CN108433729A - 一种用于人体感觉运动控制研究的多信号采集与同步系统 - Google Patents

一种用于人体感觉运动控制研究的多信号采集与同步系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于人体感觉运动控制研究的多信号采集与同步系统，具体包括上位机、信号采集模块、刺激输入设备、以及信号同步采集处理器；所述信号采集模块设置于人体上用以采集人体的生物力学参数与生物电信号，所述信号采集模块的输出连接至所述信号同步采集处理器的输入端；所述刺激输入设备的输入与上位机相连，输出与人体相连，用以根据上位机的指令对人体输出刺激；所述信号同步采集处理器的输出端与所述上位机相连，用以将同步后的采集信号传输至上位机。本发明能够实现人体感觉运动控制研究中所需的多种生物力学信号和生物电信号的同步采集。

Description

一种用于人体感觉运动控制研究的多信号采集与同步系统
技术领域
本发明涉及人体感觉运动控制测试领域，特别是一种用于人体感觉运动控制研究的多信号采集与同步系统。
背景技术
人类感觉运动系统是一个复杂的控制回路，包括有控制输出通路和感觉反馈通路，涉及中枢神经系统和周围神经系统的交互作用。尽管，以往的细胞神经生物学研究已经很好地揭示了单个神经元的输入和输出关系。但是至今，我们还缺乏在系统层面上对人类中枢神经系统如何通过与周围神经系统的交互，实现对人体运动的精确、灵活控制进行有效的描述。从系统层面对人类感觉运动系统的研究有助于进一步理解人脑的对运动的控制，人体感觉运动控制系统的研究也成为神经科学的前沿课题。
在研究人体感觉运动控制时，通常需要在人体运动，或者给人体施加一定的外部刺激输入时，例如电流刺激、机械刺激输入时，采集人体的生物力学参数和生物电信号等各种输出信号。人体运动的生物力学参数包括了人体关节力矩(torque)、关节运动角度(joint angle)、角速度(angular velocity)等信号。生物电信号包括了肌肉的肌电信号(electromyography, EMG)以及脑电信号(electroencephalograph, EEG)等。脑电信号是脑神经细胞电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映，因此，可以被看作是感觉运动控制中中枢神经系统在系统层面的信号。肌电信号是众多肌纤维中运动单元动作电位(Motor Unit Action Potential, MUAP)在时间和空间上的叠加，可以看作是感觉运动控制中周围神经系统在系统层面的信号。这些信号反映了人体感受运动控制过程中的大量信息，可以提供对感受运动控制通路进行深入研究。在神经疾病及康复的研究中，利用这些信息可以充分研究人体感觉运动控制的特性和机理，因而可从系统层面上研究脑卒中、帕金森等中枢神经系统病变如何改变人类感觉运动系统，解释运动障碍相关疾病的发病机理，并提出系统康复治疗方案，为诊断和康复评判提供量化指标，是研究功能性电刺激与康复机器人等康复设备的基础，对于康复设备、康复评估、医疗器械的研发具有重要意义。
利用人体运动时或受到外部刺激的生物力学信号和生物电信号来研究人体感受运动控制，其中关键的一点是需要有同步的信号采集系统。一方面，为了建立各种信号之间关系的动态模型，不同信号之间必须同步。另一方面，在人体运动控制中，由于信号之间存在生理延迟现象，不同步的信号会导致错误的延迟参数。特别地，当存在外部刺激输入时，例如电流刺激、机械扰动刺激作为人体的输入时，不仅所测量的人体的各种输出信号之间需要同步，也需要将刺激输入信号与输出信号同步。目前已经发表的文献和公开的技术中，人体运动感受运动控制研究中的所需要的各种信号，通常是分别使用多个专用的设备分开采集。这些专用的设备价格昂贵，作为数据采集设备时功能冗余，使用不便。最大的问题在于，使用不同的专用系统，无法保证多个信号之间的同步。现阶段，市场上尚无成熟的可供人体实验应用的多信号同步采集系统，也没有将输入、输出进行同步的系统，这影响了神经康复技术的研究与发展。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种用于人体感觉运动控制研究的多信号采集与同步系统，能够实现人体感觉运动控制研究中所需的多种生物力学信号和生物电信号的同步采集。
本发明采用以下方案实现：一种用于人体感觉运动控制研究的多信号采集与同步系统，具体包括上位机、信号采集模块、刺激输入设备、以及信号同步采集处理器；
所述信号采集模块设置于人体上用以采集人体的生物力学参数与生物电信号，其包括一个以上的传感器，所述信号采集模块的输出连接至所述信号同步采集处理器的输入端；
所述刺激输入设备的输入与上位机相连，输出与人体相连，用以根据上位机的指令对人体输出刺激；
