基于无线传感网络的假肢表面肌电信号采集系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及对可穿戴在皮肤表面处的假肢中对表面肌电信号的采集，具体的指一种基于无线传感网络的假肢表面肌电信号采集系统。
【背景技术】
[0002]表面肌电信号(surface electromyography，sEMG)可以利用依附在人体肌肉表面的电极，无损害地采集人体肌肉电信号，并通过独立神经元在时间和空间上的数据集来表征神经肌肉活动。表面肌电信号已被广泛的应用于假肢类医疗设备接口技术的控制信号当中，并且有许多优点:第一，与传统接口技术相比，具有方便快捷可操作性的特点；第二，表面肌电信号便于采集，其幅值强度更大，而且可产生更多可供使用的信号类别。
[0003]然而，常规的信号采集方法是将许多复杂的电极线连接在被试与采集设备之间，这就导致在应用系统中必须将使用者与采集设备局限在一起，从而造成肌电应用的范围大大减少。并且对残疾者所佩戴的假肢不能进行实时的信号采集以调整假肢的控制系统，以满足假肢佩戴者的行为准确度和舒适度。
[0004]无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是集传感器、计算机、网络通信、无线传输及嵌入式技术于一体，由分布在监测区域内大量的微型传感器节点，通过无线通信方式形成自组织网络，完成对被感知对象的数据采集、处理和传输。WSN不需要固定网络支持，具有快速组网、抗毁性强、体积小、功耗低等特点，已被广泛应用于生物、工业、医疗、农业等领域。而基于Zigbee的无线传输模块因其具有低功耗、低成本、组网自适应、网络容量大等特点，已广泛应用于智能医疗、智能家居、无线监控等各个领域当中。利用无线传感技术设计的假肢表面肌电信号采集系统能很好的解决信号采集当中遇到的各种问题，采集到的数据能更加精确指导假肢类设备的控制。
【发明内容】
[0005]鉴于以上所述内容，本发明提供一种基于无线传感网络的假肢表面肌电信号采集系统，目的在于采用一种无线传输技术对人体表面肌电信号进行采集与传输，为后端的数据处理与分析提供实时可靠的信号源。
[0006]为实现上述目的，本发明提供一种基于无线传感网络的假肢表面肌电信号采集系统，包括:
[0007]信号采集单元，包括多个表面肌电电极贴片，该多个电极贴片粘贴在人体上肢表面多个位置，该多个位置包括尺侧腕屈肌、掌长肌、桡侧腕伸肌和指伸肌处，该多个电极贴片用于采集人体上肢表面多个位置处的微弱肌电信号；
[0008]信号预处理单元，与信号采集单元连接，用于对采集的微弱肌电信号进行预处理，以进行放大和滤波处理；
[0009]无线传输单元，用于将经过预处理后的信号进行无线收发。
[0010]本发明所述的系统中，所述表面肌电电极贴片为银-氯化银电极片。
[0011]本发明所述的系统中，所述信号预处理单元包括前置放大模块、陷波滤波模块和后级放大模块。
[0012]本发明所述的系统中，所述前置放大模块包括前级放大器、阻容耦合电路和仪用放大器。
[0013]本发明所述的系统中，所述陷波滤波模块包括4阶有源切比雪夫低通滤波器。
[OOM]本发明所述的系统中，所述无线传输单元为基于Zigbee的无线传输单元。
[0015]本发明的有益效果是:本发明为肌电数据采集提供了一种逻辑处理方案，采集到的信号通过信号预处理单元更为纯净，通过无线传输单元更为方便快捷，同时本发明在肌电控制系统当中具有很好的兼容性，无线传输单元在整体的控制单元当中又能起到节点控制器的作用。
【附图说明】
[0016]图1为本发明基于无线传感网络的假肢表面肌电信号采集系统的结构图。
[0017]图2为表面电极贴放位置示意图。
[0018]图3为信号采集单元结构框图。
[0019]图4为前端放大电路原理图。
[0020]图5为4阶有源切比雪夫低通滤波电路图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0022]本发明实施例的基于无线传感网络的假肢表面肌电信号采集系统，包括信号采集单元、信号预处理单元和无线传输单元，其中:
[0023]信号采集单元，包括多个表面肌电电极贴片，该多个电极贴片粘贴在人体上肢表面多个位置，该多个位置包括尺侧腕屈肌、掌长肌、桡侧腕伸肌和指伸肌处，该多个电极贴片用于采集人体上肢表面多个位置处的微弱肌电信号；
[0024]信号预处理单元，与信号采集单元连接，用于对采集的微弱肌电信号进行预处理，以进行放大和滤波处理；
[0025]无线传输单元，用于将经过预处理后的信号进行无线收发。
[0026]本发明的一个实施例中，信号采集单元包括多个表面肌电电极贴片，可采用银-氯化银(Ag-AgCI)电极片，粘贴在人体上肢表面4个位置，如图2，采集4个通道的肌电数据，尺侧腕屈肌1、掌长2、桡侧腕伸肌3和指伸肌4处。并且依次作四个动作，分别是:手张开、紧闭、腕左旋和腕右旋。四个EMS信号源组成WSN的四个采集节点，负责将采集到的EMS信号传送到信号预处理单元。
[0027]本发明设计的信号采集单元的原理框图如图3所示，包括前置放大电路、右腿驱动电路、高通滤波器、低通滤波电路以及后级放大电路。前置放大电路对肌电信号进行初步的放大；同时通过右腿驱动电路消除共模信号的干扰;高通滤波器用以消除极化电压带来的影响，使得前置放大电路可以设置尽可能高的放大倍数;低通滤波用以滤除500Hz以外的肌电信号；50Hz滤波器用以消除工频干扰；后级放大电路进一步放大肌电信号以便于A/D转化。
