CN116898447A - 用于肌少症检测的多通道表面肌电信号采集电极和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于肌少症检测的多通道表面肌电信号采集电极，包括多通道肌电采集电极和小型肌电信号采集电路。多通道肌电采集电极可以紧密贴附于皮肤表面，采集多通道表面肌电信号；小型肌电采集电路采用无线方式进行数据传输，在肌电信号采集过程中可避免繁杂的线缆连接。本发明还公开了一种肌少症检测系统，包括采集电极和计算机设备，计算机设备存储有肌电信号分析算法可对肌电信号的时域、频域、非线性指标进行分析，识别肌少症程度。本发明可以方便快捷低成本的对早期肌少症进行检测。
Description
技术领域
本发明属于医疗设备领域，涉及了一种肌电信号采集电极，尤其涉及一种用于肌少症检测的多通道表面肌电信号采集电极和系统。
背景技术
表面肌电图是肌电图的分支领域，将肌电电极贴布于待检测肌肉的皮肤表面以采集肌肉活动的电生理信号。
表面肌电信号是一种能客观反映神经肌肉系统生物电活动的检测手段和方法，其最大的特点在于非损伤性、多靶点检测以及信号特征变化与内在生理、病理改变的一致性上。目前表面肌电图在康复医学、临床医学、体育科学和人机工程等领域有着广泛且重要的应用。慢性腰痛、颈部疼痛、帕金森病、小儿脑瘫、脊髓损伤等疾病都可以使用表面肌电图进行诊断。目前也有大量研究利用肌电信号进行手势识别。
目前的肌电信号采集设备常使用一次性凝胶电极作为肌电信号采集电极，但这种电极面积过大，不利于多通带采集肌电信号，同时长时间贴附容易产生过敏反应，这都限制了它的使用。其他研究中提到的多通道电极存在粘附性不佳、与皮肤接触质量不好的问题，所以本专利提出一种新型的高粘附性多通道表面肌电信号采集电极。
目前用于采集肌电信号的设备大多较为庞大，同时在采集肌电信号时需要使用线缆进行有线传输，这大大限制了采集肌电信号时被试者的行动，同时影响肌电信号的可靠性。所以，利用小型化的检测电路并利用无线传输的方式进行数据传输可以避免这些问题，使用这种小型化的设备可以在不影响被试日常活动时采集肌电数据。
肌少症是一种骨骼肌质量与功能衰退的疾病，是一种与年龄高度相关的疾病。肌少症与老年人的跌倒摔跤等有密切关系，严重影响老年人的身体健康和生命安全，所以早期发现肌少症并进行针对性的治疗具有重要意义。
而目前临床上检测肌少症的方法有多种，但大多依赖大型的仪器设备，这并不利于大范围筛查肌少症，所以一种简单、方便、便捷式、低成本的极少症检测方法可以扩大肌少症的诊断范围。
发明内容
为了解决目前用于肌少症检测的肌电信号采集设备体积庞大，检测不方便，通道数量少的问题，本发明提出了一种用于肌少症检测的多通道表面肌电信号采集电极。
用于肌少症检测的多通道表面肌电信号采集电极，包括多通道肌电采集电极，所述多通道肌电采集电极包括：传导线路层、硅胶辅助支撑层和导电水凝胶，所述传导线路层包括若干电极和传导线路，所述硅胶辅助支撑层贴附于传导线路层表面，硅胶辅助支撑层上设有若干孔洞，且所述孔洞与所述电极一一对应用于暴露所述采集电极，两个电极为一对，用于差分式的采集肌电信号，多对电极阵列式排布，用于多通道采集肌电信号；所述导电水凝胶内嵌于所述孔洞中，并与孔洞内电极紧密连接；所述传导线路采用全差分方式布线。
进一步的，所述传导线路层还包括基底，所述基底采用柔性绝缘材料；所述电极和传导线路均采用导电材料。
进一步的，所述电极的直径为4mm-5mm，每对电极中两个电极的间距为8mm-20mm；每对电极中两个电极的传导线路长度相等、间距小于1mm。
进一步的，所述硅胶辅助支撑层主体为硅橡胶，硅胶辅助支撑层的两面均涂有压敏胶，一面用于和传导线路层连接，一面用于和皮肤连接；硅胶辅助支撑层与传导线路层连接面的压敏胶的粘附力比与皮肤连接面的压敏胶粘附力强。
进一步的，所述硅胶辅助支撑层的厚度为0.5mm-1mm，所述孔洞的直径比电极的直径大0.5mm-1.5mm。
进一步的，所述导电水凝胶具有一定的粘附性，与采集电极和皮肤均良好接触，还具有导电性用于传导肌电信号；所述导电水凝胶的厚度为0.8mm-1.5mm，且厚度大于硅胶辅助支撑层的厚度。
