CN111297354A - 具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统，该系统包括正电极、负电极、参考电极、表面肌电测量模块、机械地形图测量模块、高精度校准信号源、多路模拟开关、模数转换器、控制器、存储器、无线通信模块、温度传感器、多路模拟开关、电源。本发明采用高精度校准信号源对模数转换器进行校准并利用温度传感器实时对系统的温漂进行动态补偿，提高了表面肌电和机械地形图测量的精度，利用复用电极同时完成了sEMG和MMG信号的测量，解决混合式电极测量sEMG和MMG信号需要不同的传感器探头的问题以及sEMG与MMG信号在时间与空间上的不同步问题，降低了系统的复杂性。
Description
技术领域
本发明涉及生物医疗传感器技术领域，特别是一种具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统。
背景技术
肌电信号(EMG)是众多肌纤维中运动单元动作电位在时间和空间上的叠加。表面肌电信号(sEMG)是浅层肌肉EMG和神经干上电活动在皮肤表面的综合效应，能在一定程度上反映神经肌肉的活动；相对于针电极EMG，SEMG在测量上具有非侵入性、无创伤、操作简单等优点。表面肌电信号是肌肉收缩时伴随的电信号，是在体表无创检测肌肉活动的重要方法。因而，sEMG在临床医学、人机功效学、康复医学以及体育科学等方面均有重要的实用价值。
肌肉动作电位将产生-90mV到30mV的电势差，由于人体是电的不良导体(1MΩ数量级内阻)，故从体表的贴片电极上只能获得1mV左右的峰值。根据文献，sEMG中往往混合着甚低频(接近直流)和高频的干扰信号，而有效的肌电信号频谱分布在10-500Hz间。故从贴片电极检测出的信号需经过高通滤波(隔直处理)、高倍放大、低通滤波(滤除高频干扰)等信号调理过程。
人体肌肉收缩时会产生微弱的生物电信号的同时，也会把肌肉纤维的横向振动以一种形式传播出去，这种肌肉纤维的横向振动信号的传播形式成为肌动信号(Mechanomyograph，MMG)。MMG可以测量肌肉的震动或者变形来达到识别用户的意图。MMG对环境的依赖甚至要小于EMG，MMG不受汗液、皮肤阻抗和参考信号的影响。MMG也可以像EMG一样被用于假肢的控制，肌肉疲劳检测，以及肌肉的功能评价。
目前，肌电的测量通常使用商用的Myo Armband或者DELSYS等产品，而MMG的测量则采用FSR，麦克风，加速度计，振动传感器等，肌电与力的测量是两个完全独立的系统。这种分离式的系统在实际假肢控制时存在一定的不足，一是传感模块的数目比较多，结构复杂，即使是使用FSR，也需要配套的机械固定装置与力探头，二是分立的系统存在信号同步的问题，为了同步可能又需要额外的装置。
另一方面，模拟sEMG信号和MMG信号采集的准确程度决定了假肢控制的准确程度，一般需要将模拟sEMG信号和MMG信号转换为数字信号，因此，提高转换过程的精度具有重要的现实意义，模拟sEMG信号和MMG信号采集结果一般受环境温度影响较大，对采集结果进行温度补偿也很有必要。
发明内容
本发明的目的是提高肌电图(sEMG)和机械地形图(MMG)测量系统的准确度，增强测量系统自诊断和自校正能力，解决混合式电极测量sEMG和MMG信号需要不同的传感器探头的问题以及sEMG与MMG信号在时间与空间上的不同步问题。本发明提出了一种具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统。
为达到上述目的，采用如下技术方案：
一种具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统包括正电极、负电极、参考电极、表面肌电(sEMG)测量模块、机械地形图(MMG)测量模块、高精度校准信号源、模数转换器、控制器、存储器、无线通信模块、温度传感器、多路模拟开关、电源。
所述正电极、负电极、参考电极既是表面肌电信号感应电极，又是机械地形图电极，三个电极都是浮动电极，用于完成原始sEMG和MMG信号的拾取；
所述表面肌电测量模块和机械地形图测量模块通过多路模拟开关和模数转换器相连接，用于分别完成原始表面肌电信号和机械地形图信号滤波、调理和放大并输入给模数转换器转换后发送到控制器中；
