本發(fā)明涉及生物醫(yī)學工程與人機接口技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種表面肌電和a型超聲信號聯(lián)合采集裝置。

背景技術(shù)：

人機接口(humanmachineinterface)技術(shù)指的是機械或電子設(shè)備與人的意識之間交流的界面。它在人與計算機之間建立聯(lián)系、交換信息的輸入/輸出設(shè)備的接口，這些設(shè)備包括鍵盤、顯示器、打印機、鼠標等。在生物醫(yī)學工程領(lǐng)域的應(yīng)用方面，人機接口通過一系列相應(yīng)的傳感技術(shù)獲取人體的生理信號，經(jīng)過特定的分類算法獲知人類的運動“意圖”，從而控制輪椅、假肢、外骨骼等外部設(shè)備。

人體表面肌電信號(surfaceelectromyograph，簡稱semg信號)是從肌肉表面通過電極記錄下來的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動時發(fā)放的生物電信號，蘊含肌肉活動強度、活動時間等信息，成為體表無創(chuàng)檢測肌肉活動的重要方法，被廣泛應(yīng)用于人機接口技術(shù)，如肌電假肢，外骨骼機器人等。

然而emg信號本身對干擾和噪聲很敏感，對于深層肌肉的串擾較為嚴重；不同個體之間的semg信號差異性較為明顯，即便是同一肌肉群，其semg信號的統(tǒng)計學特征只在變化趨勢上有較大的近似，而度量值本身有較大的差異，難以形成統(tǒng)一的評價標準。

a型超聲(a-scanultrasonography)是一種利用單振元超聲換能器，對某一位置的不同深度進行掃描，得到所謂的一維特性的超聲波探測方式。超聲在人體內(nèi)傳播，由于人體各種組織有聲學的特性差異，超聲波在兩種不同組織界面處產(chǎn)生反射、折射、散射、繞射、衰減以及聲源與接收器相對運動產(chǎn)生多普勒頻移等物理特性。用于診斷時，超聲波只作為信息的載體。把超聲波射入人體通過它與人體組織之間的相互作用獲取有關(guān)生理與病理的信息。近些年，a超探測被廣泛應(yīng)用于人體生理信號的探索，并也逐漸在人體肌肉群的運動信息檢測上有所發(fā)展。其主要采集傳感器為單頻單振元超聲換能器，即a型超聲探頭。

因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種表面肌電和a型超聲聯(lián)合采集裝置，綜合分析semg信號與a超信號的特征，以方便探求同一肌肉群的肌電信號和超聲信號之間的關(guān)系；另一方面，綜合兩種信號的特征，能夠減弱干擾和噪聲對人機接口的影響，提高基于semg的人機接口的魯棒性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是開發(fā)一種表面肌電和a型超聲聯(lián)合采集裝置，綜合分析semg信號與a超信號的特征，以方便探求同一肌肉群的肌電信號和超聲信號之間的關(guān)系；另一方面，綜合兩種信號的特征，能夠減弱干擾和噪聲對人機接口的影響，提高基于semg的人機接口的魯棒性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種表面肌電和a型超聲信號聯(lián)合采集裝置，包括信號采集模塊、佩戴模塊、信號處理模塊和電源模塊，信號采集模塊被設(shè)置在佩戴模塊內(nèi)，信號處理模塊和電源模塊分別被設(shè)置在佩戴模塊的外側(cè)，其中，

信號采集模塊包括a型超聲換能器和肌電信號采集電極組，a型超聲換能器和肌電信號采集電極組相連接；

佩戴模塊包括佩戴模塊殼體和連接佩戴模塊殼體的魔術(shù)貼；

信號處理模塊包括肌電信號處理模塊和a型超聲信號處理模塊，a型超聲信號處理模塊被設(shè)置為通過超聲信號線與a型超聲換能器連接，肌電信號處理模塊被設(shè)置為通過肌電信號線與肌電信號采集電極組連接。

進一步地，肌電信號采集電極組包括第一共模電極、第二共模電極和參考電極，第一共模電極和第二共模電極分別被設(shè)置于a型超聲換能器的兩側(cè)，參考電極被設(shè)置于第一共模電極的另一側(cè)。

