CN115530835A - 一种适用于智能假肢的电极系统 - Google Patents

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林兆华
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Abstract

本发明公开了一种适用于智能假肢的电极系统，包括：毛细微结构表面肌电电极，用于表面肌电信号的采集；可吸附吸盘，与毛细微结构表面肌电电极连接，用于固定电极；自定位低熔点形状记忆合金手镯，与可吸附吸盘的两侧连接，形成圆周状，用于贴合相应圆周处的皮肤；负泊松比电刺激电极，与自定位低熔点形状记忆合金手镯连接，用于辅助贴合皮肤；信号采集电路板，通过可吸附吸盘分别与毛细微结构表面肌电电极以及自定位低熔点形状记忆合金手镯连接，用于通过表面肌电信号控制自定位低熔点形状记忆合金手镯，智能贴合皮肤，本发明可以实现假肢佩戴时避免粘胶撕扯的疼痛，减弱电极贴附于皮肤表面时的压痕，快速定位佩戴的技术效果。

Description

一种适用于智能假肢的电极系统
技术领域
本发明属于表面电极领域，特别是涉及一种适用于智能假肢的电极系统。
背景技术
随着技术的进步，截肢患者对假肢要求越发提高，越来越多的假肢研发人员将模式识别技术应用于智能假肢，现有的上肢智能假肢多采用表面肌电信号识别手势动作，因此信号质量对智能假肢的性能至关重要。信号采集过程中电极与皮肤发生相对位移时会直接影响信号采集质量，使用一次性粘胶将电极粘贴在皮肤表面虽然可保持信号采集过程中电极与皮肤表面相对位置不变，但拆卸时会拉扯皮肤致患者疼痛。假肢应用中，通常通过接受腔对电极的压力进行固定，保持电极片与皮肤紧密接触，防止位移发生。现有的成熟电极多为刚性电极，在外部压力作用下，皮肤表面往往出现压痕，引起信号采集部位不适，并且在长时间穿戴假肢过程中，皮肤表面会出现汗液，影响信号采集质量。此外，截肢患者除了肢体残缺造成的生活不便外，还会有患肢疼痛，在刚截肢的前几个月时间里尤为明显，无疑加重了截肢患者的身体不适性。因此急需一种适用于智能假肢的电极系统，以有效降低穿戴不适性，提高信号采集质量，提升智能假肢性能水平。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于智能假肢的电极系统，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种适用于智能假肢的电极系统，包括：毛细微结构表面肌电电极，用于表面肌电信号的采集；
可吸附吸盘，与所述毛细微结构表面肌电电极连接，用于固定电极；
自定位低熔点形状记忆合金手镯，与所述可吸附吸盘的两侧连接，形成圆周状，用于贴合相应圆周处的皮肤；
负泊松比电刺激电极，与所述自定位低熔点形状记忆合金手镯连接，用于辅助贴合皮肤；
信号采集电路板，通过所述可吸附吸盘分别与毛细微结构表面肌电电极以及自定位低熔点形状记忆合金手镯连接，用于通过所述表面肌电信号控制自定位低熔点形状记忆合金手镯，智能贴合皮肤。
优选地，毛细微结构电极阵列，贴附于皮肤表面，用于采集肌电信号；
导电柔性基底，与所述毛细微结构电极阵列连接，用于承载所述毛细微结构电极阵列；
微流体通道，与所述可吸附吸盘连接，用于通过所述毛细微结构电极阵列将液态分子传递到可吸附吸盘；
导体，通过所述可吸附吸盘分别与所述毛细微结构电极阵列以及信号采集电路板连接，用于传递信号。
优选地，所述毛细微结构电极阵列包括毛细微结构、电极阵列；
所述毛细微结构用于将液态分子通过毛细作用吸入所述微流体通道；
所述电极阵列用于采集表面肌电信号。
优选地，所述导体包括导体中柱、导线、隔离套；所述导线分别与所述导体中柱与所述隔离套连接，用于传递肌电信号。
优选地，所述可吸附吸盘包括：喇叭形吸盘主体、吸盘内衬、弹性网兜、吸水凝珠、电磁屏蔽罩、气体通道、单向阀、排气装置；
所述喇叭形吸盘主体，与所述气体通道连接，用于将所述毛细微结构电极阵列贴合皮肤；
所述弹性网兜与所述吸盘内衬连接，用于辅助所述毛细微结构电极阵列贴合皮肤；
