CN116919405A - 一种基于肌音音频信号分析的肌松监测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于肌音音频信号分析的肌松监测仪，其包括监测仪主机、及分别与所述监测仪主机连接的刺激电极、温度传感器和肌音采集器。本发明利用贴片式刺激电极对指浅屈肌肌腹处肌肉进行刺激，并利用贴片式肌音采集器采集指浅屈肌肌腹处肌音音频信号，同时利用温度传感器采集指浅屈肌肌腹处温度信号，最后利用监测仪主机根据采集的指浅屈肌肌腹处肌肉的肌音音频信号和温度信号进行肌肉状态分析，具有操作方便，无特殊装配过程，不易受干扰，伪迹少，准确性高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及肌松监测技术领域，具体涉及一种基于肌音音频信号分析的肌松监测仪。
背景技术
肌松药广泛应用于临床麻醉，由于不同的个体对于肌松药的敏感性和反应性差异很大，加之肌松药的作用受到其他药物以及患者个体差异等多种因素的影响，因此监测应用肌松药后机体神经肌肉传递功能的阻滞程度和恢复状况，对于降低术后因肌松作用残留而引起的各种严重并发症的发生率、提高肌松药临床应用的安全性和合理性十分必要。
肌松监测仪是通过刺激周围神经，引起患者肌颤搐来观察肌松药效的仪器。目前，市场上已知的肌松监测仪有两种，第一是采用压电传感器实现肌张力法测试，不能最直观的反应肌肉的松弛程度。该放法的缺点是需要测量拇指内收张力,装置安装和使用复杂,为保证测量结果的重复性,要求对拇指预加载荷,因而限制了它的使用。第二是采用加速度传感器测试，根据牛顿第二定律,即在一定质量的物体上,作用力与加速度成正比。通过检测刺激桡神经使拇指做内收运动时加速度的变化来进行肌肉松弛度测量。质量一定时，加速度是力变化最直接的表现。但加速度测试法在实际应用中需要保持患者绝对静止，对加速度传感器的干扰因素较多，导致其稳定性和可靠性不高，所测数据波动范围较大。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于肌音音频信号分析的肌松监测仪。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于肌音音频信号分析的肌松监测仪，包括监测仪主机、及分别与所述监测仪主机连接的刺激电极、温度传感器和肌音采集器；
所述刺激电极用于根据主机产生的PWM脉冲信号控制脉冲信号电流输出对指浅屈肌肌腹处肌肉进行刺激；
所述温度传感器用于采集指浅屈肌肌腹处肌肉的温度信号；
所述基音采集器用于采集指浅屈肌肌腹处肌肉受刺激产生的肌音音频信号；
所述监测仪主机用于根据采集的指浅屈肌肌腹处肌肉的肌音音频信号和温度信号进行肌肉状态分析。
进一步地，所述刺激电极包括设置在指浅屈肌肌腹处且相距设定距离的刺激电极正极和刺激电极负极，所述刺激电极正极和刺激电极负极均包括圆形电极、导电凝胶片、无纺布底片和第一导联线。
进一步地，所述肌音采集器设置在所述刺激电极正极和刺激电极负极中间位置，其包括微型麦克风、集音底座、粘性泡面片和第二导联线。
进一步地，所述监测仪主机包括微控制器，分别与所述微控制器连接的刺激电流控制模块、第一AD转换模块、第二AD转换模块、数据通信模块、数据存储模块、按键输入模块、电池供电模块、及彩屏显示模块，与所述第一AD转换模块连接的信号调理模块，与所述第二AD转换模块连接的音频信号处理电路；
所述微控制器用于产生PWM脉冲信号，经刺激电流控制模块控制PWM脉冲信号电流输出的大小；对AD转换后的肌音音频数字信号进行数字信号处理与分析，输出至彩屏显示模块；并且对AD转换后的肌音音频数字信号和温度数字信号进行数字信号处理及特征提取，得到肌肉状态分析结果；
