CN113425314A - 一种阵列式高密度表面肌电采集装置及肌电采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列式高密度表面肌电采集装置，涉及肌电控制领域，包括阵列式高密度电极片、参考电极、多通道信号处理模块、电源模块、控制模块以及无线通信模块。还公开了一种肌电采集方法，包括：步骤1、安装电极片；步骤2、肌电信号预处理；步骤3、数字信号的通讯。本发明的肌电采集装置相比于现有技术体积更小、质量更轻、更易携带、操作更简单、放置灵活、使用体验更好、并能满足干电极或湿电极两种电极片的应用场景。

Description

一种阵列式高密度表面肌电采集装置及肌电采集方法

技术领域

本发明涉及肌电控制领域，尤其涉及一种阵列式高密度表面肌电采集装置及肌电采集方法。

背景技术

目前，肌电控制是假肢的主流控制手段之一，随着假肢技术的不断发展，患者对假肢的使用体验以及灵活性有了更高的要求，这就对控制信号源的采集与处理提供了更高的要求。

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。通过电极从肌肉表面采集神经肌肉生物电信号，并将其记录、放大、传导和反馈，从而进行肌肉功能的量化评定。它可以对所检查的肌肉进行工作状况、工作效率的量化，指导患者进行神经、肌肉功能训练。

然而，通常的肌电信号采集系统使用繁琐、造价较高，而且通常需要随身佩戴一个信息记录装置，还需要在皮肤上涂抹导电凝胶，使得患者体验较差。并且，对于多通道肌电电极，每个电极都需要配备相应的信号处理模块，通过导线与控制模块连接，这就使得整个肌电采集系统过于庞大，患者在测量过程中身上常常缠满了导线，不但影响运动，且运动过程中由于电极的移位对信号产生很大干扰。

现有技术还有待于进一步改进和提高。因此，本领域的技术人员致力于开发一种阵列式高密度表面肌电采集装置及肌电采集方法。

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如何解决肌电信号采集装置体积大、质量重、不易携带、操作繁琐、放置不灵活、使用体验较差、应用场景有限的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种阵列式高密度表面肌电采集装置，包括阵列式高密度电极片、参考电极、多通道信号处理模块、电源模块、控制模块以及无线通信模块。

进一步地，所述电极片包括规则排列的电极触点，以及在末端整齐排列的连接触点；所述电极触点与所述连接触点一一连接。

进一步地，在所述电极触点处涂抹导电凝胶，在非电极触点处贴上绝缘胶带，使得所述电极片被设置为工作在湿电极模式下。

进一步地，在所述电极片下方设置绑带，将干电极置于所述电极触点上方，在所述绑带下方使用螺钉将所述干电极、所述电极片和所述绑带固定连接在一起，使得所述电极片被设置为工作在干电极模式下。

进一步地，所述电极片通过所述连接触点与所述多通道信号处理模块连接；所述多通道信号处理模块与所述控制模块连接；所述无线通信模块与所述控制模块连接；所述电源模块与所述多通道信号处理模块、所述控制模块以及所述无线通信模块连接。

进一步地，所述多通道信号处理模块包括通道选择开关、前级放大器、工频陷波器、高通滤波器、低通滤波器、输出级放大器、电压抬升电路以及A/D转换芯片。

进一步地，所述通道选择开关采用数字信号控制通道信号是否通过，通道选择开关为高速开关。

进一步地，所述A/D转换芯片与所述控制模块通过SPI总线连接。

进一步地，所述电源模块为模拟电路部分提供±5V电压，为数字电路部分提供1.8V与5V电压，并且模拟电源和数字电源之间进行了模数隔离。

本发明还提供了一种表面肌电采集方法，应用阵列式高密度表面肌电采集装置，包括以下步骤：

步骤1、安装电极片：将阵列式高密度表面肌电采集装置的电极片的输出端连接至通道选择开关的输入端，使用绑带将电极片固定于待测肌肉表面；将参考电极的输出端连接至前级放大器的反向输入端，电极端固定于桡骨茎突等无肌肉部位，从而完成高密度表面肌电信号的采集；

