CN111419230A - 一种用于运动单元解码的表面肌电信号采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于运动单元解码的表面肌电信号采集系统，涉及生物电控制领域，包括多个主动式表面肌电传感器、信号采集模块、控制终端，主动式表面肌电传感器集成多个肌电电极和信号处理电路。本发明在局部区域内提高空间分辨率，体积小巧，可进行穿戴式设计，可方便地佩戴并采集表面肌电信号，在保证高性能信号采集的同时成本更低，可用于运动单元放电序列的解码。

Description

一种用于运动单元解码的表面肌电信号采集系统
技术领域
本发明涉及生物电控制领域，尤其涉及一种用于运动单元解码的表面肌电信号采集系统。
背景技术
表面肌电信号(surface electromyography，sEMG)是一种复杂的肌肉电活动经过多层生物组织传导在皮肤表面处综合的结果。由于肌电信号来源于人体，因此肌电信号以其直接、自然的特点成为了人机接口特别是假肢控制领域重要的信号源。目前，在基于表面肌电信号的人机接口方法中，运动单元放电序列解码方法更加贴近本源，有望成为下一代的人机接口技术。运动单元的动作电位是表面肌电信号基本组成成分，不同运动单元的动作电位在时间和空间上混叠，最终形成了表面肌电信号。因此从表面肌电信号中解码出运动单元放电的时刻信息非常有意义。
目前，已有的表面肌电采集系统在人机接口应用中面临挑战。一方面，传统的肌电采集系统在局部的空间分辨率不足，难以应用运动单元解码算法；另一方面，高密度肌电采集系统过于臃肿，无法作为应用于日常生活。此外，目前已有系统无法兼顾经济性与高信号质量。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于运动单元解码的表面肌电信号采集系统，通过低成本获得高空间分辨率。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是兼顾低成本与高质量，优化电极布置使得表面肌电采集系统可以采集到更多的空间信息，以施行运动单元解码算法。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于运动单元解码的表面肌电信号采集系统，包括主动式表面肌电传感器、信号采集模块、控制终端，其中：
主动式表面肌电传感器，使用时贴附于皮肤，包括多个肌电电极和信号处理电路，信号处理电路对肌电电极采集的表面肌电信号进行放大和滤波；
信号采集模块，通过线缆连接至多个主动式表面肌电传感器，为主动式表面肌电传感器提供电源，采集和处理主动式表面肌电传感器上的肌电信号；
控制终端通过通信协议设置信号采集模块，接收信号采集模块上传的数据并进行处理，解码出运动单元放电序列。
进一步地，肌电电极的材料为镀金铜或氯化银，形状为圆柱型，具有弹簧伸缩结构，伸出距离为1～2mm。
进一步地，主动式表面肌电传感器中，布置5个肌电电极，分布于边长10mm的正方形的中心和4个顶点。
进一步地，位于正方形中心的肌电电极作为参考电极，位于正方形顶点的4个肌电电极按照顺时针或逆时针方向组成4个电极对，每对肌电电极形成一个差分通道，连接至后续的信号处理电路。
进一步地，信号处理电路包含差分放大和反相放大两个阶段，每个阶段的增益均为50V/V，信号处理电路经过调整，频率响应的通频带维持在40-500Hz，总体增益在通频带内为2500V/V。
进一步地，信号采集模块包括：
采样单元，将模拟信号转换为数字信号；
控制单元，控制采样时序并对数据进行初步处理；
通信单元，与控制终端进行通信；
电源管理单元，为信号采集模块和主动式表面肌电传感器供电。
进一步地，采样单元包括将信号中大于奈奎斯特频率的成分去除的防混叠滤波器，将模拟信号转换为数字信号的模数转换器。
