一种异构表面肌电采集装置

1.本发明涉及人机交互技术领域，尤其涉及一种异构表面肌电采集装置。


背景技术：

2.表面肌电信号(surface electromyogram,semg)是指从肌肉表面通过电极记录下来的神经肌肉系统活动时的生物电信号。大脑皮层的运动意图信号，通过脊髓的运动神经元传导到轴突末梢连接的肌纤维。之后肌纤维产生电位变化，引起肌肉收缩并在人体软组织及皮肤表面产生电流场，在该电流场中检测到的电位差就称作肌电信号。
3.semg幅值约为0-5mv，主要频带在20-500hz，绝大部分在50-150hz，300hz以上明显减弱，信号具有很差的稳定性和很强的随机性。此信号的空间分辨率虽然没有传统针式肌电图高，但是其拥有较好的重复性，而且探测空间也比较大。大量研究发现，表面肌电信号是来自于脊髓
ɑ
运动神经元的电生理活动，而此神经元受控于大脑运动皮层。产生的肌电信号的频率和振幅则是受生理因素和测量因素共同影响的，生理因素主要有：因为肌肉功能状态及活动水平不同，进而导致肌纤维募集方式和运动单元同步化活动的不同；测量因素主要包括：肌肉长度、皮肤温度、肌肉收缩方式、信号串线和电极位置等。在规范操作下，对所采集到的表面肌电信号进行定量分析，可使研究者掌握被试的肌肉激活模式、肌疲劳程度、肌力大小、多肌群的协调性以及运动单元对兴奋的传递速度等一系列深受现代科学工作者广泛关注的问题，因此对于康复医学、体育科学、基础医学等多个学科都具有极其重要的研究意义和应用价值。20世纪60年代至今，人们对于表面肌电信号的检测处理手段逐渐成熟，其应用范围也越来越广，主要体现在临床诊断、智能假肢控制、功能性电刺激及生物反馈研究、体育科学研究等方面。
4.目前已有的表面肌电采集设备主要分为两种：高密度肌电采集设备以及分布式肌电采集设备。高密度肌电采集设备通过高密度电极片同时采集多个通道的高密度肌电信号，分布式肌电采集设备通过多片湿电极采集多个通道的分布式肌电信号。但是，目前的肌电采集设备无法同时采集高密度肌电以及分布式肌电，无法实现肌电采集模块的扩展，肌电采集设备成本高。
5.因此，本领域的技术人员致力于开发一种异构表面肌电采集装置。可以同时采集高密度肌电以及分布式肌电信号，可以实现肌电采集模块的扩展，降低肌电采集设备成本。


