一种表面肌电信号采集器及表面肌电信号采集系统

摘要

本申请适用于医疗器械技术领域，公开了一种表面肌电信号采集器及表面肌电信号采集系统，包括：表面肌电信号采集电极，采集器本体，固设于采集器本体的第一电极接口、肌电信号采集电路、模数转换电路、主控芯片和第一无线通信器；第一电极接口的第一端与表面肌电信号采集电极之间通过线缆连接，从而可以在将表面肌电信号采集电极固定于采集部位后，将采集器本体就近固定于便于固定的部位，缩短了二者之间的线缆距离并便于二者各自的固定，避免线缆缠绕、脱落；主控芯片通过无线的方式输出采集数据，以便上位机进行进一步分析，相较于集成于康复类医疗设备的采集方案更具通用性，可以自由搭配任意康复类医疗设备或将采集数据导出另作他用。

说明书

技术领域

本申请涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种表面肌电信号采集器及表面肌电信号采集系统。

背景技术

肌电信号(EMG)是众多肌纤维中运动单元动作电位(MUAP)在时间和空间上的叠加。表面肌电信号(SEMG)是浅层肌肉的肌电信号和神经干上电活动在皮肤表面的综合效应，能在一定程度上反映神经肌肉的活动；表面肌电信号在测量上具有非侵入性、无创伤、操作简单等优点。因而，表面肌电信号在临床医学、人机功效学、康复医学以及体育科学等方面均有重要的实用价值。

现今，表面肌电信号的采集主要应用于康复类医疗设备上，具体为在康复类医疗设备的主机上增设表面肌电信号采集电路后，通过线缆连接采集电极，将采集电极固定在人体采集点上进行采集。但由于用户在使用康复类医疗设备时往往需要进行运动来反馈康复状态，大量的电极线缆容易缠绕在一起，不仅给用户运动造成了不便，还容易被扯落。且在应用上，若想对现有的康复类医疗设备增设表面肌电信号采集电路，需要完成一系列的软硬件部署与医疗器械的注册工作，通用性极差。

实用新型内容

本申请的目的是提供一种表面肌电信号采集器及表面肌电信号采集系统，兼具通用性和便携性。

为解决上述技术问题，本申请提供一种表面肌电信号采集器，包括：表面肌电信号采集电极，采集器本体，固设于所述采集器本体的第一电极接口、肌电信号采集电路、模数转换电路、主控芯片和第一无线通信器；

其中，所述第一电极接口的第一端通过线缆与所述表面肌电信号采集电极连接，所述第一电极接口的第二端与所述肌电信号采集电路的输入端连接，所述肌电信号采集电路的输出端基于所述模数转换电路的肌电信号采集通道与所述主控芯片的第一信号输入端连接，所述主控芯片的信号输出端通过所述第一无线通信器与上位机通信。

可选的，所述第一电极接口具体为USB Type-C接口；

其中，所述USB Type-C接口的一对差分引脚和一个参考信号引脚对应一个所述表面肌电信号采集电极。

可选的，所述表面肌电信号采集器的电池为充电电池；

所述表面肌电信号采集器还包括充电电路；

所述充电电路的输入端与所述USB Type-C接口的第三电源接线引脚、第四电源接线引脚连接，所述USB Type-C接口的第一电源接线引脚、第二电源接线引脚用于连接外部充电器，所述充电电路的输出端与所述充电电池的输入端连接。

可选的，还包括固设于所述采集器本体的第二电极接口和心率信号采集电路；

其中，所述第二电极接口的第一端用于连接心率信号采集电极，所述第二电极接口的第二端与所述心率信号采集电路的输入端连接，所述心率信号采集电路的第二端通过所述模数转换电路的心率信号采集通道与所述主控芯片的第二信号输入端连接。

可选的，所述肌电信号采集电路和/或所述心率信号采集电路，具体包括：共模抑制电路和信号采集电路；

其中，所述共模抑制电路包括依次相连的第一采集电路、第一反相电路、第一信号放大电路、零点电位引出电路和参考电极；

所述信号采集电路包括依次相连的第二采集电路、仪表运算放大电路、工频陷波电路、带通滤波电路和第二信号放大电路；

其中，所述第二采集电路的输入端与电极的输出引脚连接，所述第一采集电路的输入端与所述第二采集电路的输出端连接，所述零点电位引出电路输出端连接与设于远离电极采集点的目标电位的所述参考电极连接；所述第二信号放大电路的输出端与所述模数转换电路的输入端连接。