所述吸水凝珠与通过所述弹性网兜与所述喇叭形吸盘主体连接，用于吸附液态分子；
所述电磁屏蔽罩与所述喇叭形吸盘主体外连接，用于屏蔽电磁信号；
所述排气装置与所述气体通道连接，用于排出吸盘内气体；
所述单向阀与所述气体通道连接，用于控制气体沿一个方向流通。
优选地，所述喇叭形吸盘主体包括大端面和小端面，内表面和外表面；
所述大端面用于与皮肤接触，所述小端面与气体通道连接，所述内表面与吸盘内衬连接，所述外表面与电磁屏蔽罩连接。
优选地，自定位低熔点形状记忆合金手镯包括：
低熔点形状记忆合金，用于快速定位表面电极位置；
硅胶通道，与所述低熔点形状记忆合金连接，用于包裹所述低熔点形状记忆合金；
电加热丝，与所述低熔点形状记忆合金连接，用于加热所述低熔点形状记忆合金。
优选地，所述负泊松比电刺激电极包括：磁性负泊松比支架结构、电刺激电极；
所述磁性负泊松比支架结构，由不导电的多边形凹陷结构重复排列而成，用于保证皮肤表面粗糙的情况下紧贴皮肤；
所述电刺激电极，与磁性负泊松比支架结构的顶端连接，用于辅助贴合皮肤。
本发明的技术效果为：
1、毛细微结构表面肌电电极配合可吸附吸盘结构，通过气动方式固定电极，避免粘胶撕扯的疼痛。
2、电极采用柔性基底制作，能有效减弱电极贴附于皮肤表面时的压痕。
3、电极表面的微毛细结构利用毛细现象吸收皮肤表面的汗液，可保持手臂干爽。
4、低熔点形状记忆合金手镯利用低熔点形状记忆合金特性，可灵活便捷地实现表面肌电电极以及电刺激电极的快速定位。加热低熔点形状记忆合金至其呈液态，将其佩戴在手臂上，定位电极位置，待冷却后即可得到手臂模型，再次采集信号时只需先佩戴上定位手镯即可实现快速定位，有效解决定位问题，方便实现私人订制。
5、设计负泊松比电刺激电极单元，通过电刺激作用缓解幻肢疼痛，电刺激过程中要求电极贴附于皮肤表面，负泊松比结构在拉力作用下顶部电刺激电极靠近皮肤，直至与皮肤贴合，操作便捷，压力可控，整体采用织物制造成型，亲肤柔软，佩戴舒适。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的表面肌电传感器整体结构示意图；
图2为本发明实施例中的低熔点形状记忆合金自定位手镯与可吸附吸盘示意图；
图3为本发明实施例中的毛细微结构表面肌电电极部分示意图；
图4为本发明实施例中的负泊松比电刺激电极示意图；
图5为本发明实施例中的低熔点形状记忆合金手镯二维示意图，
其中，1、毛细微结构表面肌电电极；2、可吸附吸盘；4、；3、自定位低熔点形状记忆合金手镯；4、负泊松比电刺激电极；5、信号采集电路板；1.1、毛细微结构电极阵列；1.2、微流体通道；1.3、导体；1.4、导电柔性基底；2.1、弹性网兜；2.2、电磁屏蔽罩；2.3、气体通道；2.4、吸盘内衬；2.5、排气装置；2.6、导体开口；3.1、硅胶通道；3.2、电加热丝；3.3、低熔点形状记忆合金；3.5、绝缘层、镂空结构；4.1、磁性负泊松比支架；4.2、电刺激电极。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例一
如图1-3所示，本实施例中提供一种适用于智能假肢的电极系统，包括：由毛细微结构表面肌电电极1、可吸附吸盘2、自定位低熔点形状记忆合金手镯3、负泊松比电刺激电极4、信号采集电路板5组成。毛细微结构表面肌电电极1与电路板5连接，用于采集表面肌电信号。
如图2所示，可吸附吸盘2包括喇叭形吸盘主体、吸盘内衬2.4、弹性网兜2.1、吸水凝珠、电磁屏蔽罩2.2、气体通道2.3、单向阀、排气装置2.5、导体开口2.6。喇叭形吸盘主体分为大端面和小端面，内表面和外表面，大端面直接与皮肤接触，小端面与气体通道2.3一端紧密连通，吸盘内衬2.4粘贴于喇叭形吸盘主体内表面，弹性网兜2.1与吸盘内衬2.4圆周粘贴，吸水凝珠放置于弹性网兜2.1与喇叭形吸盘小端口之间，电磁屏蔽罩2.2粘贴在喇叭形吸盘主体外表面，毛细微结构表面肌电电极导体1.3穿过网兜间隙进入吸盘排气通道2.3，从吸盘气体通道开口2.6伸出，单向阀安装于排气通道2.3远离吸盘主体的端口，需要排气时打开单向阀，插入排气装置2.5，待排气完成，关闭单向阀，取下排气装置2.5。
