一种人体腰背部表面肌电信号的检测系统和方法与流程

本发明涉及生物电采集及控制技术领域，具体涉及一种人体腰背部表面肌电信号的检测系统和方法。

背景技术：

肌电信号是人体中枢神经系统活跃运动单元产生兴奋时，引起所支配的肌肉纤维收缩，产生的动作电位在人体皮肤表面相叠加的结果。表面肌电信号是以表面电极为引导测量得到的肌电信号，测量时不会造成人体损伤，易于操作，应用于实验测试较为方便可取。表面肌电信号技术已被广泛应用于临床医学、康复医学、体育科学、人机工程等领域，为多种状态下神经肌肉系统活动提供了精确可靠的信息，成为神经肌肉功能评价研究的客观依据。

在各类肌肉骨骼疾病中，腰背痛是最为常见的。腰痛是困扰工业化国家和工人的一个棘手问题，我国随着工业化进程的加速和人口老龄化的加快，腰背痛对健康的威胁日益增加。因此，通过专门采集腰背部肌肉肌电信号来及时监测人体肌肉疲劳程度是非常有研发必要的。

目前应用于表面肌电信号测试的采集装置大多通过粘贴于皮肤表面的采样电极采集数据，获取到的数据传送到计算机中再进行人为分析，存在以下的不足：

(1)电极粘贴不方便，固定不牢靠，应用环境受限制，当人体处于运动状态时，电极容易移位；容易引起被测人员的不适感。

(2)采集过程中容易引入较大的工频干扰和环境干扰，滤噪电路无法完全去除噪声，采集到的肌电信号信噪比低，较难获取真实的肌肉活跃状态。

(3)一般采集装置获取的肌电信号形成的波形图，无法让非技术人员直观地获取测量肌肉的活跃状态和疲劳程度，需要专业技术人员对肌电信号进行处理，缺乏即时性、有效性，成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种能去除信号干扰，输出直观数据反映肌肉运动状态和疲劳度的人体腰背部表面肌电信号的检测系统和方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种人体腰背部表面肌电信号的检测系统，包括：依次连接的采集单元和信号处理终端；采集单元，用于采集受试者人体腰背部表面的肌电信号，并将肌电信号发送至信号处理终端；信号处理终端，包括数字滤波模块、信号整流模块、活动段检测模块、特征提取模块、肌肉疲劳度分析模块，用于对表面肌电信号进行处理，形成可视化图表参数；数字滤波模块，用于对数字的肌电信号进行滤波；信号整流模块，用于对滤波后的肌电信号在静息基线以下的部分全部“翻折”到基线上面；活动段检测模块，用于采用移动平均法判断肌肉产生动作的起始时刻和终止时刻，确定为肌电信号的动作有效时段；特征提取模块，用于根据动作有效时段对对应的肌电信号进行时域特征提取；时域特征包括积分肌电值和均方根值；肌肉疲劳度分析模块，用于基于时域特征值生成对应的直观表格及图形，判断当前运动状态肌肉的疲劳度，展示获取肌肉状态，实现采集信号数据可视化。

优选地，积分肌电值iemg和均方根值rms的表达式如下：

其中i为对应采样间隔δt时离散肌电信号所测幅值，n为受试者人体腰背部表面的采集点个数。

优选地，采集单元包括：依次连接的采集电极、放大电路、滤波电路、模数转换器和usb电路；放大电路包括主放大器和二级放大器；滤波电路，包括高通滤波器、低通滤波器和陷波电路，用于去除肌电信号有效频段外的噪声干扰，和去除50hz的工频干扰；模数转换器，用于将模拟的肌电信号转换为数字的肌电信号；usb电路，用于数字的肌电信号发送至信号处理终端。当对人体腰背部表面肌电信号进行检测时，采集电极放置在人体腰背部，usb电路的另一端和信号处理单元连接；

优选地，采集电极为织物电极，附着在柔性绑带上，柔性绑带的两端设置魔术贴；采集电极包括三个电极片，其中两个电极片水平平行，构成差分放大，第三个电极片垂直放置，作为参考电极片。

