地，所述电极中的一个或多个的接触质量通过所述系统被指示给所述用户。因此，假定所述两个电极之一已经正确地定位，所述系统可以指示所述两个电极中的哪一个具有不佳的电极皮肤接触并且应该重新布置。从而，改进所述肌电图系统的处理。
对应地，在实施例中，所提出的方法还可以包括以下步骤：从用于接触对象的皮肤的第二电极的第三电极区域获得第三信号；从所述第二电极的第四电极区域获得第四信号，其中，所述第三电极区域和所述第四电极区域彼此绝缘；并且基于所述第二电极的所述第三电极区域与所述第四电极区域之间的噪声测量结果，确定所述第二电极的电极皮肤接触的表面接触质量。
在实施例中，所述肌电图系统还包括切换单元，所述切换单元用于选择性地：
-将所述第一电极区域和所述第二电极区域连接到所述记录器的测量单元以执行所述噪声测量；或
-将所述第一电极和所述第二电极连接到所述记录器的所述测量单元以记录所述肌电图。任选地，所述切换单元还被配置用于将所述第二电极的第三电极区域和第四电极区域选择性地连接到用于执行噪声测量的所述记录器的测量单元。因此，可以在所述第二电极的所述第三电极区域与所述第四电极区域之间执行第二噪声测量以确定所述第二电极的电极皮肤接触的接触质量。该实施例的优点在于，所述记录器的测量单元可以被用于执行所述一个或多个噪声测量与所述肌电图的实际记录两者。应当指出，切换单元可以被布置在用于处理相应地从所述电极或电极区域接收到的信号的信号处理链的不同的阶段处。例如，切换单元可以相应地直接地被布置在电极处、在来自所述第一电极区域和所述第二电极区域的连接点或导联处、在所述记录器之前或内部。因此，所述记录器可以包括所述切换单元。所述切换单元可以被应用在初始放大器、滤波器和/或模数转换器之后。
在实施例中，所述肌电图系统还包括用于将来自所述第一电极区域和所述第二电极区域的信号组合以获得所述第一电极的组合信号的组合器单元。换句话说，即使所述第一电极包括有利地被用于所述噪声测量的第一电极区域和电绝缘第二电极区域，所述第一电极区域和所述第二电极区域可以通过用于所述第一电极与所述第二电极之间的所述肌电图的实际记录的所述组合器单元耦合在一起。换句话说，特别地用于减少单个片或电极内的所述电极区域的可能地不相等的噪声源的效应的所述第一电极区域和第二电极区域短路可以是优选的。对应的组合器单元还可以被用于将来自所述第三电极区域和所述第四电极区域的信号组合来获得所述第二电极的组合信号。所述信号可以例如电学地组合或者还可以在数字域中的模数转换之后组合。组合用于记录所述肌电图的所述第一电极区域和所述第二电极区域的优点在于，较大面积电极可以提供以下各项中的至少一项：较好的接触、较低的阻抗以及较低的噪声。已经查明，噪声与成比例。优选地，所述组合器单元是电学或电子切换设备。记录器可以包括组合器。优选地，来自所述第一电极区域和所述第二电极区域的信号导联在用于确定所述电极皮肤接触的接触质量的测量结果与实际的EMG测量结果之间未机械地操纵，使得所述电极皮肤接触未改变。
在实施例中，所述记录器被配置为基于所述第一电极的所述第一电极区域与所述第二电极区域之间的所述噪声测量结果来确定所述第一电极的噪声贡献。换句话说，基于所述第一电极的所述第一电极区域与所述第二电极区域之间的先前的序列测量结果，可以确定整个第一电极的噪声贡献或估计噪声贡献。换句话说，可以确定所述第一电极的所述电极皮肤接触的总噪声贡献。该总噪声贡献然后表示用于所述第一电极区域和所述第二电极区域的并联使用的所述第一电极的电极皮肤接触的噪声。
在实施例中，所述第一电极被包括在包括所述第一电极区域和所述第二电极区域的电极片中。该实施例的优点在于，包括所述第一电极区域和所述第二电极区域的电极片可以被处理，如已经从常规单接触电极已知的。在没有基本上改变现有流程的情况下，可以应用包括所述第一电极区域和第二电极区域的第一电极片和包括所述第二电极的所述第三电极区域和所述第四电极区域的分离的第二电极片。将意识到，可以建立相应的电极区域与所述肌电图系统的记录器之间的相应的分离的连接。
在实施例中，所述第一电极包括