喇叭形结构采用注塑成型的方法制作，与皮肤接触的一端为大端面，连接气体通道的一端为小端面，结构各部分的厚度保持一致。气体通道跟喇叭形结构的小端面端口部分相连接，通道2.3通过注塑成型的方法制备，材料选用硅胶。制作完成后，将通道2.3的内孔与喇叭形吸盘主体小端面端口对齐并粘结，用尚未固化的硅胶溶液将二者胶连成一个整体。
气体通道2.3远离小端面端口一端安装一个单向阀，控制气体沿一个方向流通。单向阀开启时，通过抽气装置2.5将吸盘2内的气体排出，使电极与皮肤表面紧密贴附在一起。
如图3所示，毛细微结构表面肌电电极1包括导电柔性基底1.4、毛细微结构电极阵列1.1、微流体通道1.2、导体1.3。导电柔性基底1.4用于承载毛细微结构电极阵列1.1，毛细微结构电极阵列1.1直接贴附于皮肤，采集表面肌电信号，毛细微结构电极阵列1.1将皮肤表面的汗液等液态分子通过毛细作用吸入微流体通道1.2，微流体通道1.2与可吸附吸盘内衬2.4粘结，将汗液等液态分子传递给吸盘内衬2.4。导体1.3一端与柔性基底1.1没有毛细微结构的一面粘结，另一端穿过吸盘排气管道2.6，连通信号采集电路板5。
柔性基底1.1一方面需要承载微电极阵列，另一方面需要连通导体1.3将信号传输给信号采集电路板5，所述柔性基底1.4由硅胶制成，采用注塑形成方法加工为所需形状。
微结构电极阵列1.1直接成型于柔性基底1.4，采用刻蚀加工制作毛细微结构电极1。
为了使微结构电极阵列1.1以及柔性基底1.4具有导电性，利用气相沉积法使其外表面均匀沉积一层导电银离子，使电极具有良好的导电能力。沉积层的厚度相对于电极结构可以忽略不计，沉积层对毛细结构的影响可以忽略。
导体1.3选用与柔性基底1.4相同的材料制备，采用注塑成型的加工方法。首先制作导体中柱，制备完成后在其表面通过丝网印刷技术印制导线，待导线牢牢贴附于中柱后再对其外表面制作一个隔离套。隔离套材料与中柱材料相同，采用注塑成型的方法，浇铸过程中中柱位于待制作套筒的中间位置。注塑成型完成后，得到两端有丝印导线接头的导体1.3。
将导体1.3与导电柔性基底1.4连接，每根导线分别连通柔性基底1.4，因为导体1.3与柔性基底1.4材料相同，将导体1.3与柔性基底1.4用未固化的硅胶粘结。再将导体1.3连接到电路板5，毛细微结构表面肌电电极1制作完成。
如图4所示，负泊松比电刺激电极4包括磁性负泊松比支架结构4.1、电刺激电极4.2、导线。磁性负泊松比支架4.1顶部通过织造成型的方法制作有电刺激电极4.2，电刺激电极4.2由导电织物织造。负泊松比电刺激电极4顶部贴附在自定位低熔点形状记忆合金手镯3表面，电刺激电极4.2从自定位低熔点形状记忆合金手镯3镂空结构中伸出，贴近皮肤，拉伸磁性负泊松比支架4.1，待电刺激电极紧贴皮肤后，释放磁性负泊松比支架4.1，在磁力作用下磁性负泊松比支架4.1与自定位低熔点形状记忆合金手镯3紧密贴合，实现负泊松比电刺激电极4的固定。
磁性负泊松比支架结构4.1结构由不导电的6边形内凹陷结构重复排列而成，整体结构由织物制造而成，电刺激电极4.2由掺杂了导电物质的桑蚕丝织造成型于支架顶部，导线穿插在磁性负泊松比支架结构4.1结构中，导通电刺激电极4.2与外部电源。
电刺激电极4.2贴向皮肤表面时，在拉力作用下，磁性负泊松比支架结构4.1纵向伸长，顶部电刺激电极4.2在外力作用下紧贴皮肤。此种方法保证即使皮肤表面粗糙的情况下仍可紧贴皮肤。
如图5所示，所述自定位低熔点形状记忆合金手镯3包括低熔点形状记忆合金3.3、硅胶通道3.1、电加热丝3.2、绝缘层、镂空结构3.5，硅胶通道3.1包裹低熔点形状记忆合金3.3，电加热丝3.2贴附于硅胶通道3.1表面，绝缘层包裹住电加热丝3.2以及硅胶通道3.1，端口处有电加热丝3.2伸出，连通电加热丝供电电源。
硅胶通道3.1作为形状记忆合金的框架，采用镂空结构3.5设计，硅胶自身具有弹性，设计为镂空结构3.5能够实现更大的形变要求，满足形状记忆合金手镯的私人订制。另外，镂空设计增加透气性，手镯贴附于皮肤表面时不闷气。
