用于EMG信号获取的系统和方法与流程

本发明涉及一种用于可穿戴应用中的肌电图(emg)信号获取的新系统和方法。在对可穿戴应用至关重要的领域，例如信号的质量和幅度、尺寸、功耗以及价格，新系统和方法明显优于两种先前已知的用于emg信号获取的方法。
背景技术：
：肌电图(emg)是当来自脊髓的运动神经元动作电位到达运动终板时产生的一种生物信号。semg信号是来自放置在皮肤上的电极下的肌纤维的动作电位的总和。通过使用适当的生物信号获取装备的称为肌电图的方法，可以记录任何semg信号沿着肌肉内的肌纤维传播的过程。生物信号设备的最重要的部件中的一个是用于将生物信号获取、滤波以及放大到适当的电平的模拟硬件。当通过电极从人体获取生物信号时，生物信号非常弱(幅度很小)。由于它们的幅度很小，这些信号对任何系统没有什么用。然而，如果这些信号被放大到适当的电平，则它们可以被检测并相应地读取以用于分析。放大量(称为增益)由系统规格确定，并且取决于被测信号以及其他电路要求。从电极获取emg信号的另一个关键方面是信号中的噪声量。为了正确的emg信号分析，需要从emg信号中去除噪声，使得可以分析该信号。由于上述方面，模拟前端(以下称为afe)配置对于emg信号的获取是重要的。afe配置被视为一组使用以下功能的模拟信号调节电路：(a)滤波器，用于对emg信号的带宽进行滤波并从emg信号中去除噪声；(b)用于放大emg信号的放大器的组合；(c)用于传感器和其他电路的专用集成电路，以提供可配置和灵活的电子功能块，用于将各种传感器连接到模数转换器(以下称为“adc”)。模拟前端(afe)配置用于数字系统，主要与微处理器一起使用，以与多种传感器对接。大多数传感器信号有固有的局限性，例如弱的信号输出、噪声环境、传感器质量等。为了克服上述限制，信号调节是必需的并且由模拟前端(afe)配置执行。因此，模拟前端(afe)配置对于获取可由模数转换器(adc)以小量化误差检索的信号是重要的。通常有两种已知的模拟前端(afe)配置用于emg信号获取。在第一已知配置中(以下称为配置1)，每个emg信号使用单独的信号调节电路，如图1所示。每个调节电路包括仪表放大器(in-amp)以及适当的滤波器。高通滤波器(以下称为“hpf”)用于去除dc分量和低频。低通滤波器(以下称为“lpf”)主要用作用于满足奈奎斯特准则的抗混叠滤波器(aaf)。通常，在模数转换器级之前会添加一个附加的放大块。hpf和lpf滤波器是有源滤波器。可以使用诸如ina333、ad8227、ina827等的低功率仪表放大器(in-amp)来实现配置1。为了减小尺寸，该方法可以使用专用集成电路(ic)用于emg信号调节(例如ad8232)，其中，除了in-amp之外，还有集成运算放大器(op-amp)用于滤波级。在第二已知配置中，以下称为配置2，采用集成电路(soc)，其包括八个内部adc和放大电路，以捕获多达八个emg信号，如图2所示。在配置2中，连接八个rc抗混叠滤波器和八个rc高通滤波器，以去除不想要的频率。在soc内部进行转换后，结果通过串行接口传输到外部微控制器单元(mcu)用于进一步处理。可以使用诸如ad1298、ad1198、ads131e08等的soc来实现配置2。wo2005/094674讨论了一种包含八个有源电极的生物电位测量系统。每个电极包含仪表放大器(in-amp)、有源低通滤波器、有源高通滤波器、可变增益放大器以及模数转换器。因此，仪表放大器(in-amp)和模数转换器的数目等于所测生物信号的数目。另外，wo2005/094674在每个信号的数字化之后使用多路复用器。ep1815784类似地公开了一种具有连接到每个生物信号的仪表放大器、滤波器以及模数转换器的系统。wo2015200802公开了一种具有共享相同模拟电路的一个或多个传感器212、214的系统。输入222和224将模拟输入提供给相应的多路复用器232、234，并且多路复用器232、234选择具体的模拟输入以供放大器242、244放大。放大器242和244将它们的输出提供给一个或多个模数转换器(adc)256。通过对于所有输入信号使用相同的滤波器254，wo2015200802中的信号之间的切换时间对于适当的生物信号获取而言太长。ep2034887类似地公开了在多路复用和放大之后使用的抗混叠滤波器170。因此，多路复用信号使用相同的抗混叠滤波器170，导致信号之间的切换时间增加。对于ep2034887中的采样率，切换时间处于其极限，意味着对于每个周期时间，仅八个信号位于输入。ep2034887的设置时间为大约200μs。wo2010103542公开了一种用于应用ecg设备的自校准的多路复用器。多路复用器的输出连接到信号调节和放大器单元。该单元由仪表放大器、限带滤波器以及后置放大和电平位移电路组成。wo2010103542将滤波器放置在多路复用器之后，并且因此在wo2010103542中不可能快速切换输入信号。us2007/0010721公开了一种用于检测体温、体重、体重指数以及体脂的单极配置的有源传感器单元300。传感器单元300包含传感器电路，该传感器电路包括过程传感器311、换能器312、信号滤波器313、信号多路复用器314、过程信号基准315、信号放大器316以及模数转换器317。本公开中检测到的信号幅度更高、噪声更小并且具有比emg信号更简单的模式。