CN216257128U - 可穿戴头带式咬合运动情况监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于人体动作监测技术领域，具体为一种可穿戴头带式咬合运动情况监测装置。本装置包括前端采集设备和信号处理硬件电路；这两部分集成在一头带中成为可穿戴结构形式；前端采集设备包括高密度肌电采集阵列电极片、参考电极和接地电极；信号处理硬件电路包括信号放大模块和主控板；信号放大模块通过排插接口与高密度肌电采集阵列电极片连接；本实用新型使用颞肌作为目标肌群，可进行肌电信息的有效采集；使用高密度肌电采集阵列电极片，可保证所采集的肌电信号信息较传统电极相比，更丰富、范围更广泛；本装置可对微观神经肌肉工作机制为基础的人类口腔咬合运动情况进行高效监测，为后续分析判别提供可靠、丰富的咬合运动信号数据。

Description

可穿戴头带式咬合运动情况监测装置

技术领域

本实用新型属于人体动作监测技术领域，具体涉及咬合动作情况监测装置。

背景技术

咬合动作情况可以反映众多生理情况。如进食习惯、口腔卫生。咬合动作情况异常也时常被用来作为临床指标，反映健康情况，如夜磨牙、颈部疼痛、咬合代偿，消化系统疾病以及部分中枢神经疾病等。长期对咬合运动情况的跟踪监测数据，可以为医生针对病情形成的原因、康复状况的评估提供有效的判断依据，也为使用者进行健康管理、不良习惯纠正提供依据。

从生理学角度来看，咬合运动的产生是由于参与运动的目标肌肉中的一众肌纤维接收到通过连接其上的神经元所传递过来的来自于大脑或脊髓的神经电信号从而产生了收缩，继而使得参与运动的目标肌肉产生收缩，最终产生运动。而一组单个肌纤维和连接其上的阿尔法神经所组成的系统被称为肌肉运动单元(Motor Unit，MU)。肌肉运动单元的神经电信号发放是构成表面肌电信号(surface EMG，sEMG)的基础，详细的肌肉运动单元的神经电信号信息有助于了解神经肌肉工作机制。

现有能够对咬合运动过程进行监测的方法从信号本身来源来看，可分为两类，一类为间接非肌电信号，例如将柔性可变电阻材料，附着于相关目标肌群之上，通过肌肉运动致使其表皮连同附着于之上的可变电阻材料一起发生形变，从而将这形变所带来的电位变化读取出来，并映射为相应的咬合动作。此类方法所得的信号并不直接反应咬合运动产生的原因，故无法直接关联咬合运动的本质。另一类则是使用表面肌电信号sEMG进行监测。面部骨骼肌运动是由于相关肌肉中的数量众多的肌肉运动单元(MU)接收到来自于大脑的运动意图所产生的神经电信号致使相应肌纤维收缩所导致的。而表面肌电信号监测方法就是对这些数量众多的肌肉运动单元收缩时所接受的不同的神经电信号的混叠信号的进行监测。因此，表面肌电信号监测方法可以通过对咬合过程中目标肌群的宏观肌电信号进行采集并分析，从而获取MU的募集规律进而反映咬合运动的本质。对比非肌电信号，所得结果更具有说服力。

在目标肌群选择方面，现有咬合运动监测分析方案通常将咬肌、面肌以及下颌肌等口腔周围的肌肉作为监测目标肌群。然而，在这些位置附近放置传感器会影响正常的咬合运动。

在参与咬合运动的肌群中，颞肌的位置距离颌骨较远，故在颞肌区域安置传感器可以较大程度上避免对正常咬合运动的影响。

现有技术的不足主要体现在以下两个方面：

(1)源信号选择不能够表征运动生理本质，运动检测准确度低，监测效果差。

就现有两类不同的咬合运动监测技术来看，第一类使用非肌电信号的方法测量的方法，其信号来源均为咬合相关肌肉活动所带来的现象而非源于咬合活动参与相关的肌肉本身，故无法直接关联咬合运动的本质。第二类使用宏观表面肌电信号(surfaceelectromyogram，sEMG) 进行监测的方法，由于宏观表面肌电信号是源于各个肌纤维的所接收到生理电信号的混叠，故这类信号能一定程度上从生理角度反应运动。

