一种应用于假肢控制的多源生机信号采集系统的制作方法
【专利摘要】一种应用于假肢控制的多源生机信号采集系统，涉及生机电一体化技术领域。本发明是为了解决现有采集人体肌肉电信号的方法在假肢应用中，肌电信号容易发生漂移，导致识别的精度和准确度下降的问题。本发明所述的一种应用于假肢控制的多源生机信号采集系统，能够同时采集人体前臂表面肌电信号和近红外信号，利用表面肌电信号和近红外信号包含的人体运动信息进行解码，基于模式识别，识别出动作。提高假肢控制的准确性和抗干扰能力。本发明适用于为智能假肢提供人体肌肉的生机信号。
【专利说明】
一种应用于假肢控制的多源生机信号采集系统
技术领域
[0001]本发明属于生机电一体化技术领域。
【背景技术】
[0002]表面肌电信号是肌肉纤维动作电位经过肌肉、皮下组织、皮肤等滤波作用，时间和空间上叠加形成的。目前绝大多数商业假肢的控制，是用表面肌电电极采集人体前臂的肌肉电信号(Electromyography，EMG)作为信号源，对肌肉电信号包含的信息基于一定策略进行解码，识别出人的控制意图，对假肢进行控制。在实际的假肢应用中，长时间使用会使，肌电信号容易发生漂移，导致识别的精度和准确度下降。
【发明内容】
[0003]本发明是为了解决现有采集人体肌肉电信号的方法在假肢应用中，肌电信号容易发生漂移，导致识别的精度和准确度下降的问题，现提供一种应用于假肢控制的多源生机?目号米集系统。
[0004]—种应用于假肢控制的多源生机信号采集系统，它包括:多个采集节点103和数据汇聚单元104;
[0005]采集节点103包括:表面肌电信号采集模块、功能性近红外信号采集模块、无线传输和信号处理模块、电源管理模块和电池模块；
[0006]表面肌电信号采集模块用于采集人体表面肌电信号，功能性近红外信号采集模块用于采集入射到人体皮肤组织并经肌肉组织反射或散射的近红外光谱，
[0007]表面肌电信号采集模块的表面肌电信号输出端连接无线传输和信号处理模块的表面肌电信号输入端，功能性近红外信号采集模块的近红外信号输出端连接无线传输和信号处理模块的近红外信号输入端，
[0008]无线传输和信号处理模块将信号通过蓝牙传输的方式发送至数据汇聚单元104，
[0009]电池模块的电压信号输出端连接电源管理模块的电压信号输入端，电源管理模块分别为表面肌电信号采集模块、功能性近红外信号采集模块和无线传输和信号处理模块供电。
[0010]表面肌电信号采集模块包括:多个肌电电极201、前置放大电路202、二阶高通滤波电路203、四阶低通滤波电路204、有源双T陷波电路205和一号电压抬升模块206;
[0011]功能性近红外信号采集模块包括:LED驱动电路208、多波长LED209、光探测器210、二阶低通滤波电路211和二号电压抬升模块212 ；
[0012]无线传输和信号处理模块为蓝牙4.1MCU 207，该蓝牙4.1MCU207中包括:A/D转换单元、驱动单元和RF射频单元；
[0013]多个肌电电极201分别用于采集人体不同位置的表面肌电信号，多个肌电电极201的表面肌电信号输出端同时连接前置放大电路202的表面肌模拟信号输入端，前置放大电路202的放大信号输出端连接二阶高通滤波电路203的放大信号输入端，二阶高通滤波电路203的高通滤波信号输出端连接四阶低通滤波电路204的高通滤波信号输入端，四阶低通滤波电路204的低通滤波信号输出端连接有源双T陷波电路205的低通滤波信号输入端，有源双T陷波电路205双T陷波信号输出端连接一号电压抬升模块206的双T陷波信号输入端，
[0014]驱动单元的驱动信号输出端连接LED驱动电路208的驱动信号输出端，LED驱动电路20 8的LED驱动信号输出端连接多波长LED的LED驱动信号输入端，多波长LED发出的多波长LED光照射在人体皮肤表面，光探测器210用于米集人体皮肤表面发射和散射的多波长LED光，光探测器210的信号输出端连接二阶低通滤波电路211的信号输入端，二阶低通滤波电路211的低通滤波信号输出端连接二号电压抬升模块212的低通滤波信号输入端，
[0015]—号电压抬升模块206的模拟信号输出端和二号电压抬升模块212的模拟信号输出端同时连接A/D转换单元的模拟信号输入端，A/D转换单元的数字信号输出端连接RF射频单元的数字信号输入端。