所述刺激电流控制模块用于控制PWM脉冲信号电流输出的大小；
所述信号调理模块用于对温度传感器采集的指浅屈肌肌腹处肌肉的温度信号进行信号调理；
所述第一AD转换模块用于将信号调理后的温度信号转换为温度数字信号；
所述音频信号处理电路用于对采集的肌音音频信号进行滤波放大处理；
所述第二AD转换模块用于将滤波放大后的肌音音频信号转换为肌音音频数字信号；
所述数据通信模块用于微控制器与外部设备进行数据通信；
所述数据存储模块用于将微控制器中数据进行存储；
所述按键输入模块用于向微控制器输入控制指令；
所述电池供电模块用于向微控制器及各个模块进行供电；
所述彩屏显示模块用于实时显示采集的肌音音频信号波形，并记录肌音音频信号波形的幅度和频率。
进一步地，所述微控制器对AD转换后的肌音音频数字信号和温度数字信号进行数字信号处理及特征提取，得到肌肉状态分析结果，具体包括：
对肌音音频数字信号的非线性子序列集进行特征提取，计算各肌音音频数字信号的非线性子序列的均方根和平均绝对值，建立肌音音频数字信号的平均绝对值特征序列和均方根特征序列；
计算肌音音频数字信号的功率谱和总功率，提取肌音音频数字信号的特定频率对应的能量值；
根据肌音音频数字信号的幅值与最大等长收缩力的线性关系，分析肌肉状态结果。
本发明具有以下有益效果：
本发明利用贴片式刺激电极对指浅屈肌肌腹处肌肉进行刺激，并利用贴片式肌音采集器采集指浅屈肌肌腹处肌音音频信号，同时利用温度传感器采集指浅屈肌肌腹处温度信号，最后利用监测仪主机根据采集的指浅屈肌肌腹处肌肉的肌音音频信号和温度信号进行肌肉状态分析，具有操作方便，无特殊装配过程，不易受干扰，伪迹少，准确性高的优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于肌音音频信号分析的肌松监测仪的结构示意图；
图2为本发明实施例中刺激电极的俯视图；
图3为本发明实施例中刺激电极的侧视图；
图4为本发明实施例中肌音采集器的俯视图；
图5为本发明实施例中肌音采集器的侧视图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
在临床麻醉手术中，在镇静状态下，病人意识消失时，在未给予肌松药物时，肌肉处于正常状态，肌音信号亦呈现正常状态；当给予肌松药物后，肌肉慢慢阻滞时，肌音信号呈现逐步衰减的状态，因此，通过肌音信号的监测可直观地体现肌松效果。
如图1所示，本发明实施例提供的一种基于肌音音频信号分析的肌松监测仪，包括监测仪主机、及分别与所述监测仪主机连接的刺激电极、温度传感器和肌音采集器；
所述刺激电极用于根据主机产生的PWM脉冲信号控制脉冲信号电流输出对指浅屈肌肌腹处肌肉进行刺激；
所述温度传感器用于采集指浅屈肌肌腹处肌肉的温度信号；
所述基音采集器用于采集指浅屈肌肌腹处肌肉受刺激产生的肌音音频信号；
所述监测仪主机用于根据采集的指浅屈肌肌腹处肌肉的肌音音频信号和温度信号进行肌肉状态分析。
在本发明的一个可选实施例中，本发明所采用的刺激电极包括设置在指浅屈肌肌腹处且相距设定距离的刺激电极正极和刺激电极负极，所述刺激电极正极和刺激电极负极均包括圆形电极、导电凝胶片、无纺布底片和第一导联线。
具体而言，如图2和图3所示，本发明所采用的刺激电极正极和刺激电极负极均为直径3CM的圆形电极，刺激电极正极和刺激电极负极的中心点相距7CM。
当人体细胞膜受到外来刺激时，即可产生去极化电位，当去极化电位达到阀电位水平时，产生可传导的动作电位。神经细胞去极化产生动作电位后，兴奋即可沿着同一神经纤维传播，与之相连的肌肉群会收缩，肌肉收缩时肌纤维的横截面发生变化，产生横向低频的振动，传到皮肤表面会发出声音，这种声音信号的频率大部分能量集中在2-35Hz，也就是肌音信号，此声音不能被人类直接听到。肌音信号是一个高维的混乱信号，主要有三个主要的生理学现象：(1)肌肉收缩开始时的整体横向运动；(2)随后较小的以肌肉共振频率做横向振动；(3)参与运动的肌纤维尺寸的改变。肌音信号靠近肌腹最强，而越靠近肌腱则越弱。
