CN109893132A - 一种表面肌电信号采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面肌电信号采集系统，包括：采集单元，与皮肤表面接触，用于采集多路表面电信号和一路基准电信号；处理单元，与采集单元连接，用于将采集的多路所述表面电信号和一路基准电信号合并为多路表面肌电信号，进行并串转换；其中，处理单元包括开关矩阵模块，与所述采集单元连接，用于将合并的多路表面肌电信号进行并串转换，得到为一路表面肌电信号。本发明提供的一种表面肌电信号采集系统，能够实现表面肌电信号的多通道采集，成本低的目的。

Description

一种表面肌电信号采集系统

技术领域

本发明涉及生物电控制技术领域，特别是涉及一种表面肌电信号采集系统。

背景技术

人体表面肌电信号(surface electromyography，sEMG)是一种复杂的表皮下肌肉电活动在皮肤表面处的时间和空间上的综合的结果。由于肌电信号来源于人自身的电信号，因此肌电信号具有直接、自然的特点，如今利用肌电信号已经成为一种重要的信息量，可以用来进行肌肉运动、肌肉损伤诊断、康复医学、法医鉴定以及运动体育等方面的研究。通常，从动作的肌肉表面皮肤处所测取的多通道肌电信号(EMG信号)为安全、非侵入的肌电信号，可用于人类运动和生物机械的研究。

现有的方案包括三部分，分别是电极片、采集设备与分析软件。传统采集设备的设计思路是对于每一路信号输出，先与皮肤表面基准电压相减并放大，然后送入模数转换器进行信号采集。由于每一路信号都需要一个模数转换器，这就导致了整个采集设备的成本与体积大大增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种表面肌电信号采集系统，能够实现表面肌电信号的多通道采集，成本低的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种表面肌电信号采集系统，包括：

采集单元，与皮肤表面接触，用于采集多路表面电信号和一路基准电信号；

处理单元，与所述采集单元连接，用于将采集的多路所述表面电信号和一路基准电信号合并为多路表面肌电信号，进行并串转换；

其中，处理单元包括开关矩阵模块，与所述采集单元连接，用于将合并的多路表面肌电信号进行并串转换，得到一路表面肌电信号。

可选的，所述采集单元包括：电极片和参考电极；

所述电极片贴在被测肌肉上，用于采集表面电信号；

所述参考电极为手环状，佩戴于被测肌肉上，用于采集皮肤表面基准电信号。

可选的，所述电极片包括连接电路和64个电极，64个所述电极的排布取决于肌肉的形状，用于采集不同肌肉的表面电信号。

可选的，所述处理单元还包括：

差分放大模块，分别与所述采集单元和所述开关矩阵模块连接，用于将采集的每一路表面电信号和所述基准电信号进行相减，得到表面肌电信号，并将各路表面肌电信号进行400倍放大，并将各路放大表面肌电信号发送至所述开关矩阵模块；

信号控制模块，与所述开关矩阵模块连接，用于控制所述开关矩阵模块，并将所述开关矩阵模块输出的表面肌电信号转换为数字信号，并存储。

可选的，所述信号控制模块包括：

模数转换器，与所述开关矩阵模块连接，用于将所述开关矩阵模块输出的表面肌电信号转换为数字信号；

存储器，与所述模数转换器连接，用于存储所述数字信号；

主控制器，与所述开关矩阵模块连接，用于对所述开关矩阵的通道数、通道采样时间以及通道分配进行配置。

可选的，所述差分放大模块包括64个差分放大器。

可选的，所述开关矩阵模块包括4个MT8816芯片，各所述MT8816芯片为16路输入端和1路输出端。

可选的，所述的表面肌电信号采集系统还包括：

供电单元，分别与所述采集单元和所述处理单元连接。

可选的，所述的表面肌电信号采集系统还包括：

上位机单元，与所述处理单元连接，用于实时显示处理后的表面肌电信号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的表面肌电信号采集系统将多路表面电信号和一路基准电信号合并为多路表面肌电信号。并将多路表面肌电信号通过开关矩阵模块并串转换为一路表面肌电信号，可大幅度减少模数转换器的数量，降低体积与成本的同时，实现多通道采集表面肌电信号。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例表面肌电信号采集系统的结构示意图；

