CN1486669A - 电极装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种电极装置，它在有源电极装置中可以灵活跟随皮肤的移动。在有源电极装置中，由不导电并且可挠性变形的材料制成的柔性部分设置在前置放大器部分和电极部分之间，该前置放大器部分由硬前置放大器板和用于对其进行保护的壳体制成，电极部分由银、氯化银等制成。这样，电极部分可以灵活移动，并且可以灵活跟随皮肤的移动。

Description

电极装置

技术领域

本发明涉及一种电极装置，用于测量各种生物信号，例如人体肌肉的肌电描记图。

背景技术

用于测量肌电描记图的传统电极装置可以分为其中电极部分与放大器分开的无源(passive)电极装置和其中电极部分与放大器集成在一起的有源(active)电极装置。无源电极装置例如是板状电极、针状电极和一次性(disposable)电极。

无源电极装置已经作为医疗使用和检查的传统电极装置。这种其中用于放大肌电描记图的放大器和电极部分相分开的无源电极装置存在的问题在于噪声容易进入。而且，为了减少电极部分与皮肤之间的接触阻抗，必须在电极部分和皮肤之间施以糊剂或电解液，这会增加测量的处理量。肌电描记图主要用于医疗和检查，因此在医院的检查室中进行测量，在那里通过将检查室屏蔽来减少噪声的进入，因此噪声不是主要问题。而且，将电极部分粘贴到在皮肤上所花费的时间也不是主要问题，因为是由医务人员将电极部分粘贴到皮肤上，并且重要的是始终在预定条件下进行测量。

目前对测量肌电描记图和将测量结果用于工程学方面的研究正在进展之中。这种研究的示例是：本发明人Hiraiwa及其他人的Cyber Finger(电脑指)(Hiraiwa，Uchida，Shimohara，Sonehara，“EMG Recognition with a Neural Network Model for Cyber FingerControl”，Transactions of the Soeiety of Instrument and ControlEngineers，Vol.30，No.2，pp.2 16-224，1994)，以及本发明人Manabe及其他人的不发声的话音识别(哑语音识别)(Mime SpeechRecognition)(Manabe，Hiraiwa，Sugimura，“Speech Recognitionwith EMG-Vowel Discrimination in a Steady State”，Interaction2002，pp.181-182，2002)。此处存在的问题是即使测量位置是在屏蔽的房间之外，也必须是在抑制噪声进入的同时来测量肌电描记图。而且当考虑到实际应用的时候，将电极部分粘贴到皮肤上所花费的时间也是主要问题。

一种目的在于减少噪声的电极是上述有源电极装置(其中电极部分和前置放大器集成在一起)。如果使用这种有源电极装置，不仅减少了噪声，而且可以减少将电极部分粘贴到皮肤上的工作量，因为不需要在电极系统和皮肤之间施加糊剂。

但是有源电极装置也存在着问题。也就是说，因为电极部分和前置放大器集成在一起，所以电极部分较硬。换句话说，硬电极部分不能由于肌肉的活动而跟随皮肤的移动，因此皮肤和电极部分之间的接触状态会发生变化。在无源电极装置的情况下(特别是在板状电极和一次性电极的情况下)，因为在电极部分和皮肤中间施有糊剂或者电解液并且用于测量肌电描记图的两个电极部分是分开安装的，所以电极可以在一定程度上跟随皮肤的移动。

而在有源电极装置中，电极部分是硬的，不需要施加糊剂或者电解液，并且两个电极部分集成在一起，因此电极部分不能跟随皮肤的移动。例如，当测量嘴轮匝肌的肌电描记图时，两个电极部分和皮肤必须在预定条件下始终相接触，而不会从没有施加力的状态到皮肤显著变形的状态(如当发出英语的“u”音的时候所看见的那样)改变接触状态。

利用有源电极装置，通过在电极部分和皮肤之间施加糊剂或电解液可以改善对皮肤移动的跟随，但是这样就抵销了有源电极装置在将电极部分粘贴到皮肤上时容易操纵的优势。

因此，用于测量肌电描记图的理想电极装置必须满足以下要求。首先，噪声的进入必须小。这可以通过将前置放大器集成在电极部分中来实现，就如同有源电极装置的情况一样。第二是电极必须可灵活地跟随由于肌肉的活动而产生的皮肤移动。通过实现这两个方面，就可以在任何地方，从身体的任何区域测量肌电描记图，从而可以极大地提高测量肌电描记图以及将它们用于工程学目的的可能性。