可选的，还包括安装于所述采集器本体的第一固定件，所述第一固定件用于与设于另一所述表面肌电信号采集器的另一所述第一固定件对接安装。

可选的，所述第一固定件具体为磁吸模块。

可选的，还包括安装于所述表面肌电信号采集电极的第二固定件，用于将所述表面肌电信号采集电极固定于采集部位。

可选的，所述第二固定件具体为穿戴式固定件。

为解决上述技术问题，本申请还提供一种表面肌电信号采集系统，包括上述任意一项所述的表面肌电信号采集器，还包括上位机；

所述上位机基于第二无线通信器与所述表面肌电信号采集器的第一无线通信器通信连接。

本申请提供的表面肌电信号采集器，包括：表面肌电信号采集电极，采集器本体，固设于采集器本体的顺次连接的第一电极接口、肌电信号采集电路、模数转换电路、主控芯片和第一无线通信器；其中，第一电极接口的第一端与表面肌电信号采集电极之间通过线缆连接，从而可以在将表面肌电信号采集电极固定于采集部位后，将采集器本体就近固定于便于固定的部位，有助于缩短二者之间的线缆距离并便于二者各自的固定，避免线缆缠绕的同时，采集器本体也不会对用户运动造成较多影响或受用户运动影响而脱落；而主控芯片利用第一无线通信器与上位机通信，通过无线的方式输出采集数据，以便上位机进行进一步分析，相较于集成于康复类医疗设备的采集方案更具通用性，可以自由搭配任意康复类医疗设备或将采集数据导出另作他用。

本申请还提供一种表面肌电信号采集系统，具有上述有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本申请实施例提供的一种表面肌电信号采集器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种表面肌电信号采集器的组装示意图；

图3(a)为本申请实施例提供的一种单侧上肢的采集示意图；

图3(b)为本申请实施例提供的一种单侧下肢的采集示意图；

图3(c)为本申请实施例提供的一种双侧上肢的采集示意图；

图3(d)为本申请实施例提供的一种双侧下肢的采集示意图；

图3(e)为本申请实施例提供的一种四肢的采集示意图；

图4为本申请实施例提供的一种第一电极接口的电路图；

其中，101为表面肌电信号采集电极，102为采集器本体，103为第一电极接口，104为肌电信号采集电路，105为模数转换电路，106为主控芯片，107为第一无线通信器，108为充电电路，109为充电电池，110为第二电极接口，111为心率信号采集电路，112为心率信号采集电极；

201为第一固定件，202为第二固定件。

具体实施方式

本申请的核心是提供一种表面肌电信号采集器及表面肌电信号采集系统，兼具通用性和便携性。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护范围。

实施例一

图1为本申请实施例提供的一种表面肌电信号采集器的结构示意图；图2为本申请实施例提供的一种表面肌电信号采集器的组装示意图；图3(a)为本申请实施例提供的一种单侧上肢的采集示意图；图3(b)为本申请实施例提供的一种单侧下肢的采集示意图；图3(c)为本申请实施例提供的一种双侧上肢的采集示意图；图3(d)为本申请实施例提供的一种双侧下肢的采集示意图；图3(e)为本申请实施例提供的一种四肢的采集示意图。

如图1所示，本申请实施例提供的表面肌电信号采集器包括：表面肌电信号采集电极101，采集器本体102，固设于采集器本体102的第一电极接口103、肌电信号采集电路104、模数转换电路105、主控芯片106和第一无线通信器107；

其中，第一电极接口103的第一端通过线缆与表面肌电信号采集电极101连接，第一电极接口103的第二端与肌电信号采集电路104的输入端连接，肌电信号采集电路104的输出端基于模数转换电路105的肌电信号采集通道与主控芯片106的第一信号输入端连接，主控芯片106的信号输出端通过第一无线通信器107与上位机通信。