[0028]结合表面肌电信号的微弱性，采集过程当中会不可避免的有许多干扰因素。下文将对前端放大电路和低通滤波电路的设计做出改进行的具体说明:
[0029]1、前端放大电路设计
[0030]SEMG信号的幅度在50μν-500μν之间，且容易受到噪声干扰，采用差动输入进行两级放大，电路原理图如图4所示。
[0031]该前端放大电路由三部分组成:前级放大器、阻容耦合电路以及集成仪用放大器构成后级放大器。前级放大器采用并联双运放差动输入，SEMG信号经过表面电极提取后经过屏蔽导线输入LF353的同向输入端3和6脚作为差动输入，通过前级放大后的信号送入阻容耦合电路，阻容耦合电路其实就是一个高通滤波电路，它的主要作用是过滤直流分量，将隔直后的信号送入第2级放大电路。并联双运放输出信号是双端差动输出信号，第2级放大器应该选用具有双差动输入的放大器，可选用仪用放大器AD620。
[0032]前级放大器采用并联双运放不需要精确匹配的电阻，理论上并联双运的共模抑制比为无穷大;前级放大器选用LF353，具有较低失调电压、较高输入阻抗以及低漂移，这些特性都满足对前端放大电路的要求，这样可以减少肌电信号源内阻对差分放大器的影响；AD620具有低功耗低噪声的特点，很适合作为该电路的二级放大器。
[0033]2、低通滤波电路设计
[0034]SEMG信号的频率成分位于0Ηζ-500Ηζ范围内，其中大部分能量集中在50Ηζ-650Ηζ。为了能够有效的减少干扰和噪声对SEMG信号的不利影响，采用RC有源滤波电路进行滤波，该电路根据SEMG信号的频谱成分去决定滤波器的截止频率，滤波电路由高通滤波和低通滤波电路组成。
[0035]由于二阶有源低通滤波器频率特性不稳定，截止特性不够陡峭，利用单位增益法设计一个4阶有源切比雪夫低通滤波器。4阶有源切比雪夫低通滤波器可以有效消除高频干扰，电路实现比较容易，十分适合肌电信号的采集系统中，电路原理图如图5所示。
[0036]本发明的无线传输单元可Zigbee实现:
[0037]将CC2530作为Zigbee的搭建基础，选择CC2530EM作为核心板模块，信号预处理单元传输过来的信号通过该核心板进行无线收发。CC2530是由单片机内核构成的控制器，可通过C语言直接进行编程。模块可以有效减少系统的开发成本和开发周期，让所需开发的各个设备间的开发工具具有互通性。即在本采集系统当中该模块可以作为传输单元进行数据收发，在控制系统当中该模块又能起到控制模块的作用。
[0038]本发明基于无线传感网络的假肢表面肌电信号采集系统的具有成本低，功耗低，实时性好，准确率高。利用Zigbee模块进行数据传输，对采集电路做出了设计与说明，使整个前端信号源与无线模块相兼容，提高了整个系统的信号数据采集与传输能力。
[0039]应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1.一种基于无线传感网络的假肢表面肌电信号采集系统，其特征在于，该采集系统包括: 信号采集单元，包括多个表面肌电电极贴片，该多个电极贴片粘贴在人体上肢表面多个位置，该多个位置包括尺侧腕屈肌、掌长肌、桡侧腕伸肌和指伸肌处，该多个电极贴片用于采集人体上肢表面多个位置处的微弱肌电信号； 信号预处理单元，与信号采集单元连接，用于对采集的微弱肌电信号进行预处理，以进行放大和滤波处理； 无线传输单元，用于将经过预处理后的信号进行无线收发。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述表面肌电电极贴片为银-氯化银电极片。3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号预处理单元包括前置放大模块、陷波滤波模块和后级放大模块。4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述前置放大模块包括前级放大器、阻容耦合电路和仪用放大器。5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述陷波滤波模块包括4阶有源切比雪夫低通滤波器。6.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述无线传输单元为基于Zigbee的无线传输单元。
【专利摘要】本发明涉及一种基于无线传感网络的假肢表面肌电信号采集系统，包括信号采集单元、信号预处理单元和无线传输单元。信号采集单元通过表面电极提取肌电信号；信号预处理单元是对采集到的微弱的肌电信号进行放大和滤波处理；无线传输单元对提取的肌电信号进行实时的无线传递。本发明信号提取的准确度高，稳定性强，操作简单，具有良好的实时性能，对采集的信号结果能适应各类假肢等辅助康复型医疗设备的控制系统当中。
【IPC分类】A61F2/76, A61F2/72
【公开号】CN105434088
【申请号】CN201610012216
【发明人】陈鹏, 刘军
【申请人】武汉工程大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2016年1月8日