有鉴于此，本发明的一个目的是提供一种有源电极装置，它满足上述第一要求，其中可以实现灵活跟随皮肤移动的第二要求。

发明内容

为了实现上述目的，本发明的电极装置是一种测量人体生物信号的电极装置，包括多个与人体皮肤相接触以进行测量的电极部分，与每个电极部分通过电线电连接的前置放大器部分，设置在每个电极部分和前置放大器部分之间的柔性部分，它是导电的并且可挠性变形。

在该电极装置中，设置一个非导电的并且可以挠性变形的柔性部分，从而每个电极部分可以根据皮肤的移动而灵活移动。换句话说，本发明利用有源电极装置就可以灵活地跟随皮肤的移动。本发明的电极装置不仅可以用于测量肌电描记图，而且可以测量其他生物信号，例如脑电波和心电图。

该电极装置也是一个用于测量人体生物信号的电极装置，包括多个与人体皮肤相接触以进行测量的电极部分，与每个电极部分通过电线电连接的前置放大器部分，它由可挠性变形的柔性材料制成。

在该电极装置中，与每个电极部分通过电线电连接的前置放大器由可以挠性变形的柔性材料制成，每个电极部分可以根据皮肤的移动而灵活移动。

本发明的电极装置也是一种用于测量人体生物信号的电极装置，包括多个与人体皮肤相接触以进行测量的电极部分，和含有与每个电极部分通过电线电连接的前置放大器部分的柔性部分，它是不导电的，并可以挠性变形。

在该电极装置中，柔性部分包括与每个电极部分通过电线电连接的前置放大器部分，它是不导电的并且可以挠性变形，因此每个电极部分可以根据皮肤的移动而灵活移动。

为了测量肌电描记图，通常必须测量两个电极部分之间的电势差。因此当设置两个电极部分时，只可以检测一种类型的肌电描记图。但是如果设置三个或者多个电极部分，则可以检测的肌电描记图类型数量为从三个或者多个电极部分中取两个的组合数，也就是可以检测三种或者多种肌电描记图。因此可以检测比两个电极的一般情况多的肌电描记图类型，可以实行更有效的检测处理并且可以提高检测准确度。

如果用导电材料屏蔽柔性部分或者屏蔽柔性部分以及前置放大器部分，可以防止噪声进入电极部分和前置放大器部分之间。

如果根据测量目标区域来设定电极部分的尺寸和形状，可以进行更有效地测量。例如，与图4A中的条形电极部分12相比，图4B中的圆形电极部分12与皮肤之间具有更宽的接触区域，因此可以减少接触电阻。但是因为与皮肤的接触区域较宽，所以图4B中的圆形电极部分12容易导致不必要的肌电描记图进入(串扰)。图4C中的同心型电极部分12允许在点状区(pin point)测量肌电描记图，因为可以将两个电极部分一起放在一个窄区域中。图4D中的三角形电极部分允许与皮肤之间有较大的接触区域。

如果柔性部分或者柔性材料进一步由多个层构成，并且根据测量目标区域的移动来设定每个层的弹性系数，则可以操作该电极装置而使其更紧密地跟随因为肌肉的活动而导致的皮肤移动。