在具体实施中，采集器本体102可以为盒状，将肌电信号采集电路104、模数转换电路105、主控芯片106和第一无线通信器107集成于采集器本体102内部，并将第一电极接口103露出采集器表面，以通过线缆与表面肌电信号采集电极101连接，从而可以在将表面肌电信号采集电极101固定于采集部位后，将采集器本体102就近固定于便于固定的部位，有助于缩短二者之间的线缆距离并便于二者各自的固定，避免线缆缠绕的同时，采集器本体102也不会对用户运动造成较多影响或受用户运动影响而脱落。例如图3(e)所示的，可以将采集器本体102固定于用户运动时弯折度较小的腰腹部，此时可以方便地通过线缆连接多个表面肌电信号采集电极101，相较于从康复类设备的主机引出电极线缆的方案来说电极线缆的长度显著缩短，对人体运动的干扰相对较小。根据用户运动的程度，也可以将采集器本体102安装于用户附近的某部位，如用户呈躺姿在康复类设备上运动时，可以将采集器本体102就近固定于用户头部上方的固定架上。

采集器本体102的固定方案可以采用绑带进行固定，例如3(e)所示的，用绑带将采集器本体102绑缚于用户驱赶。

一个表面肌电信号采集器可以设置多个表面肌电信号采集电极101，但可以理解的是，若设置的表面肌电信号采集电极101较多，则需要相应的设置更多的第一电极接口103以及相应的电路，且需要主控芯片106提供更多引脚，这不利于表面肌电信号采集器的小型化与便携化。现今采集表面肌电信号通常需要两个电极形成对照，故优选的，一个表面肌电信号采集器设置一个或两个表面肌电信号采集电极101。

则当需要同时采集多个部位的表面肌电信号时，则需要设置多个表面肌电信号采集器，为便于使用，可以在采集器本体102设置第一固定件201，第一固定件201用于与设于另一表面肌电信号采集器的另一第一固定件201对接安装。如此，可以根据需要设置表面肌电信号采集器的数量，并在需要同时使用多个表面肌电信号采集器时将各表面肌电信号采集器通过第一固定件201组装起来，方便统一进行固定。

可选的，第一固定件201可以采用磁吸模块。如图2所示的，可以将四个表面肌电信号采集器的采集器本体102通过各自的磁吸模块吸合在一起后，继而如图3(e)所示的，将四个表面肌电信号采集器的采集器本体102统一用绑带绑缚于用户躯干，便于整体采集时的稳定性。此外，第一固定件201不限于采用磁吸模块，例如还可以采用绑带、魔术贴、插接件等。

同时，在固定了采集器本体102后，也需要将表面肌电信号采集电极101固定于采集部位。故本申请实施例提供的表面肌电信号采集器还可以包括安装于表面肌电信号采集电极101的第二固定件202，用于将表面肌电信号采集电极101固定于采集部位。第二固定件202可以采用硅胶贴片，将表面肌电信号采集电极101嵌于硅胶贴片后通过硅胶贴片固定于采集部位。第二固定件202也可以采用穿戴式固定件，如手环、绑带，用于将表面肌电信号采集电极101绑缚于采集部位周围的肢体，并使表面肌电信号采集电极101对准采集部位。

如图3(a)所示，当进行单侧上肢表面肌电信号采集时，利用第二固定件202将表面肌电信号采集电极101固定于上肢采集部位，使表面肌电信号采集电极101对准采集部位。同理，如图3(b)所示，当进行单侧下肢表面肌电信号采集时，利用第二固定件202将表面肌电信号采集电极101固定于下肢采集部位，使表面肌电信号采集电极101对准采集部位。

如图3(c)所示，当进行双侧上肢表面肌电信号采集时，利用第二固定件202分别将表面肌电信号采集电极101固定于两侧上肢采集部位，使表面肌电信号采集电极101对准采集部位(采集部位最好对称)。同理，如图3(d)所示，当进行双侧下肢表面肌电信号采集时，利用第二固定件202分别将表面肌电信号采集电极101固定于两侧下肢采集部位，使表面肌电信号采集电极101对准采集部位(采集部位最好对称)。

如图3(e)所示，当进行四肢表面肌电信号采集时，利用第二固定件202分别将表面肌电信号采集电极101固定于四肢，使表面肌电信号采集电极101对准采集部位(采集部位最好对称)。