进一步地，控制单元由微型嵌入式控制器组成。
进一步地，信号采集模块包括电池。
进一步地，控制终端上运行专用控制软件，专用控制软件的功能包括：对信号采集模块进行设置，显示实验范式，采集、显示、处理、存储、离线分析肌电信号，进行运动单元放电序列的解码。
本发明提供的主动式表面肌电传感器与采集模块构成了便携式、低成本、高质量的表面肌电信号采集。同时，在单个传感器上集成了更多的采集通道，可提供更多的空间信息，以支持运动单元解码算法。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的表面肌电信号采集系统的示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的主动式表面肌电传感器的示意图。
其中：1-主动式表面肌电传感器、2-信号采集模块、3-控制终端、4-通信单元、5-控制单元、6-电源管理单元、7-采样单元、8-肌电电极、9-差分放大电路、10-反相放大电路10、11-线缆。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
本发明的目的在于提供一种可以支撑运动单元解码算法的低成本便携式表面肌电信号采集系统。
如图1所示，为本发明一个较佳实施例的表面肌电信号采集系统示意图。包括多个主动式表面肌电传感器1，信号采集模块2和控制终端3。
图2为主动式表面肌电传感器1的详细结构图。在一个主动式表面肌电传感器1上布置多个肌电电极8，以提高主动式表面肌电传感器1在局部区域的空间分辨率，同时，在主动式表面肌电传感器1上集成信号处理电路，对肌电信号进行放大和滤波，提高信号质量。主动式表面肌电传感器1留有线缆11，用来与图1所示的信号采集模块2连接，获取供电和传递肌电信号。
优选地，肌电电极8材料为镀金铜或氯化银；形状呈圆柱型；具有弹簧伸缩结构，伸出距离为1～2mm，可与皮肤进行良好的接触。
使用时，主动式表面肌电传感器1采用双面胶或其它贴附材料，贴附于皮肤表面。
优选地，采用5个肌电电极8，其中4个肌电电极(E1，E2，E3，E4)位于正方形的顶点，1个肌电电极(E0)位于正方形的中心。顶点4个肌电电极按照顺时针或逆时针方向组成4个电极对，每对肌电电极形成一个差分通道，连接至差分放大电路9的正负两端。中间的肌电电极(E0)作为参考电极，连接至参考电位点。
正方形的布置方式，使得4个差分方向正交，能够最大化各个差分通道间的信号差异，有利于提高同一运动单元在不同通道内的肌电信号的差异，提高不同通道间的不相关性。
优选地，正方形的边长设置为10mm。对于差分形式的肌电信号，电极间距越大，采集到的肌电信号幅值越高，但带宽越窄。同时，随着电极间距的增大，肌电信号中的串扰现象越严重。经反复实验，正方形边长取值10mm时，能在信号幅值、带宽、串扰等因素间取得平衡，获得较好的采样效果。
信号处理电路包含2个阶段：差分放大阶段和反相放大阶段，分别由差分放大电路9和反相放大电路10组成。优选地，差分放大电路9基于AD8221芯片实现；反相放大电路10基于AD8608芯片进行实现。每个阶段的增益均为50V/V。整个电路经过调整，其频率响应的通频带维持在40-500Hz，总体增益在通频带内为2500V/V。
如图2所示，信号采集模块2，包括通信单元4、控制单元5、电源管理单元6、采样单元7。
采样单元7，将模拟信号转换为数字信号。含有防混叠滤波器，用于将信号中大于奈奎斯特频率的成分去除；模数转换器，将模拟信号转换为数字信号。可选地，模数转换芯片也可与控制单元5集成，以实现更加小巧的体积。
控制单元5，控制采样单元7的采样时序并对数据进行初步处理。优选地，采用STM32F407芯片实现，在芯片上运行相应程序，控制采样单元7的采样时序、处理数字信号并通过通信单元4与上位控制终端3上的软件进行数据交换。
