CN108464831A - 一种穿戴式肌肉疲劳检测的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉一种穿戴式肌肉疲劳检测的装置及方法，具体包括可调频率信号源、信号调控单元、鉴相器、输入电极、接收电极、差分放大电路、滤波电路、整形还原单元、微处理器、以及显示模块。本发明结构简单小型化，且采集方式无创、无害并且操作简单。

Description

一种穿戴式肌肉疲劳检测的装置及方法
技术领域
本发明涉及人体肌肉电信号测试领域，特别是一种穿戴式肌肉疲劳检测的装置及方法。
背景技术
现有的人体肌肉疲劳检测装置广泛通过采集肌电信号判断肌肉疲劳。然而肌电信号的采集电路和数字信号处理电路比较复杂，致使装置体积庞大。装置前期设置步骤繁多，需要专业人士操作，受众群体单一；再者，该装置在肌肉静态收缩条件下测量效果很好，由于装置外形庞大，并不适用于运动场景下肌肉疲劳程度的测量。从生物医学角度而言，机体运动会导致基础代谢变快，生物阻抗值会随之减小。本发明考虑到电阻抗肌张力描记方法具有无创、无害、操作简单、功能信息丰富的特点，本设计采用电阻抗肌张力的方法为穿戴式设备提供了一种小型化、轻量级的肌肉疲劳的检测装置与方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种穿戴式肌肉疲劳检测装置及方法，结构简单小型化，且采集方式无创、无害并且操作简单。
本发明采用以下方案实现：一种穿戴式肌肉疲劳检测装置，具体包括可调频率信号源、信号调控单元、鉴相器、输入电极、接收电极、差分放大电路、滤波电路、整形还原单元、微处理器、以及显示模块；
所述可调频率信号源的输出端连接至所述信号调控单元的输入端，所述信号调控单元的输出端分别连接至所述鉴相器的第一输入端、以及输入电极；
所述输入电极设置在人体的肌肉块或者肌肉群中，用以向所述肌肉块或者肌肉群输入低强度恒定电流或者电压；所述接收电极也设置在人体的肌肉块或者肌肉群中，用以采集经由人体传输后的电流或者电压；
所述接收电极依次经所述差分放大电路、滤波电路、整形还原单元连接至所述鉴相器的第二输入端，用以将处理过后的采集电流或者电压信号送入鉴相器；
所述鉴相器的输出端与所述微处理器电性相连，用以将输出的相位差输入至微处理器进行计算；所述整形还原单元的输出端也连接至所述微处理器，用以将处理过后的采集电流或者电压信号送入所述微处理器进行计算；
所述微处理器与所述显示模块电性相连，用以将计算结果输出至所述显示模块进行显示。
进一步地，所述信号调控单元包括继电器、LED提示灯、以及比较器；
所述比较器的两个输入端分别与所述可调频率信号源的输出端、以及基准信号源相连，用以比较所述可调频率信号源输出的信号与所述基准信号源输出的信号；
所述可调频率信号源的输出端还与所述继电器相连，并经所述继电器连接至所述输入电极，所述继电器的控制端与所述比较器的输出端电性相连，用以根据比较器的输出结果控制继电器的通断；
所述比较器的输出端还与所述LED提示灯电性相连，用以根据比较器输出的高低电平控制LED提示灯的工作状态。
进一步地，还包括无线通信模块，所述无线通信模块与所述微处理器电性相连，并与外部的智能移动终端或者上位机通信相连，用以将微处理器的计算结果输出至智能移动终端或者上位机进行显示。
进一步地，所述无线通信模块为WIFI模块、或者蓝牙模块；所述智能移动终端包括手机、智能手表、或者平板电脑。
进一步地，所述滤波电路采用巴特沃斯滤波器、椭圆滤波器或贝塞尔滤波器。
进一步地，所述整形还原单元由比较器构成。
进一步地，所述微处理器为单片机、STM32或ARM。
进一步地，所述显示模块包括LED液晶显示屏。
本发明还提供了一种基于上文所述的穿戴式肌肉疲劳检测装置的方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：利用可调频率信号源输出频率可调的电压或者电流信号至所述信号调控单元；
步骤S2：所述信号调控单元根据预设的阈值判断输入的电压或者电流信号是否超过了阈值，若超过，则不输出并进行LED灯亮提示，否则将输入的电压或者电流信号输出至所述输入电极与所述鉴相器；
步骤S3：所述接收电极实时采集经由人体传输后的人体的电流或者电压信号，并将采集到的信号依次经过所述差分放大电路、滤波电路、整形还原单元分别进行放大、滤波以及整形还原操作，并将处理后的信号分别输入至所述鉴相器与微处理器；