如果柔性部分或者柔性材料中的弹性系数设定为根据测量目标区域的移动而连续变化，则可以操作该电极装置而使其更紧密的跟随因为肌肉的活动而导致的皮肤移动。

如果根据测量目标区域而在多个电极部分之间产生梯级差异，则可以进一步改善每个电极部分和皮肤之间的接触。

附图说明

图1是描绘了本发明的原理和第一实施方案的结构图；

图2是描绘了第二实施方案的电极的结构图；

图3是描绘了第三实施方案的电极的结构图；

图4A是描绘了第四实施方案的条形电极的一示例的结构图；

图4B是描绘了第四实施方案的圆形电极的一示例的结构图；

图4C是描绘了第四实施方案的同心电极的一示例的结构图；

图4D是描绘了第四实施方案的三角形电极的一示例的结构图；

图5A是描绘了在第五实施方案中当用金属线来连接电极和前置放大器时电极示例的结构图；

图5B是描绘了在第五实施方案中当用非金属导体来连接电极和前置放大器时电极示例的结构图；

图6是描绘了第六实施方案的电极的结构图；

图7是描绘了第七实施方案的电极的结构图；

图8是描绘了第八实施方案的电极的结构图；

图9是描绘了第九实施方案的电极的结构图。

具体实施方式

下面将按顺序对本发明电极装置的实施方案进行说明。

图1显示出第一实施方案的电极装置10A的结构示例。图1显示出在设有两个电极部分12A和12B时的实施方案。

该电极装置10A是所谓的有源电极，包括一电极部分12、一柔性部分16、一前置放大器部分14和一用于外部连接的线缆18。前置放大器部分14还包括硬质前置放大器基部和用于保护该基部的壳体。柔性部分16由不导电并且可挠性变形的材料制成，例如硅以及不导电橡胶。电极部分12还包括例如由银或者氯化银制成的电极部分12A和12B。用导线将每个电极部分12A，12B以及前置放大器部分14连接起来(以下将参考图5A，5B进行详细描述)，该导线连接至柔性部分16的内部。利用用于外部连接的线缆，向前置放大器部分14提供能量，并且从该前置放大器部分14输出能量。

以这种方式，根据第一实施方案的电极装置10A，在前置放大器部分14和电极部分12相分开的有源电极中，由不导电并且可挠性变形的材料制成的柔性部分16设置在前置放大器部分14和电极部分12之间，因此电极部分12可以灵活地移动，并且可以灵活地跟随皮肤的移动。

图2表示根据本发明第二实施方案的电极装置10B的结构示例。图2表示设置了三个电极部分12A、12B和12C的实施方案。通常，必须测量两个电极部分之间的电势差以测量肌电描记图。因此当设置两个电极部分时，只可以测量一种类型的肌电描记图。而在图2所示的电极装置10B中，设置了三个电极部分，因此可以检测的肌电描记图类型数量为从三个电极部分中选两个的组合数，也就是可检测三种类型的肌电描记图。

以这种方式，在第二实施方案的电极部分10B中，设置三个电极部分，可以检测三种类型的肌电描记图。因此可以检测到比两个电极部分的一般情况更多类型的肌电描记图，可以进行有效的检测处理，并且可以提高检测的准确度。

除了图2所示的三个电极部分的情况外，通过将电极的数量提高到4或5，可以增加能够检测的肌电描记图的类型数量。

图3表示本发明第三实施方案的电极装置10C的结构示例。在图3所示的实施方案中，图1所示的柔性部分16和前置放大器部分14的外侧用导电柔性材料20覆盖，例如是导电橡胶，从而将整个电极装置10C屏蔽。

在采用了本发明的有源电极装置中，噪声可以进入到电极部分和前置放大器部分之间，因为电极部分和前置放大器部分是略微分开的。而在该实施方案中，通过屏蔽电极部分12和前置放大器部分14之间的区域，可以防止噪声进入。换句话说，如图3所示，前置放大器部分14和柔性部分16的外侧用导电和柔性材料20覆盖，这样可以屏蔽电极部分12和前置放大器14之间的区域。

这种设计必须使得电极部分12与导电材料20之间不接触。如果前置放大器部分14不需要屏蔽，那么导电材料20可以只屏蔽柔性部分16。因为前置放大器部分14是硬的，因此覆盖前置放大器部分14的材料不必是可挠性变形的材料。

图4A-4D表示根据本发明第四实施方案的电极装置10D的结构示例。如图4A-4D所示，可以采用各种形状作为电极部分12的形状。例如，图4A表示条形电极部分12，图4B表示圆形电极部分12，图4C表示同心电极部分12，图4D表示三角形电极部分12。

可以采用各种尺寸作为电极部分12的尺寸。可以采用图4A-4D中的电极部分的结合。

通过根据要测量的肌肉来选择和使用这些形状的电极部分12，可以进行更有效的测量。例如，与图4A中的条形电极部分12相比，图4B中的圆形电极部分12与皮肤具有更宽的接触面积，因此可以减少接触电阻。但是，由于与皮肤的接触面积宽，图4B中的圆形电极部分12容易导致不必要的肌电描记图进入(串扰)。

图4C中所示的同心电极部分12允许在点状区(pin point)测量肌电描记图，因为两个电极部分可以一起放在一个窄区域内。图4D中的三角形电极部分12允许与皮肤之间有大的接触区域。

如果根据要测量的肌肉来选择和使用上述各种形状和尺寸的电极部分，可以进行更有效的测量。

图5A，5B表示本发明第五实施方案的电极装置的结构示例。在第五实施方案中，参考图5A，5B描述电极部分12和前置放大器部分14之间的连线。对于电极部分12和前置放大器部分14之间的连线，可以采用简单的金属线，例如图5A中所示的导线22。换句话说，导线22A连接电极部分12A和前置放大器部分14，导线22B连接电极部分12B和前置放大器部分14。这些导线22需要能够根据柔性部分16的变形而挠性变形。