所述信号同步采集处理器的输出端与所述上位机相连，用以将同步后的采集信号传输至上位机。
本发明利用上位机控制刺激输入设备对人体进行刺激，同时利用信号采集模块采集人体的反馈信号，或者在不进行刺激的情况下采集人体的反馈信号；人体在外部输入或自主感受运动控制作用下产生运动并产生多种输出，如生物力学参数、生物电信号等。本发明的信号刺激模块在进行多信号采集后，通过信号同步采集处理器进行信号同步。
较佳的，本发明的信号同步采集处理器使用FPGA处理器，通过多个SPI接口并行同步接收所述信号采集模块中的一个以上的传感器模块的数据，后将采集的各种数据存储于FIFO或者SDRAM缓存中，再经由通用串行总线USB传输至上位机进行显示和存储。当存在外部刺激输入时，即如电刺激、机械扰动刺激作为人体感受运动控制的输入时，本发明的上位机通过启动信号来同时启动刺激输入设备并进行数据采集，从而同步刺激输入信号与所采集的传感信号。
较佳的，所述刺激输入设备可以采用功能性电刺激、或者机械振动扰动来作为人体的外部输入信号。
进一步地，所述信号采集模块包括无线通信MCU、一个以上的惯性传感单元、生理电信号采集模拟前端单元、力矩测量单元、以及预留ADC接口单元。
进一步地，所述惯性传感单元包括第一微处理器以及与其相连的无线发射模块、三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、以及三轴磁力计惯性传感器；所述三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、以及三轴磁力计惯性传感器均设置在人体上用以对人体的运动状态信息进行采集，并通过所述无线发射模块以无线网络与无线通信MCU无线通信相连，用以将采集到的人体的运动状态信息传输至无线通信MCU，所述无线通信MCU通过SPI与所述信号同步采集处理器通信相连，用以将采集到的人体的运动状态信息传递至所述信号同步采集处理器。
其中，各个惯性传感单元采用无线通信的方式与所述无线通信MCU无线通信相连，能够保证检测过程中人体运动不受约束，其中，所述无线发射模块包括天线、蓝牙或其他无线装置。
较佳的，无线通信的方式包括但不限于蓝牙、Wi-Fi、Sub-1GHz等。在本发明中，无线信号微处理器作为主站(master)，多个惯性传感单元作为从站节点(salve node)，组成模块化的无线传感网络(wireless sensor network, WSN)。惯性传感单元节点使用时分多址(time division multiple access, TDMA)实现星型网络(star-shaped networkarchitecture)结构通信。
进一步地，所述生理电信号采集模拟前端单元包括第二微处理器、设置在人体设定部位的模拟前端采集板、多通道同步ADC模块、以及SPI模块；所述模拟前端采集板与所述多通道同步ADC模块相连并经所述多通道同步ADC模块将采集信号传输至所述第二微处理器，所述第二微处理器经所述SPI模块与所述信号同步采集处理器通信相连，用以将采集信号传递至所述信号同步采集处理器。其中，所述模拟前端采集板用于生理电信号的采集，人体运动控制研究中所需要的生理电信号主要包括脑电信号(EEG)和肌电信号(EMG)。通常多通道高精度ADC模块具有2通道、4通道和8通道几种规格的通道数量。人体运动控制的研究通常是针对单关节。对于肌电信号的采集，在单关节运动研究时通常需要一块主动肌肉或一对拮抗肌的肌电信号，甚至需要采集邻近肌肉的肌电信号。对于脑电信号，通道的数量则从24通道至256通道。所以本发明中可以通过多个模块化的AFE采集板来增加通道数量。
进一步地，所述力矩测量单元包括可调节长度的肢体承托固定连杆、力矩传感器、负载电机、以及电机控制器；其中所述可调节长度的肢体承托固定连杆能够适应不同长度的肢体，并将人体关节的力矩转换为机构转轴的力矩；所述力矩传感器与所述肢体承托固定连杆、负载电机相连，并通过ADC通道与所述信号同步采集处理器相连，用以测量所述机构转轴的力矩并输出模拟量至所述信号同步采集处理器；其中所述电机控制器与所述负载电机电性相连，用以控制电机输出转矩使得负载可调，用以测量等长和非等长运动力矩。
进一步地，所述预留ADC接口单元用以连接新增传感器装置，可以配合其他传感装置的同步采集。其中采集的方式与力矩传感器的相同，均通过A/D采样进行数据采集。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
1、本发明以模块化集成的方式，实现人体感觉运动控制研究中所需的多种生物力学信号和生物电信号的同步采集。
2、本发明实现了包括外部刺激输入和多传感器测量信号的同步。
附图说明
图1为本发明实施例的系统原理框图1。
图2为本发明实施例的系统原理框图2。
图3为本发明实施例的惯性传感单元示意图。