步骤S4：所述鉴相器比较所述信号调控单元与所述整形还原单元输入的信号，得到相位差θ，并将得到的相位差输出至所述微处理器；
步骤S5：所述微处理器利用电压电流公式计算出人体测试部位的电阻R，并通过公式X＝R·tanθ计算出人体测试部位的电抗值X，再由公式计算得出人体测试部位的肌肉电阻抗|Z|。
进一步地，所述可调频率信号源用以产生1kHz至10MHz范围内频率和幅度可调的电压信号。
较佳的，所述输入电极与接收电极均由两片电极构成。
本发明将高频、低强度电流/电压施加到待测的肌肉块或肌肉群中，测量耦合电压/电流。由电压和电流信息就可得到人体某一段组织的电阻；将原始信号和经由人体传输的信号输入鉴相器得出相位差。电阻抗Z＝R+jX(其中R表示电阻，X表示电抗)，而只要得到θ、X、R其中两个量的值，就可以得出另外一个值。由公式X＝R·tanθ得出肌肉组织的电抗值X，最后由公式得出肌肉电阻抗。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明的装置简单，并且考虑到电阻抗肌张力描记方法具有无创、无害、操作简单、功能信息丰富的特点，本发明采用电阻抗肌张力的方法为穿戴式设备提供了一种小型化、轻量级的肌肉疲劳的检测方法。
附图说明
图1为本发明实施例的电路原理示意图。
图2为本发明实施例的信号调控单元电路原理示意图。
图3为本发明实施例的输入电极与接收电极排列示意图。
图4为本发明实施例的采用本装置测得的阻抗值和EMG测得的中频值的下降趋势示意图。
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所示，本实施例提供了一种穿戴式肌肉疲劳检测装置，具体包括可调频率信号源、信号调控单元、鉴相器、输入电极、接收电极、差分放大电路、滤波电路、整形还原单元、微处理器、以及显示模块；
所述可调频率信号源的输出端连接至所述信号调控单元的输入端，所述信号调控单元的输出端分别连接至所述鉴相器的第一输入端、以及输入电极；
所述输入电极设置在人体的肌肉块或者肌肉群中，用以向所述肌肉块或者肌肉群输入低强度恒定电流或者电压；所述接收电极也设置在人体的肌肉块或者肌肉群中，用以采集经由人体传输后的电流或者电压；
所述接收电极依次经所述差分放大电路、滤波电路、整形还原单元连接至所述鉴相器的第二输入端，用以将处理过后的采集电流或者电压信号送入鉴相器；
所述鉴相器的输出端与所述微处理器电性相连，用以将输出的相位差输入至微处理器进行计算；所述整形还原单元的输出端也连接至所述微处理器，用以将处理过后的采集电流或者电压信号送入所述微处理器进行计算；
所述微处理器与所述显示模块电性相连，用以将计算结果输出至所述显示模块进行显示。
如图2所示，在本实施例中，所述信号调控单元包括继电器、LED提示灯、以及比较器；
所述比较器的两个输入端分别与所述可调频率信号源的输出端、以及基准信号源相连，用以比较所述可调频率信号源输出的信号与所述基准信号源输出的信号；
所述可调频率信号源的输出端还与所述继电器相连，并经所述继电器连接至所述输入电极，所述继电器的控制端与所述比较器的输出端电性相连，用以根据比较器的输出结果控制继电器的通断；
所述比较器的输出端还与所述LED提示灯电性相连，用以根据比较器输出的高低电平控制LED提示灯的工作状态。
在本实施例中，还包括无线通信模块，所述无线通信模块与所述微处理器电性相连，并与外部的智能移动终端或者上位机通信相连，用以将微处理器的计算结果输出至智能移动终端或者上位机进行显示。
在本实施例中，所述无线通信模块为WIFI模块、或者蓝牙模块；所述智能移动终端包括手机、智能手表、或者平板电脑。
在本实施例中，所述滤波电路采用巴特沃斯滤波器、椭圆滤波器或贝塞尔滤波器。
在本实施例中，所述整形还原单元由比较器构成。
在本实施例中，所述微处理器为单片机、STM32或ARM。
在本实施例中，所述显示模块包括LED液晶显示屏。
本实施例还提供了一种基于上文所述的穿戴式肌肉疲劳检测装置的方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：利用可调频率信号源输出频率可调的电压或者电流信号至所述信号调控单元；