[0016]本发明所述的一种应用于假肢控制的多源生机信号采集系统，能够同时采集人体前臂表面肌电信号和近红外信号，利用表面肌电信号和近红外信号包含的人体运动信息进行解码，基于模式识别，识别出动作。提高假肢控制的准确性和抗干扰能力。
【附图说明】
[0017]图1为一种应用于假肢控制的多源生机信号采集系统的整体结构示意图；
[0018]图2为采集节点的内部结构示意图；
[0019]图3为肌电电极与前置放大电路之间的具体连接结构示意图；
[0020]图4为功能性近红外信号采集模块与无线传输和信号处理模块的具体连接结构示意图；
[0021]图5为充电基座的结构示意图；
[0022]图6为电路板与屏蔽层之间的位置示意图；
[0023]图7为采集节点外壳的结构示意图；
[0024]图8为采集节点与数据汇聚单元通讯的时序示意图；
[0025]图9为腕带的结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]【具体实施方式】一:参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种应用于假肢控制的多源生机信号采集系统，它包括:多个采集节点103和数据汇聚单元104;
[0027]采集节点103包括:表面肌电信号采集模块、功能性近红外信号采集模块、无线传输和信号处理模块、电源管理模块和电池模块；
[0028]表面肌电信号采集模块用于采集人体表面肌电信号，功能性近红外信号采集模块用于采集入射到人体皮肤组织并经肌肉组织反射或散射的近红外光谱，
[0029]表面肌电信号采集模块的表面肌电信号输出端连接无线传输和信号处理模块的表面肌电信号输入端，功能性近红外信号采集模块的近红外信号输出端连接无线传输和信号处理模块的近红外信号输入端，
[0030]无线传输和信号处理模块将信号通过蓝牙传输的方式发送至数据汇聚单元104，
[0031]电池模块的电压信号输出端连接电源管理模块的电压信号输入端，电源管理模块分别为表面肌电信号采集模块、功能性近红外信号采集模块和无线传输和信号处理模块供电。
[0032]本实施方式中，表面肌电信号采集模块、功能性近红外信号采集模块、无线传输和信号处理模块、电源管理模块和电池模块均位于硬质外壳内。如图6所示，表面肌电信号采集模块、功能性近红外信号采集模块、电源管理模块和电池模块均位于同一块印制电路板604上，无线传输和信号处理模块位于另一块印制电路板602上，两块印制电路板通过插座连接，且两块电路板之间有镍银金属屏蔽层603，601表示锂电池，200mAh，电压7.4V，用于为多个采集节点103供电。锂电池与采集节点外壳上的铜质触点连接，采集节点在充电基座充电时，外壳上的铜质触电与基座相应的触点接触，进行充电；近红外光源由锂电池直接供电，电路中其他芯片的供电电压由REG113转换为3.3V，由ICL7660转换为-3.3V。
[0033]在实际应用时，多个采集节点103可通过腕带或双面胶带固定在人体上。所述腕带的结构如图9所示，包含8个采集电极安装位，901为采集节点安放槽，902为安放位置间隙，腕带的材料为聚亚安酯，具有弹性，增加伸缩性，能够适应不同粗细的手臂。双面胶带能够将采集电极黏贴在皮肤表面，材料为无纺布。
[0034]数据汇聚单元104将信号发送至PC或智能假肢。数据汇聚单元104通过USB与PC通信;数据汇聚单元104通过UART(通用异步收发传输器)与智能假肢通信。
[0035]如图8所示，设采集节点为6个，6个采集节点采用时分多址的方式，由数据汇聚中心发出同步时钟信号，处于接收状态，采集节点处于广播状态，节点接收到时钟信号以后，产生延迟，按照时序将数据发送给数据汇聚中心(即数据汇聚单元104)，数据汇聚中心可通过USB与电脑连接进行前期训练或数据处理，可通过UART与假肢连接控制假肢。
[0036]近红外光谱方法(NIRS)是近些年来发展起来的非侵入式、无损检测的方法，近红外光对人体组织有较强的穿透能力，当近红外光进入人体组织被吸收和散射后，可得到对应的反射和投射光谱，这种光谱携带了人体组织中多种成分信息，可以提取出人体肌肉运动信息，用于假肢控制，联合表面肌电与功能性近红外光谱用以提高假肢控制中的准确度、抗干扰能力、普适性。