進一步地，信號采集模塊被設(shè)置為單通道或多通道中的一種。

進一步地，信號采集模塊被設(shè)置為單通道時，佩戴模塊包括一個殼體，每個殼體上設(shè)置有3個肌電信號采集電極組和1個a型超聲換能器。

進一步地，信號采集模塊被設(shè)置為多通道時，佩戴模塊包括多個殼體，每個殼體上設(shè)置有3個肌電信號采集電極組和1個a型超聲換能器。

進一步地，多個殼體之間被設(shè)置為頭尾殼體通過彈性魔術(shù)貼材料連接，其他殼體之間通過無彈性的勾毛同體魔術(shù)貼材料連接。

進一步地，信號采集模塊還包括圓形扁頭紐扣電極，圓形扁頭紐扣電極被設(shè)置為用于采集表面肌電信號，提高電極和皮膚的接觸穩(wěn)定性。

進一步地，信號采集模塊所處殼體位置的凹槽深度被設(shè)置為均小于對應(yīng)的肌電信號采集電極組與a型超聲換能器的高度，保證電極和換能器與皮膚表面有良好的接觸。

進一步地，a型超聲換能器的突出高度被設(shè)置為比肌電信號采集電極組的突出高度少0.5～1mm。

進一步地，信號采集模塊的外殼被設(shè)置為由不導電材料制成。

技術(shù)效果

1)本發(fā)明的一種表面肌電和a型超聲信號聯(lián)合采集裝置綜合表面肌電信號與a型超聲信號的特征，能夠減弱干擾和噪聲對人機接口的影響；

2)可對同一處肌肉的a型超聲信號與semg信號的定性或者定量關(guān)系進行對比，以獲取肌肉單位深度變化的肌電信號之間的關(guān)系，有益于回避肌電信號在不同個體不同肌肉群上的不規(guī)律性。

3)每個佩戴模塊之間都是獨立的，兩兩之間的距離都可以通過魔術(shù)貼的貼合靈活調(diào)整，從而適應(yīng)不同肢體尺寸的人員的佩戴，同時也可以靈活調(diào)整采集模塊到信號明顯穩(wěn)定的肌肉區(qū)域進行檢測；此外模塊的獨立性，有益于便捷的更換與升級。

4)肌電信號采集電極組與單頻單振元超聲換能器的分布科學合理，保證能夠兩種信號所對應(yīng)的檢測對象的同一性。

5)本裝置從殼體的材料，冗余的耦合劑的收納結(jié)構(gòu)設(shè)計以及信號引出線的電磁屏蔽層的包裹等角度，極大限度保證了肌電信號采集過程中準確性與穩(wěn)定性。

以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一個較佳實施例的一種表面肌電和a型超聲信號聯(lián)合采集裝置的透視圖。

圖2是本發(fā)明的一個較佳實施例的一種表面肌電和a型超聲信號聯(lián)合采集裝置的信號采集模塊的示意圖。

圖3是本發(fā)明的一個較佳實施例的一種表面肌電和a型超聲信號聯(lián)合采集裝置的頭尾殼體配合彈性魔術(shù)貼和佩戴模塊示意圖。

圖4是本發(fā)明的一個較佳實施例的一種表面肌電和a型超聲信號聯(lián)合采集裝置的佩戴模塊的外殼透視圖。

圖5是本發(fā)明的一個較佳實施例的一種表面肌電和a型超聲信號聯(lián)合采集裝置的尾部佩戴模塊示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明的一種表面肌電和a型超聲信號聯(lián)合采集裝置，包括信號采集模塊、佩戴模塊1、信號處理模塊3和電源模塊4，信號采集模塊被設(shè)置在佩戴模塊1內(nèi)，信號處理模塊3和電源模塊4分別被設(shè)置在佩戴模塊3的外側(cè)，其中，