emg信号是由电极检测范围内的肌纤维的总数目传输的所有信号的总和。尽管每个纤维的信号是电化学过程的输出，并且具有简单的模式，但是总emg信号是复杂的、非周期性的并且混沌的。因此，emg信号的获取需要不同于用于获取简单的诸如体温、体重、体重指数以及体脂的身体信号的具体获取和处理协议。上述专利和专利申请公开的内容通过引用结合于此。关于用于获取emg信号的方法，emg表面电极必须提供高信号分辨率和低噪声的全带宽信号检测。影响emg信号质量的噪声可能由诸如在用于检测和记录emg信号的电子设备中生成的电噪声、来自诸如电视或无线电信号、电力线、荧光灯的电磁设备的环境噪声、以及由于emg信号的准随机性而固有的不稳定性的来源造成。其他噪声的来源包括电极的检测表面相对于皮肤的移动，这改变了皮肤-电极接口的特性，以及将电极连接到放大器的电缆的移动。另外，对于可穿戴应用，电极必须能够由于用户在运动时的运动而不断弯曲、折曲、扭曲，甚至拉伸。设计承受这种力的电极是一个挑战，因为循环拉伸和松弛可以导致材料疲劳。在医疗或研究应用中使用的传统emg电极太硬，灵活性太低，无法在运动期间舒适地穿戴。传统电极的硬度使得其难以在电极和人体皮肤之间建立良好的导电接口，因为皮肤具有柔软、圆形以及颗粒状的表面，这防止了刚性电极与皮肤形成良好的导电。由金属单丝制成的导电线已被用作用于可穿戴应用的emg电极，该金属单丝被并入诸如棉、聚酯、聚酰胺以及芳族聚酰胺的基础纱线中。金属单丝可以由铜、黄铜、青铜、银、金、铝或其他导电材料制成。典型的导电纱线具有纤维(纱线)的基群和缠绕在它们周围的金属单丝。用于制造可穿戴emg电极的另一种方法是例如将诸如铜、银、金、不锈钢的纳米颗粒的导电元件涂覆到由棉、聚酯、聚酰胺或芳族聚酰胺制成的纱线的基底上。这些涂层可以应用于纤维、纱线、或者甚至织物的表面，以制造导电纺织品。常见的纺织品涂层工艺包括旋涂、化学镀、蒸发沉积以及溅射用于用导电聚合物涂覆纺织品。用于制造用于服装的可穿戴电极的上述技术具有几个明显的缺点。例如，由导电线或导电元件的涂层制成的电极不能承受重复的剧烈条件，例如机器洗涤和滚筒干燥，或者当由用户穿戴时恒定的拉伸/扭曲。因此，由导电线或涂层制成的电极趋于从织物纤维的磨损中冲走、氧化和/或断裂。这导致电极失去其导电性。例如，诸如金的非氧化的材料将使电极太昂贵而不能大规模地制造用于商业用途。进一步的缺点包括导电织物趋于坚硬和刚性，使得其穿戴不舒适。由于人-电极接口的随机和不均匀表面和刚度，这还建立了不良的导电接口。为了永久地熔断由导电线制成的电极和接线，有必要将它们散布到服装上。这需要附加的缝合，并且因此降低了服装的拉伸性和服装的美感。另外，由于导电线和涂层的蓬松性和硬度，这将导致服装笨重、僵硬以及不灵活。因此，因为导电线或涂层都不具有与通常用于运动服装的织物和纺织品相同的柔韧性，所以这些类型的电极会阻碍服装制品(thearticleofapparel)的运动、功能性以及可用性。将导电纱线集成到一件可穿戴织物中的其他缺点是工艺复杂且很少均匀，这使得该工艺昂贵且难以以一致的质量水平进行复制。另外，绝缘导电复丝/纤维和由导电线和涂层制成的电极是困难和昂贵的，需要用专门的装备和人员进行特殊的制造工艺。因此，由于附加的制造和处理成本，将导电线和涂层集成到运动服装导线中是昂贵的。技术实现要素：根据本发明的第一实施方式，提供了一种用于获取用于评估肌肉和控制肌肉的神经细胞的健康的emg信号的模拟前端系统，该模拟前端系统包含用于获取多个emg信号并传送多个emg信号中的每一个的差分信号的装置；第一组滤波器，该第一组滤波器包含用于多个emg信号中的每一个的第一滤波器；多路复用器；放大器；以及微控制器单元，该微控制器单元包含模数转换器。在本实施方式中，在emg信号由多路复用器进行多路复用之前，第一组滤波器对多个emg信号中的每一个的带宽进行滤波，以及emg信号被多路复用器进行多路复用，使得单个放大器用于在emg信号到达模数转换器之前放大emg信号，以提供至少250倍的增益和小于0.012％的量化误差。用于获取多个emg信号并传送多个emg信号中的每一个的差分信号的装置包括身体传感器和/或电极，该身体传感器和/或电极可以测量来自用户全身的emg信号。身体传感器和/或电极是可拉伸的并且是低电阻的，使得它们可以被实现到运动服装中，而不会损害由系统进行的测量的准确性。通过身体传感器和/或电极与用户皮肤的接触可以通过弹性应力和应变来实现。在一个实施方式中，用于获取多个emg信号并传送多个emg信号中的每一个的差分信号的装置包括多层信号，该多层信号具有非导电绝缘体油墨的第一保护绝缘层；形成一对电极的保护导电层和导电层；第二保护绝缘层；以及黏附层。多层信号的导电层由用于捕获生物特征信号的高导电油墨制成。多层信号的保护绝缘层印刷到传热膜上，用作用于多层信号的传输剂，并且当多层信号印刷到其上的传热膜被热压到织物上时，多层信号永久地粘合到织物上。本发明利用多路复用器用于获取多个emg信号，从而使用单个放大器。将多路复用器实现到本发明的体系结构中提出了许多挑战和障碍。例如，来自多路复用器的电阻可以干扰emg信号的测量，并且其他问题包括emg信号之间的切换时间增加和功耗增加。在本发明中，通过使用具有低电阻的多路复用器和具有高转换速率和快速设置时间的放大器来克服这些问题，使得信号之间的切换快速，从而降低功耗。