CN109044330A - 一种基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置，包括肌电采集模块、心电采集模块、惯性测量模块、处理系统、数据存储模块和电源模块；心电采集模块和肌电采集模块分别采集单臂的心电和表面肌电信号，并进行滤波和放大，再输送至处理系统；惯性测量模块被配置为采集单臂多自由度惯性信息，并输送至处理系统；处理系统被配置为基于所述多自由度惯性信息数据，自适应调整处理参数，二次处理肌电和心电信号，并将处理结果存储在数据存储模块；电源模块被配置为装置提供能量。本发明体积小巧、固定方便、测量快捷，能够高可靠地采集心电和单臂表面肌电信号，特别适用于残疾人或患者和运动状态下等非常态场景的信号采集。

Description

一种基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置。

背景技术

表面肌电信号sEMG(surface ElectroMyoGraphy)是肌肉收缩时伴随的电信号，可以理解为多块肌肉产生的电信号在人体表面时间和空间上的综合，体现了肌肉对神经冲动的响应，反映了神经和肌肉的功能状态，是一种在体表无创检测肌肉活动的重要信息。sEMG信号广泛应用于肌肉运动、肌肉损伤诊断、康复医学以及运动体育等方面。另外，正常的人体心脏，在生命活动中呈现的是由规律性、特征性的心电曲线，而心脏器质病变和功能性改变，必然在心电信号上有所改变，呈现出病态的心电曲线。因此，定期观察心电信号，对疾病预防和诊断有重要的临床意义。

表面肌电信号和心电信号典型值一般为1mV。而从皮肤表面含有多种噪声干扰，如工频干扰，信号往往能达到1V甚至更高。因此必须对其进行滤波和放大等处理。现有的技术手段，是先硬件对采集的表面肌电信号和心电信号进行放大和滤波处理，然后经控制器按照设定的采样频率进行采样和AD转换，再按固定参数从算法进行软件滤波和放大。这种方式按固定的参数进行软件滤波和放大信号，未考虑个体差异和运动状态下信号的变化情况。残疾人或患者，信号差异与正常人较大；现有技术手段并未从源头减少噪声信号。此外，现有心电信号采集装置，一般配备多个心电电极，固定于四肢和胸腔部位，测量步骤较为繁琐。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置，能快速采集、自适应不同人体差异和运动状态，且高保真、高可靠地采集心电和单臂肌电信号。

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开发一种能够高保真、自适应不同人体差异和运动状态的便携式的基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置，包括肌电采集模块、心电采集模块、惯性测量模块、处理系统、数据存储模块和电源模块；所述肌电采集模块被配置为采集单臂表面肌电信号，并滤波和放大后输送至所述处理系统；所述心电采集模块被配置为采集心电信号，并滤波和放大后输送至所述处理系统；所述惯性测量模块被配置为采集多单臂自由度惯性信息，并输送至所述处理系统；所述处理系统被配置为基于所述多自由度惯性信息数据，自适应调整处理参数，二次处理所述肌电采集模块和所述心电采集模块输送的信号，并将处理结果存储在所述数据存储模块；所述电源模块被配置为所述处理系统、所述惯性测量模块、所述肌电采集模块和所述肌电采集模块提供能量。

进一步地，至少配置一个所述肌电采集模块；每个所述肌电采集模块包括两个差分肌电电极，单个或多个所述肌电采集模块共用一个参考电极。

进一步地，所述差分肌电电极和所述参考电极为0.5cm²～1cm²的圆形镀金铜片。

进一步地，所述肌电采集模块的所述差分肌电电极和所述参考电极嵌入电磁屏蔽支架。

进一步地，所述惯性测量模块为九轴惯性测量单元，被配置为采集三轴加速度、三轴角加速度和三轴磁力计信息。

进一步地，所述处理系统基于所述多自由度惯性信息，自适应调整二次放大和二次滤波参数，使二次处理后的表面肌电和心电信号的均方根值维持在1.0V～1.5V。

进一步地，所述心电采集模块的电极为表面敷设压敏导电胶的银/氯化银电极。

进一步地，所述银电极和所述氯化银电极通过电磁屏蔽材料包裹的一分二转接线与所述心电采集模块相连。

进一步地，还包括佩戴模块，所述佩戴模块由勾毛同体魔术贴与弹性魔术贴组成。

进一步地，所述电源模块的电源为可充锂电池，且能通过智能手机的mini USB接口线对所述可充锂电池进行充电。

和现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)基于单臂测量表面肌电和心电信号，方便快捷；

(2)融合惯性信息与表面肌电、心电信号采集，可以实现信号提取自适应阈值调整，有效消除单臂心电信号采集的误差和噪声，并能减少运动和个体差异等无用信号的影响；

(3)采集电极和传输线采用电磁屏蔽材料包裹，固定采集电极位置，进一步提高了信号采集的稳定性和质量；

(4)弹性魔术贴与勾毛同体魔术贴的配合，以及外接式采集电极，极大提升模块佩戴灵活性与舒适性。

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是本发明的一个较佳实施例的一种基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置系统结构图；