因此本发明设定的刺激点在指浅屈肌肌腹处，刺激电极正极和刺激电极负极均贴敷于指浅屈肌肌腹处，导联线与主机相连。指浅屈肌位于桡侧腕屈肌、掌长肌、尺侧腕屈肌的深面，近侧为肱骨尺骨头连接至肱骨内上髁，尺骨冠状突内缘和这两点间的腱弓；桡骨头至桡骨前斜线和外侧缘中1/3处；远端，由四个分开的腱，在各自的深肌腱旁，通过至每一指的，中间指骨两侧。指浅屈肌受正中神经支配，受尺动脉供血。当刺激时，肌音信号由参与被动运动的各肌肉单元信号叠加而成，各肌肉的肌音信号不会受相邻肌肉串音的污染。
在本发明的一个可选实施例中，肌音采集器设置在所述刺激电极正极和刺激电极负极中间位置，其包括微型麦克风、集音底座、粘性泡面片和第二导联线。
具体而言，如图4和图5所示，微型麦克风是一个直径4.5mm的圆柱形，集音底座是一个带孔的圆形，直径2cm；粘性泡棉片是一个中间空心的圆形，直径3cm，导联线与主机相连。
在本发明的一个可选实施例中，监测仪主机包括微控制器，分别与所述微控制器连接的刺激电流控制模块、第一AD转换模块、第二AD转换模块、数据通信模块、数据存储模块、按键输入模块、电池供电模块、及彩屏显示模块，与所述第一AD转换模块连接的信号调理模块，与所述第二AD转换模块连接的音频信号处理电路；
所述微控制器用于产生PWM脉冲信号，经刺激电流控制模块控制PWM脉冲信号电流输出的大小；对AD转换后的肌音音频数字信号进行数字信号处理与分析，输出至彩屏显示模块；并且对AD转换后的肌音音频数字信号和温度数字信号进行数字信号处理及特征提取，得到肌肉状态分析结果；
所述刺激电流控制模块用于控制PWM脉冲信号电流输出的大小；
所述信号调理模块用于对温度传感器采集的指浅屈肌肌腹处肌肉的温度信号进行信号调理；
所述第一AD转换模块用于将信号调理后的温度信号转换为温度数字信号；
所述音频信号处理电路用于对采集的肌音音频信号进行滤波放大处理；
所述第二AD转换模块用于将滤波放大后的肌音音频信号转换为肌音音频数字信号；
所述数据通信模块用于微控制器与外部设备进行数据通信；
所述数据存储模块用于将微控制器中数据进行存储；
所述按键输入模块用于向微控制器输入控制指令；
所述电池供电模块用于向微控制器及各个模块进行供电；
所述彩屏显示模块用于实时显示采集的肌音音频信号波形，并记录肌音音频信号波形的幅度和频率。
具体而言，主机中微控制器产生PWM脉冲信号，此脉冲信号具有一定规律的成串式间歇性波形，经刺激电流控制模块，实现输出电流控制，控制脉冲信号电流输出的大小，此电流输出的大小可以在主机系统软件中进行设置和调整，刺激电流控制模块内置有保险管，以防误操作或主机故障导致大电流输出伤害病患者。刺激电流通过刺激电极刺激到指浅屈肌肌腹处。
肌音采集器内置微型麦克风，微型麦克风体积小紧贴皮肤，收集传导到皮肤表面的指浅屈肌受到刺激后产生的肌音音频信号，音频信号采集电路对信号进行滤波、放大等处理，由于采集到的音频信号频率低，只有2-35Hz，因此需滤除噪音干扰和工频50Hz的周围环境信号干扰，同时，采集到的信号非常微弱，需进行放大处理；经过滤波放大处理后的信号进入AD转换，AD转换采用的是高精度低速模数转换芯片，将模拟的音频信号转换为数字信号，数字信号进入微控制器进行数字信号处理与分析，然后在主机彩屏上实时显示采集到的肌音音频信号波形，并记录信号波形的幅度与频率。