优选地，采集电极的数量是4个，柔性绑带的数量为2，两个采集电极采集在一条柔性绑带上，2条柔性绑带之间通过弹性带连接。

优选地，受试者人体腰背部表面为信号源肌肉，以l3竖脊肌和t12竖脊肌作为信号源肌肉。

一种人体腰背部表面肌电信号的检测方法，包括：

s1，采集受试者人体腰背部表面的肌电信号；

s2，对肌电信号进行滤波，并对滤波后的肌电信号在静息基线以下的部分全部“翻折”到基线上面；

s3，采用移动平均法判断肌肉产生动作的起始时刻和终止时刻，确定为肌电信号的动作有效时段；

s4，采用移动平均法判断肌肉产生动作的起始时刻和终止时刻，确定为肌电信号的动作有效时段；

s5，基于时域特征值生成对应的直观表格及图形，判断当前运动状态肌肉的疲劳度，展示获取肌肉状态，实现采集信号数据可视化。

优选地，步骤s1和s2之间包括：对肌电信号进行降噪和放大；对放大后的肌电信号去有效频段外的噪声干扰，和去除50hz的工频干扰；将模拟的肌电信号转换为数字的肌电信号。

本发明相对于现有技术具有如下优点：

本发明的信号处理终端包括肌肉疲劳度分析模块，其将提取的活动段信号波形及信号特征向量值(时域特征值)转换为可视化图表，在计算机界面显示，使得非专业人员可直观通过图表清楚当前受试者腰背部肌肉的活跃状态及疲劳度，并可通过具体数值进行对比分析，掌握当前运动或作业强度，进而可有效避免相关高强度搬运作业人员、运动人员的腰背部损伤。

本发明对肌电信号进行了二次滤波。第一次为信号处理终端的数字滤波模块对采集的肌电信号进行滤波，去除肌电信号有效频段(20-500hz)外的噪声干扰，和去除50hz的工频干扰；第二次为信号处理终端的数字滤波模块对其进行滤波，以去除一部分无法通过硬件电路滤除的噪声，提高信噪比。

本发明的采集电极为织物电极，附着在柔性绑带上。织物电极具有接触面积大、导电性好的优点，在柔性绑带上可自由调整位置，以固定在人体特定采集肌肉上，柔性绑带两端附着有魔术贴，可根据腰围调整，从而与人体贴合，柔性绑带之间通过弹性带连接，可自由调整高度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的人体腰背部表面肌电信号的检测系统的结构示意图。

图2为本发明的信号处理终端的原理框图。

图3为本发明的采集电极的结构示意图。

其中，1为柔性绑带，2为魔术贴，3为电极片，4为弹性带。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的目的是提供一种人体腰背部表面肌电信号的检测系统和方法，实现对腰背部肌肉的多通道采集，达到电极固定牢固、舒适，采集方便，信噪比高，数据图表直观、易懂，成本低的目的，满足非专业人员检测腰背部肌肉状态及疲劳度的需求。

参见图1-3、一种人体腰背部表面肌电信号的检测系统，包括：依次连接的采集单元和信号处理终端；采集单元，用于采集受试者人体腰背部表面的肌电信号，并将肌电信号发送至信号处理终端；信号处理终端，包括数字滤波模块、信号整流模块、活动段检测模块、特征提取模块、肌肉疲劳度分析模块，用于对表面肌电信号进行处理，形成可视化图表参数；数字滤波模块，用于对数字的肌电信号进行滤波；信号整流模块，用于对滤波后的肌电信号在静息基线以下的部分全部“翻折”到基线上面；活动段检测模块，用于采用移动平均法判断肌肉产生动作的起始时刻和终止时刻，确定为肌电信号的动作有效时段；特征提取模块，用于根据动作有效时段对对应的肌电信号进行时域特征提取；时域特征包括积分肌电值和均方根值；肌肉疲劳度分析模块，用于基于时域特征值生成对应的直观表格及图形，判断当前运动状态肌肉的疲劳度，展示获取肌肉状态，实现采集信号数据可视化。

