CN103230271B - 一种可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列，用于测量人体的肌电信号，其包括用于佩戴于肢体的筒式的弹性衬底和用于与肢体表面接触的多个干式电极。多个干式电极固定在弹性衬底上并形成至少一个环绕弹性衬底的电极环，各个干式电极皆通过电极导线引出；在电极环中，任意两个相邻的干式电极间的距离皆相等；电极环中的任意两个相邻的干式电极之间，在肢体的表层皮肤内形成一个肌电通道，各个肌电通道呈之字形排布。本发明结构简单、制作方便并且使用方便，其能保证使用时与肢体表面接触的各个干式电极不发生移位且保持各个干式电极间的距离的一致，由此简化了后期肌电信号处理难度，提高了系统的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及生理信号的电检测技术领域，尤其涉及一种可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列。
背景技术
对人体或动物体的生理信号进行电学检测是目前临床常用的检查方法之一，一般通过电极来摄取人体或动物体的各种生物电位进行检测。肌电信号是肌肉收缩时伴随的电信号，测量人体的肌电信号是在体检测肌肉活动的重要方法。并且，肌电信号可应用于肌肉相关的神经疾病的检测与诊断，还可作为一种人机接口用于机械设备、假肢及计算机控制与操作。
一般来说，肌电信号的采集有两种不同的手段，即侵入式肌电信号采集与表面肌电信号采集。其中，侵入式肌电信号采集通常需要用两根针刺入肌肉内部，并用电极导线与肌电信号采集系统相连，来观察肌电信号特征，评价病人病情。而表面肌电信号采集只需要将电极贴于肌肉表面，即可以用同样的方式观察到肌肉的活动。由于后者不存在疼痛，较受欢迎。本发明涉及的为后者，多通道地采集表面肌电信号，并用于假肢的控制。
目前临床测定生物电位大多采用诸如金属圆盘电极的湿式的一次性电极，这些电极和皮肤之间通过导电膏或生理盐水与皮肤接触来减小接触阻抗。但是，由于皮肤湿式电极容易因为移动产生运动伪差，因此引起皮肤表面的电极位置的不确定的缺点，另外，肌电通道数量少以及设备配置时间长也是这类表面肌电信号采集方式的缺点。
皮肤干式电极采用电容耦合的原理测定信号，它们不需要使用导电膏或生理盐水来与皮肤接触，因此采用皮肤干式电极进行肌电信号采集可以改善运动伪差，并避免导电膏对皮肤的腐蚀和刺激。但是，目前皮肤干式电极多为在硅片上采用半导体加工工艺制作，加工工艺复杂且成本较高。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列，其适合于配戴在人体四肢，制作简单且其电极间位置相对稳定、可重复使用。
发明内容
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提供一种可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列，通过改装湿式电极并将其成阵列地固定于弹性衬底而实现。
为实现上述目的，本发明提供了一种可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列，其特征在于，包括用于佩戴于肢体的筒式的弹性衬底和用于与所述肢体表面接触的多个干式电极，所述多个干式电极固定在所述弹性衬底上并形成至少一个环绕所述弹性衬底的电极环，各个所述干式电极皆通过电极导线引出；
在所述电极环中，任意两个相邻的所述干式电极间的距离皆相等；
所述电极环中的任意两个相邻的所述干式电极之间，在所述肢体的表层皮肤内形成一个肌电通道，所述各个肌电通道呈之字形排布。
进一步地，所述干式电极由Ag/AgCl湿式电极改装得到，所述改装包括步骤：
去除所述Ag/AgCl湿式电极上的导电胶；
沿所述Ag/AgCl湿式电极的金属部分的外缘去除所述Ag/AgCl湿式电极上的粘贴海绵。
进一步地，其中所述肢体包括人体的上肢和下肢。
进一步地，所述弹性衬底内包含均匀分布的弹性纤维。
进一步地，所述弹性衬底的材料为弹性纤维布。
进一步地，所述弹性纤维包括天然乳胶丝和/或多嵌段聚氨酯纤维。
进一步地，所述多个干式电极环绕所述弹性衬底形成两个或两个以上所述电极环，不同的所述电极环中的所述干式电极的个数相同或不同。
进一步地，不同的所述电极环中的两个所述干式电极之间的距离相同或不同。
在本发明的较佳实施方式中，提供了一种可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列，其包括筒式的弹性衬底和16个固定在该弹性衬底上的干式电极。筒式的弹性衬底用于佩带于包括人体上肢和下肢的肢体，弹性衬底由内部包含均匀分布的弹性纤维的材料制作，其可以受力伸长并在撤去作用力后回复原状。16个干式电极为通过改装Ag/AgCl湿式电极改装得到，其中干式电极的正面用以与肢体表面接触，背面与肌电信号采集系统相连接以将摄取的生物电位引出。各个干式电极分布在筒式的弹性衬底的内表面，各个干式电极的背面上的凸起部分穿过筒式的弹性衬底分别与连接到肌电信号采集系统的电极导线的按扣母体接合。16个干式电极在筒形的弹性衬底上形成了两个环绕弹性衬底的电极环，且各个干式电极排列符合：在一个电极环中，任意两个相邻的干式电极间的距离皆相等。使用本发明的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列时，将其弹性衬底佩带在待测肢体上。弹性衬底被肢体撑开，其回复力将使分布于其内表面的干式电极中的每一个的正面贴合肢体表面。每一个电极环中的任意两个相邻的干式电极之间，在肢体的表层皮肤内形成一个肌电通道。本发明的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列在使用时各个电极环产生的各个肌电通道为呈之字形排布。