针对上述五种采集场景，均可以如图3(e)所示的将采集器本体102通过第一固定件201固定于用户躯干部位，并根据需求配置表面肌电信号采集器的数量。

实施例二

图4为本申请实施例提供的一种第一电极接口的电路图。

在上述实施例的基础上，在本申请实施例提供的表面肌电信号采集器中，第一电极接口103可以采用USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)Type-C接口；其中，USBType-C接口的一对差分引脚和一个参考信号引脚对应一个表面肌电信号采集电极101。

如图4所示，USB Type-C接口引脚包括：4对TX/RX分线、2对USB D+/D-、一对SBU、2个CC，另外还有4个VBUS和4个地线。则在本申请实施例中，设计USB Type-C接口的引脚A1、A12、B1、B12接地，可以采用引脚A2、A3、A5(分别导通至引脚B2、B3、B5)作为连接第一个表面肌电信号采集电极101的引脚(IN1-N、IN1-P、REF1)，采用引脚A6、A7、A8(分别导通至引脚B6、B7、B8)作为连接第二个表面肌电信号采集电极101的引脚(IN2-N、IN2-P、REF1_1)，如此一个第一电极接口103可以连接两个表面肌电信号采集电极101，一组第一电极接口103和采集电路可以提供两路表面肌电信号采集通道。

此外，利用USB Type-C接口的其他引脚还可以实现电源输入，则如图1所示，可以设计表面肌电信号采集器的电池为充电电池109。本申请实施例提供的表面肌电信号采集器还可以包括充电电路108；充电电路108的输入端与USB Type-C接口的第三电源接线引脚、第四电源接线引脚连接，USB Type-C接口的第一电源接线引脚、第二电源接线引脚用于连接外部充电器，充电电路108的输出端与充电电池109的输入端连接。

如图4所示，可以采用USB Type-C接口的两个Vbus引脚A4、A9用于连接外接+5V的充电器VCHG 5V，USB Type-C接口的另两个Vbus引脚B4、B9与充电电路108的输入端连接，充电电路108的输出端与充电电池109的输入端连接。

此外，还可以设计USB Type-C接口的剩下两个引脚A10(SSRXn2)、A11(SSRXp2)(对应引脚B3(SSTXn2)、B2(SSTXp2))作为程序下载引脚(TXD、RXD)，用于向主控芯片106下载程序，以实现表面肌电信号采集功能。

为实现端口静电防护，如图4所示，在USB Type-C接口用于连接表面肌电信号采集电极101的一侧的引脚通过静电阻抗器(Electro-Static discharge，ESD)接地。

实施例三

在实际应用中，通常以两路表面肌电信号和一路心率信号为一组进行采集，则在上述实施例的基础上，本申请实施例提供的表面肌电信号采集器还可以包括固设于采集器本体102的第二电极接口110和心率信号采集电路111；

其中，第二电极接口110的第一端用于连接心率信号采集电极112，第二电极接口110的第二端与心率信号采集电路111的输入端连接，心率信号采集电路111的第二端通过模数转换电路105的心率信号采集通道与主控芯片106的第二信号输入端连接。

在具体实施中，第二电极接口110可以与第一电极接口103集成，也可以单独设置，第二电极接口110可以采用RJ接口。

则在一个本申请实施例提供的表面肌电信号采集器上，可以设置两路表面肌电信号采集通道(分别对应两个表面肌电信号采集电极101、两路肌电信号采集电路104)和一路心率信号采集通道(对应一个心率信号采集电极112和一路心率信号采集电路111)，模数转换电路105采用多路模数转换芯片，即可实现此三路信号的采集，输入主控芯片106后，由主控芯片106将数据打包后发送至上位机，以便上位机进行进一步分析。

实施例四

由于不论是表面肌电信号还是心率信号，均为较小的电信号，很容易受到干扰导致无法检测或检测不准确。故在上述实施例的基础上，在本申请实施例提供的表面肌电信号采集器中，肌电信号采集电路104和/或心率信号采集电路111，具体可以包括：共模抑制电路和信号采集电路；

