技术领域
[0001] 本
发明涉及多生理
信号采集技术领域，尤其涉及一种具有脑
电信号、人体表面肌电信号与运动惯性信息实时同步采集功能的多信息同步采集装置。
背景技术
[0002] 人在安静状态下或是受到外界声、光等刺激时，大脑皮层都会产生持续的、有节律性的电位变化，通过在大脑皮层或头皮上放置
电极可采集到电位随时间变化的
波形，将其提取并加以放大、记录即得到脑电(Electroencephalogram,EEG)。EEG是人体对体内神经细胞活动(如离子交换、新陈代谢等)的综合反映，其中包含着人的各种形式的思维状态信息和大量生理信息，被广泛应用于
心理学、神经生理学、认知科学等领域的
基础研究。
[0003] 表面肌电信号是人体完成各种肢体动作过程中，肢体表层肌肉和神经传导过程中的电活动在
皮肤表层的累积电效应，表面肌电信号的
能量变化以及频带范围等综合信息，能够很大程度上定量的反映出被测肌肉的生理和机理状态。对肌电信号的研究，能够更深入的探寻神经科学的内在机理，加深对人体自身的认识。
[0004] 人体运动惯性信息能够直接的表示人体各个部位运动的
加速度、
角速度、角度等物理信息，通过捕获和分析人体运动惯性信息，能够直接获得人体运
动能力、关节活动灵活性等关键外在信息。对后续分析、控制以及评价等需求提供更加全面的参考。
[0005] 传统的生理电信号采集设备往往只能对脑电、肌电、或心电等多模态生理信号进行单一采集，但是人体是具有极强循环统一性的整体，仅仅对单一信号进行提取存在无法全方位采集、无法全方位分析、无法全方位诊断评估、无法全方位运用等诸多弊端，已无法满足医学、体育、娱乐等众多领域在当前的应用需求。将惯性信息引入到采集系统，通过对加速度、角度以及角速度等惯性参量与生理信号的结合采集分析，能够更加准确的描述人体在生理电信号触发时的加速度、角度、角速度等信息，进而为多生理电信号采集过程中运动能力研究提供了可靠性参考，有助于更加具体地获取人体内在与外在的生理信息，使系统更加全面完善，提高系统在动作描述、运动评估以及康复医疗分析方面的能力。
发明内容
[0006] 本发明目的在于提供一种使用环境不限、便于携带、信号无线传输、多
节点采集的脑肌电及惯性信息同步采集装置。
[0007] 为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述装置包括多信息同步采集
传感器、嵌入式微处理系统、无线传输通信
接口、数据接收平台、电源模
块；所述多信息同步采集传感器与嵌入式微处理系统相连，嵌入式微处理系统与无线传输
通信接口相连，无线传输通信接口与数据接收平台通过无线技术进行连接；电源模块为多信息同步采集传感器、嵌入式微处理系统、无线传输通信接口供电，且模拟地与数字地分开。
[0008] 进一步的，所述多信息同步采集传感器包括脑电信号采集传感器、肌电信号采集传感器和惯性信息采集传感器，用于同步采集脑电信号、人体表面肌电信号和惯性信息；脑电信号采集传感器由脑电电极、前级放大
电路、二阶有源滤波电路、后级放大电路及
电压匹配电路组成；肌电信号采集传感器由肌电电极、差分主放大电路、二阶有源滤波电路以及电压匹配电路组成。其中，所述脑电电极连接前级放大电路，提取脑电信号；所述前级放大电路连接二阶有源滤波电路，对提取的信号进行差分放大，
差分信号的高共模抑制比能够有效的抑制微弱信号的共模干扰；所述二阶有源滤波电路连接后级放大电路，低通
滤波器能够实现信号放大、抑制高频噪声信号以及平滑滤波作用，提高
