一种表面肌电、A型超声和惯性测量单元联合采集装置的制作方法

本发明涉及人机接口，尤其涉及一种表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置。

背景技术：

1、人机接口(human machine interface)技术指的是机械或电子设备与人的意识之间交流的界面。它在人与计算机之间建立联系、交换信息的输入/输出设备的接口，人机接口通过一系列相应的传感技术获取人体的生理信号，常用的信号如肌电信号、脑电信号、肌音信号、近红外信号等。对这些信号经过特定的分类算法获知人类的运动“意图”，分析人体的生理情况，从而控制假肢、外骨骼等外部设备。

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。表面肌电信号反映了肌肉组织的生理活动和状态，且便于测量，具有较高的信噪比，这种无创的检测方法通常用作人机接口控制假肢、外骨骼或其他外部设备。

3、但表面肌电信号本身存在很多问题，易受干扰影响，反映的事肌肉表层的信息，空间分辨率低，此外表面肌电信号容易受到外界电磁场环境影响，因出汗而导致的皮肤电阻抗特性变化也会对其产生干扰，使用的稳定性问题难以完全解决。

4、a型超声信号(a scan ultrasonography)是一种一维的声波信号，可以反映该维度上回波的位置和幅值强度，a型超声采集设备通过高压激励波使探头中的压电陶瓷振动，产生一维的超声信号并传导进入肌肉，遇到肌肉骨骼界面时反射超声回波，通过采集回波信号获得肌肉的形态学信息，可以用于构建人机接口。

5、此外，表面肌电信号和a型超声信号只能测到肌肉形态和电信号，并不能获得运动肢体的运动参数，惯性测量单元(inertial measurement unit,imu)核心部件包括加速度计、陀螺仪、磁力计三者，用于测量物体空间加速度以及角速度等运动数据，在人机接口中通常用来捕捉肢体的运动速度和姿态。

6、目前已有结合表面肌电信号和imu的人机接口设备，结合表面肌电信号和a型超声的人机接口设备，也有结合表面肌电信号、a型超声和imu传感器的穿戴式模块设计，但是没有具体的表面肌电信号、a型超声和imu信号的同步采集设备，用于同时采集、传输表面肌电信号、a型超声和imu传感器三种信息。

7、目前市面上不存在肌电/超声/imu三模态同步采集设备，主要是因为存在以下技术难点：(1)三种模态信号的高精度同步是技术难点；(2)不同模态信号之间的干扰抑制是另一个技术难点。

8、此外，针对本发明的应用场景，方案需要做到小型化、便携，如果没有集成采集设备，就需要使用多个设备进行同时采集，无法满足便携场景需求。

9、因此，本领域的技术人员致力于开发一种表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，以实现三种模态信号的同步采集，以便能够在人体上进行多源信息的采集，提高人机接口的鲁棒性。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题包括

2、(1)如何实现三模态信息采集，从人体上采集到同一时间段的三种信号，并将这三种信号通过无线的方式传输到上位机上进行数据处理。

3、(2)如何使采集到的三种信号同步；

4、(3)如何在同一位置进行信号采集。

5、为实现上述目的，本发明提供了一种表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，包括主控模块、电源管理模块、数据传输模块、肌电采集模块、超声采集模块和惯性测量单元采集模块；

6、所述肌电采集模块将采集到的肌电信号传送给所述主控模块；

7、所述主控模块向所述超声采集模块发送激励超声信号，所述超声采集模块将回波信号回传发送给所述主控模块；

8、所述惯性测量单元采集模块将采集到的imu信号发送给所述主控模块；

9、所述主控模块将数据发送给所述数据传输模块。

10、进一步地，所述主控模块包括主控制器及其周边电路；所述主控制器通过通用i/o引脚或者片上的外设功能引脚与外部通信。

11、进一步地，所述电源管理模块提供+1.8v、±2.5v、±3.3v、±5v、±50v等9种不同的供电电压。

12、进一步地，所述数据传输模块包括以太网有线通信接口和wifi无线通信接口。

13、进一步地，所述主控制器从先入先出缓存电路中读取超声回波数据，从中断引脚读取肌电数据和imu数据，并把所述超声回波数据、所述肌电数据和所述imu数据通过所述以太网有线通信接口或所述wifi无线通信接口传送给上位机软件。