图2是本发明的另一个较佳实施例的一种基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置信号两级处理流程图；

图3是本发明的另一个较佳实施例的一种基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置示意图；

图4是本发明的另一个较佳实施例的一种基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置的可穿戴部分壳体模块示意图；

图5是本发明的另一个较佳实施例的一种基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置的可穿戴部分壳体模块内部结构示意图；

图6是本发明的另一个较佳实施例的一种基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置系统结构图。

其中，1-肌电采集模块，2-心电采集模块，3-惯性测量模块，4-连接线，5-电源模块，6-通讯模块，7-人机接口，8-心电采集电极，9-一分二连接线，10-弹性魔术贴，11-可穿戴部分壳体模块，12-壳体模块顶盖，13-硬件模块，14-壳体模块底壳，15-为顶盖定位销，16-魔术贴结构孔，17-肌电采集电极，18-参考电极，110-勾毛同体魔术贴，130-mini USB接口，131-心电通道接口，132-顶板，133-锂电池，134-底板，135-系统总开关。

具体实施方式

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。

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。

实施例一

如图1所示为本发明的一个较佳实施例的系统结构图。一种基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置，包括肌电采集模块1、心电采集模块2、惯性测量模块3、处理系统4、数据存储模块和电源模块5。肌电采集模块1被配置为采集单臂表面肌电信号，经滤波和放大后输送至处理系统4；心电采集模块2被配置为采集心电信号，经滤波和放大后输送至处理系统4；惯性测量模块3被配置为采集单臂多自由度惯性信息，并输送至处理系统4；处理系统4被配置为基于所述的多自由度惯性信息，自适应调整处理参数，二次处理肌电采集模块1和心电采集模块2输送的信号，并将处理结果存储在所述数据存储模块；电源模块5被配置为肌电采集模块1、心电采集模块2、惯性测量模块3和处理系统4提供电源。

表面肌电信号和心电信号本身是谐波丰富、变化缓慢的微弱信号。研究表明，表面肌电信号和心电信号典型均方根值一般为1mV～2mV，表面肌电信号有用的频段在0～500Hz之间，心电信号有用的频段在0.05～500Hz。而人体内采集装置固有的电子噪声，尤其是我国电网的50Hz工频干扰，会对心电信号和表面肌电信号的准确获得产生较大的影响。但是，这些干扰信号在放大器的输入端表现为共模信号。因此，可利用差分抑制放大电路对共模信号进行滤除，同时放大有效信号。但过高增益的单级放大电路，容易引起放大器饱和而引起有用信号的丢失，不能达到表面肌电信号和心电信号检测的实际要求。而多级放大电路直接耦合，会引入新的噪声，使得采样信号基线偏移。优选地，采用两级放大处理，一级放大采用漂移低、噪声低、共模抑制比高的差分接线放大器，以消除共模信号的干扰；二级处理可采用含有AD采样功能的处理系统4进行模数转换隔离后，进行再放大。

优选地，至少配置一个肌电采集模块1，每个肌电采集模块1包括两个差分肌电电极17，单个或多个肌电采集模块1共用一个参考电极18。

考虑到不同人群，尤其是肢体残疾的人士，表面肌电信号往往只有正常人的1/3～1/2；而不同运动强度下的表面肌电信号频段和幅值也会有一定的变化。心电信号有类似的情况。为更好地适应实际信号采集过程中不同个体和不同运动状态下的差异，加入惯性测量模块3采集人体的三轴加速度信息、三轴角加速度信息和三轴磁力计信息以衡量人体差异和运动强度。

本实施例中，惯性测量模块3使用MPU9255模块。由于MPU9255模块的磁力计最优采样频率一般为75Hz左右，本实例每13ms对九轴惯性信息进行一次采集。惯性测量模块3通过I²C协议与处理系统4进行通信，处理系统4基于惯性测量模块3的测量数据，自适应调整二次放大和二次滤波参数。优选地，处理系统4处理后的表面肌电和心电信号的均方根值维持在1.5V。