更进一步的，还包括小型肌电信号采集电路，所述小型肌电信号采集电路包括：肌电信号采集单元、蓝牙无线传输单元和电源管理模块；所述肌电信号采集单元为一种ADC采集电路，用于采集肌电信号的电压值，肌电信号采集单元包括ADC转换芯片及其外围电路和排线座子，ADC转换芯片和排线座子之间采用全差分布线方式，排线座子与多通道肌电采集电极连接；蓝牙无线传输单元读取肌电信号采集单元采集的数据并使用蓝牙对数据进行打包并发送；电源管理电源用于提供稳定电压为肌电信号采集单元和蓝牙无线传输单元供能。
一种肌少症检测系统，包括上述肌电信号采集电极和计算机设备。
进一步的，所述计算机设备包括显示模块和数据处理模块，所述数据处理模块包括针对肌少症的肌电信号分析算法，所述采集电极采集得到的肌电信号经数据处理模块处理后得到肌少症相关的临床指标，用于分析肌少症程度。
本发明的工作原理是：
所述的肌电信号采集系统通过测量皮肤表面的电位变化来感知肌肉收缩，这种电位变化就是动作电位。运动单元的动作电位沿肌纤维的方向进行传递，将两电极沿肌纤维的方向贴附，使用差分放大器获取两电极的电位差值就是肌电信号。
肌电信号极易受到外界干扰，本设计在一定程度上减少了干扰的引入。肌电电极极易受到外界50Hz工频噪声的干扰，所以本发明在线路布置时使用全差分的布线方式，最大程度减少工频干扰的引入。肌肉在运动过程中，肌电电极和皮肤表面的相对位移会引入运动伪影，本发明中的电极整体与皮肤有很好的粘附性，在运动过程中将减少运动伪影的引入。
肌少症的临床指标主要有人体成分、握力、步速指标，而肌电信号中的部分特征与这些临床指标显示出了显著的线性关系，所以可以通过肌电信号的各种指标来预测临床指标，从而对肌少症进行诊断。
本发明的有益效果为：
本发明是一种小型化的检测系统，可以方便的放置在身体的任何位置。
本发明可使用无线传输的方式传输数据，避免繁杂的线缆连接。
本发明有低功耗的特点，可以进行长时间的使用。
本发明的电极使用全差分的布线方式，最大程度降低工频干扰。
本发明的采集电极可结合肌少症检测算法形成肌少症检测系统，能够便捷式、低成本的预测肌少症。
肌少症检测的金标准为双能x线骨密度检测，此检测具有一定放射性且单次检测费用在几百元左右，不利于社区层面进行早期筛查。生物阻抗分析仪也是目前常用的检测设备，但设备价格也需要几万至十几万。本发明的设备制造成本可以控制在200元以下，且使用过程简单方便、便于携带，非常适合推广于基层社区医院，用于大面积筛查早期肌少症。
附图说明
图1为本发明一种实施例的轴测图。
图2为本发明一种实施例的多通道表面肌电采集电极的轴测图。
图3为本发明一种实施例的多通道表面肌电采集电极的结构示意图。
图4为本发明一种实施例的多通道表面肌电采集电极的传导线路层的结构示意图。
图5为本发明一种实施例的多通道表面肌电采集电极使用不同水凝胶的电极截面图。
图6为本发明一种实施例的小型肌电信号采集电路的上视图。
图7为本发明一种实施例的肌少症识别算法流程图。
图8位本发明实施例相关测试中被试人体成分指标与肌电信号确定性指标关系。
图9位本发明实施例相关测试中被试人体成分指标与肌电信号中值频率指标关系。
图10位本发明实施例相关测试中被试握力指标与肌电信号有效值指标关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明包括多通道表面肌电采集电极1和小型肌电信号采集电路2；
如图2、图4所示，本发明中的多通道表面肌电采集电极包括传导线路层11、硅胶辅助支撑层12和导电水凝胶13；
硅胶辅助支撑层12贴附于传导线路层11表面，硅胶辅助支撑层12中间留有孔洞，用于暴露传导线路层11表面的电极112，导电水凝胶13设置于硅胶辅助支撑层12中的孔洞之中。
如图4所示，传导线路层为一种柔性电路，其基底111可以选择柔性绝缘材料如PI、PET薄膜，采集与传导肌电信号的部分需要使用导电材料例如金、银、铜、碳，导电材料的图形分为两个部分，分别为电极112、传导线路113，传导线路113应使用覆盖膜覆盖、采集电极112应暴露于外界保证于导电水凝胶13的充分接触，电极于外界的接口使用标准的FPC接口。