另外，即使信号通过相同的放大器，emg信号也会通过不同的滤波器。滤波器具有时间常数，并且滤波器的时间常数取决于其滤波的频带。在本发明的情况下(emg信号滤波)，这是几毫秒。因此，如果将相同的滤波器用于所有emg信号，则emg信号之间的切换时间将为几毫秒。相反，emg信号之间的切换时间应该更短(几微秒)。模拟前端系统可以进一步包含第二组滤波器，该第二组滤波器包含用于多个emg信号中的每一个的第二滤波器。因此，在该实施方式中，每个emg信号在由多路复用器进行多路复用之前通过来自第一组滤波器的第一滤波器和来自第二组滤波器的第二滤波器，以限制其带宽。第一组滤波器可以是无源抗混叠滤波器，并且第二组滤波器可以是无源高通滤波器。在一个实施方式中，第一和第二组滤波器将每个emg信号的带宽限制在20hz至100hz的频率范围内。在由第一滤波器和第二滤波器滤波之后，emg信号然后由可以是模拟开关的多路复用器进行多路复用。多路复用器的操作可以由微控制器单元(mcu)控制。在本发明的一个实施方式中，第一组滤波器包含八个第一滤波器，并且第二组滤波器包含八个第二滤波器，以用于处理八个emg信号。在其他实施方式中，第一滤波器和第二滤波器的数目可以根据正被处理的emg信号的数目而变化。因此，可以有少于八个第一滤波器或多于八个第一滤波器。类似地，可以有少于八个第二滤波器或多于八个第二滤波器。然而，尽管正在处理emg信号的数目，但是本发明包含单个放大器。在一个实施方式中，放大器是具有高共模抑制比(cmrr)的低功率仪表放大器。在本发明的一个实施方式中，多路复用器、单个放大器以及微控制器单元是集成电路的一部分。多路复用器和放大器是差分的，并且换能器、过程信号基准或生物催化剂信号基准不用于emg信号获取。在一些实施方式中，模拟前端系统被实现为中央设备，该中央设备可以通过连接器附接到任何种类的运动服装，用于在各种体育活动期间长期监控几个生物信号。根据本发明的又一实施方式，提供了一种用于处理用于评估肌肉和控制肌肉的神经细胞的健康的多个emg信号的方法，该方法包含以下步骤：获取用于多个emg信号中的每一个的差分信号，应用包含用于多个emg信号中的每一个的第一滤波器的第一组滤波器，以将多个emg信号中的每一个的带宽限制在预定频率范围内，由模拟多路复用器切换复用滤波后的emg信号，由单个差分放大器放大多路复用后的emg信号，并且将放大后的emg信号发送到微控制器单元用于处理。在emg信号由多路复用器进行多路复用之前，由第一组滤波器对多个emg信号中的每一个的带宽进行滤波，使得在emg信号由模数转换器处理之前获得至少250倍的增益和小于0.012％的量化误差。在一个实施方式中，在多路复用信号之前，应用包含用于多个emg信号中的每一个的第二滤波器的第二组滤波器。在该实施方式中，第一组滤波器和第二组滤波器将多个emg信号中的每一个的带宽限制在20hz至100hz的频率范围内。在一些实施方式中，第一滤波器是无源抗混叠滤波器，并且第二滤波器是无源高通滤波器。在一个实施方式中，通过本发明的方法获取、滤波以及多路复用八个emg信号。在其他实施方式中，获取、滤波以及多路复用少于八个emg信号或多于八个emg信号。然而，尽管正在处理emg信号的数目，但是使用单个放大器来放大emg信号。在一个实施方式中，放大器是具有高共模抑制比(cmrr)的低功率仪表放大器。附图说明图1示出了用于获取过程的第一已知配置(配置1)，该配置包括每个emg信号一个信号调节电路和一个adc。图2示出了用于八个emg信号的获取过程的第二已知配置(配置2)，该配置包括八个rc抗混叠滤波器、八个rc高通滤波器以及一个由八个放大器和八个adc组成的soc集成电路。图3示出了用于从八个emg中获取信号的本发明的配置(配置3)，该配置包括八个rc抗混叠滤波器、1个模拟多路复用器、1个仪表放大器以及1个adc。图4示出了转换速率对方波的影响，其中，虚线为所需(理想)输出，并且实线为实际输出脉冲。图5示出了放大器或其他设备的设置时间。图6示出了单极hpf(dc阻断)电路的频率响应。图7示出了两极、三极hpf(dc阻断)电路的频率响应。图8a示出了多层传感器以及图9b示出了用于将几个传感器导线合并在一起的多层接口。图9a示出了与一件服装对准的传热膜，图9b示出了对准并牢固地固定在一起的传热膜和服装，以及图9c、图9d和图9e示出了缠绕在一件服装周围的传热膜。图10a、图10b以及图10c示出了其中嵌入有传感器的一条运动压缩短裤(服装)的内部视图。图11示出了连接器和中央设备的透明的剖视图。图12示出了图11所示的连接器和中央设备的分解图。图13示出了图11所示的连接器和中央设备的分解图。图14示出了其中插入有中央设备的组装连接器。图15示出了传感器集成之前的一件服装。图16示出了其上印刷有传感器和传感器导线的传热膜。图17示出了热压传热膜以传递并永久地将传感器和传感器导线粘合到服装上。图18示出了连接到印刷电路板(pcb)的几个传感器导线。图19示出了具有放置在几个传感器导线与印刷电路板(pcb)的连接上的内部盖的服装的内部视图。图20示出了服装的另一内部视图。图21示出了一件服装上的密封连接器的外部视图。图22示出了插入连接器中的中央设备的外部视图。