-第一连接点，其电学耦合到所述第一电极区域；以及
-第二连接点，其电学耦合到所述第二电极区域。因此，提供了一个电极的两个电极区域的分离的连接。两个分离的电极区域可以经由两个分离的导联例如被连接到所述肌电图系统的所述记录器。将意识到，可以使用分离的线缆或者一个线缆包括用于连接到所述第一电极的所述第一连接点和第二连接点的连接器。所述记录器可以包括用于连接到每个电极的相应的连接点的相应接口。
在实施例中，所述电极中的至少一个是湿胶电极和/或所述电极区域中的至少一个是湿胶电极区域。所述电极中的至少一个可以是银/氯化银电极和/或所述电极区域中的至少一个可以是银/氯化银电极区域。这些实施例的优点在于，可以使用可以以低成本有利地制造的可靠技术实施电极和/或电极区域。
在实施例中，所述第一电极区域和所述第二电极区域彼此分离3至4mm的距离。该分离的优点在于，可以执行在所述第一电极区域与所述第二电极区域之间的可靠噪声测量。已经查明，所述电极区域在肌肉上隔开越远，来自下层肌肉的信号越大。然而，对于所提出的噪声测量而言，来自下层肌肉的大信号是不期望的。而且，所述电极区域隔开越远，越多相邻肌肉可以导致串扰。所提出的分离是特别地有利的，因为所述第一电极区域和所述第二电极区域足够地接近于彼此间隔，使得在所述肌电图中的要测量的肌肉的目标信号以及以来自其他肌肉的串扰的形式的噪声仅具有低幅度。同时，所述间隔足够宽以致于甚至当应用到所述对象的所述皮肤时，可以确保所述第一电极区域与所述第二电极区域之间的电绝缘。所述第一电极的所述第一电极区域和所述第二电极区域可以相应地被看作用于接触所述对象的所述皮肤的邻近或相邻电极区域。当应用到所述对象的所述皮肤时，所述第一电极与所述第二电极之间的分离优选地大于所述第一电极的第一电极区域与所述第二电极区域之间的所述分离。
已查明，从所述身体内生成并且经由电极在所述表面处测量的EMG信号随着所述电极之间的所述间隔减小而在幅度方面变得更小。因此，经由包括用于接触所述对象的所述皮肤的所述第一电极区域和第二电极区域的所述第一电极所测量的噪声单独由所述电极中的两个噪声源的串联组合主导，其可以因此用作所述第一电极的所述电极皮肤接触的接触质量的指示器。关于EMG电极的放置，De Luca等人的“Inter-electrode spacing ofsurface EMG sensors:Reduction of crosstalk contamination during voluntarycontractions”Journal of Biomechanics 2011教导电极在肌肉上隔开越远，信号越大。因此，在肌肉上间隔的大电极将期望用于获得具有大幅度的目标肌肉信号。然而，所述距离越大，可以影响所述信号的相邻肌肉越多。因此，研究教导在期望的目标信号幅度与来自其他肌肉的串扰之间存在平衡。该科学研究教导用于降低串扰信号的10mm的电极间间隔。
在实施例中，所述肌电图系统还包括参考电极。作为任选的额外电极的接地或参考电极可以被用于限制共模噪声(诸如电源线噪声)。作为优点，从而可以改进共模抑制比(CMRR)。所述参考电极的另一优点可以是从过载EMG记录器输入放大器限制主测量电极中的任何共模信号。有利地，所述参考电极被放置在所述身体(诸如锁骨)上的电中性地点。参考电极可以远离所述身体的电中性部分(即，骨性隆起)上的第一电极和第二电极被放置。
在实施例中，所述肌电图系统还包括用于指示电极皮肤接触质量的输出单元。该实施例的优点在于，其可以被指示使用其电极是否已经适当地附接。例如，所述用户可以被警告接触质量是高于还是低于相应的预定阈值。低于预定阈值的接触质量可以指示不佳的接触质量。然而，高于预定阈值的接触质量可以指示所述第一电极区域与所述第二电极区域未彼此适当地分离并且可以指示那两个区域之间的短路。输出单元可以使用任何模态(诸如提供声学和/或视觉消息)指示所述电极皮肤接触质量。此外，用户可以被构建为重新布置电极中的一个或多个。
附图说明