在具体实施过程中，电极112和传导线路113组成的导电部分可以通过丝网印刷的工艺将银浆涂覆于柔性基底111，经过烘干后形成导电部分；或者可以使用PCB腐蚀铜箔的工艺获得导电部分；或者利用激光诱导PI碳化工艺获得激光诱导碳作为导电材料。
为保证本电极的柔性，传导线路层11的厚度应在0.1mm以下。为了保证采集肌电信号的质量，传导线路层11中的每个采集电极112的直径应为4mm-5mm，每对电极中两个电极的间距为8mm-20mm。为减少肌电信号传导过程中噪声的引入，传导线路113应使用全差分的布线方式，每对电极112的传导线路113应长度相等、线间距小于1mm。
如图2所示，硅胶辅助支撑层12主体形状为矩形，其厚度为0.5mm-1mm，其长宽与传导线路层11下半部分的长宽相等；硅胶辅助支撑层12的中间设有孔洞，其目的为暴露传导线路层11中的电极，硅胶辅助支撑层12中的孔洞直径应较采集电极112大0.5-1.5mm。
在具体实施过程中，硅胶辅助支撑层12的材料可以选择Ecoflex或PDMS，其两面需涂敷高粘附性压敏胶，压敏胶可以选择硅橡胶类压敏胶或丙烯酸压敏胶，其中硅胶辅助支撑层12与传导线路层11连接面的压敏胶粘附力应大于硅胶辅助支撑层12与皮肤连接面的压敏胶粘附力。
硅胶辅助支撑层12的加工过程为：先在容器中调制硅胶的混合液，在真空环境中进行脱泡处理，再将处理好的硅胶液体浇灌于模具内部，待其完全凝固后取出，得到所需形状的硅胶片，再将调制好的压敏胶使用旋涂仪涂于硅胶片的两面，烘干后得到硅胶辅助支撑层12。
如图3、图4所示，导电水凝胶13内嵌于硅胶辅助支撑层12的孔洞之中，并且与传导线路层11中的电极112紧密连接，导电水凝胶13应具有良好的粘附性和导电性。
导电水凝胶13需要在硅胶辅助支撑层12贴附于传导线路层11表面后再进行安装。导电水凝胶13可以使用将水凝胶挤入硅胶辅助支撑层12的孔洞中，待其凝固后得到，凝固后的导电水凝胶应较辅助支撑层12有0.1mm-0.5mm的突起如图5a所示；或者使用已经形成的导电水凝胶片打孔取样并贴附于硅胶辅助支撑层2的孔洞中得到，选取的导电水凝胶片厚度应为0.8-1.5mm且较硅胶辅助支撑层12更厚如图5b所示。
制作完成的柔性电极表面应覆盖离型纸，防止保存过程中水凝胶失水失效，同时防止灰尘污染电极。
如图6所示，本发明中的小型肌电信号采集电路2包括肌电信号采集单元21，蓝牙无线传输单元22，电源管理模块23和其他一些测试点组成。
肌电信号采集单元21中包括ADC转换芯片及其外围电路和电极接口组成。ADC转换芯片使用ADS1198芯片，这是一种集成8通道差分信号采集、滤波、放大、ADC转换的芯片，可以低功耗采集肌电信号。肌电信号采集单元21与多通道表面肌电采集电极1使用标准FPC接口连接，肌电信号采集单元21上的16P FPC座子用于连接多通道表面肌电采集电极1。肌电信号采集单元21还集成了右脚驱动模块，用于抑制肌电信号采样过程中的共模干扰，右脚驱动功能的接口使用标准MMCX接口，此接口可以屏蔽外界干扰并最大程度减小PCB面积。
蓝牙无线传输单元22中包括主控芯片和天线。主控芯片使用STM32WB55CGU6，其负责与ADC转换芯片进行通信具体肌电信号采样数值，具体使用SPI通信协议进行通信。读取到的信号将进行封装并使用蓝牙5.2协议进行传输，无线信号通过天线进行发送。天线选择CA-C03天线，天线与STM32WB55CGU6的连接使用50欧姆阻抗走线。
电源管理模块23包括LDO稳压芯片和电池输入接口，LDO稳压芯片选择SPX3819芯片，其可以将输入电压稳定到3.3V输出。电池选择1S锂电池。
本发明中的小型肌电信号采集电路2尺寸为50mm*23.5mm，小型化的检测电路可以方面的布置与人体的任意部位而不影响使用者的活动；小型肌电信号采集电路2在使用时的功耗为19Mw，使用300mAh的锂电池供电时可持续使用60小时以上。
如图7所示，通道采集电路采集到原始肌点信号后需要经过一系列算法对比才能获得肌肉电信号的特征值。首先需要需要使用6-400Hz的数字巴特沃夫带通滤波器对原始肌电信号进行处理，以去除肌电信号中的基线漂移和高频噪声成分。然后对肌肉信号进行50Hz的陷波滤波处理，以去除肌电信号中多余的工频干扰噪声。