[0037]近红外是非可见光，其波长范围在700-2600mm，利用700-1100mm范围的短波长近红外光，在皮肤表面安装光源和光探测器，光源发出的近红外光经皮肤、皮下组织、肌肉等折射、吸收与反射，到达光探测器，光源探测器光电转化采集到反射和散射光信息，分析出还原血红蛋白和氧合血红蛋白的含量变化，解码肌肉运动状况。
[0038]【具体实施方式】二:参照图2具体说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种应用于假肢控制的多源生机信号采集系统作进一步说明，本实施方式中，
[0039]表面肌电信号采集模块包括:多个肌电电极201、前置放大电路202、二阶高通滤波电路203、四阶低通滤波电路204、有源双T陷波电路205和一号电压抬升模块206;
[0040]功能性近红外信号采集模块包括:LED驱动电路208、多波长LED209、光探测器210、二阶低通滤波电路211和二号电压抬升模块212 ；
[0041 ] 无线传输和信号处理模块为蓝牙4.1MCU 207，该蓝牙4.1MCU207中包括:A/D转换单元、驱动单元和RF射频单元；
[0042]多个肌电电极201分别用于采集人体不同位置的表面肌电信号，多个肌电电极201的表面肌电信号输出端同时连接前置放大电路202的表面肌模拟信号输入端，前置放大电路202的放大信号输出端连接二阶高通滤波电路203的放大信号输入端，二阶高通滤波电路203的高通滤波信号输出端连接四阶低通滤波电路204的高通滤波信号输入端，四阶低通滤波电路204的低通滤波信号输出端连接有源双T陷波电路205的低通滤波信号输入端，有源双T陷波电路205双T陷波信号输出端连接一号电压抬升模块206的双T陷波信号输入端，
[0043]驱动单元的驱动信号输出端连接LED驱动电路208的驱动信号输出端，LED驱动电路20 8的LED驱动信号输出端连接多波长LED的LED驱动信号输入端，多波长LED发出的多波长LED光照射在人体皮肤表面，光探测器210用于米集人体皮肤表面发射和散射的多波长LED光，光探测器210的信号输出端连接二阶低通滤波电路211的信号输入端，二阶低通滤波电路211的低通滤波信号输出端连接二号电压抬升模块212的低通滤波信号输入端，
[0044]—号电压抬升模块206的模拟信号输出端和二号电压抬升模块212的模拟信号输出端同时连接A/D转换单元的模拟信号输入端，A/D转换单元的数字信号输出端连接RF射频单元的数字信号输入端。
[0045]本实施方式中，设肌电电极201的个数为4个。前置放大电路202包括三个放大器，肌电电极采用双差分布置方式，以提高表面肌电信号空间分辨率。具体结构如图3所示，其中电极I与一号放大器的正向输入端连接，电极2与一号放大器的反向输入端连接，电极3与二号放大器的正向输入端连接，电极4与二号放大器的反向输入端连接，一号放大器的输出端与三号放大器的正向输入端连接，二号放大器的输出端与三号放大器的反向输入端连接。
[0046]【具体实施方式】三:本实施方式是对【具体实施方式】一或二所述的一种应用于假肢控制的多源生机信号采集系统作进一步说明，本实施方式中，它还包括:充电基座101，该充电基座101用于为多个采集节点103充电，充电基座101的输入电压为交流电压，取值范围IlOV至240V之间，输出电压为直流电压，其电压值为8V，电流值为0.9A。
[0047]充电基座为独立的采集节点电池充电，充电基座101的具体结构如图5所示，其中501为采集节点插槽，50 2为适应采集节点电极突出高度所设计的槽，可同时实现6个采集节点同时充电，提高充电效率。
[0048]【具体实施方式】四:本实施方式是对【具体实施方式】二所述的一种应用于假肢控制的多源生机信号采集系统作进一步说明，本实施方式中，
[0049]二阶高通滤波电路203为二阶Sallen-key高通滤波电路，截止频率为20Hz，增益为20dB，
[0050]四阶低通滤波电路204为四阶切比雪夫低通滤波电路，截止频率为400Hz，增益为26dB，
