CN112220483B

CN112220483B - 一种通道热插拔的柔性点阵式肌电信号无线采集系统

Info

Publication number: CN112220483B
Application number: CN202010963586.7A
Authority: CN
Inventors: 王军; 杜群; 杨凯; 李玉莲; 吴保磊
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2020-09-14
Filing date: 2020-09-14
Publication date: 2021-06-29
Anticipated expiration: 2040-09-14
Also published as: WO2022052700A1; CN112220483A

Abstract

本发明公开了一种通道热插拔的柔性点阵式肌电信号无线采集系统，包括若干柔性无线数据采集模块和主控单元。若干柔性无线数据采集模块能够完全贴附于人体各个位置，采集人体肌电信号并发送；主控单元与上位机连接，用于接收柔性无线数据采集模块发送的人体肌电信号，并合成肌电图像，发送至上位机。本发明可以实现采集通道在带电状态下进行插拔，提高了系统的可靠性、快速维修性、冗余性和对故障的及时恢复能力等，增加采集系统的适应性与便利性；同时可以实现柔性无线数据采集模块的自由增减，提高了采集系统的扩展性以及穿戴过程中的舒适性。在保证采集质量的前提下，提高了肌电信号数据采集的针对性、可控性，增加了采集系统的灵活性、便利性。

Description

一种通道热插拔的柔性点阵式肌电信号无线采集系统

技术领域

本发明涉及基于肌电信号的穿戴设备的技术领域，尤其涉及一种通道热插拔的柔性点阵式肌电信号无线采集系统。

背景技术

随着科学技术的日益发展，便携式肌肉电信号采集设备和姿态感知设备在康复医学中广泛使用。患者佩戴设备进行动作训练，计算机通过采集到的信息判断患者的动作意图用于人机交互，以提高康复训练的效果。目前的肌电信号采集装置大都为无线环式或有线阵列式。无线环式存在采集频率低、无法针对不同位置的肌肉进行信号采集的问题，有线阵列式存在采集模式单一、有线束缚无法执行大幅度动作的问题。尤其在进行科学研究过程中，通道的数目作为采集变量往往影响数据的处理质量，而目前大部分采集装置使用过程中电极是固定的，不能进行热拔插，具有较低的扩展性与较差的舒适性。不同的应用场合需要进行不同的通道数，当所处环境有线传输受限时，目前的采集装置并不能满足需求，采集频率较低，信号质量较差，不利于后续处理与识别。

对比文件1（CN109124628A）公开了一种基于柔性有源电极的肌电采集装置，根据其权利要求2及权利要求3所述，其特征在于，所述电极阵列至少由4个电极构成的2*2的阵列，电极之间的间距在3mm-5mm之间。所述电极包括柔性基层，所述柔性基层上沿着底层向上顺序设置有铜电极层、镍层以及金层。对比文件1致力于将装置分层规划，并按照一定间距固定电极，不可拆卸。

对比文件2（CN104224170A）公开了一种阵列式柔性表面肌电电极及制备方法，根据其权利要求所述，其特征在于，所述 18 个电极的排列方式为：将左侧 9 个电极从上到下编号为1到9，下侧引线接口的接线口从左到右编号为1到9，左侧电极从1到4依次和接线口1到4通过电极引线相连，电极引线从左到右位于左侧电极的左侧，电极从5到9以相反的次序依次和接线口9到5通过电极引线相连电极引线从右到左位于左侧电极的右侧；右侧9个电极和上侧引线接口的连接和左侧电极和下侧引线接口的连接对称，采用医用导电膏，开动点胶机将胶液填在圆孔上，再将胶液烘烤固化。对比文件2致力于电极的制备，并使用导电膏加热固化电极，不可拆卸。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通道热插拔的柔性点阵式肌电信号无线采集系统，在保证数据高保真采集的前提下，根据具体情况合理的热插拔采样电极进行点阵式采集，并且可以带电自由插拔电极，使用无线传输摆脱线缆的束缚，从而在增加采集的灵活性、应用的广泛性及佩戴的舒适性的同时，提高采集的质量，有助于科学的控制研究变量，并且在康复训练或科学研究等应用方面有良好的适应性及扩展性。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种通道热插拔的柔性点阵式肌电信号无线采集系统，包括若干柔性无线数据采集模块和主控单元。