然而，常规宏观表面肌电设备因其采样率较低，空间分辨率(即传感器在单位面积下的个数)有限等局限性，仅能够获得单个电极所在区域的单通道肌电信号，故仅使用宏观肌电设备无法获得单独的肌肉运动单元的神经电信号发放情况，而只能获得一众神经电信号发放的混叠。所以使用宏观表面肌电信号的分析方法所能够提供的解析度很有限。使用宏观表面肌电信号作为源信号很难获得精度高且细节丰富的咬合运动相关肌肉运动情况的信息。

(2)传感器设置及佩戴繁琐、对使用者不友善，致使难以得到推广。

现有监测技术所选择的目标肌群造成了基于目标肌群位置所设计的传感器位置及安置方式对环境，佩戴均有较高的要求，造成了基于现有监测技术所开发出来的系统的使用体验差，进而使得现有系统无法满足日常佩戴以及长时间监测的要求，且故难以得到推广。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种使用方便、监测高效的可穿戴头带式咬合运动情况监测装置。

本实用新型提供的可穿戴头带式咬合运动情况监测装置，包括前端采集设备和信号处理硬件电路两个部分，并且，这两部分集成在一头带中，成为可穿戴结构形式；其中：

所述前端采集设备，包括：高密度肌电采集阵列电极片、参考电极和接地电极；接地电极布设于使用者左耳或右耳乳凸处，参考电极布设于眉心处；高密度肌电采集阵列电极片布置在用户两侧颞肌表皮之上。所述高密度肌电采集阵列电极片至少有两个电极片，每个电极片包含不小于32个触点，两片合计不小于64个触点；各采集阵列上的触点整合于一片材质柔软的可以与皮肤共形好的基材上，组成高密度肌电采集阵列的电极片。例如基材可以选用但不限于双层柔性PCB板；触点使用部分过孔设计，各触点通过表面镀金的铜制排线连接至采集阵列电极尾端的排插接口；高密度肌电采集阵列电极片与皮肤固定，固定方式可使用能够使触点紧密接触颞肌表皮的各种方式，包括但不限于使用双面胶结合导电膏的固定方式。

本实用新型中，高密度肌电采集阵列电极片所固定的方向选择为与颞肌肌纤维长势成正交的角度方向，可最大程度覆盖颞肌且避免电极片与头发接触。其电极覆盖位置如图2中a所示。

所述信号处理硬件电路，主要包括信号放大模块和主控板。其中：

所述信号放大模块通过排插接口与高密度肌电采集阵列电极片连接，将采集得到的原始高密度肌电信号放大，以保证此后用于分析的信号有较高的信噪比。信号放大模块采用多个并行多通道生物电放大量化模拟前端设计。可选用的方案有但不限于使用不少于8个的并行8通道生物电放大量化模拟前端ADS1299进行信号放大模块设计，所有模拟前端共地，在主控板的控制下同步采集全部通道对共同接地点的电势差。

所述主控板，负责：为整个采集模块及下位机部分供电，控制采样同步时钟、采样频率、模拟前端放大倍率、数据精度等采样相关参数，存储采集到的数据；进一步地，还可以根据传输协议将分段数据通过有线或无线的方式传输到上位机。

主控板包括电源控制模块、高性能微处理器、本地存储模块插口(如，大容量非易失性存储存储介质卡插口)、无线传输模块(如，蓝牙发射模块)、USB接口、放大模块接口。电源控制模块通过电池或USB电源为电路各部分供电，并维护电池充放电。其中，电源控制模块可通过USB接口连接合适的电源为板载电池充电。高性能微处理器采用并行多SPI接口，同时控制模拟前端，并提供统一的采样时钟输出至模拟前端，采集各个时刻的全部肌电原始信号并将数据进行本地存储，或通过有线/无线的传输至上位机；存储至存储卡、通过USB接口上传。本地存储模块插口(如大容量非易失性存储存储介质卡插口)可以插入TF卡，高性能微处理器将数据按约定格式存储至TF卡中。

本实用新型装置主要特点有：

(1)在目标肌群选择方面，为避免现有方案采集时候会干涉到正常嘴部咬合活动的不足，本实用新型选择使用颞肌作为目标肌群，进行高密度肌电信息的采集。

(2)在源信号类型选择方面，本实用新型选择使用高密度肌电采集阵列电极片。由此所采集得到的肌电相较于现有方案所使用的表面宏观肌电所采得的信号，信息更丰富，采集范围更广泛，除了可获得时域信息外，还可收集空间信息。