[0051 ] 有源双T陷波电路205为50Hz工频陷波电路，能够实现50Hz工频的去除。
[0052]【具体实施方式】五:本实施方式是对【具体实施方式】二所述的一种应用于假肢控制的多源生机信号采集系统作进一步说明，本实施方式中，
[0053]多波长LED209与光探测器210间距为25mm，
[0054]二阶低通滤波电路211为Sallen-Key低通滤波电路，截止频率为300Hz，
[0055]二号电压抬升模块212电压抬升为3.3V。
[0056]功能性近红外信号采集模块与无线传输和信号处理模块的具体连接关系如图4所示，LED采用Marubeni公司多波长金属封装LED(L4*730/4*805/4*850-40Q96-1)，LED驱动芯片为TLC59108，可实现恒流驱动，共有8路输出，每一路可以通过调节PWM和频率单独控制LED亮度与发光频率，外置电阻R21和内部寄存器IREF调节LED驱动电流。具体控制调节由蓝牙4.1MCU 207中的驱动单元控制。
[0057]蓝牙4.1MCU 207为TI公司CC2650低功耗蓝牙4.1芯片，0:2650其010_29引脚映射为AD采集通道，采集近红外信号；D10_36、D10_37映射为I2C通信SDA SCL，与TLC59108芯片SDA、SCL引脚连接，D10_38与TLC59108的RESET引脚相连，TLC59108芯片VCC引脚添加0.IuF电容去耦。光探测器210为TI公司的0PT101集成光电二极管和芯片内置的跨阻放大器。
[0058]【具体实施方式】六:参照图7具体说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】二所述的一种应用于假肢控制的多源生机信号采集系统作进一步说明，本实施方式中，肌电电极201的数量为4个，所述多源生机信号采集系统还包括采集节点外壳，表面肌电信号采集模块、功能性近红外信号采集模块、无线传输和信号处理模块、电源管理模块和电池模块均位于该采集节点外壳内，
[0059]采集节点外壳上开有一号肌电电极孔703-1、二号肌电电极孔703-2、三号肌电电极孔703-3、四号肌电电极孔703-4、LED孔702和光探测器孔704，LED孔702的中心与光探测器孔704的中心之间的距离为25mm，一号肌电电极孔703-1、二号肌电电极孔703-2、三号肌电电极孔703-3和四号肌电电极孔703-4孔呈2 X 2的矩形阵列形式排列，列间距为20mm，行间距为10_，光探测器孔704位于4个肌电电极孔组成的矩形阵列中心。
[0060]【具体实施方式】七:本实施方式是对【具体实施方式】二所述的一种应用于假肢控制的多源生机信号采集系统作进一步说明，本实施方式中，肌电电极201的数量为4个，4个肌电电极201均为银质电极，直径为Imm，长度为15_。
【主权项】
1.一种应用于假肢控制的多源生机信号采集系统，其特征在于，它包括:多个采集节点(103)和数据汇聚单元(104)； 采集节点(103)包括:表面肌电信号采集模块、功能性近红外信号采集模块、无线传输和信号处理模块、电源管理模块和电池模块； 表面肌电信号采集模块用于采集人体表面肌电信号，功能性近红外信号采集模块用于采集入射到人体皮肤组织并经肌肉组织反射或散射的近红外光谱， 表面肌电信号采集模块的表面肌电信号输出端连接无线传输和信号处理模块的表面肌电信号输入端，功能性近红外信号采集模块的近红外信号输出端连接无线传输和信号处理模块的近红外信号输入端， 无线传输和信号处理模块将信号通过蓝牙传输的方式发送至数据汇聚单元(104)， 电池模块的电压信号输出端连接电源管理模块的电压信号输入端，电源管理模块分别为表面肌电信号采集模块、功能性近红外信号采集模块和无线传输和信号处理模块供电。2.