实施例二

图2所示为本发明另一个较佳实施例对所采集的表面肌电与心电信号进行的两级信号处理的流程示意图。

本实施例中，配置了两个肌电采集模块1，多模块采样之后计算平均值，信号失真更小。肌电采集模块1和心电采集模块2的无源带通滤波器用于滤除周边环境的高频噪声和伪运动轨迹的低频信号，获取频段能量较大的有用信号；处理系统4包括AD转换模块和信号二次处理算法模块。其中，信号二次处理算法模块包括50Hz陷波器、自适应的放大和IIR带通滤波算法模块。

为保证一次放大的信号幅值满足AD采样的最低电压，同时尽量滤除环境中的高频噪声，优选地，使用肌电采集模块1对采集的单臂表面肌电信号进行20～100Hz带通滤波处理，并放大100倍，再送入处理系统4中的AD采样模块；使用心电采集模块2对心电进行0.01～100Hz的带通滤波处理，并放大200倍，再送入处理系统4中的AD采样模块；优选地，处理系统4的AD采样基于差分放大原理，对二次处理的表面肌电信号和心电信号的放大倍数的范围，分别设置为4～16倍和4～10倍。

为进一步降低环境噪声对信号采集的影响，优选地，肌电采集模1块的电极为面积0.5cm²～1cm²的圆形镀金铜片；心电采集模块2的电极为表面敷设压敏导电胶的银/氯化银电极。由于表面肌电信号强度与肌肉纤维发达程度正相关，为尽可能获取信噪比较高的信号，优选地，两个差分肌电电极被固定于大臂肱二头肌部位，且单个肌电采集模块1的两个差分肌电电极直线距离不应大于0.5cm。

实施例三

如图3所示为本发明另一个较佳实施例的一种基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置示意图，还包括心电采集电极8，一分二连接线9，弹性魔术贴10，可穿戴部分壳体模块11，勾毛同体魔术贴12。

一对心电采集电极8分别通过纽扣式配合方式一分二连接线9紧密配合，一分二连接线9上的插针与可穿戴部分壳体模块11内的心电通道接口131连接。弹性魔术贴10与勾毛同体魔术贴110分别位于可穿戴部分壳体模块11两侧，并通过可穿戴部分壳体模块11两侧的魔术贴结构孔16与之紧密配合，在保证使用安全性的前提下节约了装置体积。弹性魔术贴10与勾毛同体魔术贴110在装备佩戴在手臂上后，通过勾毛同体魔术贴110的勾毛结合在一起，弹性魔术贴10的使用适配更多不同尺寸的手臂，保证整个设备可穿戴的灵活性。

图4为图3的可穿戴部分壳体模块11的示意图。可穿戴部分壳体模块11包括壳体模块顶盖12，硬件模块13和壳体模块底壳14。硬件模块13整体放置在壳体模块底壳14上。壳体模块顶盖12通过顶盖定位销15与壳体模块底壳14上的定位孔进行配合，通过过度配合，使得壳体模块顶盖12与壳体模块底壳14紧密配合，实现对整个硬件模块13的封装与固定。

图5为图3的可穿戴部分壳体模块11的内部结构示意图，硬件模块13包含顶板132、锂电池133和底板134。其中，顶板132包含惯性测量模块3、处理系统4、通信模块6和数据存储模块；底板134包含肌电采集模块1、心电采集模块2、mini USB接口130、心电通道接口131和系统总开关135。

顶板132与底板134通过两排4P的排针、排母配合，实现板件的电路导通。锂电池133固定于顶板132与底板134之间，通过正负极引线焊接在底板134的正负极焊盘上。系统总开关135位于底板134的背面，实现对整个采集装置的电源通断控制。

本实施例中，肌电差分电极17与参考电极18使用镀金铜圆片纽扣电极，通过电极上的五角爪与底板134紧密相连的配合在一起电磁屏蔽支架，且电磁屏蔽支架凸出壳体模块底壳14外表面0.5mm，以保证肌电差分电极17与参考电极18更好地贴紧皮肤。

本实施例中，为防止电源交-直变换引入50Hz的谐波，同时考虑装置的功耗和使用时间。优选地，电源模块5的电源采用3.7V锂电池供电，且可直接使用智能手机充电器通过mini USB接口的数据线进行充电。