图23示出了中央设备成功地插入到连接器中，用于在中央设备和传感器之间建立连接。具体实施方式在本发明的配置(配置3)中，滤波器用于限制emg信号的带宽以去除高频。然后，emg信号在被放大之前通过模拟多路复用器(开关)进行多路复用。模拟多路复用器(开关)的操作由微控制器(mcu)控制。在多路复用之后，emg信号随后被驱动到放大器，并且放大器的输出连接到微控制器的模数转换器的一个输入。在本发明的体系结构中，在完成多路复用之前，对每个emg信号进行滤波，并且每个emg信号具有其自己的滤波器。这导致信号之间的切换更快。这降低了功耗，提高了多路复用速度，并将信号之间的干扰最小化。在本发明中，设置时间低至15μs。另外，本发明是灵活的，因为可以根据等式fs<＝1/(numberofemgchannels*afesettlingtime)添加更多的信号和不同的采样时间。由于emg信号的复杂性质，需要差分配置以便精确测量emg信号。在差分配置中，两个信号在彼此非常接近的范围内获取，并且测量的emg信号是两个信号的减法。差分配置的优点是消除了两个电极之间的公共噪声，并且因此获取具有更好信噪比的更干净的emg信号。单极配置不会给出关于肌肉活动的正确信息。在本发明中，所有emg信号共享相同的仪表放大器(in-amp)和相同的模数转换器，这明显减小了emg信号获取系统的尺寸。因此，在本发明中，在每个信号数字化之前使用多路复用器，使得仅使用一个仪表放大器(in-amp)和一个模数转换器，这减小了系统的尺寸和功耗。本发明使用差分放大器用于emg信号处理。这意味着放大器中的每个输入都是emg信号输入，因为emg信号是差分信号，并且差分放大器抑制两个emg信号之间的公共噪声。简单的放大器不会抑制公共噪声；而是放大了噪声。本发明仅使用一个放大器。本发明还从微处理器接收基准信号，而无需额外的第三电极。另外，本发明无需换能器。因此，本发明的体系结构中的组件的数目明显减少，从而实现用于模拟前端的更小尺寸和更低成本。通过使用包含多路复用器、放大器、微控制器(mcu)以及模数转换器的集成电路(soc)，可以实现本发明的模拟前端的尺寸的进一步减小。减少组件的数目还导致通过模拟前端降低功耗。本发明的emg信号滤波是由第一组滤波器完成的。可选地，第二组滤波器可以用于进一步的滤波。emg信号可以首先通过第一组滤波器，然后，可以通过第二组滤波器。第一组滤波器可以是无源抗混叠滤波器(aaf)或无源低通滤波器(lpf)。第二组滤波器可以是无源高通滤波器(hpf)或无源dc阻断滤波器。第一滤波器和第二滤波器两者都可以用于限制emg信号的带宽以满足奈奎斯特准则。尽管在图3中示出了用于处理八个emg信号的八个第一滤波器和八个第二滤波器，但是可以设想第一滤波器和第二滤波器的数目可以根据本发明而变化。因此，可以有少于八个第一滤波器或多于八个第一滤波器。类似地，可以有少于八个第二滤波器或多于八个第二滤波器。第一组抗混叠滤波器(aaf)滤波器的选择和频带取决于emg电极/传感器的质量、emg电极/传感器环境的噪声以及由emg电极/传感器本身获取的emg信号的质量。由emg电极/传感器获取的emg信号可能包含许多不想要的信息(例如，噪声)。还有一些影响有用的emg带宽的其他问题。例如，由于连接emg电极和调节电路的电缆的移动，可能产生运动伪影。另外，emg电极和皮肤之间的检测接口可以是运动伪影的来源。这些运动伪影可能在dc附近的很低的频率处引起噪声(例如基线漂移)，因此也应该被去除。第一组抗混叠滤波器(aaf)滤波器的目的是双重的。例如，第一组aaf滤波器可以用于将emg信号的带宽限制到特定频带。这样，放大级将放大包含原始emg信号的最有用信息的信号。其次，第一组抗混叠滤波器(aaf)滤波器可以用于去除在后续数字处理中可能引起混叠的较高频率。第二组hpf滤波器还用于将emg信号的带宽限制到所需范围内。hpf滤波器滤除低频，而抗混叠滤波器(aaf)滤波器滤除高频。抗混叠滤波器(aaf)滤波器可以称为低通滤波器(lpf)，并且高通滤波器(hpf)可以称为dc阻断滤波器。滤波器的截止频率很重要。semg信号的可用能量被限制在0至500hz频率范围内。主要能量位于20至150hz频率范围内。环境辐射是主要的噪声的来源，它以50hz或60hz的频率出现，具体取决于区域电网频率。这种噪声也应被滤波。无论生物信号的频率范围如何，最重要的滤波器中的一个是60hz(或北美以外的50hz)带阻滤波器，也称为陷波滤波器。该滤波器去除了从公共ac壁装插座产生的噪声。另外，另一个重要的考虑因素是emg信号的固有不稳定性。emg信号的幅度本质上是准随机性的，并且频率分量在0至20hz频段中不稳定。在该频率范围内，很可能存在来自外部来源的噪声，例如缓慢变化的漂移和电位。在本发明的一个实施方式中，选择20hz至100hz频率范围作为用于emg信号的所需带宽范围。当处理emg信号时遇到的问题是由于emg信号通常具有很低的幅度(峰到峰0至10mv)的事实。因此，为了可靠地获取和处理emg信号，应该将有用的信号信息放大到可接受的电压电平。因此，以模拟方式进行放大涉及具有高增益和高共模抑制比(以下称为cmrr)的放大电路的实现。在模数转换(adc)应用中，动态范围是全标度的均方根值(以下称为“rms”)与rms噪声的比值。它指示模数转换器可以解决的信号幅度的范围。