由此可见，本发明的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列采用弹性衬底固定各个干式电极，可以方便快速地佩戴，从而减少测试的准备时间；并且虽然不同测试对象的肢体粗细不同，佩戴在不同粗细的肢体上的本发明的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列的各个干式电极间的距离会不相同，但对于同一个测试对象的肢体，由于弹性衬底的均匀延伸性，各个干式电极间的距离可以保持一致，并且弹性衬底的回复力将有效地保证与肢体表面接触的各个干式电极不发生移位，因此本发明的这种设计有助于简化后期肌电信号处理难度，提高了系统的鲁棒性。另外，本发明采用改装Ag/AgCl湿式电极得到的干式电极，方法简单而且实用。
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
图1是本发明的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列的展开示意图。
图2显示了通过改装Ag/AgCl湿式电极得到的本发明的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列的干式电极的正面。
图3显示了通过改装Ag/AgCl湿式电极得到的本发明的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列的干式电极的背面。
图4显示了佩带了的本发明的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列的上肢的背面。
图5显示了佩带了的本发明的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列的上肢的正面。
具体实施方式
图1为在一个较佳的实施例中，本发明的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列展开示意图。如图1所示，在本实施例中，本发明的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列包括弹性衬底20和16个固定在弹性衬底20上的干式电极1-16。在实际使用中，本发明的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列的弹性衬底20为筒形，即图1所示的弹性衬底20的左、右两边是连在一起的。这样16个干式电极1-16在筒形的弹性衬底20上形成了两个环绕弹性衬底20的电极环。其中，干式电极1-8形成了一个电极环，干式电极9-16形成了另一个电极环。需要说明的是，在本发明的其他实施例中，可以使用其他个数的干式电极，并且这些干式电极可以在筒形的弹性衬底上形成一个或多于两个环绕弹性衬底的电极环。
弹性衬底20具有弹性，在受到拉伸力的作用时，弹性衬底20将在受力方向被均匀地拉伸伸长，在撤去该拉伸力后，弹性衬底20将回复其原来的形状。可以使用内部包含均匀分布的弹性纤维的材料制作弹性衬底20，例如弹性纤维布。弹性纤维即弹性体纤维（elastomeric fibre），其为具有高断裂伸长（400％以上）、低模量和高弹性回复率的合成纤维，例如天然乳胶丝、多嵌段聚氨酯纤维等。筒式的弹性衬底20用于佩带于包括人体上肢和下肢的肢体。
图2和3分别显示了本实施例中使用的本发明的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列的干式电极1的正面和背面，其中干式电极1的正面用以与肢体表面接触，其背面用于与电极导线连接。
本实施例中使用的干式电极1-16为通过改装Ag/AgCl湿式电极得到，改装的具体步骤如下：
1、选用Ag/AgCl湿式电极；
2、去除各个Ag/AgCl湿式电极上的导电胶，具体地，可以使用柔软的布料擦拭附着于各个Ag/AgCl湿式电极的Ag/AgCL材料上的导电胶体；
3、沿各个Ag/AgCl湿式电极的金属部分的外缘去除其上的粘贴海绵，具体地，可以使用剪刀沿各个Ag/AgCl湿式电极中的圆形金属部分的外缘将粘贴海绵剪去，仅保留各个Ag/AgCl湿式电极中具有金属质感的坚硬固体。
干式电极1-16以图1中所示的方式被排列固定在弹性衬底20上，其中干式电极1-16分布在筒式的弹性衬底20的内表面，干式电极1-16的背面的各个凸起部分穿过筒式的弹性衬底20。干式电极1-16的排列符合：在一个电极环中，任意两个相邻的干式电极间的距离皆相等。即如图1所示的，在由干式电极1-8形成的电极环中，干式电极1与干式电极2之间的距离、干式电极2与干式电极3之间的距离、…、干式电极7与干式电极8之间的距离以及干式电极9与干式电极1之间的距离皆相等；在由干式电极9-16形成的电极环中，干式电极9与干式电极10之间的距离、干式电极10与干式电极11之间的距离、…、干式电极15与干式电极16之间的距离以及干式电极16与干式电极9之间的距离皆相等。需要说明的是，本实施例中，两个电极环中的干式电极的个数相同，都是8个，但在其他的实施例中，不同的电极环中的干式电极的个数可以不相同。另外，本实施例中，两个电极环中的相邻两个干式电极之间的距离相同，例如干式电极1与干式电极2之间的距离等于干式电极9与干式电极10之间的距离，但是在其他的实施例中，不同的电极环中的相邻两个干式电极之间的距离可以不相同，例如一个电极环中的相邻两个干式电极之间的距离大于另一个电极环中的相邻两个干式电极之间的距离。