附图说明

图1为本实用新型装置结构框架图示。

图2为高密度肌电采集阵列电极片设置示意图。

图3为使用者佩戴咬合运动监测头带。

图4为硬件外形图。

图5为硬件爆炸图。

图6为RMS热图。

图7为轨迹拟合效果。

图中标号：a为头带控制/运行状态反馈单元，b为参考电极，c为绝缘硅基座，d为两个信号放大模块，e为高密度肌电采集阵列电极片，f为绝缘硅基座，g为头带硬件电路安置框架，h 为接地电极，i为头带柔性头拖，j为主控板保护外壳，k为主控板，m为保护盖板，n为接口面板。

具体实施方式

本实用新型提供的咬合运动情况监测装置，设计为可穿戴头带式结构，其中综合了咬合力数据信号采集、放大、以及控制等功能。

可穿戴头带式结构，头带基础材料为棉质材料混编弹性纤维而成的布料。头带上集成了两片高密度肌电采集阵列电极片、两个信号放大模块和主控板。两片高密度肌电采集阵列电极片通过柔性PCB导线分别与相邻的信号放大模块连接，两个信号放大模块连接到主控板。

使用时，将头带佩戴在使用者头上，使得头带刚好覆盖眉骨，使得两片高密度肌电采集阵列电极片可以覆盖住两侧的颞肌。

当使用者进行口腔咬合运动是，有运动所产生的原始肌电信号被高密度肌电采集阵列电极片捕捉到后，通过柔性PCB导线传输至信号放大模块。信号放大模块将所得原始肌电信号放大并传递到主控板模块。主控板模块将这些采样原始数据通过USB 2.0高速有线传输的形式上传至PC上位机。也可将采样原始数据储存至TF卡中，在需要时导入PC上位机用于分析。

(一)可穿戴头带式结构的设计

本实施例中，可穿戴头带式结构的外形整体如图4所示。图5为所述头带的硬件爆炸图，其中，a为头带控制/运行状态反馈单元，包控制开关及运行指示灯，有运行状态控制以及运行状态展示等功能，b为头带内侧前额位置安置的参考电极，c为参考电极绝缘硅胶软垫，d为信号放大模块，e为高密度肌电采集阵列电极片，f为采集阵列绝缘硅胶软垫，g为头带硬件电路安置框架，h为接地电极，i为头带柔性头拖，j主控板保护外壳，k为主控板模块，m保护盖板，n 为接口面板，包括：USB插口,tf卡插口以及sd卡插口。

所述的头带式结构上包含两部分:头带硬件电路安置框架g和头带柔性头拖i。其中，头带硬件电路安置框架的材料选用具有较好弹性，抗冲击性能的无毒无害材料，头带硬件电路安置框架内外侧搭载了大量的电路单元和传感器单元。其中，两片高密度肌电采集阵列电极片e以及两个信号放大模块d分别安置于头带硬件电路安置框架前段两侧，呈中线对称。高密度肌电采集阵列电极片e位于头带硬件电路安置框架g内侧紧贴皮肤，信号放大模块d位于头带内侧，靠近高密度肌电采集阵列电极片e侧。主控板模块k位于头带额头位置，被主控板保护外壳j所包裹。头带控制/运行状态反馈单元a安置主控板保护外壳j外侧。接口面板n被保护盖板m遮盖，安置在主控板保护外壳j表面。当需要使用接口面板n时，需要将保护盖板m向下翻即可将包含了USB接口,tf卡插口和SD卡插口的接口面板n暴露出来。参考电极b设置在头带硬件电路安置框架额头部分的内侧。接地电极h位于头带硬件电路安置框架g与耳后接触的位置，左右各一个。各部分具体位置如图5所示。头带柔性头拖i选用有良好弹性，无毒无害的材料。

头带硬件电路安置框架g和头带柔性头拖i所组成的头带，可以提供较好的向内的压力，使得头带内侧各传感器单元可以较好地被压合在使用者皮肤表面。额头处的参考电极和两侧颞肌位置的高密度肌电采集阵列电极片e搭载在绝缘硅基座c、f上，电极触点位置略高于硅胶基座表面。三片绝缘硅胶基座c、f安置在头带硬件电路安置框架g并略高于头带内侧平面，以保证电极触点可以与皮肤有较好的接触性；同时，绝缘且亲肤的柔软材质提供舒适的佩戴体验以及防止电路与皮肤的接触。连接高密度肌电采集阵列电极片e与信号放大模块d的连线通过柔性印刷电路进行屏蔽。