所述高精度校准信号源通过控制器和模数转换器相连接，用于对模数转换器进行校准，高精度校准信号源在控制器的控制下产生模数转换器校准用的标准信号；
所述控制器和模数转换器、存储器、和无线通信模块相连接，用于将数字表面肌电信号和机械地形图信号存储到存储器中且能通过无线通信模块发送；
所述多路模拟开关和控制器相连，在控制器的控制下选择输入给模数转换器的信号是来自高精度校准信号源还是来自表面肌电测量模块和机械地形图测量模块；
所述温度传感器与控制器相连，用于测量系统的温度并对模数转换器的转换结果进行补偿。
模数转换器和控制器之间的连接方式可以是SPI接口，也可以是LVDS接口；所述控制器可以为单片机、数字信号处理器或者可编程逻辑器件FPGA；控制器和温度传感器之间的接口可以是一线制通信接口、串口或SPI接口。
所述表面肌电测量模块包括仪表放大模块、截止频率为10Hz的高通滤波器模块、截止频率为500Hz的低通滤波器模块、50Hz双T限波滤波模块、可调放大倍数模块和共模信号反相模块；所述机械地形图测量模块包括FSR压力传感器和电压跟随器模块。
所述高精度校准信号源包括高精度参考电源、高精度数模转换器、低通滤波电路和电压跟随电路。
所述具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统的结构，包括底壳、硅胶垫片、正电极、FSR压力传感器、传感器PCB、电极支架、负电极、盖板和参考电极，所述正电极、参考电极、负电极、传感器PCB通过盖板和底壳机械结构封装，电极支架传递正电极、负电极或参考电极上所受的压力并将压力传递给硅胶垫片，硅胶垫片将压力传递给FSR传感器完成机械地形图信号测量，同时正电极、负电极和参考电极完成表面肌电信号测量。
整个系统的工作流程如下：首先系统上电后进行自检，自检内容为控制器自检，温度传感器自检，模数转换器自检，存储器自检，当自检异常时，控制器报出故障，当自检正常后进入模数转换器校准流程。模数转换器校准流程为控制器控制高精度信号源产生两个直流信号通过多路模拟开关输入给模数转换器，控制器根据模数转换器的转换结果计算出模数转换器校正参数实际的增益和实际的偏移量，然后存储在控制器的非易失存储器。校准流程结束后进入数据采集流程，数据采集流程通过正电极、负电极、参考电极同时完成原始sEMG和MMG信号的拾取，并利用温度传感器的温度信息和校正参数对模数转换器的结果进行修正后存储到存储器中，控制器也可以通过无线模块将校正后的数字sEMG和MMG信息发送出去。
本发明的有益结果：本发明的一种具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统采用高精度校准信号源对模数转换器进行校准并利用温度传感器实时对系统的温漂进行动态补偿，提高了表面肌电和机械地形图测量的精度，利用复用电极同时完成了sEMG和MMG信号的测量，解决混合式电极测量sEMG和MMG信号需要不同的传感器探头的问题以及sEMG与MMG信号在时间与空间上的不同步问题，降低了系统的复杂性。
附图说明
图1为本发明具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统的组成示意图。
图2为本发明具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统中表面肌电测量模块和机械地形图测量模块功能框图。
图3为本发明具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统中高精度校准信号源组成框图。
图4为本发明具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统结构分解图，1：底壳；2：硅胶垫片；3：正电极；4：FSR压力传感器；5：传感器PCB；6：电极支架；7：负电极；8：盖板；9：参考电极。
图5为本发明具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统结构剖面图。
图6为本发明具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统工作流程图。
图7为本发明具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统自检流程图。