其中，共模抑制电路包括依次相连的第一采集电路、第一反相电路、第一信号放大电路、零点电位引出电路和参考电极；

信号采集电路包括依次相连的第二采集电路、仪表运算放大电路、工频陷波电路、带通滤波电路和第二信号放大电路；

其中，第二采集电路的输入端与电极的输出引脚连接，第一采集电路的输入端与第二采集电路的输出端连接，零点电位引出电路的输出端连接与设于远离电极采集点的目标电位的参考电极连接；第二信号放大电路的输出端与模数转换电路105的输入端连接。

在具体实施中，信号采集电路用于将小信号转换为模数转换电路105输入量级的信号，共模抑制电路用于消除信号采集电路中的共模信号，减少信号采集电路中的干扰信号，确保所要采集的目标信号的清晰度。

具体的，在共模抑制电路中，由第一采集电路获取信号层采集电路中的信号后，通过第一反相电路产生与信号采集电路中大小相等、相位相反的反共模信号，进行共模信号消除，将中和后的信号通过目标电位从信号采集电路中引走，有效的消除了共模噪声，提高了采集的信号的清晰度与精准度。

为了更好的将中和后的信号通过零点电位引出电路，从与目标源(即采集部位)具备相同属性的电位点，例如，目标信号的目标源为人体，那么目标零点电位也在人体上选择，而不选择普通的接地点，避免有新的干扰信号加入，同时，要确保目标电位不能存在过多的干扰信号，例如，目标信号为心率信号，则目标电位可以选择人的右腿，远离心脏，远离心率信号，避免心率信号产生新的干扰。在采集表面肌电信号时，通常设置三个电极，其中采用两个表面肌电信号采集电极101采集目标肌肉部位的表面肌电信号，通过将参考电极贴在人体中线的点，或者受共模干扰最小的点(比如手腕的腕骨突，右腿的踝骨突处等)，以消除信号采集电路中的共模干扰。

而为了更好的去除共模信号，在目标信号经过放大前，就进行共模抑制，因此，第一采集电路的输入端与第二采集电路的输出端连接，用于在第二采集电路通过电极采集到目标信号后即对目标信号中的共模信号进行消除，使得信号采集电路后续电路对消除共模信号后的目标信号进行后续处理，提高了抑制效果。

在信号采集电路中，将采集到的差分信号(表面肌电信号或心率信号)经过第二采集电路进行前端初步滤波，而后利用仪表运算放大电路将滤波后的目标信号放大数倍，例如，几十倍，再送至后面的第二信号放大电路中，组成一个组合放大电路。具体的，其中，仪表运算放大电路的放大倍数可以为39.8倍。

此外，由于空气中存在大量50Hz工频干扰，为了消除此类干扰，设置工频陷波电路，用于滤除50Hz的全部信号，从而去除干扰。

设置带通滤波电路，带通滤波电路的高频点截止频率为500Hz。此外，还可以设置滤波电容以及电源滤波电路。

第二信号放大电路的放大倍数可以为24倍。

此外，信号采集电路中还可以设置依次连接于第二信号放大电路的第二端的光耦隔离与传输电路、相位补偿与放大电路，相位补偿与放大电路的放大倍数可以为2倍。

此外，本申请实施例提供的表面肌电信号采集器还可以包括设于信号放大电路和模数转换电路105之间的绝对值检知器(RMS)电路，从而通过硬件计算出目标信号的绝对值，而不需后续电路进行软件设置，可以减少后续电路的硬件成本。

上文详述了表面肌电信号采集器对应的各个实施例，在此基础上，本申请还公开了与上述表面肌电信号采集器对应的表面肌电信号采集系统。

实施例五

本申请实施例提供的表面肌电信号采集系统可以包括上述任一实施例提供的表面肌电信号采集器，还包括上位机；

上位机基于第二无线通信器与表面肌电信号采集器的第一无线通信器107通信连接。

一台上位机可以连接多个表面肌电信号采集器以综合多个表面肌电信号采集器采集到的表面肌电信号来进行状态分析。

进一步的，本申请实施例提供的表面肌电信号采集系统还可以包括终端设备。通过基于云服务器搭建云平台，设计终端软件，可以将最初从表面肌电信号采集器采集到的表面肌电信号转换为可读信号后进一步分析得到康复状态，以便用户通过用户终端随时进行查看。

以上对本申请所提供的一种表面肌电信号采集器及表面肌电信号采集系统进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明都是与其它实施例的不用之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列的要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。