利用针对肌少症的肌电信号分析算法可以从肌电信号中提取相关特征，对肌电信号进行归一化处理后，可以提取有效值、均方根值、峭度、偏度、峰值因子、脉冲因子、波形因子等时域指标。对肌电信号进行傅里叶变换后可以提取中值频率等频域指标。使用非线性算法可以提取非线性指标，具体有：使用计盒维算法可以提取分形维数；使用matlab第三方crptoolbox可以进行递归定量分析，从而提取确定性、熵等指标；在提取非线性指标时取1秒为时间窗口，窗口滑动为0.5秒，在计算完所有时间窗口后取平均得到整体的非线性指标。
如图8-10所示，其中递归定量分析-确定性指标和中值频率指标与临床指标中的人体成分有较好的对应关系。均方根值和方差与握力有良好的对应关系。所以通过肌电信号可以预测被试人体成分和握力的检查，从而简化诊断流程。
Claims (9)
1.用于肌少症检测的多通道表面肌电信号采集电极，其特征在于，包括多通道肌电采集电极(1)，所述多通道肌电采集电极(1)包括：传导线路层(11)、硅胶辅助支撑层(12)和导电水凝胶(13)，所述传导线路层(11)包括若干电极(112)和传导线路(113)，所述硅胶辅助支撑层(12)贴附于传导线路层(11)表面，硅胶辅助支撑层(12)上设有若干孔洞，且所述孔洞与所述电极一一对应用于暴露所述采集电极(112)，两个电极为一对，用于差分式的采集肌电信号，多对电极阵列式排布，用于多通道采集肌电信号；所述导电水凝胶(13)内嵌于所述孔洞中，并与孔洞内电极(112)紧密连接；所述传导线路(113)采用全差分方式布线。
2.根据权利要求书1所述的用于肌少症检测的多通道表面肌电信号采集电极，其特征在于，所述传导线路层(11)还包括基底(111)，所述基底采用柔性绝缘材料；所述电极(112)和传导线路(113)均采用导电材料。
3.根据权利要求书1所述的用于肌少症检测的多通道表面肌电信号采集电极，其特征在于，所述电极(112)的直径为4mm-5mm，每对电极中两个电极的间距为8mm-20mm；每对电极中两个电极的传导线路长度相等、间距小于1mm。
4.根据权利要求书1所述的用于肌少症检测的多通道表面肌电信号采集电极，其特征在于，所述硅胶辅助支撑层(12)主体为硅橡胶，硅胶辅助支撑层(12)的两面均涂有压敏胶，一面用于和传导线路层(11)连接，一面用于和皮肤连接；硅胶辅助支撑层(12)与传导线路层(11)连接面的压敏胶的粘附力比与皮肤连接面的压敏胶粘附力强。
5.根据权利要求书1所述的一种用于肌少症检测的多通道表面肌电信号采集电极，其特征在于，所述硅胶辅助支撑层(12)的厚度为0.5mm-1mm，所述孔洞的直径比电极(112)的直径大0.5mm-1.5mm。
6.根据权利要求书1所述的用于肌少症检测的多通道表面肌电信号采集电极，其特征在于，
所述导电水凝胶(13)具有粘附性和导电性，与采集电极和皮肤均接触，用于传导肌电信号；所述导电水凝胶(13)的厚度为0.8mm-1.5mm，且厚度大于硅胶辅助支撑层(12)的厚度。
7.根据权利要求书1所述的用于肌少症检测的多通道表面肌电信号采集电极，其特征在于：
还包括小型肌电信号采集电路(2)，所述小型肌电信号采集电路(2)包括：肌电信号采集单元(21)、蓝牙无线传输单元(22)和电源管理模块(23)；所述肌电信号采集单元(21)为ADC采集电路，用于采集肌电信号的电压值，包括ADC转换芯片及其外围电路和排线座子，ADC转换芯片和排线座子之间采用全差分布线方式，排线座子与多通道肌电采集电极(1)连接；蓝牙无线传输单元(22)读取肌电信号采集单元(21)采集的数据并使用蓝牙对数据进行打包并发送；电源管理电源(23)用于提供稳定电压为肌电信号采集单元(21)和蓝牙无线传输单元(22)供能。
8.一种肌少症检测系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的肌电信号采集电极和计算机设备。
9.根据权利要求8所述的一种肌少症检测系统，其特征在于，所述计算机设备包括显示模块和数据处理模块，所述数据处理模块包括针对肌少症的肌电信号分析算法，所述采集电极采集得到的肌电信号经数据处理模块处理后得到肌少症相关的临床指标，用于分析肌少症程度。
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