步骤S2：所述信号调控单元根据预设的阈值判断输入的电压或者电流信号是否超过了阈值，若超过，则不输出并进行LED灯亮提示，否则将输入的电压或者电流信号输出至所述输入电极与所述鉴相器；
步骤S3：所述接收电极实时采集经由人体传输后的人体的电流或者电压信号，并将采集到的信号依次经过所述差分放大电路、滤波电路、整形还原单元分别进行放大、滤波以及整形还原操作，并将处理后的信号分别输入至所述鉴相器与微处理器；
步骤S4：所述鉴相器比较所述信号调控单元与所述整形还原单元输入的信号，得到相位差θ，并将得到的相位差输出至所述微处理器；
步骤S5：所述微处理器利用电压电流公式计算出人体测试部位的电阻R，并通过公式X＝R·tanθ计算出人体测试部位的电抗值X，再由公式计算得出人体测试部位的肌肉电阻抗|Z|。
在本实施例中，所述可调频率信号源用以产生1kHz至10MHz范围内频率和幅度可调的电压信号。
较佳的，在本实施例中，所述输入电极与接收电极均由两片电极构成。
本实施例将高频、低强度电流/电压施加到待测的肌肉块或肌肉群中，测量耦合电压/电流。由电压和电流信息就可得到人体某一段组织的电阻；将原始信号和经由人体传输的信号输入鉴相器得出相位差。电阻抗Z＝R+jX(其中R表示电阻，X表示电抗)，而只要得到θ、X、R其中两个量的值，就可以得出另外一个值。由公式X＝R·tanθ得出肌肉组织的电抗值X，最后由公式得出肌肉电阻抗。
特别的，接下来在本实施例中，仅仅阐述向人体组织输入电流，接收端测量耦合电压的技术方案。输入电压测电流的技术方案除个别单元的功能需要改变外，其它与此类似，故不再赘述。本实施例的频率可调信号源用于产生1kHz至10MHz范围内频率和幅度可调的电压信号。所述信号调控单元还包括电压电流变换模块，用以将输入的恒压信号转换为恒流信号，或者将输入的恒流信号转换为恒压信号。考虑到人体组织的安全性，输入端的恒压信号不能超过人体的最大承受电压。只有满足产生的恒压信号低于设定的基准电压时，才使得后端的继电器闭合，若产生的恒压信号超过基准电压，则LED亮，提示用户应重新设置。电压电流模块是为了将信号源产生的恒压信号变换为恒流信号，输入电极A和接收电极B均是由两片电极构成，输入电流测电压电极单元的排列如图3所示。电极单元A1和A2将高频恒流信号注入待测组织，电极单元B1和B2用于测量人体组织耦合产生的电压。放大电路用于放大电极单元B1和B2处的电压信号，放大倍数达几十到几百倍。放大电路的末端接入了滤波电路，用于滤出人体组织中脂肪、皮肤等组织存在的分布电容产生的干扰信号。滤波电路可采用巴特沃斯滤波器，椭圆滤波器或贝塞尔滤波器。整形还原单元是由比较器构成，经由人体传输的信号幅度低呈现锯齿状，不能直接输入微控制器进行相应的运算，比较整形用于把滤波电路处理过的信号进行整形还原。鉴相器通过对比整形过的信号和原始信号得出相位差。微控制器(单片机或STM32或ARM)通过初始的电流信息和测得的电压信息得出人体组织的电阻，再由电阻和鉴相器的相位差得出肌肉组织的阻抗值。数据显示单元是包含有存储器的LED液晶显示屏，可显示当前时刻的阻抗值，也可显示一段时间内阻抗测量值变化趋势，从而达到实时检测的目的。并经过实验证明，人体手臂在不同肌肉疲劳程度下，装置测得的阻抗值和EMG测得的中频值的下降趋势保持高度的一致性。如图4所示。由此，从另一个角度也说明了本实施例装置的可行性。
本实施例将装置穿戴在人体的某个部位，如手，腿，腹等易于穿戴的地方，保证系带牢靠。人体不同部位的肌肉组织结构差异较大，每个部位的阻抗值都在不同的范围内动态变化，装置进行检测前需对待测部位进行编号，将每个部位的测量结果存入不同的存储单元中，装置最多可存储四组不同部位的数据。将装置进行上电操作，设定待测部位的序号。设定完成后，若提示，则应该将可调频率信号源的幅度进行减小，直到无提示为止。另外，每个人对电流的耐受程度不同，装置预设值虽没有超过人体最大电流但穿戴者仍觉不适，这时，本人可以适当减小可调信号源的幅值，直到不适感消失。进行上电、设定序号操作后无LED灯亮提示时，装置就在实时测量该部位的阻抗。数据显示单元实时显示当前肌肉组织的阻抗值。也可将测得的数据通过WIFI，蓝牙等方式传输至电脑，手机，智能手表或平板等终端，方便个体在不同场景下查看个体肌肉疲劳的程度。
本实施例的装置用于实时检测人体肌肉组织疲劳程度，利用电阻抗肌张力描记技术，在不同运动场景下，对每个不同个体、不同个体的各个身体部位检测肌肉阻抗。本实施例还提供了一种利用阻抗来判断肌肉疲劳便捷的方法。通过对不同部位的测量，达到对不同肌肉组织的专一性检测。该产品可用于医疗保健、残疾人辅助治疗以及消费电子产品中。