为了增加动态范围，可以添加一个低噪声放大器来调节信号以达到全标度。如果信号太小，由于转换器的量化噪声和误差，信号的有用信息将丢失。关于时序，应该考虑放大器的转换速率和设置时间。一种具有快速响应和很快传播emg信号的能力的放大器，以便尽可能减少获取时间并使电路进入休眠状态。参见图4。在本发明中，具有高共模抑制比(cmrr)值和快速响应的低功率仪表放大器(以下称为in-amp)被用于放大emg信号并去除共模噪声。仪表放大器(in-amp)是一种已经配备有输入缓冲器的差分放大器，这消除了输入阻抗匹配的需要。仪表放大器(in-amp)的附加特性包括很低的dc偏移、低漂移、低噪声、很高的开环增益、很高的共模抑制比以及很高的输入阻抗。仪表放大器用于要求电路的高精度和稳定性的场合。此外，emg信号是差分信号，并且仪表放大器(in-amp)将emg信号转换为公共接地信号。由此产生的信号然后可以连接到模数转换器(adc)输入。模数转换器(adc)的类型和所使用的放大器的数目/类型是afe系统功耗的主要因素。在放大emg信号之后，由此产生的信号被驱动到模数转换器(adc)，以便应用数字处理，例如：iir滤波器、数学计算、无线传输等。模数转换器(adc)可以是delta-sigma转换器或sar转换器。sar模数转换器具有低延迟时间、低功耗以及低成本，但是需要高幅度的输入信号。delta-sigma模数转换器可以处理较低幅度的信号、具有高分辨率并且可以是低功耗的。然而，delta-sigma转换器的缺点包括低速度和周期延迟。由于通常流水线模数转换器分辨率较低、具有流水线延时/数据延迟、消耗更多的功率以及产生更嘈杂的结果的特性，因此在本申请中不考虑使用流水线模数转换器。另一个消耗大量功率的组件是微控制器(mcu)，即使它在技术上不是模拟前端电路的一部分。因此，期望微控制器(mcu)长时间处于休眠模式。为了实现这一点，必须在模拟前端(afe)中实现快速电路。本发明的模拟前端系统可以用于可穿戴应用中，使得它可以实现到任何种类的运动服装的织物中。当实现到可穿戴应用中时，本发明可以测量来自全身的emg信号。这是可行的，因为本发明的硬件允许将传感器分布在全身的拓扑结构。用于本发明的可穿戴应用的传感器是可拉伸的并且是低电阻的，使得它们可以被实现到运动服装中，而不会损害由系统进行的测量的准确性。传感器通过例如热压融合到服装中，并且以这种方式，由于织物的机械性能(其弹性应力/应变)，实现了皮肤-传感器的接触。此外，由于其小尺寸和更好的信号质量，本发明的体系结构可以用于可穿戴应用中，用于在各种活动期间并且用任何传感器拓扑结构或配置长期监控几个生物信号。emg信号的质量和幅度是用于可穿戴应用的重要参数。关于配置2集成电路(soc)方法，放大电路的增益高达24(取决于所选soc)。这是一个低增益。在配置1和本发明的配置(配置3)中，增益高得多。例如，这些配置中的增益可以从100至1000之间的范围中选择。因此，关于emg信号的增益，配置1和本发明的配置(配置3)明显优于配置2解决方案。另外，由于至少还有一个其他原因，在配置1和本发明的配置(配置3)中获取的emg信号的质量也比在配置2中的质量更好：使用具有高cmrr的仪表放大器(in-amp)在抑制共模噪声方面提供很好的结果。另外，有两种可能的电极配置用于获取emg信号，该emg信号通常通过将电极放置在正在被分析的肌肉上来获取。第一电极配置是最常见的配置，并且使用三个电极。前两个电极放置在肌肉上，并且第三个放置在身体上的中性点上。第三电极的电位被认为是零值(接地或基准电极)。电子电路产生一个信号接地基准，该信号接地基准通常在电池的电压极限的中间构成电压电平。该电位连接到基准电极，并且人体由该设备驱动。这通常用于定义设备与人体皮肤之间的公共接地点。由三个电极测量的电活动随后被发送到放大器，并且该放大器通过从产生原始emg信号的肌肉电极减去接地电极的信号来消除由电噪声引起的随机电压。在第二电极配置中，仅两个电极是强制的。差分测量被驱动到信号调节电路。第三电极被认为是可选的。第三电极可以用作噪声抵消或基准，但是第三电极通常被去除，因为更少的电极意味着更低的成本和更简单的服装设计，并且消除了由接地电极的小漂移造成的噪声。关于用于模拟前端系统的配置2，有选项连接第三电极作为基准。连接(原理图)是固定的，并且不能更改。对于配置2，第三电极的连接有时可能会增加额外的噪声，这是不期望的，并且这就是为什么它只能用作基准电压而不能用于噪声抵消。在配置1和本发明的配置(配置3)中，具有使用或不使用第三电极的灵活性。无论使用第三电极如何，结果都有更高的质量。因此，配置1和本发明的配置3优于配置2，因为它涉及第三电极的使用。关于滤波，滤波器的斜率由滤波器增益在截止频率以上的每(对数)频率间隔下降多少分贝来定义。该间隔通常以十倍频程(10)为单位测量，其中，斜率的单位为分贝每十倍频程(db/dec)，而斜率取决于滤波器的阶数。滤波器的阶数是指影响滤波器的频率响应的“陡度”的组件(电容器、电感器)的数目。高阶意味着更高的组件数目，并且因此更高的成本和更大的尺寸(参见图6)。无源滤波器无需电源、不受放大器的带宽限制的限制，并且几乎不会产生噪声，仅产生来自电阻元件的热噪声。并且经过精心设计，噪声的幅度可能很低，尤其是当与使用有源增益元件的电路相比时。