图2为本发明实施例表面肌电信号采集系统操作流程图。

符号说明:1、采集单元；2、处理单元；3、上位机单元；4、供电单元；5矩阵开关模块；6、信号控制模块；7、差分放大模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种表面肌电信号采集系统，能够实现表面肌电信号的多通道采集，成本低的目的。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例表面肌电信号采集系统的结构示意图，如图1所示，本发明提供的一种表面肌电信号采集系统包括采集单元1和处理单元2；所述采集单元1与皮肤表面接触，用于采集多路表面电信号和一路基准电信号；所述处理单元2，与所述采集单元1连接，用于将采集的多路所述表面肌电信号和一路基准电信号合并为多路表面肌电信号，进行并串转换。

其中，所述处理单元2单元包括开关矩阵模块5，与所述采集单元1连接，用于将采集的多路所述表面肌电信号和一路基准电信号合并为多路表面肌电信号，进行并串转换，得到为一路表面肌电信号。

采集单元1包括电极片和参考电极，所述电极片贴在被测肌肉上，用于采集表面电信号；

所述参考电极为手环状，佩戴于被测肌肉上，用于采集皮肤表面基准电信号。

优选的，所述电极片为2mm半径的圆形，并且在所述电极片一面有双面胶，使用时撕下剥离纸，将所述电极片贴在被测肌肉上。所述电极片与皮肤表面接触，接收表面电信号并通过所述连接电路传到所述处理单元2。

其中，所述电极片包括连接电路和64个电极，64个所述电极的排布取决于肌肉的形状，用于采集不同肌肉的表面电信号。

进一步的，为了方便测试不同肌肉的表面电信号，64个所述电极采用多种不同排列方式和排列间距。

本发明提供的表面电信号采集系统还包括差分放大模块7和信号控制模块6；其中，所述差分放大模块7，分别与所述采集单元1和所述开关矩阵模块5连接，用于将采集的每一路表面电信号和所述基准电信号进行合并，得到表面肌电信号，并将各路表面肌电信号进行400倍放大，并将各路放大表面肌电信号发送至所述开关矩阵模块5；所述信号控制模块6与所述开关矩阵模块5连接，用于控制所述开关矩阵模块5，并将所述开关矩阵模块5输出的表面肌电信号转换为数字信号，并存储。

在具体的实施例中，所述差分放大模块7包括64个差分放大器。具体的，表面肌电信号通过表面电信号与基准电信号相减得到；差分放大器将每一路表面电信号V(n)与基准电信号V₀相减并放大400倍。第n个差分放大器输出电压V_out(n)＝400*[V(n)-V₀)]+1.65。输出电压V_out(n)接入所述开关矩阵模块5输入端。

本发明提供的表面肌电信号采集系统中的所述信号控制模块6包括：模数转换器、存储器和主控制器；所述模数转换器与所述开关矩阵模块5连接，将所述开关矩阵模块5输出的电信号转换为数字信号；所述存储器与所述模数转换器连接，存储所述数字信号；所述主控制器与所述开关矩阵模块5对所述开关矩阵的通道数、通道采样时间以及通道分配进行配置。

具体的，所述信号控制模块6将4路输入表面肌电信号接入4个16bit模数转换器输入端中，通过直接内存访问模式，让模数转换器独立采集参考电信号，并将所述参考电信号转化为16位的二进制数字，并保存至存储器中。

优选的，所述信号控制模块可以为单片机。

进一步的，本发明提供的表面肌电信号采集系统，所述开关矩阵模块5包括4个MT8816芯片，各所述MT8816芯片为16路输入端和1路输出端，即所述开关矩阵模块5为64路输入端和4路输出端。

具体的，64路表面肌电信号V_out(n)，分成4组，每组16路，接入一个MT8816芯片的16路输入端。MT8816芯片还包括与16路输入端对应的16个切换开关；16个切换开关默认处于断开状态。运行时，所述主控制器同步控制每个MT8816芯片，实现MT8816芯片的16路切换开关逐个打开。在第一切换开关打开，其他切换开关关闭时，该切换开关对应的输入端的电压信号可以传到至输出端，而此时其他15个输入端都与输出端断路，当该切换开关对应的输入端连接时间达到20ns时，该切换开关关闭，重置MT8816芯片，对应再打开第二个切换开关，让第二个切换开关对应的输入端与输出端连接。当16个输入端都完成与输出端的连接，即完成一次扫描，由于肌电信号有效频率为0-1000Hz，因此扫描频率设置为2000Hz，可以保证信号的高保真。64路输入信号经过4个MT8816芯片，时分复用至4路信号，输出至信号控制模块6。