高密度肌电采集阵列电极片e是一整片PCB。其中，上面集成了64个大小为2毫米的圆形触点探头，各个探头间距为3毫米。圆形触电探头材料为铜，表面进行了镀金工艺。所有64个触点各自连接到柔性印刷电路尾部插排。所述插排是用于与信号放大模块的插口连接。

头带整体的硬件设计保证了使用方便，固定可靠，佩戴舒适，长时间使用的要求。

(二)电路设计

考虑到整个实施例的佩戴舒适性，以及使用便利性，整体电路设计采取分布式模块化设计，包含信号放大模块和主控模块两部分。电路各模块之间通过柔性PCB连接。

(1)信号放大模块

本模块分为两个相同的信号放大模块，分别通过排插接口与两片采集高密度肌电采集阵列电极片探头连接。每个信号放大模块分别采用8个并行8通道生物电放大量化模拟前端ADS1299 进行设计，其功能为将采得的原始高密度肌电信号放大，以保证此后用于分析的信号有较高的信噪比。放大后的信号通过柔性PCB传输到主控板模块。

(2)主控板模块

主控板中各个元器件集成在一整片PCB上。主控板模块与两块信号放大模块通过柔性PCB 连接。主控板承担了为整个采集模块及下位机部分供电，控制采样同步时钟、采样频率、模拟前端放大倍率、数据精度等采样相关参数，存储采集到的数据，并根据传输协议将分段数据通过存储介质或USB2.0传输至个人电脑上位机的功能。主控板模块中包括电源控制模块、高性能微处理器、大容量非易失性存储存储介质卡插口、USB接口、放大模块接口。电源控制模块通过电池或USB电源为电路各部分供电，并维护电池充放电。高性能微处理器采用并行多SPI 接口同时控制16片模拟前端，并提供统一的采样时钟输出至模拟前端，在采集各个时刻的全部肌电原始信号同时，将数据存储至存储卡或通过USB2.0接口上传至个人电脑上位机。大容量非易失性存储存储介质卡插口可以插入TF卡，微处理器会将数据按约定格式存储至TF卡中。 USB接口连接PC上位机或电源适配器，一方面为板载电池充电，另一方面作为USB上传数据的通道。

经过主控板模块处理后的数据通过TF存储卡，也可直接使用USB2.0将原始数据导入到上位机，供预装载在上位机中预中的分析软件进行分析处理，并将分析结果呈现在上位机中的用户图形界面中。

本实用新型的工作流程如下：

使用者初次使用时，需要进行一次系统校准。使用者佩戴上设备后根据提示完成相应的动作，采得的数据被传至上位机存储，可以进一步进行后续的基于MU分解的咬合运动情况分类分析，并通过使用安装在上位机端上的用户端软件对报告及记录进行管理及浏览。

(三)结果展示

RMS热图：图6展示的是颞肌咬紧牙状态下的RMS平均值，通过该图发现，颞肌的活跃区域主要集中在靠近眼睛、远离眉毛的区域。RMS值大于整个RMS图的平均值的区域被定义为活跃区域，如图6中红线围绕的椭圆区域所示。图6中的红色点所表征的为质心，MU的活跃中心位置。

咬合合力轨迹拟合：根据检测的信息，通过一定算法，可以拟合出咬合合力的作用中心点在采样时间内的轨迹以及咬合力合力的发力变化。图7中a为当前时刻咬合合力中心点位置，其颜色代表此刻咬合力与最大咬合力的百分比。b为采样开始到当前时刻咬合力合力中心点的轨迹，其颜色变化表示咬合力大小的变化。

和现有技术相比，本实用新型的优点在于：

(1)本实用新型提出了利用高密度肌电采集阵列电极片对颞肌进行观测来通过对应肌电监测咬合运动情况的系统。这样的电极安置排布较现有电极安置方案具有佩戴方便、舒适、可长期监测等优势，对使用者更为友好。

(2)本实用新型使用高密度肌电采集阵列电极片获取原始肌电信号。相较于传统宏观肌电电极，高密度肌电阵列所获得的原始信号更为丰富。除了可获得时域信息外，还可收集到相较于传统肌电信号采集电极所采得信息更为丰富的空间信息。