技术实现要素：

6.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是同时采集高密度肌电信号以及分布式肌电信号，实现肌电采集模块的扩展，降低肌电采集设备成本。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种异构表面肌电采集装置，包括高密度肌电采集模块和分布式肌电采集模块；
8.所述高密度肌电采集模块采用单端输入的方式与高密度电极片连接采集高密度肌电信号；
9.所述分布式肌电采集模块采用差分输入的方式与湿电极连接采集分布式肌电信号。
10.进一步地，所述高密度肌电采集模块和所述分布式肌电采集模块以不同的菊花链连接并使用不同的spi与主控模块进行通讯。
11.进一步地，所述高密度肌电采集模块为八通道。
12.进一步地，所述分布式肌电采集模块为八通道。
13.进一步地，所述高密度肌电采集模块可插拔。
14.进一步地，所述分布式肌电采集模块可插拔。
15.进一步地，所述高密度肌电采集模块通过金手指和所述主控模块连接。
16.进一步地，所述分布式肌电采集模块通过金手指和所述主控模块连接。
17.进一步地，所述高密度肌电采集模块通过金手指和电源管理模块连接。
18.进一步地，所述分布式肌电采集模块通过金手指和电源管理模块连接。
19.在本发明的较佳实施方式中，设计了两种不同的采集模块：高密度肌电采集模块以及分布式肌电采集模块。每个模块均为八通道，不同种类的采集模块以不同的菊花链连接并使用不同的spi与主控进行通讯，实现不同的配置以及相对独立的通讯。高密度肌电采集模块采用单端输入的方式与高密度电极片连接采集高密度肌电信号，分布式肌电采集模块采用差分输入的方式与湿电极连接采集分布式肌电信号，实现高密度肌电信号和分布式肌电信号的同步采集，可根据具体的需求、实验要求选择使用不同组合的肌电信号。每个采集模块最多可采集八通道的肌电信号并通过金手指与电源管理模块和主控模块连接，采集模块均可插拔，通过多个接口以及采集模块的模块化设计实现可扩展性，同时可以解决出现问题时更换成本高的问题，仅需更换最小的采集模块。
20.本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：
21.1.设计了两种采集模块，高密度肌电采集模块和分布式肌电采集模块，实现同时采集高密度肌电和分布式肌电。能够以1khz的频率同时采集至少128通道高密度肌电信号以及8通道分布式肌电信号。
22.2.可扩展。能够扩展肌电采集通道数量。采集模块以八通道为一片，可通过增加采集模块数量对通道数量进行扩展。
23.3.成本低。仅需更换有问题的采集模块。
24.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
25.图1是本发明的一个较佳实施例的异构肌电采集系统原理框图；
26.图2是本发明的一个较佳实施例的基准电压电路；
27.图3是本发明的一个较佳实施例的右腿驱动电路。
具体实施方式
28.以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限
于文中提到的实施例。
29.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
30.在本发明的较佳实施方式中，异构表面肌电采集装置主要功能是对人体进行高密度表面肌电和分布式表面肌电的同步采集，预处理，并传送至上位机软件。
31.如图1所示，采集系统可分为电源管理模块、主控模块、数据传输模块、高密度肌电采集模块、分布式肌电采集模块。
32.电源管理模块需要为主控模块、数据传输模块、高密度肌电采集模块、分布式肌电采集模块供电，需要产生5v、3.3v、+2.5v、-2.5v、gnd这五个电压值，其中由于涉及到模拟电路和数字电路，数字电路中涉及到高速通信(spi、rmii)，会引入高频噪声，所以需要将模拟电路与数字电路隔离开，以免模拟信号受到污染。
33.主控模块需要完成以下功能：1)控制整个设备；2)与上位机进行通信。整个设备采集至少128通道高密度肌电和8通道分布式肌电，1khz的采样频率，24位数据精度，根据(1)计算得知完成这样的数据通信，传输速度至少3.264mbps。
34.136
×
1000
×
24＝3264000bps＝3.264mbps
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
35.将全部数据进行预处理以及打包，根据(2)计算每秒需要处理136000个int型数据。如果需要在mcu上做数字滤波器，则需要涉及大量的浮点数运算，而cpu计算一次浮点数至少需要16个时钟周期，这大大的降低了其运算效率，则必须选取有浮点数运算单元(floating point unit，fpu)的芯片作为mcu。
36.1000
×
136＝136000
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
37.最终选择stm32h743作为主控芯片，通过rmii与数据传输模块通信，通过多组spi控制数据采集模块，完成肌电信号的采集、处理和传输。
38.数据传输模块需要在1ms的时间内传输至少400字节的数据，除去数据采集、预处理、打包占用的时间，需要在300us以内完成传输工作，根据(3)计算需要至少10.88mbps的传输速度，考虑到校验位以及发生错误时重新传输，需要更快的传输速度，使用蓝牙、wifi等均无法完成该任务，最终选择支持100m通信速率的快速以太网芯片lan8720a。使用该芯片时搭建的协议每过一段时间会进行一次轮询，以检验当前的网络连接状态，导致stm32运算资源完全被占用，无法进行其他的通信与运算。为了避免此种情况的发生，使用uc/os-ii操作系统保证系统的实时性和安全性。
39.136
×
3333
×
24＝3264000bps＝10.88mbps
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
40.高密度肌电采集模块利用ads1299芯片采用菊花链的方式连接，通过spi与主控模块通信，并采取单端输入的方式，将多个高密度肌电采集模块的负极引出，汇总到高密度电极接口处与高密度电极进行连接，共用正极与右腿驱动电路连接并引出电极与皮肤连接，以此来避免采集到的生物电信号导致放大电信号的仪表放大器饱和，并通过将皮肤上的所有通道的肌电数据相叠加后接入皮肤，以此来抑制共模干扰。但是这样的使用方式也会带来一些问题。一个较为严重的问题是，如果外围电路的设计没有较好的匹配用户的皮肤阻抗，会导致这一部分电路不仅没有抑制共模干扰的作用，反而会引入多余噪声，从而影响到信号质量。另一个就是使用ads1299内置的bias电路会导致电路功耗增大。故设计了两种电
路以满足不同用户的需求，另一种电路(基准电压电路，如图2所示)使用电压跟随器产生不受外界干扰的0v连接到皮肤上，以避免采集到的生物电信号导致用来放大电信号的仪表放大器饱和。
41.分布式肌电采集模块利用ads1299芯片采用菊花链的方式连接，通过spi与主控模块通信，并采取差分输入的方式，将分布式肌电采集模块的正极和负极引出，通过耳机接口与湿电极进行连接，与高密度肌电采集模块共用右腿驱动电路，如图3所示。
42.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。