图4和5显示了佩带了的本发明的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列的上肢的背面和正面，从图中可以看出，佩带在人体上肢的本发明的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列的弹性衬底20被肢体撑开，且弹性衬底20的回复力将使分布于其内表面的干式电极1-16中的每一个的正面贴合肢体表面。干式电极1-16中的每一个的背面的凸起部分皆穿过筒式的弹性衬底20以分别与电极导线的按扣母体接合。电极导线的一端为按扣母体，另一端为电极插头，其为本领域常用的扣式电极线，在此不赘述。按扣母体与Ag/AgCl湿式电极的背面的凸起部分以按压的方式接合，并可以剥离的方式解除两者之间的接合；电极插头与肌电信号采集系统的输入端连接，这样，电极导线可以方便地将Ag/AgCl湿式电极连接到肌电信号采集系统或者解除其与肌电信号采集系统之间的连接。由于本发明的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列的干式电极是由Ag/AgCl湿式电极改装得到的，其背面保留了Ag/AgCl湿式电极的背面的凸起部分，因此干式电极1-16中的每一个背面的凸起部分皆穿过筒式的弹性衬底20以分别与16个电极导线的按扣母体接合以将对应的干式电极的正面摄取的生物电位引出到肌电信号采集系统。
将干式电极1-16的背面的凸起部分穿过筒式的弹性衬底20被包括于本实施例中将干式电极1-16固定在筒式的弹性衬底20上的步骤中，具体固定步骤为：在筒式的弹性衬底20的表面做标记，以分别标定待固定干式电极1-16的位置；分别将干式电极1-16中的每一个的背面的凸起部分对准筒式的弹性衬底20上的标记，并在该位置处从筒式的弹性衬底20的内表面穿过筒式的弹性衬底20以露出于筒式的弹性衬底20的外表面；分别将16个电极导线的按扣母体与干式电极1-16中的每一个的背面的凸起部分接合。
在使用本发明的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列时，一个电极环中的任意两个相邻的干式电极之间，将在肢体的表层皮肤内形成一个肌电通道。本实施例中，在由干式电极1-8形成的电极环中，干式电极1与干式电极2之间、干式电极2与干式电极3之间、…、干式电极7与干式电极8之间以及干式电极9与干式电极1之间分别形成一个肌电通道；在由干式电极9-16形成的电极环中，干式电极9与干式电极10之间、干式电极10与干式电极11之间、…、干式电极15与干式电极16之间以及干式电极16与干式电极9之间分别形成一个肌电通道。因此，本实施例中，本发明的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列在使用时可以形成16个肌电通道。并且，由于一般地可以认为，肌电通道为表层皮肤内与两个电极的接触点间的直线的电流流动路径，因此，从图1可以看出，本发明的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列在使用时各个电极环产生的各个肌电通道为呈之字形排布。
另外，为了保证在实际使用中，本发明的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列的各个干式电极与皮肤的紧密接触，在将本发明的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列的筒式的弹性衬底佩带在需要测试的肢体上后，还可以在该弹性衬底外多佩戴一层筒式的弹性衬底。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的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。
Claims (8)
1.一种可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列，其特征在于，包括用于佩戴于肢体的筒式的弹性衬底和用于与所述肢体表面接触的多个干式电极，所述多个干式电极分布在所述筒式的弹性衬底的内表面，所述多个干式电极的背面上的凸起部分穿过所述筒式的弹性衬底分别与连接到肌电信号采集系统的电极导线的按扣母体接合，并形成至少一个环绕所述弹性衬底的电极环，各个所述干式电极皆通过电极导线引出；
在所述电极环中，任意两个相邻的所述干式电极间的距离皆相等；
所述电极环中的任意两个相邻的所述干式电极之间，在所述肢体的表层皮肤内形成一个肌电通道，所述各个肌电通道呈之字形排布。
2.如权利要求1所述的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列，其中所述干式电极由Ag/AgCl湿式电极改装得到，所述改装包括步骤：
去除所述Ag/AgCl湿式电极上的导电胶；
沿所述Ag/AgCl湿式电极的金属部分的外缘去除所述Ag/AgCl湿式电极上的粘贴海绵。
3.如权利要求1或2所述的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列，其中所述肢体包括人体的上肢和下肢。
4.如权利要求3所述的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列，其中所述弹性衬底内包含均匀分布的弹性纤维。
5.如权利要求4所述的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列，其中所述弹性衬底的材料为弹性纤维布。
6.如权利要求4或5所述的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列，其中所述弹性纤维包括天然乳胶丝和/或多嵌段聚氨酯纤维。
7.如权利要求6所述的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列，其中所述多个干式电极环绕所述弹性衬底形成两个或两个以上所述电极环，不同的所述电极环中的所述干式电极的个数相同或不同。
8.如权利要求7所述的可用于获取四肢表面肌电信号的可佩戴电极阵列，其中不同的所述电极环中的两个所述干式电极之间的距离相同或不同。
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