有源滤波器缺少电感器，从而减少了与那些组件相关联的问题。有源滤波器也易于设计，并提供放大信号的额外优点，但是有源滤波器也会由于放大电路而添加噪声。配置1包含有源hpf和lpf滤波器，而配置2和本发明的配置(配置3)使用无源rchpf和lpf滤波器。本发明的配置(配置3)不使用电感器，并且在以后的阶段放大信号。这获得两种滤波器拓扑结构的最佳优点。无论配置如何，对于更高阶有源或无源滤波器设计，由微控制器(mcu)执行数字滤波处理，以减少无源组件的数目增加所产生的尺寸和成本。在本发明的情况下，实现用于每个emg信号的4阶bpf和6阶陷波滤波器，以获得具有所需质量的emg信号。还应提及的是，有源滤波器具有放大信号的能力，而无源滤波器引起小衰减。在使用无源滤波器的配置中，信号的放大在稍后阶段完成。根据测量，用于配置2的信号的质量和使用无源滤波器的本发明的配置(配置3)是良好的。此外，根据配置1中的信号质量的测量和本发明的配置(配置3)对于两种实现都是同样良好的。通过使用有源滤波器，模拟前端(afe)的尺寸和功耗会增加。相反，使用无源滤波器，降低了成本、改善了功耗，并且与有源滤波器配置相比，在信号质量中没有显示可检测的差异。对于无源滤波器配置，可以使用电阻包代替分立组件，这导致尺寸减少大约20％。另一方面，有源滤波器配置要求每个滤波器一个op-amp，这导致更高的成本、尺寸以及消耗。因此，本发明的配置(配置3)是有利的，因为它提供了同等质量、减小尺寸、大大改善功耗以及非常低成本的信号。本发明的多路复用的另一大优点是，可以添加额外的emg信号，而无需添加更多的仪表放大器和模数转换器。而是，仅添加额外的开关。在等式(1)中，引用了关于emg信道的数目和模拟前端设置时间的最大采样频率。fs≤1/(numberofemgchannels*afesettlingtime)(1)fs：采样频率afesettlingtime：仪表放大器传播延时+切换传播延时+adc获取时间，以秒为单位测量在表1中，对于本发明的多路复用解决方案(配置3)，呈现了关于各种设置时间的最大采样频率以及所采用的emg信道。该表示出了增益越高，设置时间越长。在本发明的配置(配置3)中，添加更多emg信道不会影响采样频率，因为考虑到100的增益，emg信道的数目保持低于66。fs增益设置时间emg信道的数目1ksps10015μs661ksps30025μs403.333ksps10015μs203.333ksps30025μs12表1：关于emg信道的数目和in-amp设置时间的最大采样频率用于可穿戴设备的通常情况是作为配件或作为服装的一部分穿戴，这两者都要求很小的形状因子，使得尺寸成为可穿戴技术中最重要的方面之一。在配置1体系结构中，使用八个in-amp以及八个滤波电路，每个emg信号一个。对于每个附加的emg信道，都需要一个额外的on-amp。该afe所需的大尺寸是其主要缺点。关于配置2，配置的尺寸更小。有一个soc包括八个放大电路和adc。因此，即使配置2包含八个具有许多组件的放大电路，配置2的尺寸仍然小于配置1的尺寸。如果采用一个芯片，则配置2具有用于最多八个emg信号的输入。所需芯片的数目n由下面所示的等式2确定。n＝ceil(emgsignals/8)(2)ceil：不小于(emgsignals/8)的最小整数因此，例如，当获取10个emg信号时，需要2个socic，使用于配置2的成本和尺寸两者都增加了一倍。本发明的多路复用解决方案(配置3)具有三种配置中最小的尺寸。无论捕获的emg信号的数目如何，本发明(配置3)仅采用一个in-amp。这给出了可比较的优点，尤其是在需要更多emg信号用于获取的情况下。在配置1中，in-amp和滤波器的数目等于emg信号的数目。在配置2中，从9至16个emg，应该再采用一个soc。在本发明的多路复用解决方案(配置3)中，唯一的要求是用更大的模拟多路复用器代替模拟多路复用器。在使用具有集成amux的soc的情况下，本发明可以接口更多的emg信号，而完全不增加模拟前端(afe)的尺寸。重要的是要强调，对于本发明的配置(配置3)，可以添加额外的emg输入，而无需使用额外的模数转换器(adc)。在模拟前端系统中，功耗主要来自模数转换器和放大器。另外，在整个emg信号获取处理中，很大一部分功耗来自微控制器单元(mcu)。在配置1中，仪表放大器(in-amp)和微控制器的模数转换器(adc)明显地有助于功耗。用于每个仪表放大器(in-amp)的功耗为170μa。因此，对于包括在该配置中的八个in-amp，功耗为1.36ma。用于该配置中的sar模数转换器的功耗值为100μa，记住，模数转换器(adc)在整个数据获取时间段内未打开。在由本发明的发明人执行的测试下，模数转换器在200μs期间打开，并且在该时间段期间模数转换器(adc)的功耗为100μa。作为上述测量的结果，配置1模拟前端(afe)的总功耗为1.46ma。在配置2的情况下，不可能单独描述放大器和模数转换器的功耗。总共仅能测量总功耗。因此，配置2中的功耗取决于所选集成电路(soc)，这意味着该模拟前端配置(afe)的总功耗大约等于集成电路(soc)的功耗。在配置2中测量的用于集成电路(soc)的最低功耗为4.5ma。在本发明的多路复用解决方案(配置3)中，总功耗来自仪表放大器(in-amp)、微控制器单元的模数转换器(adc)，来自多路复用器开关。