进一步地，所述柔性无线数据采集模块可完全贴附于人体各个位置，完成平铺、包裹等操作，并可以根据单个模块需要通道数目，热插拔所述电极单元，增加采集策略的灵活性以及佩戴时的透气性，也可根据使用场景增加此模块的数量，并且可以无线传输，摆脱有线的束缚。所述电极单元可通过导电磁铁吸附于所述柔性无线数据采集模块中，并与身体紧密贴合，可在通电使用时将其拔出，改变采集策略；所述主控单元可与上位机连接，用于接收所述柔性无线数据采集模块发送的肌电信号数据，并合成肌电图像，发送至上位机。

进一步地，所述柔性无线数据采集模块包括底座、采集控制器、第一无线传输模块、两个镀金铜端子、两个铁端子、若干传感器、若干电极插孔和若干电极单元。所述柔性亲肤材料底座，具有优秀的伸展性，可随皮肤相对固定，佩戴舒适。所述电极插孔以点阵式排列于柔性无线数据采集模块正面，传感器依据电极插孔的个数均匀分布于底座背面紧贴皮肤。电极插孔为圆形凹槽，圆形凹槽的槽壁上开有4个通孔，4个通孔以相同间距呈环形等间隔对称排列，两个镀金铜端子和两个铁端子间隔排布在4个通孔内，将电极单元插入其内并依据电磁铁效应固定，两个铁端子均通过柔性导线连接至采集控制器，传感器与电极插孔电连接。所述采集控制器分别与第一无线传输模块和传感器连接，采集控制器设置在底座内，采集控制器用于控制传感器采集肌电信号，并将肌电信号通过第一无线传输模块发送，并能检测电极单元的热插拔，控制电极的固定。。

进一步地，所述的电极插孔包括置于上镀金铜端子和下镀金铜端子，分别以差分信号输入采集控制器；置于左右对称的铁端子，左端子为非同源参考电极与采集控制器电气相连，右端子作用为电极热插拔的检测与采集控制器电气相连；且置于左右对称的铁端子外部为所述柔性导线分别以顺时针、逆时针方向缠绕，组成电磁铁，可吸附电极单元中的参考电极，所述采集控制器对外部缠绕线圈通入电流，铁端子产生磁力，以吸附并固定所述电极。当所述电极单元在使用过程中带电插入时，所述电极单元中央的参考电极与所述电极插孔中的左、右端子电气相连，此时由于所述电极插孔左、右端子外圈由导线缠绕并涌入电流，并产生磁力，可吸附铁材料为主的电极单元，达到固定的效果。另一方面，所述左端子为地，通过参考电极电气相连于右端子，右端子此时电平拉低，主控可检测到电平变化，以判断电极的插入，根据使用情况调整采集频率及数据传输模式。

进一步地，所述的电极单元为圆柱形，所述电极单元包括参考电极、上差分电极和下差分电极；所述参考电极位于电极单元中央，上差分电极和下差分电极对称分布于参考电极两侧与参考电极之间形成沟槽，参考电极的中间材料为铁，其外侧镀铜，用于配合电极插孔内两个铁端子的电磁吸附，贴近皮肤的一面为镀铜面，用于更好的拾取参考电位；上差分电极和下差分电极材料均为镀金铜，用于更好的拾取差分电位。

当所述电极单元在使用过程中带电插入时，所述电极单元中央的参考电极与电极插孔中的铁左端子、铁右端子电气相连，此时由于电极插孔中两个铁端子外圈由导线缠绕并涌入电流，并产生磁力，吸附电极单元，达到固定的效果；另一方面，所述铁左端子为地，通过参考电极电气相连于铁右端子，铁右端子此时电平拉低，采集控制器检测到电平变化，以判断电极单元的插入，根据使用情况调整采集频率及数据传输模式。

进一步地，所述主控单元包括第二无线数据传输模块和高主频控制器，第二无线数据传输模块和高主频控制器连接，第二无线数据传输模块用于接收柔性无线数据采集模块发送的数据，以及控制命令的发送，高主频控制器用于实现对柔性无线数据采集模块的控制，并将采集到的人体肌电信号时域数据通过窗口分割的方法进行图像化处理，并发送给上位机。

进一步地，所述的柔性无线数据采集模块可以根据使用场景的需要无限扩展。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）本发明通过柔性材料、点阵式排列的设置，能够使该肌电信号无线采集系统在高密度信号采集的前提下，增加设备的舒适性、扩展性，提高了采集系统的上限。

（2）本发明的采集设备可以在带电状态下进行电极的热插拔，采集系统智能判断并调整其采集频率以适应变化，增加了采集策略的灵活性、设备使用的安全性以及穿戴时的透气性，便于医疗系统中的康复性训练与肌电信号科学研究中通道的变量控制。

