CN110755071A - 一种分体式无线肌电信号传感器 - Google Patents

Abstract

一种分体式无线肌电信号传感器，包括电极检测端和采集发送端，电极检测端和采集发送端为分体式结构；电极检测端包含电路基板和设置在电路基板上的不锈钢电极片，采集发送端包括一体化芯片，一体化芯片与锂电池通过热熔胶进行外部固定连接，通过电源线连接对无线连接模块及一体化芯片进行供电，一体化芯片上安装有MicroUSB充电口，电源开关以及无线连接模块；采集发送端与电极检测端通过连接线连接进行数据传输。本发明解决了现有技术中存在传感器体积较大与人体跟随性差，在测量过程中易与人体测量部位发生偏移进而导致测量准确性稳定性差这一问题，具有测量端体积小，测量稳定性好，持续测量时间长且可实时对肌电信号进行传输的特点。

Description

一种分体式无线肌电信号传感器

技术领域

本发明光电检测技术领域，特别涉及一种分体式无线肌电信号传感器。

背景技术

表面肌电信号是从肌肉表面通过电极引导、记录下来的神经肌肉系统活动时的一维时间序列信号，其变化与参与活动的运动单位数量、运动单位活动模式和代谢状态等因素有关，信号具有较强的随机性和不稳定性。基础研究表明，人体表面肌电信号源于大脑运动皮层控制之下的脊髓运动神经元的生物电活动，形成于众多外周运动单位电位在时间和空间上的总和，信号的振幅和频率特征变化取决于不同肌肉活动水平和功能状态下的运动单位活动同步化、肌纤维募集，以及和肌纤维兴奋传导速度下降等生理性因素以及探测电极位置、信号串线、皮肤温度、肌肉长度，以及肌肉收缩方式等测量性因素的共同作用。在控制良好的条件下，上述人体表面肌电信号活动的变化在很大程度上能够定量反映肌肉活动的局部疲劳程度、肌力水平、肌肉激活模式、运动单位兴奋传导速度、多肌群协调性等肌肉活动和中枢控制特征的变化规律，因而对于医疗康复、军事作战和工业领域等具有重要的学术价值和应用意义。

针式电极可探测深层肌电活动，但其测试区域小且无法测量出运动中的肌电信号变化。贴片式电极使用方便，可测量运动过程中的肌电变化情况，但在测量过程中由于人体肌肉运动导致传感器无法完全跟随人体运动，会引起传感器位置偏移导致信号测量稳定性及准确性降低。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明的目的在于提供一种分体式无线肌电信号传感器，解决了现有技术中存在传感器体积较大与人体跟随性差，在测量过程中易与人体测量部位发生偏移进而导致测量准确性稳定性差这一问题，具有测量端体积小，测量稳定性好，持续测量时间长且可实时对肌电信号进行传输的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种分体式无线肌电信号传感器，包括电极检测端和采集发送端，电极检测端和采集发送端为分体式结构；

所述的电极检测端包含电路基板8和设置在电路基板8上的不锈钢电极片9，采集发送端包括一体化芯片5，一体化芯片5与锂电池4通过热熔胶进行外部固定连接，通过电源线连接对无线连接模块1及一体化芯片5进行供电，一体化芯片5上安装有MicroUSB充电口2，电源开关3以及无线连接模块1；采集发送端与电极检测端通过连接线7连接进行数据传输。

所述不锈钢电极片9采用双极型电极，并在两个电极中间加入了一个参考电极。

所述电极测量端电路基板8采用二级放大方式。

所述的电极检测端的结构为35.5*17.8*2.5(mm)。

所述的一体化芯片1上的PCB板集成环形天线10。

所述的一体化芯片5主要包含中央处理器CPU、内部数据存储器、内部程序存储器、定时器、计数器。

所述的连接线7为22AWG硅胶排线。

本发明的有益效果：

(1)结构新颖可靠，采用分体式设计，将电极端与采集发送端分离，减小了与人体皮肤贴合的电极端的体积，增强了与人体皮肤贴合时的运动跟随性，从而确保采集信号的准确性及稳定性。