需要说明的是，本发明对肌电信号进行了二次滤波。第一次为采集单元的滤波电路对肌电信号进行滤波，去除肌电信号有效频段外的噪声干扰，和去除50hz的工频干扰。第二次为信号处理终端的数字滤波模块对其进行滤波。数字滤波模块为fir带通滤波器，通带范围为20-500hz，进一步消除信号噪声。这是由于会有一部分无法通过硬件电路滤除的噪声，随着肌电信号一起被传输至信号处理终端。数字滤波模块为fir带通滤波器，通带范围为20-500hz，进一步消除信号噪声。信号整流模块对滤波后的肌电信号在静息基线以下的部分全部“翻折”到基线上面。这是由于信号存在零均值的特性，正负值呈对称分布且不具有实际意义，翻折后便于后续信号处理及波形观察。活动段检测模块将有效判断当前运动动作的起止时刻和终止时刻，将该段信号截取出来以便于后续的信号处理；具体为将有效判断当前运动动作的起止时刻和终止时刻，将该段信号截取出来以便于后续的信号处理；特征提取模块将所选的活动段信号提取为时域特征矢量(rms,iemg)。其中rms为肌电均方根值(rootmeansquare)，iemg为积分肌电值(integratedemg)：

在本实施例，积分肌电值iemg和均方根值rms的表达式如下：

其中i为对应采样间隔δt时离散肌电信号所测幅值，n为受试者人体腰背部表面的采集点个数。rms反映了信号源肌肉在活动段消耗的能量，直接反映运动时段内肌肉的平均活跃状态；iemg代表了一段时间肌电值输出的加和量，反映运动时段内肌肉的累积疲劳度。通过信号处理系统的5特征提取，借助时域特征矢量(rms,iemg)反映腰背部肌肉的活跃状态和疲劳程度。

在本实施例，采集单元包括：依次连接的采集电极、放大电路、滤波电路、模数转换器和usb电路；由于肌电信号的能量主要分布在20-500hz之间的低频，并且信号幅度变化在0.01μv-10mv之间，需要放大滤波电路对肌电信号进行降噪和放大处理；放大电路包括主放大器和二级放大器，放大倍数合计为1000倍左右；滤波电路，包括高通滤波器、低通滤波器和陷波电路，用于去除肌电信号有效频段外的噪声干扰，和去除50hz的工频干扰；低通滤波处理500hz以上的噪声，高通滤波处理20hz以下的无用信号，陷波处理则去除50hz的工频干扰，提高信噪比。

在本实施例，模数转换器，用于将模拟的肌电信号转换为数字的肌电信号；usb电路，用于数字的肌电信号发送至信号处理终端。当对人体腰背部表面肌电信号进行检测时，采集电极放置在人体腰背部，usb电路的另一端和信号处理单元连接。

传统的表面肌电信号采集装置一般采用表面电极直接粘贴在皮肤表面进行信号采集，但存在电极难固定、测量过程容易移位、对测试环境要求较高，同时测量时受试者难以进行剧烈的运动，无法实现长期测量。在本实施例，采集电极为织物电极，将织物电极根据受试者肌肉位置而固定在柔性绑带上，柔性绑带的两端设置魔术贴，可以根据不同人体尺寸而调整长度进行固定粘贴；采集电极包括三个电极片，其中两个电极片水平平行，构成差分放大，第三个电极片垂直放置，作为参考电极片。采集电极的数量是4个，这样能同时采集受试者人体腰背部表面4处肌肉的表面肌电信号。借由弹性带调节间距，在面对不同的受试者时，均能保证织物电极精确采集相应肌电信号，在运动过程中确保不发生移位，适合长时间、不同人群的腰背部肌电信号采集。

电极柔性绑带的数量为2，两个采集电极采集在一条柔性绑带上，2条柔性绑带之间通过弹性带连接。

在本实施例，受试者人体腰背部表面为信号源肌肉，以l3竖脊肌和t12竖脊肌作为信号源肌肉。

适用上述的人体腰背部表面肌电信号的检测系统的人体腰背部表面肌电信号的检测方法，包括：

s1，采集受试者人体腰背部表面的肌电信号；其中，步骤s1和s2之间包括：对肌电信号进行降噪和放大；对放大后的肌电信号去有效频段外的噪声干扰，和去除50hz的工频干扰；将模拟的肌电信号转换为数字的肌电信号。

s2，对肌电信号进行滤波，并对滤波后的肌电信号在静息基线以下的部分全部“翻折”到基线上面；

s3，采用移动平均法判断肌肉产生动作的起始时刻和终止时刻，确定为肌电信号的动作有效时段；

s4，采用移动平均法判断肌肉产生动作的起始时刻和终止时刻，确定为肌电信号的动作有效时段；

s5，基于时域特征值生成对应的直观表格及图形，判断当前运动状态肌肉的疲劳度，展示获取肌肉状态，实现采集信号数据可视化。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。