本发明的这些和其他方面将根据下文所描述的(一个或多个)实施例而显而易见并且参考下文所描述的(一个或多个)实施例得以阐述。在以下附图中，
图1示出了应用到对象的肌电图系统；
图2示出了图1的EMG设置的电学等效模型；
图3示出了应用到对象的根据本发明的方面的肌电图系统；
图4示出了图3的EMG设置的电学等效模型；
图5A示出了根据本发明的方面的电极片的俯视图；
图5B示出了根据本发明的方面的电极片的仰视图；
图6示出了在对象的肋间肌上进行的示范性表面EMG记录；
图7示出了电极-皮肤过量噪声的示范性图形；
图8示出了根据本发明的方面的用于肌电图测量的方法的流程图；
图9A示出了第一测量步骤期间的第一测量配置；
图9B示出了第二测量步骤期间的第二测量配置；
图9C示出了第三测量步骤期间的第三测量配置；
图10示出了根据本发明的肌电图系统的第一示范性电路配置；
图11示出了根据本发明的肌电图系统的第二示范性电路配置；
图12示出了根据本发明的肌电图系统的第三示范性电路配置；并且
图13示出了根据本发明的肌电图系统的第四示范性电路配置。
具体实施方式
图1示出了现有肌电图系统的实施例。肌电图系统在其中利用附图标记1以其整体指代。
肌电图系统1包括用于接触对象100的皮肤的第一电极2和第二电极3和用于记录第一电极2与第二电极3之间的肌电图的记录器4。该实施例中的记录器4包括测量单元5，其被连接到记录器4的第一接口6和第二接口7。第一电极2经由用于提供来自第一电极的第一信号的第一导联8被连接到记录器4的第一接口6。第二电极3经由用于提供来自第二电极3的第二信号的第二导联9被连接到记录器4的第二接口7。
记录器4的测量单元5可以例如包括差分放大器，所述差分放大器用于基于从第一电极2所获得的第一信号与从第二电极3所获得的第二信号的差异获得肌电图。例如，记录器4可以包括高增益、高共模放大器、模数(A/D)转换器和任选的数据处理和存储能力。记录器4通过电极被连接到要测量的肌肉群。
表面EMG测量涉及对由人类肌肉组织所生成的非常小电学变化的检测、处理和记录。信号常常在幅度方面是仅几微伏并且因此经受来自其他更多主导噪声源(来自测量系统或者来自人体自身)的干扰。EMG系统的可能应用是测量由人类肌肉组织所生成的电学变化，即，从胸部上的肋间肌所生成的电学变化，以计算患有慢性阻塞性肺病(COPD)的患者中的神经呼吸驱动(NRD)的指数。
图2示出了图1的表面EMG测量设置的简化电学等效模型。第一电极2和第二电极3被连接到记录器4的测量单元5。在图2中的示范性实施例中，作为示范性想要信号的肋间生物电势信号利用附图标记1指示。除想要的肋间生物电势信号21之外，图2的电学等效模型还示出了第一测量电极2与第二测量电极3之间的组织阻抗22。此外，可以存在如由串扰信号23所指示的串扰，其可以归因于不想要的紧张肌活动或生物电势和/或运动伪影。这样的不想要的贡献由虚线在图2中指示。当使用测量单元5经由通过第一电极2和第二电极3所提供的接触执行测量时，测量单元5不可避免地看到所有信号和噪声源并且接收一个公共信号。所涉及的问题在于，信号源和噪声源在性质上基本上类似，这可以使隔离单独贡献困难。因此，在如图1中所示的设置中，可以例如通过确定总体信噪比来确定所采集的EMG测量结果的总体质量。
图3示出了根据本发明的方面的肌电图系统1’的实施例。肌电图系统1’包括用于接触对象100的皮肤的第一电极2’和第二电极3’和用于记录第一电极2’与第二电极3’之间的肌电图的记录器4’。第一电极2’包括用于接触对象100的皮肤的第一电极区域2A和第二电极区域2B，其中，第一电极区域2A和第二电极区域2B彼此绝缘。第二电极3’包括用于接触对象100的皮肤的第三电极区域3A和第四电极区域3B，其中，第三电极区域3A和第四电极区域3B彼此绝缘。
记录器4’被配置为在第一电极2’的第一电极区域2A与第二电极区域2B之间执行噪声测量，以确定第一电极2’的电极皮肤接触的接触质量。对应地，记录器4’还可以被配置为还在第二电极3’的第三电极区域3A与所述第四电极区域3B之间执行噪声测量，以确定第二电极3’的电极皮肤接触的接触质量。