14、进一步地，所述超声采集模块包括波束形成器电路、逻辑控制电路、高压激励与回波接收电路。

15、进一步地，所述超声采集模块还包括超声回波处理模块；所述超声回波处理模块包括可变增益放大电路、差分驱动电路、采样时钟设置电路、模数转换电路、先入先出缓存电路。

16、进一步地，所述肌电信号采集模块包括肌电采集芯片，肌电信号滤波电路以及肌电电极接口。

17、进一步地，所述肌电信号滤波电路的下限截止频率为10～20hz，上限截止频率为450～500hz。

18、进一步地，所述imu采集模块被配置为利用imu采集芯片，采集100hz的三轴加速度、角加速度和角度信号。

19、与现有技术方案相比，本发明的有益技术效果包括：

20、(1)本发明在技术上实现了a型超声、肌电、imu信号在单台设备的同步采集，更好地补充目前人体运动分析中多模态信号的采集使用。

21、(2)为人体运动分析及运动意图判断提供了更好更方便的手段，例如中风后患者的运动情况分析，截肢患者的假肢、外骨骼等控制。

22、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。

技术特征：

1.一种表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，其特征在于，包括主控模块、电源管理模块、数据传输模块、肌电采集模块、超声采集模块和惯性测量单元采集模块；

2.如权利要求1所述的表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，其特征在于，所述主控模块包括主控制器及其周边电路；所述主控制器通过通用i/o引脚或者片上的外设功能引脚与外部通信。

3.如权利要求2所述的表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，其特征在于，所述电源管理模块提供+1.8v、±2.5v、±3.3v、±5v、±50v等9种不同的供电电压。

4.如权利要求3所述的表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，其特征在于，所述数据传输模块包括以太网有线通信接口和wifi无线通信接口。

5.如权利要求4所述的表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，其特征在于，所述主控制器从先入先出缓存电路中读取超声回波数据，从中断引脚读取肌电数据和imu数据，并把所述超声回波数据、所述肌电数据和所述imu数据通过所述以太网有线通信接口或所述wifi无线通信接口传送给上位机软件。

6.如权利要求5所述的表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，其特征在于，所述超声采集模块包括波束形成器电路、逻辑控制电路、高压激励与回波接收电路。

7.如权利要求6所述的表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，其特征在于，所述超声采集模块还包括超声回波处理模块；所述超声回波处理模块包括可变增益放大电路、差分驱动电路、采样时钟设置电路、模数转换电路、先入先出缓存电路。

8.如权利要求7所述的表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，其特征在于，所述肌电信号采集模块包括肌电采集芯片，肌电信号滤波电路以及肌电电极接口。

9.如权利要求8所述的表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，其特征在于，所述肌电信号滤波电路的下限截止频率为10～20hz，上限截止频率为450～500hz。

10.如权利要求9所述的表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，其特征在于，所述imu采集模块被配置为利用imu采集芯片，采集100hz的三轴加速度、角加速度和角度信号。

技术总结
本发明公开了一种表面肌电、A型超声和惯性测量单元联合采集装置，涉及人机接口技术领域，包括主控模块、电源管理模块、数据传输模块、肌电采集模块、超声采集模块和惯性测量单元采集模块。主控模块包括主控制器及其周边电路，主控制器通过通用I/O引脚或者片上的外设功能引脚与外部通信。主控制器从先入先出缓存电路中读取超声回波数据，从中断引脚读取肌电数据和IMU数据，并把三种数据包通过数据传输模块传送给上位机软件。该装置实现了A型超声、肌电、IMU信号在单台设备的同步采集。

技术研发人员：刘洪海,常辉,盛译萱,刘一凡,卞家兴
受保护的技术使用者：交浦科技（深圳）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15