步骤2、肌电信号预处理：将步骤1采集到的单通道肌电信号进行放大和滤波，并转换成数字信号，然后通过控制模块切换至下一通道；

步骤3、数字信号的通讯：将步骤2得到的多通道数字信号通过串口发送至无线通信模块，在上位机中接收数字信号并分析处理。

与现有技术相比，本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1.本发明将多通道肌电信号的采集、放大、滤波和发送集成在小尺寸的独立模块上，具有体积小、质量轻、信号密度高、操作简单、放置灵活等优势，具有实际应用价值。大大减小了现有高密度采集系统中信号处理模块的尺寸，使得该采集装置更易携带，减小对日常生活的干扰。

2.相对于传统的分立式电极，本发明采用的高密度阵列式电极可以提供更高的信号密度，并有效减少单位通道数所需的电极面积；而且将多通道电极集成在一张电极片上有效简化了操作，令本装置的使用更加便利。

3.本发明采用的干湿两用肌电电极片，可以根据不同的使用条件和目的设置为工作在干电极或湿电极模式下，极大地拓展了该电极片的应用场景范围。

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整体结构及信号流转示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的阵列式高密度表面肌电电极片的设计示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的将电极片改为工作在干电极模式下的结构组成示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的信号处理模块的结构示意图。

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。

如图1所示，本实施例提供了一种阵列式高密度表面肌电采集装置，包括阵列式高密度电极片，参考电极，多通道信号处理模块，电源模块，控制模块以及无线通信模块。如图2所示，本发明的一个实施例中所使用的阵列式高密度电极片是一种表面肌电电极片，整体形状近似为勺形。主体部分是一种柔性PCB4，在勺柄末端有一排铜触点2，作为连接触点；在勺体中规则排列着若干露出铜片1，作为电极触点。在柔性PCB内部用铜线3将电极触点与连接触点一一连接。

此电极片既可工作在湿电极模式下，也可工作在干电极模式下。

当工作在湿电极模式下时，，在电极触点处涂抹导电凝胶，然后贴附于皮肤表面；涂抹导电凝胶可以增强导电性能；为了防止导电凝胶溢流导致各测量点串接，需要在非电极触点处贴上绝缘胶带。

当工作在干电极模式下时，，在电极触点处贴附干电极，使得干电极稍稍突出于柔性PCB表面。如图3所示，将绑带6置于电极片5下方，将干电极7置于电极触点上方，在绑带下方使用螺钉8固定连接干电极、电极片以及绑带。

阵列式高密度电极片连接触点与多通道信号处理模块连接。

如图1和图2所示，阵列式高密度表面肌电电极片通过连接触点与多通道信号处理模块连接，多通道信号处理模块与控制模块连接，无线通信模块与控制模块连接，电源模块与多通道信号处理模块、控制模块以及无线通信模块连接。

如图4所示，本发明涉及的多通道信号处理模块包括通道选择开关，前级放大器，高通滤波器，工频陷波器，低通滤波器，输出级放大器，电压抬升电路以及A/D转换芯片。

通道选择开关用于选择多通道信号，以实现扫描式读取多通道信号，提高了信号处理模块的复用率，有效地减少了信号处理模块的空间尺寸，同时通道选择开关采用高速开关，也能使得多通道近似同步处理；通道选择开关采用数字信号控制通道信号是否通过。

前级放大器用于将通道选择开关选择出的信号与参考电极上的信号作差分放大，信号经前级放大后能有效减少运动造成的极化电压。

输出级放大器用于调整最终的放大倍率，将信号幅值放大至适配于A/D转换芯片的大小，可通过调整电位器的阻值来调整放大倍率。

由于表面肌电的有效频段在20-500Hz，因此通过一个高通滤波器和一个低通滤波器组成一个带通滤波器。

在信号采集的过程中，不可避免的会引入工频噪声，虽然高共模抑制比的前级放大器能抑制一部分噪声，但仍需一个专用于滤除工频噪声的陷波器。

电压抬升电路用于将负电压抬升至正电压。

A/D转换芯片将模拟信号转换成数字信号，并通过无线通信模块传输给上位机。

电源模块用于给整套系统进行供电，本系统电路设计包括模拟电路部分与数字电路部分，模拟电路部分需要±5V的双端供电，数字电路部分需要1.8V的单端供电，控制模块需要5V的单端供电，并且模拟电源和数字电源之间进行了模数隔离。