信噪比，高通滤波实现信号高频噪声的滤除。后级放大电路对脑电信号进行最后的增益调节，同时保证信号零点漂移的抑制能力；所述肌电采集传感器由肌电电极、差分主放大电路、二阶有源滤波电路以及电压匹配电路组成。滤波电路只需调节
电阻和电容的大小，即可对肌电采集传感器和脑电采集传感器适用。其中，所述电压匹配电路能够将脑肌电信号的基线抬升至A/D量程的中段，从而便于后续A/D转换，也避免了信号幅值因超出A/D采集范围造成的信号丢失情况。所述惯性信息采集传感器由惯性芯片驱动电路和通信接口组成，可以实时采集头部、人体
关节角度、上肢动作、下肢动作等惯性信息。
[0009] 进一步的，所述嵌入式微处理系统包括嵌入式控
制模块、A/D转换模块、SPI通讯接口；所述A/D转换模块连接嵌入式
控制模块，将脑电信号与肌电信号由模拟量转换成
数字量。所述SPI通讯接口连接嵌入式控制模块，将接收到的惯性信息发送至嵌入式控制模块。所述嵌入式控制模块负责对脑电信号、肌电信号和惯性信息进行处理后向无线传输通信接口发送有效数据及控制指令。
[0010] 进一步的，所述无线传输通信接口包括USART串行口、
无线通信模块，是实现节点式数据同步获取的技术关键。可以连接Wi-Fi、Zigbee、蓝牙等不同无线通信模块，使设备能够以多种通信方式与不同的数据接收平台进行无线数据传输。
[0011] 进一步的，所述装置由若干个脑电采集节点与肌电采集节点组网构成，节点数量可以根据需要自由选择，每个节点可采集单通道的脑电或肌电信号，并同时采集惯性信息。
[0012] 进一步的，肌电信号采集
频率范围在10-500Hz之间，脑电采集的
频率范围在0.1-100Hz之间。
[0013] 进一步的，所述惯性信息采集传感器由惯性芯片驱动电路和通信接口组成，置于每个采集节点，可实时采集九轴运动惯性信息。
[0014] 进一步的，所述数据接收平台可以使用PC机、
笔记本电脑、手机、
平板电脑以及
服务器等数据接收平台，提高设备灵活性。
[0015] 与
现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0016] 1、采用节点式设计，满足多种环境下的信号采集，信号稳定、扩展性强、佩戴方便、体积小、便携性好。
[0017] 2、用无线传输通信接口技术，实现无线信号采集，可同时满足PC机、手机、平板电脑等多种数据接收平台。
[0018] 3、实现脑电信号、肌电信号和惯性信息同步采集，将惯性信息与脑电、肌电信号进行综合分析可以形成多方位评估，进而对人体运动功能及
健康状态做出全面研究和评价。
[0019] 4、将脑电信号、人体表面肌电信号与运动惯性信息有效结合，并通过无线通信技术，与终端设备实时通讯。一方面可实时同步提取生理电信号特征，从时域、频域等不同信号分析角度获取人体运动的内在信息。另一方面通过捕获和分析人体运动惯性信息，直接获得人体运动能力、关节活动灵活性等关键外在信息。同时，本发明具有通讯信号稳定、扩展功能强、轻便易携带、易操作等一系列优点，为康复医学、运动科学等领域的研究提供前端采集设备和技术支持。
附图说明
[0021] 图2为本发明的佩戴示意图；
[0022] 图3为本发明中脑肌电信息采集与预处理部分
流程图；
[0023] 图4为本发明中惯性信息采集部分流程图。
[0024] 附图标号：1-多信息同步采集传感器、2-嵌入式微处理系统、3-无线传输通信接口、4-数据接收平台、5-电源模块。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图对本发明做进一步说明：
[0026] 如图1所示的本发明装置的结构框图中，本发明所述的采集装置包括多信息同步采集传感器1、嵌入式微处理系统2、无线传输通信接口3、数据接收平台4以及电源模块5。其中：