麦克风将肌音信号转化为电压信号，经由前置放大电路将信号放大输出，输出信号通过有源低通滤波电路过滤掉信号中的高频部分后，经过A/D转换进行数模转换，将模拟肌音信号转换成肌音数字信号，通过肌松监测仪内微控制器MCU对数字信号处理及特征提取，进行肌肉状态分析。
在本发明的一个可选实施例中，微控制器对AD转换后的肌音音频数字信号和温度数字信号进行数字信号处理及特征提取，得到肌肉状态分析结果，具体包括：
对肌音音频数字信号的非线性子序列集进行特征提取，计算各肌音音频数字信号的非线性子序列的均方根和平均绝对值，建立肌音音频数字信号的平均绝对值特征序列和均方根特征序列；
计算肌音音频数字信号的功率谱和总功率，提取肌音音频数字信号的特定频率对应的能量值；
根据肌音音频数字信号的幅值与最大等长收缩力的线性关系，分析肌肉状态结果。
具体而言，肌音信号是一种低频、非线性、非平稳且时变的振动信号，为能够准确获得完整的信息，可通过数理统计法从时域和频域分析。通过分析均方根(RMS)和平均绝对值(MAV)等幅值指标，这些参数体现了在肌肉收缩时，参与运动单元的改变情况及反应特征。对肌音信号非线性子序列集进行特征提取，计算各肌音信号非线性子序列的均方根和平均绝对值，计算公式表示为：
其中，LRRMS(Tβ)表示第β个肌音信号非线性子序列的均方根，LRβ表示肌音信号非线性子序列中第β时刻的值，LRMAV(Tβ)表示第β个肌音信号非线性子序列的平均绝对值，ε为计数变量，ρ表示非线性子序列对应的窗口大小，m表示肌音信号非线性子序列中信号数量的最大值。
根据计算的各肌音音频数字信号的非线性子序列的均方根和平均绝对值，建立肌音音频数字信号的平均绝对值特征序列和均方根特征序列，表示为：
LRRMS(M)＝{LRRMS(T1),LRRMS(T2),…,LRRMS(Tm)}
LRMAV(M)＝{LRMAV(T1),LRMAV(T2),…,LRMAV(Tm)}
其中，LRRMS(M)表示由m个非线性子序列均方根构成的均方根特征序列，LRRMS(T1)表示第一个非线性子序列的均方根，LRRMS(T2)表示第二个非线性子序列的均方根，LRRMS(Tm)表示第m个非线性子序列的均方根；LRMAV(M)表示由m个非线性子序列平均绝对值构成的平均绝对值特征序列，LRMAV(T1)表示第一个非线性子序列的平均绝对值，LRMAV(T2)表示第二个非线性子序列的平均绝对值，LRMAV(Tm)表示第m个非线性子序列的平均绝对值。
在频域，可通过分析快速傅里叶变换(FFT)和功率谱密度(PSD)等指标，提取出肌音信号的特定频率对应的能量值；功率谱表示了信号功率随着频率的变化关系，用于功率信号(区别于能量信号)的表述与分析，其表达式为：
其中，T表示信号的周期，Xn表示信号功率谱，t0表示初始时间，x(t)表示原始信号，可对功率谱求积分得出加权后的总功率。
基于肌音信号的力学特性，肌音的幅值和％MVC(最大等长收缩力)呈线性关系，在50％～80％MVC条件下，幅值随时间推移不变或减小，以70％MVC为肌肉松弛的判定依据，可进行术中肌松药物使用剂量判断、术后患者自主呼吸恢复判断及对于肌松药物过量或残留和使用拮抗药的评估等。
经初步验证，人体肌肉正常状态下经刺激电极刺激后采集到的肌音音频信号波形具有与刺激电流同样的频率和恒定幅度，当给予肌松药物后，肌肉慢慢阻滞过程中，采集到的肌音音频信号呈现逐步衰减的状态，当完全人体肌肉处于肌松状态下，在保持刺激电流模式不变的情况下，采集到的肌音音频信号基本消失。因此，本发明可替代市面上现有采用压电传感器和加速度传感器实现肌张力法测试的肌松监测仪。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于肌音音频信号分析的肌松监测仪，其特征在于，包括监测仪主机、及分别与所述监测仪主机连接的刺激电极、温度传感器和肌音采集器；