控制模块主要由一块单片机及其外围电路组成。其主要功能是通过程序输出控制通道选择开关的数字逻辑信号，接收A/D转换芯片产生的数字信号，并控制无线通信模块将数字信号发送给上位机。

无线通信模块基于蓝牙进行无线通信，与控制模块连接，用于将肌电数字信号传送至上位机进行分析处理。

本发明提供的阵列式高密度表面肌电采集装置，其肌电采集方法，包括以下步骤：

步骤1，表面肌电电极片的安装：将阵列式高密度电极片的输出端连接至通道选择开关的输入端，使用绑带将电极片固定于待测肌肉表面。将参考电极的输出端连接至前级放大器的反向输入端，电极端固定于桡骨茎突等无肌肉部位。从而完成高密度表面肌电信号的采集。

步骤2，肌电信号预处理：将步骤1采集到的单通道肌电信号进行放大和滤波，并转换成数字信号，然后通过控制模块切换至下一通道。

步骤3，数字信号的通讯：将步骤2得到的多通道数字信号通过串口发送至无线通信模块，在上位机中接收数字信号并分析处理。

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)

1.一种阵列式高密度表面肌电采集装置，其特征在于，包括阵列式高密度电极片、参考电极、多通道信号处理模块、电源模块、控制模块以及无线通信模块。

2.如权利要求1所述的肌电采集装置，其特征在于，所述电极片包括规则排列的电极触点，以及在末端整齐排列的连接触点；所述电极触点与所述连接触点一一连接。

3.如权利要求2所述的肌电采集装置，其特征在于，在所述电极触点处涂抹导电凝胶，在非电极触点处贴上绝缘胶带，使得所述电极片被设置为工作在湿电极模式下。

4.如权利要求2所述的肌电采集装置，其特征在于，在所述电极片下方设置绑带，将干电极置于所述电极触点上方，在所述绑带下方使用螺钉将所述干电极、所述电极片和所述绑带固定连接在一起，使得所述电极片被设置为工作在干电极模式下。

5.如权利要求1所述的肌电采集装置，其特征在于，所述电极片通过所述连接触点与所述多通道信号处理模块连接；所述多通道信号处理模块与所述控制模块连接；所述无线通信模块与所述控制模块连接；所述电源模块与所述多通道信号处理模块、所述控制模块以及所述无线通信模块连接。

6.如权利要求1所述的肌电采集装置，其特征在于，所述多通道信号处理模块包括通道选择开关、前级放大器、工频陷波器、高通滤波器、低通滤波器、输出级放大器、电压抬升电路以及A/D转换芯片。

7.如权利要求6所述的肌电采集装置，其特征在于，所述通道选择开关采用数字信号控制通道信号是否通过，通道选择开关为高速开关。

8.如权利要求6所述的肌电采集装置，其特征在于，所述A/D转换芯片与所述控制模块通过SPI总线连接。

9.如权利要求1所述的肌电采集装置，其特征在于，所述电源模块为模拟电路部分提供±5V电压，为数字电路部分提供1.8V与5V电压，并且模拟电源和数字电源之间进行了模数隔离。

10.一种表面肌电采集方法，其特征在于，应用如权利要求1所述的阵列式高密度表面肌电采集装置，包括以下步骤：

步骤1、安装电极片：将如权利要求1所述的阵列式高密度表面肌电采集装置的电极片的输出端连接至通道选择开关的输入端，使用绑带将电极片固定于待测肌肉表面；将参考电极的输出端连接至前级放大器的反向输入端，电极端固定于桡骨茎突等无肌肉部位，从而完成高密度表面肌电信号的采集；

步骤2、肌电信号预处理：将步骤1采集到的单通道肌电信号进行放大和滤波，并转换成数字信号，然后通过控制模块切换至下一通道；

步骤3、数字信号的通讯：将步骤2得到的多通道数字信号通过串口发送至无线通信模块，在上位机中接收数字信号并分析处理。

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