[0027] 所述多信息同步采集传感器1包括脑电信号采集传感器、肌电信号采集传感器和惯性信息采集传感器。脑电信号采集传感器和肌电信号采集传感器连接嵌入式微处理系统2中的A/D转换模块；惯性信息采集传感器连接嵌入式微处理系统2中的SPI接口。多信息同步采集传感器1将采集的脑电信号、表面肌电信号和运动惯性信息预处理后传送至嵌入式微处理系统2。
[0028] 所述嵌入式微处理系统2包括A/D转换模块、SPI通讯接口、嵌入式控制模块。A/D转换模块将脑电信号与肌电信号由模拟量转换成数字量。SPI通讯接口将接收到的惯性信息发送至嵌入式控制模块。嵌入式控制核心对多信号做进一步数据提取分类与
算法处理，并将脑电信号、表面肌电信号与运动惯性信息同步传输至无线传输通信接口3。
[0029] 所述无线传输通信接口3包括USART串行口、无线通信模块，是实现节点式数据同步获取的技术关键。可以连接Wi-Fi、Zigbee、蓝牙等不同无线通信模块，使设备能够以多种通信方式与不同的数据接收平台进行无线数据传输。
[0030] 所述数据接收平台4可以使用PC机、笔记本电脑、手机、平板电脑以及服务器等数据接收平台，提高设备灵活性。
[0031] 所述电源模块5为多信息同步采集传感器、嵌入式
微处理器系统提供电源供电，模拟地与数字地分开
[0032] 下面对本发明的工作过程做详细介绍：
[0033] 一、多信号采集
[0034] 如图2所示的本发明装置的佩戴示意图，使用者根据需要采集肌电和惯性信息的部位，将肌电采集装置节点固定在人体表面，电极采用三点式差动输入，其中两个为差分输入端，另外一个为参考地，装置的两个采集电极顺着肌
纤维方向分别安放于需要采集的肌肉上；脑电采集装置节点固定在额头上，确保电极与头皮
接触良好。
[0035] 二、信号预处理
[0036] 如图3所示的多信息采集与预处理部分流程图，脑电电极与肌电电极采集到的脑电信号与肌电信号经前级放大电路差分放大，差分信号的高共模抑制比能够有效的抑制微弱信号的共模干扰。经过前级放大后，二阶有源滤波电路将参杂其中的在有用信号频率范围外的环境噪声去除，肌电信号的频率范围通常在10-500Hz之间，而脑电则处于0.1-100Hz之间，
高通滤波器让高于截止频率的波段通过，低于截止频率的被衰减，
低通滤波器则实现相反效果。滤波电路有效滤除杂质信号，使信号
质量得到进一步加强。滤波的同时进行二次放大，一次性将信号放大过高的幅值，其中参杂的噪声信号极有可能会导致信号饱和，多级放大有利于对噪声的处理。脑电信号还需要后级放大电路进行最后的增益，达到所需的幅值。电压匹配电路对信号进行电压抬升，将有效信号幅值范围抬升到A/D输入范围之内，避免信号因超出A/D输入范围造成信号丢失。
[0037] 如图4所示的惯性信息采集部分流程图，惯性信息采集传感器采用动力学解算和卡尔曼滤波算法能够在动态环境下准确求解出当前运动
姿态，并将
信号传输至嵌入式控制模块，控制模块进行分类提取，得到加速度、角速度、
磁场强度等数据信息。
[0038] 三、数据分析
[0039] 嵌入式控制模块将采集到的数据无线传输至接收平台，上位机将采集到的脑电、肌电、惯性信息进行分类筛选，显示信号波形及数值，并完成对生理电信号的特征提取与时频域分析，通过相应分析算法实现人体运动协同性、运动姿态分析、脑肌电一致性等运动功能评价。
[0040] 以上所述的
实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种
变形和改进，均应落入本发明
权利要求书确定的保护范围内。