在该示范性实施例中，记录器4’包括测量单元5和任选的切换单元10。该实施例中的切换单元10包括连接到记录器4’的四个接口6A、6B、7A、7B的四个输入。记录器4’的第一接口6A经由第一导联8A被连接到第一电极2’的第一电极区域2A。第二接口6B经由第二导联8B被连接到第一电极2’的第二电极区域2B。第三接口7A经由第三导联9A被连接到第二电极3’的第三电极区域3A并且第四接口7B经由第四导联9B被连接到第二电极3’的第四电极区域3B。
图5A和5B示出了包括用于分离地接触对象100的皮肤的第一电极区域2A和第二电极区域2B的第一电极2’的示范性实施例。
应当强调，一般而言，不期望通过将一个电极的区域分裂为分离的电极区域来减小电极区域，因为减小电极区域增加噪声，其中，噪声与成比例。
图5A示出了包括第一连接器51和第二连接器52的第一电极2’的俯视图。图5A因此示出了在使用期间背向对象的皮肤的电极片的侧。第一连接器51被配置用于连接到用于接触对象的皮肤的第一电极区域2A。第二连接器52被配置用于连接用于接触对象的皮肤的第二电极区域2B。
图5B示出了第一电极2’的底视图。第一电极区域2A和第二电极区域2B彼此绝缘。例如，区域可以由第一电极区域2A与第二电极区域2B之间的间隙53隔离。第一电极区域2A和第二电极区域2B还可以由非导电材料分离。有利地，第一电极区域2A和第二电极区域2B由3-4mm的距离分离，如由图5B中的箭头所指示的。当应用到对象100的皮肤时，第一电极2’的第一电极区域2A与第二电极区域2B之间的分离或距离d应当小于第一电极2’与第二电极3’之间的距离。还应当指出，电极片可以包括超过两个电极区域并且可以使用不同的连接器。
在图5A和5B中所示的实施例中，第一电极2’被实现为双接触EMG湿胶电极片。然而，不同的类型的电极和/或电极区域可以被使用在备选方案中。电极片有利地包括具有使得能够将至少两个分离的导联连接到记录器的独立连接点的至少两个电绝缘电极区域。片的每个接触点可以具有例如其自身的分离/隔离的湿胶电解质区域。将意识到，现有单个接触电极的知识可以被用于实施包括至少两个分离的电绝缘电极区域的电极。
图4示出了当应用到对象100的皮肤时如在图3中所描绘的肌电图系统1’的简化电学等效模型。图4的上半部基本上属于第一电极2’，然而图4中的下半部对应于第二电极3’。如在图2中，目标是测量并联于组织阻抗22建模的主要想要的EMG信号21。为了清楚起见，在图4中省略如在图2中所述的串扰信号23。
发明人已经查明，除串扰(诸如由例如来自心脏的电信号引起的间歇干扰)之外，最显著的干扰源和表面EMG测量结果之一是测量电极与皮肤之间的边界中所生成的噪声。具体而言，该噪声可以具有1/f光谱特性，其中，f表示频率。该噪声可以被解释为通过半多孔膜(即，在该情况下，通过皮肤电解质边界)的离子电荷输送的结果。在图7中示出了典型的1/f电极噪声的范例。已查明，以这种方式发生的过度噪声的数量和可重复性高度地取决于电极皮肤接触的质量。因此，建议执行用于确定电极皮肤接触的接触质量的噪声测量。
图4的电学等效电路图因此包括由简化电极皮肤模型41A-42B所描绘的四个电极皮肤接触。第一电极2’包括两个分离的电极皮肤接触41A、41B，其中，电极皮肤接触41A对应于第一电极的第一电极区域2A并且电极皮肤接触41B对应于第一电极的第二电极区域2B。第二电极3’包括两个分离的电极皮肤接触42A、42B，其中，电极皮肤接触42A对应于第二电极的第三电极区域3A并且第四电极皮肤接触42B对应于第二电极的第四电极区域3B。
每个电极皮肤接触41A-42B可以被建模为功能上充当一阶低通滤波器的包括电阻42和电抗43的元件的组合、表示电极的半单元电势(针对银/氯化银(Ag/AgCl)在25℃处的0.222V)的DC电压源44。此外，电极皮肤接触可以被建模为包括由跨皮肤电解质边界的离子电荷转移引起的1/f噪声源45。建议使用该噪声源以便量化和/或指示接触质量。