(2)由于采用分体式设计，电极端检测端体积大幅减小，尺寸规格达35.5*17.8*2.5(mm)，小巧的体积使得该传感器可与人体紧密贴合，此外还可将其嵌入至衣物、护具等与人体直接接触的物品之中，能够增强测量过程的舒适性。此外，小体积扩展了其应用场景，使其可在军事、医疗以及工业领域进行应用。

(3)本发明的分体式无线肌电传感器的采集发送端包含有模数转换单元，能够将采集到的肌电模拟信号转换为数字信号并传递至上位机，确保了数据的准确性。

(4)采集的肌电数据通过一体化芯片上集成的无线传输模块(德州仪器CC3220MODA)与上位机进行通信，与传统蓝牙通信模式相比，其传输范围更广，可达100米，速度最大可达11Mbps且带宽为22Mhz。数据传输过程更加稳定，数据不易丢失。

(5)待机及连续工作时间长，本分体式无线肌电传感器在其一体化芯片中集成有环形天线部分，其体积小、成本低、可靠性好。环形天线部分主要用于实现睡眠状态的唤醒，当上位机发出休眠指令后整个电路进入深度休眠状态，耗电电流极低，当接收到环形天线10的唤醒信号后重新加载程序，并等待上位机信号。可通过上位机对该发明发送休眠及唤醒指令，提高了此分体式无线肌电传感器的待机及使用时间。经测试，该传感器待机时间可达5天，连续使用时间可达4小时。

(6)电极测量端电路基板采用二级放大电路，具有高增益、高输入阻抗、高共摸抑制比、低零漂、低失调、低功耗、低噪声电压等优点。经放大后所采集的肌电信号准确性稳定性均有所提升。

附图说明

图1是本发明总体方案设计图。

图2是本发明采集发送端结构图。

图3是本发明电极检测端结构图。

图4是本发明结构示意图。

图5是本发明使用示意图。

图6是本发明差动放大电路图。

图7是本发明比例放大电路。

图8是本发明工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的一种分体式无线肌电传感器，包括电极检测端及采集发送端。当进行表面肌电信号采集时，若采集传感器体积较大，在与人体皮肤贴合时会由于传感器与人体运动跟随性差或对人体运动造成影响导致贴合部位偏移，影响肌电信号采集的稳定性与准确性。所以，本发明将电极端与采集发送端进行分离，分离后与人体贴合的传感器体积大幅度减小，进而确保采集信号质量。

如图1本发明总体方案设计图所示，本发明总体方案主要包括不锈钢电极片9对肌电信号测量及信号调理，模数转换单元对信号的模数转换，微控制单元(MCU)及无线连接模块1对采集信号的处理及与上位机的通信传输。

如图2、图3所示分别为分体式无线肌电传感器的采集发送端和电极检测端，所述采集发送端包含无线连接模块1，MicroUSB充电口2，电源开关3，锂电池4，一体化芯片5，led工作指示灯6；检测端包含电路基板8和3个不锈钢电极片9。其中，采集发送端中锂电池4与一体化芯片5通过热熔胶进行外部固定连接，通过电源线连接对无线连接模块1及一体化芯片3进行供电，一体化芯片5上安装有MicroUSB充电口2，电源开关3以及无线连接模块1；电极检测端中，3个不锈钢电极9焊接在电路基板8上，电路基板8具有放大电路及模拟-数字转换电路。表面肌电信号非常微弱，从电极引导出的信号夹杂着很强的干扰信号，传感器采用两级放大，分别为图6所示差动放大电路及图7所示比例放大电路，所述放大电路将不锈钢电极板测量得到的肌电信号进行放大处理；采集发送端与电极检测端通过连接线7连接进行数据传输。

