CN116211559A

CN116211559A - 一种面向假肢控制的无线柔性肌电采集系统

Info

Publication number: CN116211559A
Application number: CN202310078996.7A
Authority: CN
Inventors: 盛鑫军; 吴宇峻; 方韵; 郭伟超
Original assignee: Shanghai Jiao Tong University
Current assignee: Shanghai Jiao Tong University
Priority date: 2023-01-20
Filing date: 2023-01-20
Publication date: 2023-06-06

Abstract

本发明公开了一种面向假肢控制的无线柔性肌电采集系统，涉及康复辅具领域，包括主机、从机，主机安装在假肢上；从机通过粘附层贴附在皮肤表面；从机包括硅胶外壳、粘附层、从机电路板、肌电电极；从机电路板包括肌电采集模块、从机蓝牙模块、从机整流稳压模块、次级线圈；主机包括主机蓝牙模块、主机控制模块、电源管理模块、锂电池、初级线圈；从机蓝牙模块将数字化的肌电数据发送至主机蓝牙模块；主机控制模块解码肌电数据，根据解码结果控制假肢手做出相应手势。本发明的从机通过粘附层贴附于皮肤表面，通过无线方式从主机获取电能并与之无线通信，避免了假肢穿脱造成的电极移位，减少再训练频率，大大减轻用户负担。

Description

一种面向假肢控制的无线柔性肌电采集系统

技术领域

本发明涉及康复辅具领域，尤其涉及一种面向假肢控制的无线柔性肌电采集系统。

背景技术

我国肢体残疾人数量众多，其中有相当一部分是上肢截肢者。上肢截肢者通过假肢手恢复手部功能将极大地提高生活质量，并且有益于心理创伤的康复。

在上肢假肢中，体外力源假肢最具有恢复手部功能的潜力。体外力源假肢是指使用电动或气动等体外来源的动力驱动的假肢。为了直观、自然地控制体外力源假肢，人机接口是首要选择。因为表面肌电信号具有非侵入式、神经控制信息丰富等优点，所以目前大量商用假肢使用表面肌电信号作为人机接口控制假肢的信号来源。

现有的商用和研究用的假肢为了穿戴和卸下方便，以及保证电极具有较长的使用寿命，使用的肌电电极绝大部分是金属材质的干电极。这些电极通常沿着圆周方向安装在接受腔内侧，通过与使用者残肢末端皮肤的紧密接触采集表面肌电信号，这在实际应用中面临挑战，严重影响患者使用假肢的积极性。一方面假肢的穿戴和脱下造成电极移位，而最初用于训练肌电解码模型的数据是在某一特定的电极位置下采集的，使得用于假肢控制的肌电解码模型精度下降。为了克服电极移位的影响，常用的方法是每次使用假肢前都要进行再训练，即采集一部分新的肌电数据，用于训练在当前电极位置下适用的分类器模型。频繁的再训练大大增加了使用者的负担。另一方面，金属电极的杨氏模量与皮肤的差别较大，使得用户长期佩戴假肢时容易产生不适感；同时与皮肤之间无法实现共形接触，导致较高的皮肤—电极界面阻抗，对肌电信号质量造成不良影响。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种面向假肢控制的无线柔性肌电采集系统，能够使肌电电极与假肢分离，且可以长期稳定贴附于皮肤表面；能够使用与皮肤表面力学性能相近的肌电电极，同时这种电极能够重复使用。

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如何避免假肢穿脱造成的电极移位，如何实现电极与皮肤的共形接触。

为实现上述目的，本发明提供了一种面向假肢控制的无线柔性肌电采集系统，包括主机、从机，其中，所述主机安装在假肢上；所述从机通过粘附层贴附在皮肤表面；所述从机包括硅胶外壳、粘附层、从机电路板、肌电电极；所述从机电路板以PI作为柔性基底，包括肌电采集模块、从机蓝牙模块、从机整流稳压模块、次级线圈；所述主机包括主机蓝牙模块、主机控制模块、电源管理模块、锂电池、初级线圈；所述肌电采集模块通过所述肌电电极采集表面肌电信号，并进行滤波、放大和模数转换；所述从机蓝牙模块将数字化的肌电数据发送至所述主机蓝牙模块；所述主机蓝牙模块接收肌电数据并发送至所述主机控制模块；所述主机控制模块解码肌电数据，并根据解码结果控制假肢手做出相应手势。

进一步地，所述硅胶外壳通过浇注或3D打印方式制作，用于保护所述从机中的电路；所述粘附层采用粘性硅胶浇注而成。

进一步地，所述肌电采集模块使用ADS1298作为模拟前端，内置差分放大器和模数转换器，采集8个差分通道的表面肌电信号，模拟前端的前级有RC高通滤波器。

进一步地，所述肌电电极的形式为一片FPC上的2个镀金铜电极，用于一个采集通道的差分输入；在贴附所述肌电电极时，同一通道的两个电极与肌肉走向一致。

进一步地，所述肌电电极通过FPC连接线与所述从机电路板连接。

进一步地，所述从机整流稳压模块对所述次级线圈中通过电磁感应产生的交流电压进行整流滤波，为所述从机的其他模块提供3.3V直流电压。

进一步地，所述次级线圈的形式为柔性电路，印刷在所述从机电路板上。

进一步地，所述主机控制模块控制所述电源管理模块为所述从机无线供电。

进一步地，所述电源管理模块通过LDO稳压器为所述主机蓝牙模块和所述主机控制模块提供3.3V直流电压；所述电源管理模块通过DC-DC转换器输出5V直流电压，为一个NFC收发器供电；所述NFC收发器将5V直流电压逆变为13.56MHz交流电压，通过所述初级线圈和所述次级线圈之间的电感耦合，向所述从机无线传输电能。