实际工作过程中，电源模块5需要对3.7V锂电池提供的电压进行稳压与反转工作。3.7V的电压经过稳压芯片转换成3.3V的电压，分别提供给肌电采集模块1，心电采集模块2，惯性测量模块3和处理系统4。优选地，本实施例中选择稳压芯片ADP3339-3.3V。由于肌电采集模块1与心电采集模块2内置的放大器还需要-3.3V电压输入，优选地，本实施例采用反压芯片TPS60403，将3.3V电压转换成-3.3V。

实施例四

图6是本发明的另一个较佳实施例的一种基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置系统结构图。

本实施例中，为可视化采集信号以提高校正效果和诊断意义，还配置了通讯模块6和人机接口7。处理系统4通过定时器设定最大公约周期，将接收的多自由度惯性信息和二次处理的表面肌电信号、心电信号进行统一的打包，存入所述数据存储模块；通信模块6通过串口协议，从所述数据存储芯片获取数据，再输送至人机接口7进行显示。

为进一步提高处理系统4的自适应算法的滤波和放大能力，人机接口7还配备专家库系统，以离线深度分析处理系统4在所述数据存储芯片的处理结果，并反馈给处理系统4；处理系统4通过惯性测量模块3的寄存器来优化模块参数，如磁力计的最优采样频率等。优选地，人机接口7配置为智能手机或PC。

为避免本发明设备对用户肢体运动行为的干扰，优选地，通讯模块6为无线通讯模块。进一步地，通讯模块6为无线通讯时，为保证无线通信的质量，优选地，通讯模块6安置在壳体模块顶盖12最薄的区域，且壳体模块顶盖12使用树脂等非金属材料。

本实施例中，通信模块6采用基于蓝牙4.2芯片NRF52832的蓝牙通信模块，通过对波特率，校验位等通信参数的配置，实现高质量低丢包的无线数据通信；处理系统4使用Msp430i2021的低功耗处理芯片。

在不影响本发明效果的情况下，本发明的其他具体较佳实施例中，上述稳压芯片ADP3339-3.3V、反压芯片TPS60403、惯性测量模块MPU9255、蓝牙4.2芯片NRF52832和处理系统Msp430i2021等芯片可以替换为能实现同种功能的芯片。

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。

Claims (10)

1.一种基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置，其特征在于，包括肌电采集模块、心电采集模块、惯性测量模块、处理系统、数据存储模块和电源模块；所述肌电采集模块被配置为采集单臂表面肌电信号，并滤波和放大后输送至所述处理系统；所述心电采集模块被配置为采集心电信号，并滤波和放大后输送至所述处理系统；所述惯性测量模块被配置为采集单臂多自由度惯性信息，并输送至所述处理系统；所述处理系统被配置为基于所述多自由度惯性信息，自适应调整处理参数，二次处理所述肌电采集模块和所述心电采集模块输送的信号，并将处理结果存储在所述数据存储模块；所述电源模块被配置为所述处理系统、所述惯性测量模块、所述肌电采集模块和所述心电采集模块提供能量。

2.如权利要求1所述的基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置，其特征在于，至少配置一个所述肌电采集模块；每个所述肌电采集模块包括两个差分肌电电极，单个或多个所述肌电采集模块共用一个参考电极。

3.如权利要求2所述的基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置，其特征在于，所述差分肌电电极和所述参考电极为0.5cm²～1cm²的圆形镀金铜片。

4.如权利要求2所述的基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置，其特征在于，所述肌电采集模块的差分肌电电极和参考电极外壳为电磁屏蔽支架。

5.如权利要求1所述的基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置，其特征在于，所述惯性测量模块为九轴惯性测量单元，被配置为采集三轴加速度、三轴角加速度和三轴磁力计信息。

6.如权利要求1所述的基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置，其特征在于，所述处理系统基于所述单臂多自由度惯性信息，自适应调整二次放大和二次滤波参数，使二次处理后的表面肌电和心电信号的均方根值维持在1.0V～1.5V。

7.如权利要求1所述的基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置，其特征在于，所述心电采集模块的电极为表面敷设压敏导电胶的银/氯化银电极。

8.如权利要求7所述的基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置，其特征在于，所述银电极和所述氯化银电极通过电磁屏蔽材料包裹的一分二转接线与所述心电采集模块相连。

9.如权利要求1所述的基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置，其特征在于，还包括佩戴模块，所述佩戴模块由勾毛同体魔术贴与弹性魔术贴组成。

10.如权利要求1所述的基于单臂的心电、表面肌电和惯性信息联合采集装置，其特征在于，所述电源模块的电源为可充锂电池，且能通过智能手机的mini USB接口线对所述可充锂电池进行充电。