私人订制定位功能的实现方法：毛细微结构表面肌电电极1第一次贴附后，为了保证之后贴附位置统一，加热低熔点形状记忆合金3.3，当电加热丝3.2加热后，形状记忆合金3.3变为液态，将液态下的形状记忆合金手镯穿戴在与毛细微结构表面肌电电极1相同的圆周上，依据手臂的形状固化形状记忆合金3.3，固化后的手镯与相应圆周处的皮肤完美贴合，此时可以取下手镯，待下次贴附表面肌电电极时，只需将手镯完全贴合地穿戴在手臂上，即可快速定位表面电极位置，缺口处即电极应该贴附的位置，保证电极每次贴附位置相同。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种适用于智能假肢的电极系统，其特征在于，包括，
毛细微结构表面肌电电极，用于表面肌电信号的采集；
可吸附吸盘，与所述毛细微结构表面肌电电极连接，用于固定电极；
自定位低熔点形状记忆合金手镯，与所述可吸附吸盘的两侧连接，形成圆周状，用于贴合相应圆周处的皮肤；
负泊松比电刺激电极，与所述自定位低熔点形状记忆合金手镯连接，用于辅助贴合皮肤；
信号采集电路板，通过所述可吸附吸盘分别与毛细微结构表面肌电电极以及自定位低熔点形状记忆合金手镯连接，用于通过所述表面肌电信号控制自定位低熔点形状记忆合金手镯，智能贴合皮肤。
2.根据权利要求1所述的适用于智能假肢的电极系统，其特征在于，所述毛细微结构表面肌电电极包括：
毛细微结构电极阵列，贴附于皮肤表面，用于采集肌电信号；
导电柔性基底，与所述毛细微结构电极阵列连接，用于承载所述毛细微结构电极阵列；
微流体通道，与所述可吸附吸盘连接，用于通过所述毛细微结构电极阵列将液态分子传递到可吸附吸盘；
导体，通过所述可吸附吸盘分别与所述毛细微结构电极阵列以及信号采集电路板连接，用于传递信号。
3.根据权利要求2所述的适用于智能假肢的电极系统，其特征在于，
所述毛细微结构电极阵列包括毛细微结构、电极阵列；
所述毛细微结构用于将液态分子通过毛细作用吸入所述微流体通道；
所述电极阵列用于采集表面肌电信号。
4.根据权利要求2所述的适用于智能假肢的电极系统，其特征在于，所述导体包括导体中柱、导线、隔离套；所述导线分别与所述导体中柱与所述隔离套连接，用于传递肌电信号。
5.根据权利要求1所述的适用于智能假肢的电极系统，其特征在于，所述可吸附吸盘包括：喇叭形吸盘主体、吸盘内衬、弹性网兜、吸水凝珠、电磁屏蔽罩、气体通道、单向阀、排气装置；
所述喇叭形吸盘主体，与所述气体通道连接，用于将所述毛细微结构电极阵列贴合皮肤；
所述弹性网兜与所述吸盘内衬连接，用于辅助所述毛细微结构电极阵列贴合皮肤；
所述吸水凝珠与通过所述弹性网兜与所述喇叭形吸盘主体连接，用于吸附液态分子；
所述电磁屏蔽罩与所述喇叭形吸盘主体外连接，用于屏蔽电磁信号；
所述排气装置与所述气体通道连接，用于排出吸盘内气体；
所述单向阀与所述气体通道连接，用于控制气体沿一个方向流通。
6.根据权利要求5所述的适用于智能假肢的电极系统，其特征在于，
所述喇叭形吸盘主体包括大端面和小端面，内表面和外表面；
所述大端面用于与皮肤接触，所述小端面与气体通道连接，所述内表面与吸盘内衬连接，所述外表面与电磁屏蔽罩连接。
7.根据权利要求1所述的适用于智能假肢的电极系统，其特征在于，自定位低熔点形状记忆合金手镯包括：
低熔点形状记忆合金，用于快速定位表面电极位置；
硅胶通道，与所述低熔点形状记忆合金连接，用于包裹所述低熔点形状记忆合金；
电加热丝，与所述低熔点形状记忆合金连接，用于加热所述低熔点形状记忆合金。
8.根据权利要求1所述的适用于智能假肢的电极系统，其特征在于，所述负泊松比电刺激电极包括：磁性负泊松比支架结构、电刺激电极；
所述磁性负泊松比支架结构，由不导电的多边形凹陷结构重复排列而成，用于保证皮肤表面粗糙的情况下紧贴皮肤；
所述电刺激电极，与磁性负泊松比支架结构的顶端连接，用于辅助贴合皮肤。
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