一种表面肌电采集电路、装置及系统 |
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| 申请号 | CN202410169929.0 | 申请日 | 2024-02-05 | 公开(公告)号 | CN117942086A | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 深圳市科瑞康实业有限公司; | 发明人 | 刘述防; | ||||
| 摘要 | 一种表面肌电采集 电路 、装置及系统，其包括：输入模 块 ，所述输入模块包括多个输入 电极 ，其中一个输入电极作为参考电极，所述输入模块用于与被测对象的肌电 信号 待测区域 接触 ；跟随器模块，耦接所述输入模块的输出端，用于保持来自所述输入模块的 输入信号 电压 ；右腿驱动模块，所述右腿驱动模块的输入端耦接所述跟随器模块的输出端，用于将工频信号反相放大后输出至所述被测对象；肌 电信号 采集模块，所述肌电信号采集模块的输入端耦接所述跟随器模块的输出端，用于采集并处理所述输入信号。本 申请 通过多个模块的协同作用，确保了肌电信号的有效采集，实现了减小肌电信号噪声的目的，提高了肌电信号的 信噪比 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种表面肌电采集电路，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种表面肌电采集电路、装置及系统技术领域[0001] 本申请属于肌电采集技术领域，尤其涉及一种表面肌电采集电路、装置及系统。 背景技术[0002] 肌电工程技术经历了针式电极、表面电极、无线表面电极、高密度表面电极以及无线高密度表面电极的不同发展阶段。1987年以FDA正式批准肌电针式电极临床应用为标志， 针电极肌电成为临床上众多肌肉相关疾病诊断的黄金标准。针式电极因为针尖部位较小且 刺入体内可以贴近肌肉纤维，因而可以采集到运动单元(MU，motor unit)的激发信号，但存 在会对人体造成伤害的缺点。为解决针电极这一缺点，从上世纪90年代开始人们着手研究 通过电极片获取人体皮肤表面的肌电信号(sEMG)。表面的肌电信号可以通过记录机体肌肉 组织的电生理活动而直接反映机体运动时神经和肌肉的实时状态，因其无损伤性的特征而 在人体研究中特别是运动肌肉评估、疲劳度评测以及假肢控制等领域具备广阔的应用前 景。然而目前的肌电采集装置普遍存在采集信号噪声大的问题。然而肌电信号本身是一种 微弱的非平稳信号，加上信号采集环境相对复杂，包括皮肤表面状况、周围环境噪声、电磁 干扰等都可能成为表面肌电信号的干扰成分，故一般的采集装置采集到的肌电信号都存在 较大的噪声干扰。 发明内容 [0003] 本申请的目的在于提供一种表面肌电采集电路、装置及系统，旨在解决传统的肌电采集装置存在的采集信号噪声较大的问题。 [0004] 本申请实施例的第一方面提了一种表面肌电采集电路，包括： [0007] 右腿驱动模块，所述右腿驱动模块的输入端耦接所述跟随器模块的输出端，用于将工频信号反相放大后输出至所述被测对象； [0008] 肌电信号采集模块，所述肌电信号采集模块的输入端耦接所述跟随器模块的输出端，用于采集并处理所述输入信号。 [0009] 在一种可能的实现方式中，所述跟随器模块包括与每个输入电极一一对应的跟随器，每个所述跟随器的输入端耦接一输入电极的输出端。 [0010] 在一种可能的实现方式中，所述右腿驱动模块包括： [0011] 右腿驱动单元，所述右腿驱动单元的输入端耦接所述跟随器模块的输出端； [0012] 右腿驱动电极，所述右腿驱动电极耦接所述右腿驱动单元的输出端。 [0013] 在一种可能的实现方式中，所述表面肌电采集装置还包括：后级放大模块，所述后级放大模块的输入端耦接所述跟随器模块，输出端耦接所述肌电信号采集模块。 [0014] 在一种可能的实现方式中，所述肌电信号采集模块包括： [0015] 模数转换器，所述模数转换器的输入端耦接所述后级放大模块的输出端； [0016] 处理单元，所述处理单元耦接所述模数转换器，用于处理采集到的肌电信号。 [0017] 在一种可能的实现方式中，所述表面肌电采集电路还包括： [0018] 射频模块，所述射频模块耦接所述肌电信号采集模块，用于将所述肌电信号采集模块处理过的肌电信号传输至数据基站。 [0019] 在一种可能的实现方式中，所述输入电极为银电极。 [0021] 本申请实施例的第二方面提供了一种表面肌电采集装置，包括如上所述的表面肌电采集电路。 [0022] 本申请实施例的第三方面提供了一种表面肌电采集系统，包括如上所述的表面肌电采集装置。 [0023] 本申请的有益效果 [0024] 本申请提供一种表面肌电采集电路、装置及系统，包括输入模块、跟随器模块、右腿驱动模块以及肌电信号采集模块，利用跟随器模块保持来自输入模块的输入信号的电 压，并结合右腿驱动模块，将工频信号反相放大后输出至被测对象，可以有效地减小由工频 引起的干扰，从而减少噪声。本申请通过多个模块的协同作用，确保了肌电信号的有效采 集，实现了减小肌电信号噪声的目的，提高了肌电信号的信噪比。 附图说明 [0025] 为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些 实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附 图获得其他的附图。 [0026] 图1为本申请一实施例提供的表面肌电采集电路结构示意图之一； [0027] 图2为本申请一实施例提供的表面肌电采集电路结构示意图之二。 [0028] 附图标记：输入模块100、输入电极101、跟随器模块200、跟随器201、右腿驱动模块300、右腿驱动单元301、右腿驱动电极302、肌电信号采集模块400、模数转换器401、处理单元402、后级放大模块500、运算放大器501、射频模块600。 具体实施方式[0029] 为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅 用以解释本申请，并不用于限定本申请。 [0030] 需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。 [0031] 需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。 [0032] 应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。 [0033] 还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。 [0034] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。 [0035] 在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书 中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是 所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。 [0036] 为了说明本申请的技术方案，下面通过具体实施例来说明。 [0037] 图1示出了本申请一实施例提供的表面肌电采集电路的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，包括： [0038] 输入模块100，所述输入模块100包括多个输入电极，其中一个输入电极作为参考电极，所述输入模块100用于与被测对象的肌电信号待测区域接触； [0039] 跟随器模块200，耦接所述输入模块100的输出端，用于保持来自所述输入模块100的输入信号电压； [0040] 右腿驱动模块300，所述右腿驱动模块300的输入端耦接所述跟随器模块200的输出端，用于将工频信号反相放大后输出至所述被测对象； [0041] 肌电信号采集模块400，所述肌电信号采集模块400的输入端耦接所述跟随器模块200的输出端，用于采集并处理所述输入信号。 [0042] 为了更好的理解本方案，首先对肌电信号进行简单的介绍，表面肌电信号(Surface Electromyography)是众多生物电信号中的一种，也是相对来说最容易获取的一 种电生理信号。将电极片放置在人体的皮肤表面，可以记录到皮肤表面因肌肉收缩而产生 的微弱的电位差，而这个微弱的电位信号通过肌电采集电路的放大和转换就形成了可用作 处理的表面肌电信号。 [0043] 为了更好的理解本方案，首先对跟随器进行简单的介绍。将运算放大器输出直接接到运放的反相输入端，这种电路即为跟随器，其输出总是跟随着输入，主要的作用是阻抗 变换。对于电压型负载来说，电源内阻越小、负载阻抗越大越好，这样它获得的电压越大。如果电源内阻较大，而负载阻抗较小，那负载就无法获得较高份额的电压，此时就需要加入跟 随器。跟随器的特点是输入阻抗无穷大，而输出阻抗很小，连接在跟随器后面的负载可以获 得较大电压。 [0045] 需要说明的是，输入电极101至少为两个。输入电极越多，意味着采集通道的数量越多，同时也决定了采集肌肉块的数量，一般通道数越多，采集到的肌电信息越丰富。示例 性的，包含三个输入电极的表面肌电采集电路，具有两路独立的采集电路，可双通道采集肌 电信号，实现两路肌电信号的同时采集。 [0046] 需要说明的是，右腿驱动模块300是通过一个接在右腿的电极来达到去除50HZ/60Hz共模干扰的作用。