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 (10)

1.一种穿戴式肌肉疲劳检测装置，其特征在于：包括可调频率信号源、信号调控单元、鉴相器、输入电极、接收电极、差分放大电路、滤波电路、整形还原单元、微处理器、以及显示模块；
所述可调频率信号源的输出端连接至所述信号调控单元的输入端，所述信号调控单元的输出端分别连接至所述鉴相器的第一输入端、以及输入电极；
所述输入电极设置在人体的肌肉块或者肌肉群中，用以向所述肌肉块或者肌肉群输入低强度恒定电流或者电压；所述接收电极也设置在人体的肌肉块或者肌肉群中，用以采集经由人体传输后的电流或者电压；
所述接收电极依次经所述差分放大电路、滤波电路、整形还原单元连接至所述鉴相器的第二输入端，用以将处理过后的采集电流或者电压信号送入鉴相器；
所述鉴相器的输出端与所述微处理器电性相连，用以将输出的相位差输入至微处理器进行计算；所述整形还原单元的输出端也连接至所述微处理器，用以将处理过后的采集电流或者电压信号送入所述微处理器进行计算；
所述微处理器与所述显示模块电性相连，用以将计算结果输出至所述显示模块进行显示。
2.根据权利要求1所述的一种穿戴式肌肉疲劳检测装置，其特征在于：所述信号调控单元包括继电器、LED提示灯、以及比较器；
所述比较器的两个输入端分别与所述可调频率信号源的输出端、以及基准信号源相连，用以比较所述可调频率信号源输出的信号与所述基准信号源输出的信号；
所述可调频率信号源的输出端还与所述继电器相连，并经所述继电器连接至所述输入电极，所述继电器的控制端与所述比较器的输出端电性相连，用以根据比较器的输出结果控制继电器的通断；
所述比较器的输出端还与所述LED提示灯电性相连，用以根据比较器输出的高低电平控制LED提示灯的工作状态。
3.根据权利要求1所述的一种穿戴式肌肉疲劳检测装置，其特征在于：还包括无线通信模块，所述无线通信模块与所述微处理器电性相连，并与外部的智能移动终端或者上位机通信相连，用以将微处理器的计算结果输出至智能移动终端或者上位机进行显示。
4.根据权利要求3所述的一种穿戴式肌肉疲劳检测装置，其特征在于：所述无线通信模块为WIFI模块、或者蓝牙模块；所述智能移动终端包括手机、智能手表、或者平板电脑。
5.根据权利要求1所述的一种穿戴式肌肉疲劳检测装置，其特征在于：所述滤波电路采用巴特沃斯滤波器、椭圆滤波器或贝塞尔滤波器。
6.根据权利要求1所述的一种穿戴式肌肉疲劳检测装置，其特征在于：所述整形还原单元由比较器构成。
7.根据权利要求1所述的一种穿戴式肌肉疲劳检测装置，其特征在于：所述微处理器为单片机、STM32或ARM。
8.根据权利要求1所述的一种穿戴式肌肉疲劳检测装置，其特征在于：所述显示模块包括LED液晶显示屏。
9.一种基于权利要求1至8任一项所述的穿戴式肌肉疲劳检测装置的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：利用可调频率信号源输出频率可调的电压或者电流信号至所述信号调控单元；
步骤S2：所述信号调控单元根据预设的阈值判断输入的电压或者电流信号是否超过了阈值，若超过，则不输出并进行LED灯亮提示，否则将输入的电压或者电流信号输出至所述输入电极与所述鉴相器；
步骤S3：所述接收电极实时采集经由人体传输后的人体的电流或者电压信号，并将采集到的信号依次经过所述差分放大电路、滤波电路、整形还原单元分别进行放大、滤波以及整形还原操作，并将处理后的信号分别输入至所述鉴相器与微处理器；
步骤S4：所述鉴相器比较所述信号调控单元与所述整形还原单元输入的信号，得到相位差θ，并将得到的相位差输出至所述微处理器；
步骤S5：所述微处理器利用电压电流公式计算出人体测试部位的电阻R，并通过公式X＝R·tanθ计算出人体测试部位的电抗值X，再由公式计算得出人体测试部位的肌肉电阻抗|Z|。
10.根据权利要求9所述的一种穿戴式肌肉疲劳检测方法，其特征在于：所述可调频率信号源用以产生1kHz至10MHz范围内频率和幅度可调的电压信号。
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