对于电极部分12和前置放大器部分14之间的连线，可以使用如图5B所示的非金属导体，例如是导电橡胶。换句话说，作为非金属导体的导线22C连接电极部分12A和前置放大器部分14，作为非金属导体的导线22D连接电极部分12B和前置放大器14。在这种情况下，这些导线22需要能够根据柔性部分16的变形而挠性变形。

图6表示本发明第六实施方案的电极装置10F的结构示例。在该电极装置10F中，柔性部分16分成三层，由从电极部分12一侧开始的柔性部分16A、柔性部分16B和柔性部分16C构成。每个柔性部分具有单独的弹性系数，并被设计成例如使得在前置放大器一侧的柔性部分16C是最硬的，在电极部分12一侧的柔性部分16A是最软的。通过在柔性部分中按照这种方式逐级改变弹性系数，电极装置可以更紧密的跟随皮肤因为肌肉的活动而产生的移动。

在柔性部分16中，可以按照图6所示逐级改变弹性系数，或者连续改变该弹性系数。如果逐级改变弹性系数，则层结构不必是三层结构，可以是两层，或者是四层或者更多层。在前置放大器部分14一侧的层不必是最硬的，并且在电极部分12一侧的层不必是最软的，优选根据要测量的皮肤区域的移动来设置适当的弹性系数。

图7表示本发明第七实施方案的电极装置10G的结构示例。在该电极装置10G中，通过在设置了电极部分12A的柔性部分16A和设置了电极部分12B的柔性部分16B之间形成高度(图7中竖直方向的尺寸)差，在电极部分12A和12B之间形成阶梯差。

通过按照这种方式在电极部分12中产生阶梯差，可以进一步提高电极部分12和皮肤之间的接触。必须根据要测量的肌肉和皮肤的形状来设定阶梯差的尺寸。可以使用电极部分12A和12B中高度连续变化的结构，而不是形成图7所示的阶梯差。

图8表示第八实施方案的电极装置10H的结构示例。该电极装置10H的特征在于，前置放大器部分14A由柔性材料制成。换句话说，通过使用可以市购的柔性板，前置放大器部分14A自身可以是柔性的。这样，电极装置10H的整体尺寸可以减小。

图8所示的柔性前置放大器部分14A当然可以用于图1-7的前置放大器部分。在这种情况下，可以使得电极装置更加柔性并且可以减小尺寸。

图9表示第九实施方案的电极装置10I的结构示例。该电极装置10I特征在于，前置放大器部分14B包括在柔性部分16中。通过采用这种结构，作为电路元件的前置放大器部分14B受到足够的保护而免受外界冲击。而且图9中的结构使得图1-9中的前置放大器部分所需要的外部壳体不再必要，因此进一步减少了尺寸，降低了整个电极装置的成本。

图1-9中的电极装置不仅用于人体肌电描记图的测量，而且可以用于测量其他生物信号，例如脑电波和心电图。

如上所述，根据本发明，每个电极部分可以根据皮肤的移动而灵活移动。换句话说，可以解决利用有源电极难以灵活跟随皮肤移动的缺点。

Claims (6)

1.一种电极装置，用于测量人体的生物信号，包括：

多个与人体皮肤相接触以用于进行测量的电极部分；

与每个电极部分通过电线电连接的前置放大器部分；

在每个电极部分和前置放大器部分之间设置的柔性部分，该部分是不导电的，并且可以挠性变形。

2.一种电极装置，用于测量人体的生物信号，包括：

多个与人体皮肤相接触以用于进行测量的电极部分；

与每个电极部分通过电线电连接的前置放大器部分，该部分是由柔性材料制成，并可以挠性变形。

3.一种电极装置，用于测量人体的生物信号，包括：

多个与人体皮肤相接触以用于进行测量的电极部分；

含有与每个电极部分通过电线电连接的前置放大器部分的柔性部分，该部分是不导电的，并且可以挠性变形。

4.如权利要求1-3中任一项所述的电极装置，其中所述电极部分的形状或尺寸根据测量目标区来设定。

5.如权利要求1-3中任一项所述的电极装置，其中所述柔性部分或者所述柔性材料由多层构成，每层的弹性系数根据测量目标区的移动来设定。

6.如权利要求1-3中任一项所述的电极装置，其中根据测量目标区的移动设定所述柔性部分或所述柔性材料中的弹性系数，使之连续变化。

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