图4为本发明实施例的生理电信号采集模拟前端单元示意图。
图5为本发明实施例的力矩测量单元示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1、图2所示，本实施例提供了一种用于人体感觉运动控制研究的多信号采集与同步系统，具体包括上位机、信号采集模块、刺激输入设备、以及信号同步采集处理器；
所述信号采集模块设置于人体上用以采集人体的生物力学参数与生物电信号，其包括一个以上的传感器，所述信号采集模块的输出连接至所述信号同步采集处理器的输入端；
所述刺激输入设备的输入与上位机相连，输出与人体相连，用以根据上位机的指令对人体输出刺激；
所述信号同步采集处理器的输出端与所述上位机相连，用以将同步后的采集信号传输至上位机。
本实施例利用上位机控制刺激输入设备对人体进行刺激，同时利用信号采集模块采集人体的反馈信号，或者在不进行刺激的情况下采集人体的反馈信号；人体在外部输入或自主感受运动控制作用下产生运动并产生多种输出，如生物力学参数、生物电信号等。本发明的信号刺激模块在进行多信号采集后，通过信号同步采集处理器进行信号同步。信号同步采集处理器使用FPGA处理器，通过多个SPI接口并行同步接收多传感器模块的数据，后将采集的各种数据存储于FIFO或者SDRAM缓存中，再经由通用串行总线USB传输至上位机进行显示和存储。当存在外部刺激输入时，即如电刺激、机械扰动刺激作为人体感受运动控制的输入时，本发明的上位机通过启动信号来同时启动刺激输入设备和并进行数据采集，从而同步刺激输入信号与所采集的传感信号。当不需要外部刺激输入时，启动信号仅用于启动数据采集。
较佳的，所述刺激输入设备可以采用功能性电刺激、或者机械振动扰动来作为人体的外部输入信号。
在本实施例中，所述信号采集模块包括无线通信MCU、一个以上的惯性传感单元、生理电信号采集模拟前端单元、力矩测量单元、以及预留ADC接口单元。
如图3所示，在本实施例中，所述惯性传感单元包括第一微处理器以及与其相连的无线发射模块、三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、以及三轴磁力计惯性传感器；所述三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、以及三轴磁力计惯性传感器均设置在人体上用以对人体的运动状态信息进行采集，并通过所述无线发射模块以无线网络与无线通信MCU无线通信相连，用以将采集到的人体的运动状态信息传输至无线通信MCU，所述无线通信MCU通过SPI与所述信号同步采集处理器通信相连，用以将采集到的人体的运动状态信息传递至所述信号同步采集处理器。
其中，各个惯性传感单元采用无线通信的方式与所述无线通信MCU无线通信相连，能够保证检测过程中人体运动不受约束，其中，所述无线发射模块包括天线、蓝牙或其他无线装置。
较佳的，在本实施例中，无线通信的方式包括但不限于蓝牙、Wi-Fi、Sub-1GHz等。在本发明中，信号同步采集处理器通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface,SPI)与一块无线信号微处理器连接，无线信号微处理器与n个惯性传感单元以无线的方式连接，无线信号微处理器作为主站(master)，多个惯性传感单元作为从站节点(salvenode)，组成模块化的无线传感网络(wireless sensor network, WSN)。惯性传感单元节点使用时分多址(time division multiple access, TDMA)实现星型网络(star-shapednetwork architecture)结构通信。
在本实施例中，如图4所示，所述生理电信号采集模拟前端单元包括第二微处理器、设置在人体设定部位的模拟前端采集板、多通道同步ADC模块、以及SPI模块；所述模拟前端采集板与所述多通道同步ADC模块相连并经所述多通道同步ADC模块将采集信号传输至所述第二微处理器，所述第二微处理器经所述SPI模块与所述信号同步采集处理器通信相连，用以将采集信号传递至所述信号同步采集处理器。其中，所述模拟前端采集板用于生理电信号的采集，人体运动控制研究中所需要的生理电信号主要包括脑电信号(EEG)和肌电信号(EMG)。通常多通道高精度ADC模块具有2通道、4通道和8通道几种规格的通道数量。人体运动控制的研究通常是针对单关节。对于肌电信号的采集，在单关节运动研究时通常需要一块主动肌肉或一对拮抗肌的肌电信号，甚至需要采集邻近肌肉的肌电信号。对于脑电信号，通道的数量则从24通道至256通道。所以本发明中可以通过多个模块化的AFE采集板来增加通道数量。