（3）本发明体积小、重量轻，可较牢固的吸附在人体表面，并且可根据需要进行模块的增减，从而增加信息采集的密度，提高后续信号图像采集的质量。

附图说明

图1为根据本发明实施例的柔性点阵式肌电信号无线采集系统的人体佩戴组网示意图。

图2为根据本发明实施例的柔性点阵式肌电信号无线采集系统的总体示意图。

图3为根据本发明实施例的柔性点阵式肌电信号无线采集系统的柔性无线数据采集模块示意图。

图4为根据本发明实施例的柔性点阵式肌电信号无线采集系统的电极插孔示意图。

图5为根据本发明实施例的柔性点阵式肌电信号无线采集系统的镀金铜端子和铁端子示意图，其中图（a）为镀金铜端子示意图，图（b）为铁端子示意图。

图6为根据本发明实施例的柔性点阵式肌电信号无线采集系统的电极示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

结合图1至图6，本发明所述的一种通道热插拔的柔性点阵式肌电信号无线采集系统，包括主控单元50和若干柔性无线数据采集模块10。

所述柔性无线数据采集模块10，其可完全贴附于人体各个位置，完成平铺、包裹等操作，可以根据单个模块需要通道数目，热插拔所述电极单元40，增加采集策略的灵活性以及佩戴时的透气性，也可根据使用场景增加此模块的数量，并且可以无线传输，摆脱有线的束缚；所述电极单元40可通过导电磁铁吸附于所述柔性无线数据采集模块10中，并与身体紧密贴合，可在通电使用时将其拔出，改变采集策略。所述主控单元50可与上位机连接，用于接收所述柔性无线数据采集模块10发送的肌电信号数据，并合成肌电图像，发送至上位机。

所述的柔性无线数据采集模块10包括底座、采集控制器30、第一无线传输模块、两个镀金铜端子、两个铁端子、16个传感器、16个电极插孔20和16个电极单元40。所述柔性亲肤材料底座使用亲肤硅胶为主材料，具有优秀的伸展性，可随皮肤相对固定，佩戴舒适；所述电极插孔20以点阵式排列于柔性无线数据采集模块10上，再此实例中共16个，每个传感器中的差分采集端分别与每个电极插孔20内的两个镀金铜端子相连，传感器再通过柔性导线连接至采集控制器30；所述柔性导线置于柔性亲肤材料内部。所述采集控制器30置于柔性亲肤材料内部，用于16通道的肌电信号采集与数据的无线发送，并能检测电极的热插拔，控制电极的固定。柔性无线数据采集模块10可以根据使用场景的需要无限扩展。

所述的电极插孔20包括置于镀金铜上端子22和镀金铜下端子23，分别以差分信号输入传感器；置于左右对称的铁端子，铁左端子21为非同源参考电极与采集控制器电气相连，铁右端子24作用为电极热插拔的检测与采集控制器电气相连；且置于左右对称的铁端子外部为所述柔性导线分别以顺时针、逆时针方向缠绕，组成电磁铁，可吸附电极单元40中的参考电极，所述采集控制器对外部缠绕线圈通入电流，铁端子产生磁力，以吸附并固定所述电极。

所述电极单元40包括参考电极41、上差分电极42和下差分电极43；所述参考电极41位于电极单元40中央，上差分电极42和下差分电极43对称分布于参考电极41两侧与参考电极41之间形成沟槽，参考电极41的中间材料为铁，其外侧镀铜，用于配合电极插孔内两个铁端子的电磁吸附，贴近皮肤的一面为镀铜面，用于更好的拾取参考电位；上差分电极42和下差分电极43材料均为镀金铜，用于更好的拾取差分电位；

当所述电极单元40在使用过程中带电插入时，所述电极单元40中央的参考电极41与电极插孔20中的铁左端子21、铁右端子24电气相连，此时由于电极插孔中两个铁端子外圈由导线缠绕并涌入电流，并产生磁力，吸附电极单元40，达到固定的效果；另一方面，所述铁左端子21为地，通过参考电极41电气相连于铁右端子24，铁右端子24此时电平拉低，采集控制器30检测到电平变化，以判断电极单元40的插入，根据使用情况调整采集频率及数据传输模式。所述主控单元50包括第二无线数据传输模块和高主频控制器，第二无线数据传输模块和高主频控制器连接，第二无线数据传输模块用于接收柔性无线数据采集模块10发送的数据，以及控制命令的发送，高主频控制器用于实现对柔性无线数据采集模块10的控制，并将采集到的人体肌电信号时域数据通过窗口分割的方法进行图像化处理，并发送给上位机。