图8为本发明具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统校准流程图。
图9为本发明具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统数据采集流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述，但本发明的实施不仅限于此。
实施例1
一种具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统的组成如图1所示，该传感器系统包括正电极、负电极、参考电极、表面肌电(sEMG)测量模块、机械地形图(MMG)测量模块、高精度校准信号源、模数转换器、控制器、存储器、无线通信模块、温度传感器、多路模拟开关和电源。正电极、负电极和参考电极同时完成表面肌电(sEMG)信号感应和机械地形图(MMG)信号感应；表面肌电(sEMG)测量模块、机械地形图(MMG)测量模块通过多路模拟开关和模数转换器相连接；模数转换器和控制器之间的连接方式为SPI接口；控制器为可编程逻辑器件FPGA；高精度校准信号源通过多路模拟开关和模数转换器相连接，控制器控制模数转换器的输入信号是来自高精度校准信号源，还是来自表面肌电(sEMG)测量模块或机械地形图(MMG)测量模块；控制器还和温度传感器相连接，二者之间的接口是SPI接口。
本发明的结构分解图如图4所示，结构剖面图如图5所示，该结构采用创新设计，由底壳1、硅胶垫片2、正电极3、FSR压力传感器4、传感器PCB 5、电极支架6、负电极7、盖板8和参考电极9所组成。正电极3、参考电极9、负电极7、传感器PCB 5通过盖板8和底壳1机械结构封装在一起，确保良好的密封性。电极支架6传递正电极3、负电极7或参考电极9上所受的压力并将压力传递给硅胶垫片2，硅胶垫片2将压力传递给FSR传感器4完成MMG信号测量，同时正电极3、负电极7和参考电极9完成sEMG信号测量。
本发明表面肌电测量模块和机械地形图测量模块如图2所示，所述表面肌电(sEMG)测量模块包括仪表放大模块、截止频率为10Hz的高通滤波器模块、截止频率为500Hz的低通滤波器模块、50Hz双T限波滤波模块、可调放大倍数模块和共模信号反相模块。所述机械地形图测量模块包括FSR压力传感器和电压跟随器模块。正电极、负电极用于感应sEMG信号和压力信号，参考电极用于消除正负电极的共模干扰。调理后的模拟sEMG和MMG信号通过多路开关输入给模数转换器。
所述高精度校准信号源的组成如图3所示，包括高精度参考电源、高精度数模转换器、低通滤波电路和电压跟随电路，该电路的主要功能是提供模数转换器校准用信号，由于对信号精度要求较高，要求高精度转换器的位数要大于模数转换器的位数，在电路实施时需要使用高精度的电阻和电容器件。低通滤波电路用于滤除高精度数模转换器的高频杂波信号，电压跟随电路降低电路的输出阻抗。
本发明的工作流程图如图6所示。系统上电后，首先进行自检工作流程，自检完成根据自检状态进行相应处理，当自检异常时，报出自检故障，当自检正常时，转入校准流程，校准流程主要完成模数转换器的转换精度校准。校准完后转入数据采集流程，数据采集流程完成sEMG与MMG信号采集，温度信号的测量，并根据校正参数和温度信息对数字sEMG与MMG信号补偿和校正。
本发明自检流程图如图7所示。自检流程主要包括控制器自检、温度传感器自检、模数转换器自检和存储器自检。控制器自检方法是设置两个固定的数值，然后进行加减乘除运算，将运算结果和标准解进行比对，如果相等，认为控制器自检通过，否则，认为控制器自检异常。温度传感器自检主要判断温度传感器采集的温度数据是否在系统使用温度范围内，当采集的温度在系统使用温度范围，认为温度传感器自检通过，否则，认为温度传感器自检异常。模数转换器自检是控制器控制高精度信号源产生直流电平通过多路模拟开关输入给模数转换器，控制器读取转换后的数字量和理想的数字量相比误差小于10个最小量化单位，认为模数转换器自检通过，否则认为模数转换器自检异常。存储器自检主要是先向存储器固定地址依次写入55和AA，然后再读取该固定地址的数据，如果读取的数据和写入的数据一致，则认为存储器自检正常，否则，认为存储器自检异常。