在本实施例中，如图5所示，所述力矩测量单元包括可调节长度的肢体承托固定连杆、力矩传感器、负载电机、以及电机控制器；其中所述可调节长度的肢体承托固定连杆能够适应不同长度的肢体，并将人体关节的力矩转换为机构转轴的力矩；所述力矩传感器与所述肢体承托固定连杆、负载电机相连，并通过ADC通道与所述信号同步采集处理器相连，用以测量所述机构转轴的力矩并输出模拟量至所述信号同步采集处理器；其中所述电机控制器与所述负载电机电性相连，用以控制电机输出转矩使得负载可调，用以测量等长和非等长运动力矩。人体运动可以分为等长运动和非等长运动，所以涉及的力矩采集设计静态力矩测量和动态力矩测量。本发明使用电机作为负载，通过电机控制器控制电机输出转矩使得负载可调，可以测量等长和非等长运动力矩。
在本实施例中，所述预留ADC接口单元用以连接新增传感器装置，可以配合其他传感装置的同步采集。其中采集的方式与力矩传感器的相同，均通过A/D采样进行数据采集。
特别的，本实施例的系统在使用的过程中具体包括以下步骤：
1、在人体上安装和固定传感器；2、选择需要的传感器模块，配置传感器的量程，配置是否需要同步刺激输入设备的信号；3、配置信号采集结束条件，如采集总时长或外部触发停止；4、启动系统，使其处于正常工作状态；5、刺激输入设备和采集系统开始工作；6、结束采集，存储数据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种用于人体感觉运动控制研究的多信号采集与同步系统，其特征在于：包括上位机、信号采集模块、刺激输入设备、以及信号同步采集处理器；
所述信号采集模块设置于人体上用以采集人体的生物力学参数与生物电信号，其包括一个以上的传感器，所述信号采集模块的输出连接至所述信号同步采集处理器的输入端；
所述刺激输入设备的输入与上位机相连，输出与人体相连，用以根据上位机的指令对人体输出刺激；
所述信号同步采集处理器的输出端与所述上位机相连，用以将同步后的采集信号传输至上位机。
2.根据权利要求1所述的一种用于人体感觉运动控制研究的多信号采集与同步系统，其特征在于：所述信号同步采集处理器采用FPGA处理器并通过多个SPI接口并行同步接收所述信号采集模块中的一个以上的传感器的数据，后将采集的各种数据存储于FIFO或者SDRAM缓存中，再经由通用串行总线USB传输至所述上位机进行显示和存储；
当存在外部刺激输入时，所述上位机通过启动信号来同时启动刺激输入设备并进行数据采集，从而同步刺激输入信号与所采集的传感信号。
3.根据权利要求1所述的一种用于人体感觉运动控制研究的多信号采集与同步系统，其特征在于：所述信号采集模块包括无线通信MCU、一个以上的惯性传感单元、生理电信号采集模拟前端单元、力矩测量单元、以及预留ADC接口单元。
4.根据权利要求3所述的一种用于人体感觉运动控制研究的多信号采集与同步系统，其特征在于：所述惯性传感单元包括第一微处理器以及与其相连的无线发射模块、三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、以及三轴磁力计惯性传感器；所述三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、以及三轴磁力计惯性传感器均设置在人体上用以对人体的运动状态信息进行采集，并通过所述无线发射模块以无线网络与无线通信MCU无线通信相连，用以将采集到的人体的运动状态信息传输至无线通信MCU，所述无线通信MCU通过SPI与所述信号同步采集处理器通信相连，用以将采集到的人体的运动状态信息传递至所述信号同步采集处理器。
5.根据权利要求3所述的一种用于人体感觉运动控制研究的多信号采集与同步系统，其特征在于：所述生理电信号采集模拟前端单元包括第二微处理器、设置在人体设定部位的模拟前端采集板、多通道同步ADC模块、以及SPI模块；所述模拟前端采集板与所述多通道同步ADC模块相连并经所述多通道同步ADC模块将采集信号传输至所述第二微处理器，所述第二微处理器经所述SPI模块与所述信号同步采集处理器通信相连，用以将采集信号传递至所述信号同步采集处理器。
6.根据权利要求3所述的一种用于人体感觉运动控制研究的多信号采集与同步系统，其特征在于：所述力矩测量单元包括可调节长度的肢体承托固定连杆、力矩传感器、负载电机、以及电机控制器；其中所述可调节长度的肢体承托固定连杆能够适应不同长度的肢体，并将人体关节的力矩转换为机构转轴的力矩；所述力矩传感器与所述肢体承托固定连杆、负载电机相连，并通过ADC通道与所述信号同步采集处理器相连，用以测量所述机构转轴的力矩并输出模拟量至所述信号同步采集处理器；其中所述电机控制器与所述负载电机电性相连，用以控制电机输出转矩使得负载可调，用以测量等长和非等长运动力矩。
7.根据权利要求3所述的一种用于人体感觉运动控制研究的多信号采集与同步系统，其特征在于：所述预留ADC接口单元用以连接新增传感器装置。
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