(3)可以进一步分析MU运动单元的阿尔法神经单元的放电情况。

(4)可以通过MU运动单元的阿尔法神经单元的放电情况拟合咬合相关肌肉的运动情况。

Claims (5)

1.一种可穿戴头带式咬合运动情况监测装置，其特征在于，包括前端采集设备和信号处理硬件电路两个部分，并且，这两部分集成在一头带中，成为可穿戴结构形式；其中：

所述前端采集设备，包括：高密度肌电采集阵列电极片、参考电极和接地电极；接地电极布设于使用者左耳或右耳乳凸处，参考电极布设于眉心处；高密度肌电采集阵列电极片布置在使用者两侧颞肌表皮之上；所述高密度肌电采集阵列电极片至少有两个电极片；每个电极片包含不小于32个触点，两片合计不小于64个触点，这些触点整合于一片材质柔软的可以与皮肤共形好的基材上；触点使用部分过孔设计，各触点通过表面镀金的铜制排线连接至采集阵列电极尾端的排插接口；高密度肌电采集阵列电极片与皮肤固定；

所述信号处理硬件电路，主要包括信号放大模块和主控板；其中：

所述信号放大模块通过排插接口与高密度肌电采集阵列电极片连接，将采集得到的原始高密度肌电信号放大，以保证此后用于分析的信号有较高的信噪比；信号放大模块采用多个并行多通道生物电放大量化模拟前端设计；所有模拟前端共地，在主控板的控制下同步采集全部通道对共同接地点的电势差；

主控板包括电源控制模块、高性能微处理器、本地存储模块插口、无线传输模块、USB接口、放大模块接口；电源控制模块通过电池或USB电源为电路各部分供电，并维护电池充放电；其中，电源控制模块通过USB接口连接电源为板载电池充电；高性能微处理器采用并行多SPI接口；本地存储模块插口可以插入TF卡，高性能微处理器将数据按约定格式存储至TF卡中。

2.根据权利要求1所述的可穿戴头带式咬合运动情况监测装置，其特征在于，所述高密度肌电采集阵列电极片所固定的方向为与颞肌肌纤维长势成正交的角度方向，最大程度覆盖颞肌且避免电极片与头发接触。

3.根据权利要求1所述的可穿戴头带式咬合运动情况监测装置，其特征在于，所述信号放大模块采采用不少于8个的并行8通道生物电放大量化模拟前端ADS1299进行信号放大模块设计。

4.根据权利要求1所述的可穿戴头带式咬合运动情况监测装置，其特征在于，设计为可穿戴头带式结构，其中综合咬合力数据信号采集、信号放大、以及数据预处理功能；头带上集成了两片高密度肌电采集阵列电极片、两个信号放大模块和主控板；两片高密度肌电采集阵列电极片通过柔性PCB导线分别与相邻的信号放大模块连接，两个信号放大模块连接到主控板。

5.根据权利要求4所述的可穿戴头带式咬合运动情况监测装置，其特征在于，所述可穿戴头带式结构中，包括：头带控制及运行状态反馈单元，包控制开关及运行指示灯，头带内侧前额位置安置的参考电极参考电极绝缘硅胶软垫，信号放大模块，高密度肌电采集阵列电极片，采集阵列绝缘硅胶软垫，头带硬件电路安置框架，接地电极，头带柔性头拖，主控板保护外壳，主控板模块，保护盖板，接口面板，包括USB插口,tf卡插口以及sd卡插口；

其中，头带硬件电路安置框架内外侧搭载大量的电路单元和传感器单元，两片高密度肌电采集阵列电极片以及两个信号放大模块分别安置于头带硬件电路安置框架前段两侧，呈中线对称；高密度肌电采集阵列电极片位于头带硬件电路安置框架内侧紧贴皮肤，信号放大模块位于头带内侧，靠近高密度肌电采集阵列电极片侧；主控板模块位于头带额头位置，被主控板保护外壳所包裹；头带控制及运行状态反馈单元安置于主控板保护外壳外侧；接口面板被保护盖板遮盖，安置在主控板保护外壳表面；当需要使用接口面板时，将保护盖板向下翻即可将包含了USB接口,tf卡插口和SD卡插口的接口面板暴露出来；参考电极位置设置在头带硬件电路安置框架额头部分的内侧；接地电极位于头带硬件电路安置框架与耳后接触的位置，左右各一个。

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