信號采集模塊包括a型超聲換能器8和肌電信號采集電極組，a型超聲換能器8和肌電信號采集電極組相連接，如圖2所示，肌電信號采集電極組包括第一共模電極5、第二共模電極9和參考電極6，第一共模電極5和第二共模電極9分別被設(shè)置于a型超聲換能器8的兩側(cè)，參考電極6被設(shè)置于第一共模電極5的另一側(cè)。；

信號處理模塊3包括肌電信號處理模塊和a型超聲信號處理模塊，a型超聲信號處理模塊被設(shè)置為通過超聲信號線10與a型超聲換能器8連接，肌電信號處理模塊3被設(shè)置為通過肌電信號線11與肌電信號采集電極組連接，具體地，肌電信號采集電極組的第一共模電極5、第二共模電極9和參考電極6分別通過肌電信號線11與信號處理模塊3連接。

又如圖1和2所示，佩戴模塊1包括佩戴模塊殼體7和連接佩戴模塊殼體的魔術(shù)貼2。

信號采集模塊用于采集信號，采集的信號包括表面肌肉電信號和a型超聲信號。信號處理模塊3用于處理信號，電源模塊4通過電源線向信號采集模塊和信號處理模塊3提供電源，佩戴模塊1用于將表面肌電和a型超聲信號聯(lián)合采集裝置佩戴于采集信號的肢體部位。

本發(fā)明一較佳實施例中，信號采集模塊被設(shè)置為單通道或多通道中的一種。

信號采集模塊為單通道，即表面肌電和a型超聲信號聯(lián)合采集裝置中包括一個信號采集模塊與佩戴模塊1，能夠同時采集一塊骨骼肌的表面肌電信號和a型超聲信號。

信號采集模塊為單通道時，佩戴模塊包括一個殼體，每個殼體上設(shè)置有3個肌電信號采集電極組和1個a型超聲換能器。其中，佩戴模塊包括一個只有普通魔術(shù)貼固定槽19的佩戴模塊殼體，以及兩片勾毛同體魔術(shù)貼12，通過兩片魔術(shù)貼的貼合實現(xiàn)夾緊佩戴。

信號采集模塊為多通道，即表面肌電和a型超聲信號聯(lián)合采集裝置中包括多個信號采集與佩戴模塊1，其中一個為包括一個具有魔術(shù)貼反扣卡板21的佩戴模塊殼體和一個勾毛同體魔術(shù)貼12，另外一個為包括一個只有普通魔術(shù)貼固定槽19的佩戴模塊殼體，一個勾毛同體魔術(shù)貼12以及一個彈性魔術(shù)貼13，這兩個模塊分別在佩戴模塊的首尾，通過彈性魔術(shù)貼13與魔術(shù)貼反扣卡板21的貼合實現(xiàn)閉環(huán)緊固，其余模塊均為包括一個具有魔術(shù)貼反扣卡板21的佩戴模塊殼體和兩個勾毛同體魔術(shù)貼12的模塊。

信號采集模塊為多通道時，每個模塊的之間的距離可以通過相鄰勾毛同體魔術(shù)貼12的貼合距離來調(diào)整，可以適應(yīng)不同肢體尺寸的用戶。模塊與肢體的接觸的松緊程度可以通過彈性魔術(shù)貼13的張弛程度來保證，可以適應(yīng)用戶不同的佩戴要求。

信號處理模塊3包括單片機、升壓模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，其中單片機采用dspic系列和stm32系列，分別用于控制超聲信號采集模塊和肌電信號采集模塊，升壓模塊用于將電源提供的12v直流電源電壓提升到80v用于超聲信號的發(fā)射，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊對信號采集模塊采集的模擬信號進行數(shù)字化處理。

信號采集模塊通過差分放大的方式對紐扣電極采集的表面肌電信號進行放大，并對表面肌電信號進行帶通濾波處理，提高了表面肌電信號與a型超聲信號的檢測精度。根據(jù)表面肌電信號的特征，設(shè)置其下限截止頻率為10～20hz，上限截止頻率為450～500hz。