所述发明为分体式设计，电极测量端与采集发送端分离后，图2所示电极测量端尺寸规格为35.5*17.8*2.5(mm)，图3所示采集发送端尺寸规格为42*27*12(mm)，较传统肌电检测装置，测量端体积极大减小。根据本实施方案的肌电传感器，能够准确检测人体肌电信息，且由于其检测端体积小巧，电极测量端厚度小，易于固定。在人体运动过程中能够更稳定的与人体表皮进行贴合，不易发生测量位置的偏移增加传感器与人体的运动跟随性从而减少由于人体动作引起的检测误差。

如图5所示，为本发明使用示意图。肌电信号检测具体方法为：选择人体待测肌肉区域12，使用酒精对皮肤进行擦拭，去除可能会对测量产生干扰的的杂质，随后通过绑带11将人体待测部位12和分体式无线肌电传感器电极测量端进行连接固定，将电极检测端的3个不锈钢电极片9与人体待测肌肉区表面皮肤进行贴合，打开采集发送端上电源开关3，传感器开始系统初始化，观察led工作指示灯6是否闪烁，若正常闪烁则说明该分体式无线肌电传感器正常工作，打开上位机软件，选择传感器通道并进行连接，传感器与上位机连接后即可进行肌电信号测量，测量过程中上位机软件可实时显示并储存肌电变化情况。肌电信号由双极型布置的电极片9进行采集，经电路基板8中的放大电路及模拟-数字转换电路对肌电信号进行放大及模数转换，随后通过22AWG硅胶线7将处理后的肌电信号发送至分体式无线肌电传感器采集发送端，经一体化芯片5中包含的微控制单元及无线连接模块1将处理后的肌电信号发送至上位机。

第二部分：

为减小电极检测端体积，增强传感器与人体运动跟随性，所述发明采用空间分离这一原理，用分体式结构代替了传统一体式肌电传感器结构，将图2所示采集发送端与图3所示电机测量端分离，减小了检测端体积。

为降低信号噪声，提高对共模信号的抑制能力，本发明的不锈钢电极片9采用双极型电极，并在两个测量电极之间加入了一个参考电极，参考电极也称无关电极，布置形式如图3所示。电极检测端由不锈钢电极片9及电路基板8组成，起到对肌电信号的放大、模数转换作用。

为消除采集的肌电信号中来自电源线的噪声信号，本发明采用差动放大的方法消除来自电源线的噪声，差动放大电路如图6所示，肌电信号由两个电极来检测,两个输入信号“相减”，去掉相同的“共模”成份，只放大不同的“差模”成份。任何噪声如果离检测点很远，在检测点上将表现为“共模”信号；而检测表面附近的信号表现为不同，将被放大。因此，相对较远处的电力线噪声将被消除，而相对比较近处的肌电信号将被放大。

为确保电极测量端肌电信号的准确性，所述电极测量端电路基板8采用二级放大方式。考虑到人体肌肉组织是皮表肌电的信号源，它发出的肌电信号经过皮下软组织约数百欧姆的体电阻传输至皮肤表面且表面电极与皮肤之间存在着比较高的约几千欧姆的接触阻抗，同时接触电阻还受电极与皮肤接触松紧程度、皮肤清洁程度、湿度、四季时令变化等多种因素影响，导致表面肌电信号非常微弱，且从电极引出的信号夹杂着强干扰信号，易导致所采集的肌电信号失真。所设计的二级放大电路具有高增益、高输入阻抗、高共摸抑制比、低零漂、低失调、低功耗、低噪声电压等优点。

为进一步提高传送至上位机的肌电信号的准确性，本发明采用无线传输模块1代替传统的蓝牙通信模式。与传统蓝牙通信模式相比，具有高传输速度和传输范围，其传输范围可达100米，速度最大可达11Mbps且带宽为22Mhz。采集发送端数据传输过程更加稳定，数据不易丢失，确保了最终得到的肌电信号的准确性。