所述刺激电极用于根据主机产生的PWM脉冲信号控制脉冲信号电流输出对指浅屈肌肌腹处肌肉进行刺激；
所述温度传感器用于采集指浅屈肌肌腹处肌肉的温度信号；
所述基音采集器用于采集指浅屈肌肌腹处肌肉受刺激产生的肌音音频信号；
所述监测仪主机用于根据采集的指浅屈肌肌腹处肌肉的肌音音频信号和温度信号进行肌肉状态分析。
2.根据权利要求1所述的基于肌音音频信号分析的肌松监测仪，其特征在于，所述刺激电极包括设置在指浅屈肌肌腹处且相距设定距离的刺激电极正极和刺激电极负极，所述刺激电极正极和刺激电极负极均包括圆形电极、导电凝胶片、无纺布底片和第一导联线。
3.根据权利要求2所述的基于肌音音频信号分析的肌松监测仪，其特征在于，所述肌音采集器设置在所述刺激电极正极和刺激电极负极中间位置，其包括微型麦克风、集音底座、粘性泡面片和第二导联线。
4.根据权利要求3所述的基于肌音音频信号分析的肌松监测仪，其特征在于，所述监测仪主机包括微控制器，分别与所述微控制器连接的刺激电流控制模块、第一AD转换模块、第二AD转换模块、数据通信模块、数据存储模块、按键输入模块、电池供电模块、及彩屏显示模块，与所述第一AD转换模块连接的信号调理模块，与所述第二AD转换模块连接的音频信号处理电路；
所述微控制器用于产生PWM脉冲信号，经刺激电流控制模块控制PWM脉冲信号电流输出的大小；对AD转换后的肌音音频数字信号进行数字信号处理与分析，输出至彩屏显示模块；并且对AD转换后的肌音音频数字信号和温度数字信号进行数字信号处理及特征提取，得到肌肉状态分析结果；
所述刺激电流控制模块用于控制PWM脉冲信号电流输出的大小；
所述信号调理模块用于对温度传感器采集的指浅屈肌肌腹处肌肉的温度信号进行信号调理；
所述第一AD转换模块用于将信号调理后的温度信号转换为温度数字信号；
所述音频信号处理电路用于对采集的肌音音频信号进行滤波放大处理；
所述第二AD转换模块用于将滤波放大后的肌音音频信号转换为肌音音频数字信号；
所述数据通信模块用于微控制器与外部设备进行数据通信；
所述数据存储模块用于将微控制器中数据进行存储；
所述按键输入模块用于向微控制器输入控制指令；
所述电池供电模块用于向微控制器及各个模块进行供电；
所述彩屏显示模块用于实时显示采集的肌音音频信号波形，并记录肌音音频信号波形的幅度和频率。
5.根据权利要求4所述的基于肌音音频信号分析的肌松监测仪，其特征在于，所述微控制器对AD转换后的肌音音频数字信号和温度数字信号进行数字信号处理及特征提取，得到肌肉状态分析结果，具体包括：
对肌音音频数字信号的非线性子序列集进行特征提取，计算各肌音音频数字信号的非线性子序列的均方根和平均绝对值，建立肌音音频数字信号的平均绝对值特征序列和均方根特征序列；
计算肌音音频数字信号的功率谱和总功率，提取肌音音频数字信号的特定频率对应的能量值；
根据肌音音频数字信号的幅值与最大等长收缩力的线性关系，分析肌肉状态结果。
Applications Claiming Priority (2)
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Family Applications (1)
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|---|---|
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-
2022
- 2022-08-18 CN CN202210993843.0A patent/CN116919405A/zh active Pending
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