应当指出，当经由到第一电极区域2A和第二电极区域2B的接触看到第一电极2’中时，不仅可以看到来自两个电极皮肤接触41A和41B的贡献，而且可以看到残余的EMG信号46和残余的组织阻抗47。然而，具体而言，对于第一电极区域2A与第二电极区域2B之间的小分离而言，可以容忍这样的残余贡献。已查明，从身体内生成并且经由电极在表面处测量的EMG信号随着电极之间的间隔减小而在幅度方面变得更小。因此，当看到包括电绝缘但是紧密间隔的电极区域的一个电极的终端中时，在第一电极的第一电极区域与第二电极区域之间所测量的噪声由电极中的两个噪声源的串联组合主导。
第一电极区域2A和第二电极区域2B的电极皮肤接触可以因此被看作每个电极片中的串联组合。从该串联组合所确定的噪声可以用作用于确定第一电极的电极皮肤接触的接触质量的指示器。
例如，如果所测量的噪声超过预定阈值，则肌电图系统可以通知用户重新定位电极。通知可以例如经由输出单元11发出，其可以任选地包括在根据图3中所示的非限制性实施例的记录器4’中。对应地，如果所测量的噪声水平小于第二预定阈值，则这可以指示第一电极区域与第二电极区域之间的短路。因此，电极可以再次重新定位或者可能必须替换。
图8图示了根据本发明的方面的用于肌电图测量结果的方法的示范性实施例，其包括以下步骤：
在第一步S1中，获得来自用于接触对象的皮肤的第一电极2’的第一电极区域2A的第一信号。
在第二步S2中，获得来自用于接触对象的皮肤的第一电极2’的第二电极区域2B的第二信号，其中，该第一电极区域2A和第二电极区域2B彼此绝缘。
在第三步S3中，在第一电极2’的第一电极区域2A与第二电极区域2B之间执行噪声测量，以确定第一电极2’的电极皮肤接触的接触质量。
在任选的另一步骤中，可以在第一电极2’与另一第二电极3’之间记录肌电图信号。对应地，假若第二电极3’包括至少第三电极区域3A和第四电极区域3B，其中，第三电极区域3A和第四电极区域3B彼此绝缘，还可以基于如上文所描述的噪声测量结果来确定第二电极3’的电极皮肤接触的接触质量。
结合图3和4参考图9A至9C将描述由肌电图系统1’所执行的测量结果的示范性序列。对应的方法可以包括以下步骤。
参考图9A，在第一步中，在第一电极2’的第一电极区域2A与第二电极区域2B之间执行噪声测量，以确定第一电极2’的电极皮肤接触的接触质量。在实施例中，如在图3中所示，记录器4’可以包括切换单元10，其在记录器4’的第一接口6A与测量单元5的第一输入12A之间建立接触并且还在记录器4’的第二接口6B与测量单元5的第二输入12B之间建立接触。测量单元5可以从而在第一电极2’的第一电极区域2A与第二电极区域2B之间执行噪声测量。测量结果相应地包括第一电极区域2A和第二电极区域2B的电极皮肤接触41A和41B的串联组合以及可容忍的低残余的EMG信号46和残余的组织阻抗47。
参考图9B，在第二步中，可以在第二电极3’的第三电极区域3A与第四电极区域3B之间执行对应的噪声测量，以确定第二电极3’的电极皮肤接触的接触质量。参考图3中所示的实施例，切换单元10可以因此被配置为在记录器4’的第三接口7A与测量单元的第一输入12A之间建立连接并且在记录器4’的第四接口7B与测量单元5的第二输入12B之间建立连接。测量单元5可以从而在第二电极3’的第三电极区域3A与第四电极区域3B之间执行噪声测量。测量结果相应地包括第三电极区域3A和第四电极区域3B的电极皮肤接触42A和42B的串联组合以及可容忍地低残余的EMG信号和残余的组织阻抗。在备选实施例中，测量单元5可以包括额外输入，以用于在不需要切换单元10的情况下在第一电极2’的第一电极区域2A与第二电极区域2B之间执行噪声测量并且在第二电极3’的第三电极区域3A与第四电极区域3B之间执行噪声测量。具体而言，可以然后并行执行噪声测量。