如圖2所示，信號采集模塊包括第一共模電極5、參考電極6、a型超聲換能器8、第二共模電極9、超聲信號線10以及肌電信號線11；第一共模電極5、參考電極6、特制單頻單振元超聲換能器(a超探頭)8、第二共模電極9安裝在佩戴模塊殼體7上。

肌電信號采集電極組的第一共模電極5、第二共模電極9與對稱分布在a型超聲換能器8兩側(cè)，與a型超聲換能器8的圓心距均為14mm。第一共模電極5與參考電極6的圓心距離為14mm，第二共模電極9與參考電極6的圓心距離為42mm。滿足肌電采集要求，保證電極組與換能器對皮膚表面施加同樣大小的作用力，從而保證肌肉下陷程度基本相同，減少無關(guān)變量對兩種信號探測肌肉的同一性產(chǎn)生干擾。

第一共模電極5、第二共模電極9與參考電極6為圓形扁頭紐扣電極，提高了電極與皮膚的接觸穩(wěn)定性,從而保證了采集到的表面肌電信號的穩(wěn)定性。

肌電信號采集電極組和a型超聲換能器8的信號引線均用嚴密的電磁屏蔽材料進行包裹，避免a型超聲換能器的信號線中的高頻大電流對肌電信號產(chǎn)生干擾。

佩戴模塊殼體7是不導電的，避免第一共模電極5、第二共模電極9與參考電極6在采集信號過程中受到殼體改變皮膚表面阻抗特性的影響。

如圖4所示，佩戴模塊殼體包括第一共模電極槽14、超聲探頭槽15、第二共模電極槽16、參考電極槽17、肌電信號線走線槽18、魔術(shù)貼固定槽19以及冗余超聲耦合劑收集槽20。

第一共模電極槽16用于固定第一共模電極5，第二共模電極槽14用于固定第二共模電極9，參考電極槽17用于固定參考電極6，超聲探頭槽15用于固定a型超聲換能器8，魔術(shù)貼固定槽19用于固定勾毛同體魔術(shù)貼12或者彈性魔術(shù)貼13。

超聲信號線10通過佩戴模塊殼體7上超聲探頭槽15的側(cè)面出線口，連接特制單頻單振元超聲換能器8與信號處理模塊3。

肌電信號線11通過佩戴模塊殼體7上肌電信號線走線槽18的三個導向孔分別與第一共模電極5、第二共模電極9與參考電極6連接，并通過肌電信號線走線槽18的側(cè)面出線孔與信號處理模塊連接。

a型超聲換能器8周圍的殼體結(jié)構(gòu)上分布一圈的凹陷結(jié)構(gòu)，即冗余超聲耦合劑收集槽20，用于收納因換能器晶片與皮膚接觸解壓而溢出的多余耦合劑，避免耦合劑對第一共模電極5、第二共模電極9與參考電極6導電性能產(chǎn)生影響。

考慮到單頻單振元超聲換能器使用時需要在晶片表面涂用耦合劑的厚度，a型超聲換能器8的突出高度被設(shè)置為比肌電信號采集電極組的突出高度少0.5～1mm。

本發(fā)明的一種表面肌電和a型超聲信號聯(lián)合采集裝置能夠同時獲取表面肌肉電信號和a型超聲信號，對肌肉電信號產(chǎn)生干擾的信號，不會對a型超聲信號產(chǎn)生同樣的影響，因此綜合表面肌電信號與a型超聲信號的特征，能夠減弱干擾和噪聲對人機接口的影響。

采用本發(fā)明提供的表面肌電和a型超聲信號聯(lián)合采集裝置，能夠減弱干擾和噪聲對人機接口的影響，提高人機接口的魯棒性；信號采集模塊為多通道時，能夠同時采集肌群的表面肌電信號和a型超聲信號；模塊的獨立性和魔術(shù)貼貼合距離的靈活性，能夠使得本裝置可以適應(yīng)不同肢體尺寸的人員的佩戴需求以及保證最佳檢測區(qū)域的精準分布；肌電信號采集電極組與單頻單振元超聲換能器的分布科學合理，保證能夠兩種信號所對應(yīng)的檢測對象的同一性。

以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應(yīng)當理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。