通信单元4，用于信号采集模块2与控制单元3之间的通信。可选地，将UART协议转换为USB协议，并在控制终端3上虚拟出串口进行通讯。
电源管理单元6，管理系统的电源，由一系列电压、电源转换芯片组成，为信号采集模块2中各个单元(包括通信单元4，控制单元5和采样单元7)和主动式表面肌电传感器1提供合适的工作电压，包括5V，3.3V和-3.3V等系统中各个部分的正常工作电压。优选地，还包括电池，使得主动式表面肌电传感器1，信号采集模块2在无需外接电源的情况下仍能正常工作。优选地，电池为锂电池。
如图2所示，控制终端3可以有多种形式，如电脑、手机、PAD等。其上运行专用控制软件，专用控制软件的功能包括：对信号采集模块的工作方式、采样频率等参数进行设置，显示实验范式，与信号采集模块通信，采集、显示、处理、存储、离线分析信号采集模块上传的肌电信号，进行运动单元放电序列的解码。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于运动单元解码的表面肌电信号采集系统，其特征在于，包括主动式表面肌电传感器、信号采集模块、控制终端，其中：
所述主动式表面肌电传感器，使用时贴附于皮肤，包括多个肌电电极和信号处理电路，所述信号处理电路对所述肌电电极采集的表面肌电信号进行放大和滤波；
所述信号采集模块，通过线缆连接至多个所述主动式表面肌电传感器，为所述主动式表面肌电传感器提供电源，采集和处理所述主动式表面肌电传感器上的肌电信号；
所述控制终端通过通信协议设置所述信号采集模块，接收所述信号采集模块上传的数据并进行处理，解码出运动单元放电序列。
2.如权利要求1所述的用于运动单元解码的表面肌电信号采集系统，其特征在于，所述肌电电极的材料为镀金铜或氯化银，形状为圆柱型，具有弹簧伸缩结构，伸出距离为1～2mm。
3.如权利要求1所述的用于运动单元解码的表面肌电信号采集系统，其特征在于，所述主动式表面肌电传感器中，布置5个所述肌电电极，分布于边长10mm的正方形的中心和4个顶点。
4.如权利要求3所述的用于运动单元解码的表面肌电信号采集系统，其特征在于，所述位于正方形中心的所述肌电电极作为参考电极，所述位于正方形顶点的4个所述肌电电极按照顺时针或逆时针方向组成4个电极对，每对所述肌电电极形成一个差分通道，连接至后续的所述信号处理电路。
5.如权利要求4所述的用于运动单元解码的表面肌电信号采集系统，其特征在于，所述信号处理电路包含差分放大和反相放大两个阶段，每个阶段的增益均为50V/V，所述信号处理电路经过调整，频率响应的通频带维持在40-500Hz，总体增益在通频带内为2500V/V。
6.如权利要求1所述的用于运动单元解码的表面肌电信号采集系统，其特征在于，所述信号采集模块包括：
采样单元，将模拟信号转换为数字信号；
控制单元，控制采样时序并对数据进行初步处理；
通信单元，与所述控制终端进行通信；
电源管理单元，为所述信号采集模块和所述主动式表面肌电传感器供电。
7.如权利要求6所述的用于运动单元解码的表面肌电信号采集系统，其特征在于，所述采样单元包括将信号中大于奈奎斯特频率的成分去除的防混叠滤波器，将模拟信号转换为数字信号的模数转换器。
8.如权利要求6所述的用于运动单元解码的表面肌电信号采集系统，其特征在于，所述控制单元由微型嵌入式控制器组成。
9.如权利要求6所述的用于运动单元解码的表面肌电信号采集系统，其特征在于，所述信号采集模块包括电池。
10.如权利要求1所述的用于运动单元解码的表面肌电信号采集系统，其特征在于，所述控制终端上运行专用控制软件，所述专用控制软件的功能包括：对所述信号采集模块进行设置，显示实验范式，采集、显示、处理、存储、离线分析所述肌电信号，进行运动单元放电序列的解码。
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