所述第二无线数据传输模块采用UWB，高主频控制器使用DSP。

Claims

1.一种通道热插拔的柔性点阵式肌电信号无线采集系统，其特征在于，所述采集系统包括，

若干柔性无线数据采集模块（10），能够完全贴附于人体各个位置，采集人体肌电信号并发送；

主控单元（50），与上位机连接，用于接收柔性无线数据采集模块（10）发送的人体肌电信号，并合成肌电图像，发送至上位机；

所述的柔性无线数据采集模块（10）包括底座、采集控制器（30）、第一无线传输模块、两个镀金铜端子、两个铁端子、若干传感器、若干电极插孔（20）和若干电极单元（40）；若干电极插孔（20）以点阵式排列于底座正面，若干传感器均匀分布于底座背面紧贴皮肤，电极插孔（20）为圆形凹槽，圆形凹槽的槽壁上开有4个通孔，4个通孔以相同间距呈环形等间隔对称排列，两个镀金铜端子和两个铁端子间隔排布在4个通孔内，将电极单元（40）插入其内并依据电磁铁效应固定，两个铁端子均通过柔性导线连接至采集控制器（30），传感器与电极插孔（20）电连接；采集控制器（30）和柔性导线均置于底座内，采集控制器（30）分别与第一无线传输模块和传感器连接，采集控制器（30）用于控制传感器采集肌电信号，并将肌电信号通过第一无线传输模块发送，并能检测电极单元（40）的热插拔，控制电极的固定；

所述电极插孔（20）内的镀金铜上端子（22）和镀金铜下端子（23）分别以差分信号输入传感器；铁左端子（21）为非同源参考电极与采集控制器（30）电气相连，铁右端子（24）作用为电极热插拔的检测与采集控制器（30）电气相连；一个铁端子外部的柔性导线以顺时针方向缠绕，另一个铁端子外部的柔性导线以逆时针方向缠绕，共同组成电磁铁，吸附电极单元（40），所述采集控制器（30）对外部缠绕线圈通入电流，铁端子产生磁力，以吸附并固定所述电极单元（40）；

所述电极单元（40）包括参考电极（41）、上差分电极（42）和下差分电极（43）；所述参考电极（41）位于电极单元（40）中央，上差分电极（42）和下差分电极（43）对称分布于参考电极（41）两侧与参考电极（41）之间形成沟槽，参考电极（41）的中间材料为铁，其外侧镀铜，用于配合电极插孔内两个铁端子的电磁吸附，贴近皮肤的一面为镀铜面，用于更好的拾取参考电位；上差分电极（42）和下差分电极（43）材料均为镀金铜，用于更好的拾取差分电位；

当所述电极单元（40）在使用过程中带电插入时，所述电极单元（40）中央的参考电极（41）与电极插孔（20）中的铁左端子（21）、铁右端子（24）电气相连，此时由于电极插孔中两个铁端子外圈由导线缠绕并涌入电流，并产生磁力，吸附电极单元（40），达到固定的效果；另一方面，所述铁左端子（21）为地，通过参考电极（41）电气相连于铁右端子（24），铁右端子（24）此时电平拉低，采集控制器（30）检测到电平变化，以判断电极单元（40）的插入，根据使用情况调整采集频率及数据传输模式。

2.根据权利要求1所述的通道热插拔的柔性点阵式肌电信号无线采集系统，其特征在于：所述底座采用亲肤硅胶，具有优秀的伸展性，可随皮肤相对固定，佩戴舒适。

3.根据权利要求1所述的通道热插拔的柔性点阵式肌电信号无线采集系统，其特征在于：传感器中的差分采集端与电极插孔（20）内的两个镀金铜端子相连。

4.根据权利要求1所述的通道热插拔的柔性点阵式肌电信号无线采集系统，其特征在于：所述电极单元（40）为圆柱形，通过导电磁铁吸附于所述柔性无线数据采集模块（10）中。

5.根据权利要求1~4中任意一项所述的通道热插拔的柔性点阵式肌电信号无线采集系统，其特征在于：所述主控单元（50）包括第二无线数据传输模块和高主频控制器，第二无线数据传输模块和高主频控制器连接，第二无线数据传输模块用于接收柔性无线数据采集模块（10）发送的数据，以及控制命令的发送，高主频控制器用于实现对柔性无线数据采集模块（10）的控制，并将采集到的人体肌电信号时域数据通过窗口分割的方法进行图像化处理，并发送给上位机。

6.根据权利要求5所述的通道热插拔的柔性点阵式肌电信号无线采集系统，其特征在于：所述第二无线数据传输模块采用UWB，高主频控制器使用DSP。