根据权利要求1所述的一种应用于假肢控制的多源生机信号采集系统，其特征在于，表面肌电信号采集模块包括:多个肌电电极(201)、前置放大电路(202)、二阶高通滤波电路(203)、四阶低通滤波电路(204)、有源双T陷波电路(205)和一号电压抬升模块(206); 功能性近红外信号采集模块包括:LED驱动电路(208)、多波长LED( 209)、光探测器(210)、二阶低通滤波电路(211)和二号电压抬升模块(212); 无线传输和信号处理模块为蓝牙4.1MCU(207)，该蓝牙4.1MCU(207)中包括:A/D转换单元、驱动单元和RF射频单元； 多个肌电电极(201)分别用于采集人体不同位置的表面肌电信号，多个肌电电极(201)的表面肌电信号输出端同时连接前置放大电路(202)的表面肌模拟信号输入端，前置放大电路(202)的放大信号输出端连接二阶高通滤波电路(203)的放大信号输入端，二阶高通滤波电路(203)的高通滤波信号输出端连接四阶低通滤波电路(204)的高通滤波信号输入端，四阶低通滤波电路(204)的低通滤波信号输出端连接有源双T陷波电路(205)的低通滤波信号输入端，有源双T陷波电路(205)双T陷波信号输出端连接一号电压抬升模块(206)的双T陷波信号输入端， 驱动单元的驱动信号输出端连接LED驱动电路(208)的驱动信号输出端，LED驱动电路(208)的LED驱动信号输出端连接多波长LED的LED驱动信号输入端，多波长LED发出的多波长LED光照射在人体皮肤表面，光探测器(210)用于采集人体皮肤表面发射和散射的多波长LED光，光探测器(210)的信号输出端连接二阶低通滤波电路(211)的信号输入端，二阶低通滤波电路(211)的低通滤波信号输出端连接二号电压抬升模块(212)的低通滤波信号输入端， 一号电压抬升模块(206)的模拟信号输出端和二号电压抬升模块(212)的模拟信号输出端同时连接A/D转换单元的模拟信号输入端，A/D转换单元的数字信号输出端连接RF射频单元的数字信号输入端。3.根据权利要求1或2所述的一种应用于假肢控制的多源生机信号采集系统，其特征在于，它还包括:充电基座(101)，该充电基座(101)用于为多个采集节点(103)充电， 充电基座(101)的输入电压为交流电压，取值范围IlOV至240V之间，输出电压为直流电压，其电压值为8V，电流值为0.9A。4.根据权利要求2所述的一种应用于假肢控制的多源生机信号采集系统，其特征在于， 二阶高通滤波电路(203)为二阶Sallen-key高通滤波电路，截止频率为20Hz，增益为20dB， 四阶低通滤波电路(204)为四阶切比雪夫低通滤波电路，截止频率为400Hz，增益为26dB， 有源双T陷波电路(205)为50Hz工频陷波电路，能够实现50Hz工频的去除。5.根据权利要求2所述的一种应用于假肢控制的多源生机信号采集系统，其特征在于， 多波长LED(209)与光探测器(210)间距为25mm， 二阶低通滤波电路(211)为Sal Ien-Key低通滤波电路，截止频率为300Hz， 二号电压抬升模块(212)电压抬升为3.3V。6.根据权利要求2所述的一种应用于假肢控制的多源生机信号采集系统，其特征在于，肌电电极(201)的数量为4个， 所述多源生机信号采集系统还包括采集节点外壳(701)，表面肌电信号采集模块、功能性近红外信号采集模块、无线传输和信号处理模块、电源管理模块和电池模块均位于该采集节点外壳(701)内， 采集节点外壳(701)上开有一号肌电电极孔(703-1)、二号肌电电极孔(703-2)、三号肌电电极孔(703-3)、四号肌电电极孔(703-4)、LED孔(702)和光探测器孔(704)， LED孔(702)的中心与光探测器孔(704)的中心之间的距离为25mm， 一号肌电电极孔(703-1)、二号肌电电极孔(703-2)、三号肌电电极孔(703-3)和四号肌电电极孔(703-4)孔呈2 X 2的矩形阵列形式排列， 列间距为2 Omm，行间距为I Omm， 光探测器孔(704)位于4个肌电电极孔组成的矩形阵列中心。7.根据权利要求2所述的一种应用于假肢控制的多源生机信号采集系统，其特征在于，肌电电极(201)的数量为4个，4个肌电电极(201)均为银质电极，直径为1mm，长度为15mm。
【文档编号】A61B5/00GK106073774SQ201610428746
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月15日
【发明人】姜力, 刘凯, 樊绍巍, 郭闯强, 杨威, 张华杰
【申请人】哈尔滨工业大学