本发明校准流程图如图8所示。校准工作流程如下：首先，控制器设置多路模拟开关选择高精度信号源的输出信号连接到模数转换器；其次，控制设置高精度信号源产生直流电平1信号，信号幅度为A1，模数转换器将该模拟信号转换为数字信号D1；再次，控制设置高精度信号源产生直流电平2信号，信号幅度为A2，模数转换器将该模拟信号转换为数字信号D2；最后，根据模数转换器的传递函数模拟量A和数字量D之间的关系为D＝kA+b，其中，A为模拟量，D为数字量，求解出校正参数实际的增益k和实际的偏移量b的计算公式为：
控制器将计算出的模数转换器校正参数实际的增益和实际的偏移量存储在控制器的非易失存储器。
本发明数据采集流程图如图9所示，数据采集流如下：首先，控制器设置多路模拟开关选择表面肌电测量模块的输出；其次，控制器设置模数转换器的工作模式，包括采样率、极性和数字编码方式等；然后，控制器读取温度传感器采集的温度信息和模数转换器校正参数，根据温度信息和校正参数对数字sEMG信号进行校正、补偿和存储；再次，控制器设置多路模拟开关选择机械地形图测量模块的输出；最后，控制器根据温度信息和校正参数对数字MMG信号进行校正、补偿和存储。在数据采集过程中，可以通过无线通信模块将数字sEMG信息、数字MMG信息发送出去，也可以接收外部的校准命令或定时重新进入模数转换器校准流程。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统，其特征在于，包括正电极、负电极、参考电极、表面肌电测量模块、机械地形图测量模块、高精度校准信号源、模数转换器、控制器、存储器、无线通信模块、温度传感器、多路模拟开关和电源；
所述正电极、负电极、参考电极既是表面肌电信号感应电极，又是机械地形图电极，三个电极都是浮动电极，用于完成原始sEMG和MMG信号的拾取；
所述表面肌电测量模块和机械地形图测量模块通过多路模拟开关和模数转换器相连接，用于分别完成原始表面肌电信号和机械地形图信号滤波、调理和放大并输入给模数转换器转换后发送到控制器中；
所述高精度校准信号源通过控制器和模数转换器相连接，用于对模数转换器进行校准，高精度校准信号源在控制器的控制下产生模数转换器校准用的标准信号；
所述控制器和模数转换器、存储器、和无线通信模块相连接，用于将数字表面肌电信号和机械地形图信号存储到存储器中且能通过无线通信模块发送；
所述多路模拟开关和控制器相连，在控制器的控制下选择输入给模数转换器的信号是来自高精度校准信号源还是来自表面肌电测量模块和机械地形图测量模块；
所述温度传感器与控制器相连，用于测量系统的温度并对模数转换器的转换结果进行补偿。
2.根据权利要求1所述的具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统，其特征在于，所述模数转换器和控制器之间的连接方式是SPI接口或LVDS接口；所述控制器为单片机、数字信号处理器或者可编程逻辑器件FPGA；控制器和温度传感器之间的接口是一线制通信接口、串口或SPI接口。
3.根据权利要求1所述的具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统，其特征在于，所述表面肌电测量模块包括仪表放大模块、截止频率为10Hz的高通滤波器模块、截止频率为500Hz的低通滤波器模块、50Hz双T限波滤波模块、可调放大倍数模块和共模信号反相模块；所述机械地形图测量模块包括FSR压力传感器和电压跟随器模块。
4.根据权利要求1所述的具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统，其特征在于，所述高精度校准信号源包括高精度参考电源、高精度数模转换器、低通滤波电路和电压跟随电路。
5.根据权利要求1所述的具有自校准功能的肌电与压力结合的混合式传感器系统的结构，其特征在于，包括底壳、硅胶垫片、正电极、FSR压力传感器、传感器PCB、电极支架、负电极、盖板和参考电极，所述正电极、参考电极、负电极、传感器PCB通过盖板和底壳机械结构封装，电极支架传递正电极、负电极或参考电极上所受的压力并将压力传递给硅胶垫片，硅胶垫片将压力传递给FSR传感器完成机械地形图信号测量，同时正电极、负电极和参考电极完成表面肌电信号测量。
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