为实现更长时间待机功能，本分体式无线肌电传感器在其一体化芯片5中集成有环形天线10部分，其体积小、成本低、可靠性好。环形天线10部分主要用于实现睡眠状态的唤醒，当上位机发出休眠指令后整个电路进入深度休眠状态，耗电电流极低，当接收到环形天线10的唤醒信号后重新加载程序，并等待上位机信号。

本发明的一种分体式无线肌电传感器，能够确保电极检测端独立于采集发送端，此其厚度及体积维持着较小范围，肌电信号采集过程中易受外界条件影响，如与人体待测肌肉相对位置的准确性，本传感器在后续的应用中能够将其嵌入在衣物及其他物品内，增强其与人体待采集部位随行性，从而确保所采集肌电信号的稳定性与准确性，通过上位机可实时显示及保存肌电变化情况，可应用于医疗、工程及军事领域。

为了避免在干扰较强时信号进入非线性区引起严重失真，本发明采用两级放大电路，如图6所示差动放大电路及图7所示的比例放大电路。根据表面肌电信号非常微弱，从电极引导出的信号夹杂着很强的干扰信号这一特性，所设计的肌电信号采集电路具有高增益、高输入阻抗、高共摸抑制比(CMRR)、低零漂、低失调、低功耗、尤其是低的噪声电压等特点。

图6所示差动放大电路，选用德州仪器(Texas Instruments)公司的微功耗零漂移轨到轨精密仪表放大器INA333AIDGK为核心器件搭建了前置放大电路，INA333是一种低功耗，精密仪表放大器，提供良好的准确性。多功能三运放仪表放大器INA333采用单一外接电阻可把增益设定在1到1000之间，工作电压低到1.8V(±0.9V)，静态电流仅为50uA，有极低的噪音密度(50nV/Hz)，小尺寸和低功耗使其适合各种便携式应用。该差动放大电路中R5为2.4kΩ，该前置放大电路的信号放大倍数为42.67倍。

图7所示比例放大电路选用德州仪器(Texas Instruments)公司OPA316系列单路运算放大器为核心芯片，OPA316IDCK代表新一代通用低功耗运算放大器，由于采用轨至轨输入和输出摆幅以及低静态电流(典型值为400uA)，同时兼具10MHz宽带宽和极低噪声等特性。根据放大器电路的输入端口具有虚短和虚断的特性，可以得到该二级放大电路的信号放大倍数为：

其中，R6为10kΩ，R8为200kΩ，因此二级放大电路的放大倍数为20。

Claims (6)

1.一种分体式无线肌电信号传感器，其特征在于，包括电极检测端和采集发送端，电极检测端和采集发送端为分体式结构；

所述的电极检测端包含电路基板(8)和设置在电路基板(8)上的不锈钢电极片(9)，采集发送端包括一体化芯片(5)，一体化芯片(5)与锂电池(4)通过热熔胶进行外部固定连接，通过电源线连接对无线连接模块(1)及一体化芯片(3)进行供电，一体化芯片(5)上安装有MicroUSB充电口(2)，电源开关(3)以及无线连接模块(1)；采集发送端与电极检测端通过连接线(7)连接进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的一种分体式无线肌电信号传感器，其特征在于，所述不锈钢电极片(9)采用双极型电极，并在两个电极中间加入了一个参考电极。

3.根据权利要求1所述的一种分体式无线肌电信号传感器，其特征在于，所述电极测量端电路基板(8)采用二级放大方式。

4.根据权利要求1所述的一种分体式无线肌电信号传感器，其特征在于，所述的电极检测端的结构为35.5*17.8*2.5(mm)。

5.根据权利要求1所述的一种分体式无线肌电信号传感器，其特征在于，所述的一体化芯片(1)上的PCB板集成环形天线(10)。

6.根据权利要求1所述的一种分体式无线肌电信号传感器，其特征在于，所述的连接线(7)为22AWG硅胶排线。

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