在本发明的配置3中，仅使用一个仪表放大器(in-amp)，并且该放大器的消耗测量为约200μa。本发明的仪表放大器(in-amp)也是根据诸如快速响应和高cmrr的其他所需特性选择的。关于本发明中模数转换器(adc)的功耗，可以使用低功率sar。测量sar的功耗为100μa。如以上关于配置1所讨论的，进行该计算时考虑到在整个数据获取期间不打开sar。更详细地，八个emg信号中的每一个每25μs切换一次，这意味着对于八个emg信号，测量时间为25μs*8＝200μs。采样每1ms发生一次，这意味着对于此周期(800μs)的剩余时间，模数转换器(adc)处于休眠模式，并且不消耗功率。对于模数转换器(adc)打开的时间段内，该组件的功耗测量为100μa。最后，本发明中的多路复用器开关的功耗测量为大约20μs。鉴于上述测量，本发明的模拟前端(afe)配置(配置3)的总功耗为320μa。因此，就功耗而言，本发明的模拟前端(afe)配置(配置3)远优于配置1和配置2。下表2总结了三种配置的功耗。关于用于三种配置的电池寿命，较低的功耗意味着较长的电池寿命或选择较小电池的能力，从而导致设备的尺寸的进一步减小，这对于可穿戴应用是有利的。表2.afe功耗表。unk表示未知。为了估算三种模拟前端(afe)配置的成本，选择了适当的组件来提供所需的性能。在配置1中，选择了典型模拟前端(afe)实现中常用的标准仪表放大器(in-amp)和运算放大器(op-amp)。在配置2中，成本分析基于由ti制造的ads1*9*系列。最低成本的解决方案是本发明的模拟前端(afe)配置(配置3)。首先，配置1使用八个仪表放大器(in-amp)，而本发明的配置(配置3)使用一个放大器，这意味着就放大器成本而言，它具有配置1的成本的1/8。配置2使用本发明未使用的昂贵芯片(soc)。另外，配置2包括多个模数转换器(adc)，而在配置1和本发明(配置3)中，可以使用微控制器的模数转换器(adc)，这是大多数微控制器中的标准。因此，在本发明中，外部模数转换器(adc)组件没有额外成本。在表3中总结了本发明(配置3)相对于其他两种配置(配置1和配置2)的优点。表3.三(3)种afe配置的比较。在本发明中，用于获取emg信号的装置包括与服装分开生产的电极。因此，本发明的电极可以批量生产以适合来自不同制造商的不同类型的服装。唯一的变化是服装的类型(例如，短裤与衬衫)和服装的尺寸(例如，小、中、大等)。大量生产电极的能力以及本发明的简单的电极/织物融合工艺降低了其上集成有电极的服装的制造成本。本发明的电极利用多材料方法，使得本发明的电极是可拉伸的、可机洗的以及可机滚烘干的。本发明的电极的不引人注目的设计优化了皮肤-电极接口，用于提供对用户的皮肤的稳定和有力的抓持。因此，本发明的电极提供了改进的织物黏附力、织物一致性以及电极-皮肤接口。这使得本发明的电极在接触用户的皮肤时舒适、方便并且耐用。图8a示出了通过印刷多层导电油墨和非导电绝缘体油墨材料形成的本发明的传感器(6)。可用于印刷多层油墨的方法包括例如丝网印刷、柔性版印刷等。多层传感器(6)包含非导电绝缘体油墨的保护绝缘层(1)。非导电绝缘体油墨可以包含例如水基油墨或塑溶胶基油墨。保护绝缘层(1)是例如将导电油墨与诸如污垢、皮肤细胞、水、化学品等的其他元件密封的衬底。保护绝缘层(1)印刷到传热膜(16)上，用作用于传感器(6)的传输剂。传热膜(16)例如可以由诸如聚酯的材料制成。保护导电层(2)和导电层(3)然后印刷到保护绝缘层(1)上。导电层(2)和导电层(3)形成一对电极(6a，6b)及其接线。每个电极(6a，6b)的保护导电层(2)例如由诸如柔性银基油墨或氯化银基油墨的保护导电油墨制成，并且每个电极(6a，6b)的导电层(3)例如由诸如银基导电油墨的高导电油墨制成。导电层(3)用作能够捕获生物特征信号的生物特征电极。导电层(3)表现出与用户的皮肤的良好接口。多层传感器(6)还包含保护绝缘层(4)，其可以包括一些黏附功能。保护绝缘层(4)例如由诸如水基油墨或塑溶胶基油墨的材料构成。多层传感器(6)还包含例如由诸如水基黏附剂或塑溶胶基黏附剂的材料制成的黏附层(5)。这些非导电绝缘体油墨的附加印刷物应用在导电油墨上，以例如将感官材料与诸如污垢、皮肤细胞、水、化学品等的其他元件密封，并提供服装和传感器(6)之间的黏附力。在图8b中示出了将几个传感器导线(15)合并在一起的多层接口(7)。该多层接口(7)包含保护绝缘层(1)、保护导电层(2)、导电层(3)、可以包括一定黏附功能的保护绝缘层(4)以及黏附层(5)。传感器(6)印刷到其上的传热膜(16)热压在服装(17)上，用于将印刷的传感器(6)永久地粘合到服装(17)的织物上。如图9a所示，服装(17)由内向外翻转，并且传热膜(16)对准服装(17)，使得当由用户穿戴服装(17)时，传感器(6)的电极(6a，6b)位于对应于受关注的肌肉的位置。如图9b所示，传热膜(16)然后放置在服装(17)的上部。如图9c、图9d以及图9e所示，传热膜(16)缠绕在服装(17)周围，并且然后进行短时间的热压。如图10a、图10b以及图10c所示，在热压工艺完成并且传热膜冷却之后，并且去除传热膜(16)，使印刷传感器(6)永久地粘合到服装上。