如相应地参考图9A或图9B所描述的，对于每个电极片而言，已经建立相应的两个电极皮肤接触噪声源的串联组合。现在，可以在第一电极的电极区域2A、2B中的至少一个与第二电极的电极区域3A、3B中的至少一个之间执行第一电极与第二电极之间的实际的EMG测量。有利地，第一电极2’的第一电极区域2A和第二电极区域2B的输出被组合在一起(例如，使用组合器单元)。相应地，第二电极3’的第三电极区域3A和第四电极区域2B的输出可以被组合在一起。因此，第一电极提供组合的电极皮肤接触41并且第二电极提供组合的电极皮肤接触42。因此，正常两个导联EMG测量配置可以被建立用于实际的EMG测量。
当并联连接两个串联连接的噪声源(任意值中的每一个)时，说出得到的总并联噪声值将是什么通常是不可能的。然而，在该特定情况下，已经查明，当给定单个电极片内的电极区域是靠近在一起的时，假定均起源于两个电极区域之一(尽管非相关的)的两个噪声源将在幅度方面是非常类似的是合理的。使用该假定，可以计算等效并联连接噪声值。
如果串联的测量的噪声电压是
并且如果由于极为靠近，
那么
其中
如果并联的噪声电压是：
通过将(1)代入在(2)中，并行噪声电压可以被确定为：
该并联连接的布置的总噪声贡献有效地表示从第一电极2’到要测量的系统中的总噪声。在针对参考图9A所示的布置执行该噪声确定之后，可以针对系统中的第二电极3’重复与在图9B中所图示的相同的测量。对于电极2’、3’中的每一个而言，可以向用户指示已经实现电极皮肤接触质量的足够好的程度。该方法的优点还在于，可以给定关于电极中的哪一个是有问题的一个的特定指示。
参考图9C，在第三步中，可以在第一电极2’与第二电极3’之间记录肌电图。有利地，每个电极的电极区域被短路，如在图9C中所图示的，以便降低单个电极片内的两个电极中的可能地不相等的噪声源的效应。
图10至13示出了根据本发明的方面的用于肌电图系统的电路配置的示范性实施例。
图10示出了肌电图系统1’，其包括用于接触对象的皮肤的第一电极2’和第二电极3’和用于记录第一电极2’与第二电极3’之间的肌电图的记录器4’。第一电极2’包括用于接触对象的皮肤的第一电极区域2A和第二电极区域2B，其中，第一电极区域2A和第二电极区域2B彼此绝缘。相应地，第二电极3’包括用于接触对象的皮肤的第三电极区域3A和第四电极区域3B，其中，第三电极区域3A和第四电极区域3B彼此绝缘。在所示的实施例中，记录器4’包括测量单元5和切换单元10。测量单元5包括差分放大器61、模数转换器62和微控制器63。应当指出，模数转换器62和/或微分放大器61还可以是微控制器63的部分。
该实施例中的切换单元10可以假定三个不同的状态。在第一状态中，切换单元10被配置为将经由记录器4’的第一接口6A所获得的信号耦合到差分放大器61第一输入并且将经由的第二接口6B所获得的信号耦合到差分放大器61的第二输入。在第二状态中，切换单元10被配置为将经由记录器4’的第三接口7A所获得的信号耦合到差分放大器61的第一输入并且将经由记录器4’的第四接口7B所获得的信号耦合到差分放大器61的第二输入。在第三状态中，切换单元被配置为将经由第一输入6A获得信号耦合到和/或将经由记录器4’的第二接口6B所获得的信号耦合到差分放大器的第一输入；并且将经由第三接口7A所获得的信号耦合到和/或将经由记录器4’的第四接口7B所获得的信号耦合到差分放大器61的第二输入。可以由微控制器63控制切换单元10的不同的状态。肌电图系统1’还可以包括用于将来自一个电极的不同的电极区域的输出耦合在一起的一个或多个组合器单元64，如在图9C中示范性地图示的。因此，切换单元的三个状态可以因此被用于执行参考图9A至9C上文所解释的方法步骤。
参考图10所示的实施例的优点在于，相同的差分放大器61和模数转换器62被使用在噪声测量结果(图9A、9B)和后续的实际EMG测量结果中，使得从差分放大器61和模数转换器62发生的相同噪声在如在用于基于所执行的噪声测量确定电极皮肤接触质量的先前的校准测量结果中的实际的EMG测量期间被测量。
记录器4’还可以包括任选的参考电极65(具体而言接地电极)，其有利地改进共模抑制比(CMRR)。因此，有利地被应用到身体上的电中性位置，额外电极可以被用于限制过度共模偏移。