右腿动电路通常用于生物信号放大器，以减少共模干扰。由于肌电信 号十分微小，通常只有几个微伏，也较易受到电磁干扰，特别是50/60Hz的家用供电噪音，这种干扰可能会掩盖肌电信号，使得信号难以测量。因此，本申请实施例通过添加右腿驱动模 块300用来消除干扰噪声。 [0047] 在本实施例中，利用跟随器模块200保持来自所述输入模块100的输入信号的电压，并结合右腿驱动模块300，将工频信号反相放大后输出至被测对象，可以有效地减小由 工频引起的干扰，从而减少噪声。本申请通过多个模块的协同作用，确保了肌电信号的有效 采集，实现了减小肌电信号噪声的目的，提高了肌电信号的信噪比。 [0048] 在一种可能的实现方式中，参阅图2，所述跟随器模块200包括与每个输入电极101一一对应的跟随器201，每个所述跟随器201的输入端耦接一输入电极101的输出端。 [0049] 需要说明的是，跟随器模块200包括多个跟随器201，每个跟随器201分别与一个输入电极101耦接，以使跟随器201后端的肌电信号采集模块400能够获得较大的电压信号。 [0050] 在一种可能的实现方式中，参阅图2，所述右腿驱动模块300包括： [0051] 右腿驱动单元301，所述右腿驱动单元301的输入端耦接所述跟随器模块200的输出端； [0052] 右腿驱动电极302，所述右腿驱动电极302耦接所述右腿驱动单元301的输出端。 [0054] 在一种可能的实现方式中，参阅图2，所述表面肌电采集装置还包括：后级放大模块500，所述后级放大模块500的输入端耦接所述跟随器模块200，输出端耦接所述肌电信号 采集模块400。 [0055] 需要说明的是，后级放大模块500包括多个运算放大器501，在一种可能的实现方式中，运算放大器501的数量比输入电极101的数量少一个，每个运算放大器501的两个输入 端分别耦接一输入电极101和参考电极，用于将来自输入电极101的电压信号和来自参考电 极的电压信号进行差分放大。 [0056] 在一种可能的实现方式中，参阅图2，所述肌电信号采集模块400包括： [0057] 模数转换器401，所述模数转换器401的输入端耦接所述后级放大模块500的输出端； [0058] 处理单元402，所述处理单元402耦接所述模数转换器401，用于处理采集到的肌电信号。 [0059] 需要说明的是，模数转换器401首先将来自后级放大模块500的输出信号转换为数字信号，接着由处理单元402对所述数字信号进行处理。处理过程可以包括预处理和特征提 取。其中，预处理可以用小波变换等去噪方法进行去噪，也可以根据处理性能对信号进行重 采样，还可以对信号从频域或者时频域上进行分析。特征提取一般是与信号分割(分窗)结 合的，采用移动窗口法，在特定的小窗口中提取特征变量，方面可以降维，另一方面特征量 相对原始数据更能体现该段的特征。 [0061] 在一种可能的实现方式中，参阅图2，所述表面肌电采集电路还包括： [0062] 射频模块600，所述射频模块600耦接所述肌电信号采集模块400，用于将所述肌电信号采集模块400处理过的肌电信号传输至数据基站。 [0063] 为了更好的理解本方案，首先简单介绍下射频技术。射频技术是指使用无线电频率进行通信的技术，它涵盖了广泛的无线通信领域，包括：蓝牙、Wi‑Fi、Zigbee等。射频技术可以实现远距离的数据传输和通信，广泛应用于无线通信、物联网和远程控制等领域。 [0066] 信号发射：经过调制的射频信号由射频模块600的天线发送出去。天线负责将微弱的电信号转换为电磁波，然后向空中发送。 [0067] 信号传输：发送出去的射频信号通过空气传播，可以覆盖一定的距离，直到被数据基站接收。 [0068] 信号接收与解调：数据基站接收到射频信号后，通过其内部电路对信号进行解调，还原出原始的肌电信号。 [0069] 需要说明的是，数据基站在是一个接收设备，它的作用是接收射频模块600发送的肌电信号。数据基站通常包含以下组件和功能： [0070] 天线：用于接收来自射频模块600发送的射频信号。 [0071] 解调器：将接收到的射频信号解调为原始的肌电信号。 [0073] 电源管理：为整个数据基站提供稳定的电源，确保其正常工作。 [0075] 综上所述，射频模块600实现了肌电信号的无线传输功能，而数据基站则作为接收端，对接收到的信号进行处理和分析。这种设计使得肌电信号的采集和传输更为便捷，尤其 适用于那些需要长时间、连续监测的应用场景。 [0076] 在一种可能的实现方式中，所述输入电极101为银电极。 [0077] 需要说明的是，在本实施例中，选择高灵敏度的干电机——银电极作为输入电极101，原因在于：首先，银是导电性最好的金属之一，因此银电极具有很高的导电性能，能够更好地传输肌电信号；其次，银具有很好的化学稳定性，不易氧化或腐蚀，因此银电极的使 用寿命较长，能够保证长期稳定的肌电信号采集；另外，与传统的钢电极相比，银电极具有 更小的电极‑皮肤阻抗，能够提高信号的传输效率和质量；最后银电极相对于其他金属电极 而言，更加柔软和舒适，能够减小对被测对象的刺激和不适感。故使用银电极进行肌电信号 采集可以获得更好的信号质量、更长的使用寿命、更高的传输效率以及更加舒适的感觉。 [0078] 在一种可能的实现方式中，所述跟随器201为j‑FET型超高输入阻抗运算放大器。 [0079] 需要说明的是，在本实施例中，选择j‑FET型超高输入阻抗运算放大器作为跟随器201的原因在于：首先，J‑FET型放大器的输入阻抗极高，有助于减小信号源的内阻对放大器性能的影响，还可以有效地减小外部干扰和反馈的影响，使得信号传输更加稳定和可靠；其 次，J‑FET型放大器通常采用零偏置或低偏置设计，这样可以减小电路内部的热噪声和散射 噪声，从而获得更低的噪声系数。并且，J‑FET型放大器具有较小的输入电容和输出电容，这使得它能够更快地响应信号的变化。因此，在本申请实施例中，选择j‑FET型超高输入阻抗 运算放大器作为跟随器201。 [0080] 本申请实施例的第二方面提供了一种表面肌电采集装置，包括如上所述的表面肌电采集电路。 [0081] 需要说明的是，本申请实施例提供的表面肌电采集装置还包括电源电路，电源电路用于为表面肌电采集电路中的各个模块供电。本申请提供的表面肌电采集装置利用跟随 器模块200保持来自所述输入模块100的输入信号电压不会减小，并结合右腿驱动模块300， 将工频信号反相放大后输出至被测对象，可以有效地减小由工频引起的干扰，从而减少噪 声。通过多个模块的协同作用，确保了肌电信号的有效采集，实现了减小肌电信号噪声的目 的，提高了肌电信号的信噪比。 [0082] 本申请实施例的第三方面提了一种表面肌电采集系统，包括如上所述的表面肌电采集装置。 [0083] 在一种可能的实现方式中，表面肌电采集系统还包括数据基站，数据基站用于接收经过表面肌电采集装置采集到的肌电信号。 [0084] 所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的 功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上 描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可 以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的 单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单 元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统 中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。 [0085] 在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。 [0086] 在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如 多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另 一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置 或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。 [0087] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个 网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目 的。 [0088] 另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单 元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。 [0089] 以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各 实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改 或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应 包含在本申请的保护范围之内。 |
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