为了穿戴舒适，计算、监控从传感器获得的生物信号信息并将其发送到单独的诸如智能手机的显示设备的可穿戴设备应该是小且易于穿戴的。另外，将信号导线合并在一起用于与可穿戴设备连接的连接器/插座的尺寸应较小。尽管一些可穿戴设备已经减小了尺寸，但是笨重的连接器实质上增加了它们的最终尺寸。连接器造成的添加的体积限制了服装上可能的放置选项，因为在身体上很少有可以放置大型连接器的地方，而不会引起用户的移动性的问题。在大多数连接器中发现的另一个限制是输入的数目少，这意味着即使硬件能够获取许多信号，端部连接器也会太大，任何人都不能穿上一件服装。本发明的连接器/插座(12)是耐用的，并且具有最小的占地面积，这意味着它可以放置在一件服装周围的许多位置上。因此，当穿戴服装时，连接器(12)可以位于人体的许多不同位置附近。连接器/插座(12)的减小的尺寸的示例性尺寸(dimensions)为约6cm的宽度、约5.6cm的长度以及约0.65cm的高度。本发明的连接器(12)还增加了可以发送到中央设备(13)的信号的数目，保持了信号质量，降低了用于制造的成本和时间，并且简化了在服装上的传感器集成，从而无需特殊的机械。如图11至图14所示，连接器(12)包含将来自每个传感器(6)的传感器导线(15)组合在一起的接口(7)。接口(7)牢固地固定在连接器(12)的印刷电路板(pcb)(8)的上部。接口(7)和印刷电路板(8)由内部和外部盖(9，10)覆盖，以确保放置、信号完整性以及耐水性。来自传感器(6)的信号通过接口(7)发送到印刷电路板(pcb)(8)的导线(14)。导线(14)牢固地固定在连接器(12)中，并且当中央设备(13)插入连接器(12)时，导线(14)与中央设备(13)的弹性体连接器(11)不断接触。这完成了连接器(12)、中央设备(13)的接口。以这种方式，连接器(12)以尽可能少的步骤将来自传感器(6)的信号直接发送到中央设备(13)，同时实现最小的尺寸和成本。当未穿戴中央设备(13)时，由于连接器(12)的尺寸最小，因此还实现了改进的用户体验，并且当穿戴中央设备(13)时，连接器(12)和中央设备(13)的尺寸仍然是可管理的，以便在锻炼时不以任何方式阻碍用户。图15至图23示出了在一件服装(17)上传感器集成的步骤。这些图本质上是示例性的，并且不旨在限制本发明的范围。例如，图15至图23所示的一件服装(17)是一条运动裤，并且可以设想不同类型的诸如上衣的服装例如还可以包括本发明的传感器集成，用于监控用于人体不同部位的肌肉活动。图15示出了在传感器集成之前，即传感器(6)和传感器导线(15)附接到服装(17)之前的一件服装(17)。图16示出了其上印刷有传感器(6)和传感器导线(15)的传热膜(16)。图17示出了热压传热膜(16)以将来自传热膜(16)的传感器(6)和传感器导线(15)永久地粘合到一件服装(17)上。在传感器(6)和传感器导线(15)永久地粘合到服装(17)之后，去除传热膜(16)。图17示出了通过通常用于熨烫衣服的手持熨斗热压传热膜(16)。这仅是将传感器(6)和传感器导线(15)热压到一件服装(17)上的一种方式的实例，并且用于将传感器(6)和传感器导线(15)热压到服装上的附加方法是可能的，尤其是工业压制方法。图18示出了将印刷电路板(pcb)(8)放置到接口连接器(7)上，该接口连接器(7)将集成在一件服装(17)上的传感器导线(15)合并在一起。图19和图20示出了具有固定在印刷电路板(pcb)(8)和接口连接器(7)上的内部盖(9)的一件服装(17)的内部视图。图19和图20还示出了永久地粘合到一件服装(17)的内部的传感器(6)和传感器导线(15)。图21示出了在一件服装(17)上具有外部盖(10)的连接器(12)的外部图像。最后，图22示出了插入连接器(12)中的中央设备(13)的视图。当中央设备(13)成功地固定到连接器(12)中时，在中央设备(13)和传感器(6)之间建立连接。中央设备(13)包含模拟前端系统，以及用于收集、计算以及转发从传感器(6)获得的测量的处理器和存储器。中央设备(13)例如被配置为例如经由蓝牙技术无线地转发数据，使得数据可以被发送到显示屏以供用户查看。作为实例，数据可以被发送到智能手机以供用户查看。因此，中央设备(13)使用模拟前端系统来收集从集成到服装(17)上的传感器(6)获得的emg信号，并且被配置为将该数据发送到显示屏以供用户查看。例如，数据可以被发送到具有显示屏的移动设备以供用户查看。还可以设想中央设备(13)还可以跟踪和监控用户的移动。另外，除了监控由用户的肌肉生成的电信号之外，传感器(6)还可以获得关于诸如心率、呼吸速率、体温等的附加身体信号的数据。因此，除了计算与肌肉输出有关的生物特征之外，中央设备(13)还可以计算、监控以及转发关于活动电平、心率、呼吸速率、燃烧的卡路里以及由穿戴其上集成有传感器(6)的服装(17)的用户采取的步骤，以及插入连接器中的中央设备(13)。尽管上面已经描述了本发明的各种实施方式，但是应当理解，它们是作为示例而不是限制来呈现的。对于相关领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。因此，本发明不应被上述任何示例性实施方式限制，而应仅根据以下权利要求及其等同物来限定。当前第1页1 2 3