为了对采集单元1和处理单元2提供电源，本发明提供的表面肌电信号采集系统还包括供电单元4，所述供电单元4分别与所述采集单元1和所述处理单元2连接。

进一步的，为了实时显示处理后的皮肤表面肌电信号和基准电信号，本发明提供的表面肌电信号采集系统还包括与所述处理单元2连接的上位机单元3。

具体的，所述上位机单元3与所述存储器连接，所述主控制器与存储器连接，当所有通道都采样完成后，所述主控制器控制所述存储器将所有存储的参考电信号至上位机单元3。

优选的，所述采集模块通过64Pin排线将采集多路表面肌电信号和一路基准电信号传递给所述处理模块；所述处理模块通过USB与所述上位机模块进行串口通讯。

图2为本发明实施例表面肌电信号采集系统操作流程图，如图2所示，具体的操作流程如下：

连接设备，将电极片贴附于待检测的肌肉表面，保证电极片对肌肉的全覆盖，并与采集卡进行连接。

启动软件，在Windows系统下直接启动。

参数设置，在次界面可以设置采样频率、电极片类型等参数，程序也会与单片机通讯，确定连接的正确性。

采集数据，此时程序发出指令，启动单片机的计时器。计时器将主频72MHz预分频，预分频系数72，即可获得周期为1us的时钟。当时钟计数至500时，触发中断，控制开关矩阵进行16路扫描式的切换，在每一路信号打开时进行采集。当所有信号通道都采集完毕后将一次所采集的2*64数据表上传至上位机。

数据分析，所有收集到的数据以图表的形式显示在软件界面上，并可以随意调用用于各类分析。

退出软件，关闭单片机的计时器和上位机的模式识别模块。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种表面肌电信号采集系统，其特征在于，包括：

采集单元，与皮肤表面接触，用于采集多路表面电信号和一路基准电信号；

处理单元，与所述采集单元连接，用于将采集的多路所述表面电信号和一路基准电信号合并为多路表面肌电信号，进行并串转换；

其中，处理单元包括开关矩阵模块，与所述采集单元连接，用于将合并的多路表面肌电信号进行并串转换，得到一路表面肌电信号。

2.根据权利要求1所述的表面肌电信号采集系统，其特征在于，所述采集单元包括：电极片和参考电极；

所述电极片贴在被测肌肉上，用于采集表面电信号；

所述参考电极为手环状，佩戴于被测肌肉上，用于采集皮肤表面基准电信号。

3.根据权利要求2所述的表面肌电信号采集系统，其特征在于，所述电极片包括连接电路和64个电极，64个所述电极的排布取决于肌肉的形状，用于采集不同肌肉的表面电信号。

4.根据权利要求1所述的表面肌电信号采集系统，其特征在于，所述处理单元还包括：

差分放大模块，分别与所述采集单元和所述开关矩阵模块连接，用于将采集的每一路表面电信号和所述基准电信号进行相减，得到表面肌电信号，并将各路表面肌电信号进行400倍放大，并将各路放大表面肌电信号发送至所述开关矩阵模块；

信号控制模块，与所述开关矩阵模块连接，用于控制所述开关矩阵模块，并将所述开关矩阵模块输出的表面肌电信号转换为数字信号，并存储。

5.根据权利要求4所述的表面肌电信号采集系统，其特征在于，所述信号控制模块包括：

模数转换器，与所述开关矩阵模块连接，用于将所述开关矩阵模块输出的表面肌电信号转换为数字信号；

存储器，与所述模数转换器连接，用于存储所述数字信号；

主控制器，与所述开关矩阵模块连接，用于对所述开关矩阵的通道数、通道采样时间以及通道分配进行配置。

6.根据权利要求4所述的表面肌电信号采集系统，其特征在于，所述差分放大模块包括64个差分放大器。

7.根据权利要求1所述的表面肌电信号采集系统，其特征在于，所述开关矩阵模块包括4个MT8816芯片，各所述MT8816芯片为16路输入端和1路输出端。

8.根据权利要求1-7任一项所述的表面肌电信号采集系统，其特征在于，所述的表面肌电信号采集系统还包括：

供电单元，分别与所述采集单元和所述处理单元连接。

9.根据权利要求1-7任一项所述的表面肌电信号采集系统，其特征在于，所述的表面肌电信号采集系统还包括：

上位机单元，与所述处理单元连接，用于实时显示处理后的表面肌电信号。