图11至13中所示的实施例可以特写类似和/或相同元件，如上文所描述的。在以下中，将仅突出显示前述实施例的差异。
参考图11，在信号处理链中已经改变差分放大器61与切换单元10的位置。该实施例的优点在于，从应用到对象的皮肤的电极和/或电极区域接收到的通常相当弱的信号直接地被提供到差分放大器61A到61C，使得没有切换必须在这些相当弱的信号上执行。图11中所示的实施例再次包括如上文参考图10解释的其他电路元件。
图12图示了没有切换单元10的实施例。在该实施例中，差分放大器61A、61B和对应的模数转换器62A、62B可以被提供用于一个电极的不同的区域与额外差分放大器61C之间的每个噪声测量结果并且对应的模数转换器62C被提供用于实际的EMG测量结果。在该实施例中，每个模数转换器的输出被提供到微控制器63的输入。备选地，代替于使用分离的输入，由相应的模数转换器所提供的数字信号还可以顺序地被提供到微控制器63的输入。
图13示出了根据本发明的方面的肌电图系统的另一实施例。代替于使用差分放大器61，记录器4’的接口被连接到单输入放大器(诸如单极斜坡放大器66A、66B、67A、67B)。这些放大器的输出可以被提供到切换单元10，其选择性地它们耦合到模数转换器62并且向微控制器63提供输出。应当指出，例如，代替于切换单元10和模数转换器62的组合可以使用四个并行模数转换器。有利地，信号处理的一部分可以被转移到用于微控制器63中的信号处理的数字域。例如，可以通过从放大器66A和66B接收到的信号的差异实现第一电极区域2A与第二电极区域2B之间的噪声测量结果以确定第一电极2’的电极皮肤接触的接触质量。对应地，放大器67A和67B的输出信号的差异可以被用于在第二电极的第三电极区域3A与第四电极区域3B之间执行噪声测量，以确定第二电极3’的电极皮肤接触的接触质量。在该实施例中，可以通过将来自第一电极区域2A和第二电极区域2B的输出电学连接或者通过总计数字域中的从放大器66A和66B接收到的信号实施任选的组合器单元64。可以针对第二电极的第三电极区域3A和第四电极区域3B执行对应的操作。该实施例的优点在于，可以并行执行噪声测量以及EMG信号的实际测量。换句话说，可以在实际测量期间执行皮肤电极接触质量的确定。
总之，已经呈现用于肌电图测量的肌电图系统、肌电图记录器和方法，其实现电极与皮肤之间的不佳的质量接触的检测。因此，未经训练的人可以取得可靠的测量结果。这在其中经训练的专业人员不恒定可用的家庭卫生保健设置中是特别有利的。
尽管已经在附图和前述描述中详细图示和描述本发明，但是这样的图示和描述将被认为是说明性或示范性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、说明书和权利要求书，本领域的技术人员在实践所请求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或者步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中记载的若干项目的功能。互不相同的从属权利要求中记载了特定措施的仅有事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。应当指出，任选地超过两个电极可以被提供用于EMG测量。电极可以任选地包括超过两个电绝缘电极区域。
计算机程序可以被存储/被分布在适合的介质(诸如连同其他硬件一起或作为其一部分供应的光学存储介质或固态介质)，而且可以以其他形式分布(诸如经由因特网或其他有线或无线电信系统)。
权利要求中的任何附图标记不应当被解释为对范围的限制。

Claims (14)

1.一种肌电图系统(1’)，包括：
-第一电极(2’)和第二电极(3’)，所述第一电极和所述第二电极用于接触对象(100)的皮肤，以及
-记录器(4’)，其用于记录所述第一电极(2’)与所述第二电极(3’)之间的肌电图；
其特征在于，
-所述第一电极(2’)包括用于接触所述对象(100)的所述皮肤的第一电极区域(2A)和第二电极区域(2B)，其中，所述第一电极区域(2A)和所述第二电极区域(2B)彼此绝缘；并且
-所述记录器(4’)被配置为在所述第一电极(2’)的所述第一电极区域(2A)与所述第二电极区域(2B)之间执行噪声测量，以确定所述第一电极(2’)的电极皮肤接触的接触质量。
2.根据权利要求1所述的肌电图系统，其中，
-所述第二电极(3’)包括用于接触所述对象(100)的所述皮肤的第三电极区域(3A)和第四电极区域(3B)；其中，所述第三电极区域(3A)和所述第四电极区域(3B)彼此绝缘；并且
-所述记录器(4’)还被配置为还在所述第二电极(3’)的所述第三电极区域(3A)与所述第四电极区域(3B)之间执行噪声测量，以确定所述第二电极(3’)的电极皮肤接触的接触质量。
3.根据权利要求1所述的肌电图系统，还包括切换单元(10)，所述切换单元用于选择性地：
-将所述第一电极区域(2A)和所述第二电极区域(2B)连接到所述记录器(4’)的测量单元以执行所述噪声测量；或
-将所述第一电极(2’)和所述第二电极(3’)连接到所述记录器(4’)的所述测量单元以记录所述肌电图。
4.根据权利要求1所述的肌电图系统，还包括组合器单元(64)，所述组合器单元用于将来自所述第一电极区域(2A)和所述第二电极区域(2B)的信号进行组合以获得所述第一电极(2’)的组合信号。
5.根据权利要求1所述的肌电图系统，其中，所述记录器(4’)被配置为基于所述第一电极(2’)的所述第一电极区域(2A)与所述第二电极区域(2B)之间的噪声测量结果来确定所述第一电极(2’)的噪声贡献。
6.根据权利要求1所述的肌电图系统，其中，所述第一电极(2’)被包括在包括所述第一电极区域(2A)和所述第二电极区域(2B)的电极片中。
7.根据权利要求1所述的肌电图系统，其中，所述第一电极(2’)包括：
-第一连接点，其电耦合到所述第一电极区域(2A)；以及
-第二连接点，其电耦合到所述第二电极区域(2B)。
8.根据权利要求1所述的肌电图系统，其中，所述电极中的至少一个是湿胶电极和/或所述电极区域中的至少一个是湿胶电极区域。
9.根据权利要求1所述的肌电图系统，其中，所述第一电极区域(2A)和所述第二电极区域(2B)以3至4毫米的距离分离。
10.根据权利要求1所述的肌电图系统，还包括参考电极。
11.根据权利要求1所述的肌电图系统，还包括用于指示电极皮肤接触质量的输出单元。
12.一种肌电图记录器(4’)，用于根据权利要求1所述的肌电图系统，所述肌电图记录器用于记录第一电极(2’)与第二电极(3’)之间的肌电图信号，所述记录器(4’)包括：
-第一接口，其用于从用于接触对象(100)的皮肤的所述第一电极(2’)的第一电极区域(2A)获得第一信号；
-第二接口，其用于从所述第一电极(2’)的第二电极区域(2B)获得第二信号，其中，所述第一电极区域(2A)和所述第二电极区域(2B)彼此绝缘；
其中，所述记录器(4’)被配置为在所述第一电极(2’)的所述第一电极区域(2A)与所述第二电极区域(2B)之间执行噪声测量，以确定所述第一电极(2’)的电极皮肤接触的接触质量。
13.一种用于肌电图测量的方法，包括以下步骤：
-从用于接触对象(100)的皮肤的第一电极(2’)的第一电极区域(2A)获得第一信号；
-从所述第一电极(2’)的第二电极区域(2B)获得第二信号，其中，所述第一电极区域(2A)和所述第二电极区域(2B)彼此绝缘；
-在所述第一电极(2’)的所述第一电极区域(2A)与所述第二电极区域(2B)之间执行噪声测量，以确定所述第一电极(2’)的电极皮肤接触的接触质量；并且
-记录所述第一电极(2’)与第二电极(3’)之间的肌电图信号。
14.一种包括程序代码模块的计算机程序，所述程序代码模块用于当在计算机上执行所述计算机程序时令计算机执行根据权利要求13所述的方法的步骤。
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