进一步地，所述初级线圈安装在假肢接受腔外侧，与所述从机对齐，通过导线与所述主机连接。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益技术效果：

1、本发明的从机通过粘性硅胶等自粘性材料制成的粘附层贴附于皮肤表面，同时从机通过无线方式从假肢上的主机获取电能并与之无线通信，避免了假肢穿脱造成的电极移位，减少再训练频率，大大减轻用户负担；

2、本发明的从机使用柔性电子技术制作，厚度较小，且杨氏模量与皮肤相当，甚至远小于皮肤，提高了肌电电极的舒适性，实现电极与皮肤的共形接触，信号质量优于常见假肢使用的刚性电极。

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结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的系统原理图；

图3是本发明的一个较佳实施例的肌电信号处理和解码流程图。

其中，10-从机；11-硅胶外壳；12-粘附层；13-从机电路板；14-肌电电极；15-FPC连接线；20-主机；21-初级线圈；30-假肢接受腔；40-前臂残肢；41-皮肤表面。

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。

本实施例应用场景是前臂假肢控制，如图1所示，是本发明的一个较佳实施例的结构示意图，包括从机10和主机20两部分，从机10贴附在使用者前臂残肢40的皮肤表面41上，初级线圈21安装在假肢接受腔30外侧，与内侧的从机10对齐，并通过导线与安装在假肢上的主机20连接。从机10的结构包括硅胶外壳11、粘附层12、从机电路板13、肌电电极14和FPC连接线15。硅胶外壳11通过浇注或3D打印方式制作，用于保护从机10中的电路。粘附层12采用粘性硅胶浇注而成，用于稳定贴附在皮肤表面41。从机电路板13以PI作为柔性基底，上面包括了肌电采集模块、从机蓝牙模块和从机整流稳压模块。硅胶外壳11、粘附层12和从机电路板13的材料和结构保证从机10具有较小的厚度，并且与皮肤的力学性能相近，有利于从机10长期稳定贴附于皮肤表面41。

主机20包括主机蓝牙模块、主机控制模块、电源管理模块、锂电池、初级线圈21。

优选地，次级线圈的形式为柔性电路，印刷在从机电路板13上；初级线圈21也可以印刷在FPC上，以便更好地与假肢接受腔30的外侧曲面贴合。

优选地，肌电电极14通过FPC连接线15与从机电路板13连接。

如图2所示，为本实施例的系统原理图。肌电采集模块通过肌电电极14采集表面肌电信号(sEMG)，并进行滤波、放大和模数转换。从机蓝牙模块包括一个蓝牙SoC，负责将数字化的肌电数据通过蓝牙发送至主机20。从机整流稳压模块对次级线圈中通过电磁感应产生的交流电压进行整流滤波，为从机10的其他模块提供3.3V直流电压。

主机蓝牙模块包含一个蓝牙SoC，用于接收从机蓝牙模块发送的肌电数据，并传输至主机控制模块。主机控制模块包括一个微控制器(MCU)用于解码肌电数据，并根据解码结果控制假肢手做出相应手势，同时控制电源管理模块为从机10无线供电。电源管理模块将锂电池输入的3.7V直流电压转换为不同电压，供主机20的其他模块使用。锂电池同时为主机20和假肢手供电。

优选地，肌电采集模块使用ADS1298作为模拟前端，内置差分放大器和模数转换器(ADC)，可采集8个差分通道的sEMG；模拟前端的前级还有RC高通滤波器。

优选地，肌电电极14的形式为一片FPC上的2个镀金铜电极，用于一个采集通道的差分输入；在贴附肌电电极14时，同一通道的两个电极应与肌肉走向一致。

优选地，电源管理模块的电压转换方案如下：通过LDO稳压器为主机蓝牙模块和主机控制模块提供3.3V直流电压；同时通过DC-DC转换器输出5V直流电压，为一个NFC收发器供电；NFC收发器将5V直流电压逆变为13.56MHz交流电压，通过初级线圈21和次级线圈之间的电感耦合，向从机10无线传输电能。

如图3所示，为本实施例所实现的肌电信号处理和解码流程图。通过肌电电极14记录的sEMG首先通过肌电采集模块中的RC高通滤波，然后经过模拟前端内置的EMI滤波、差分放大和抗混叠滤波，再通过模数转换获得数字化的肌电数据。主机控制模块的MCU对肌电数据进行带通滤波、提取信号特征，并将特征输入肌电解码模型，最终输出用于假肢手的控制信号。

优选地，肌电采集模块的RC高通滤波器截止频率为10Hz，用于抑制低频的运动伪迹等噪声；模拟前端差分增益为6，模数转换采样率为1kHz，分辨率为24位。

优选地，主机控制模块上的MCU实现对肌电信号的软件滤波，包括通带为20～450Hz的带通滤波器和50Hz的陷波滤波器；选用的肌电解码模型为线性辨别分析(LDA)模型，用于手势分类。

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

1.一种面向假肢控制的无线柔性肌电采集系统，其特征在于，包括主机、从机，其中，所述主机安装在假肢上；所述从机通过粘附层贴附在皮肤表面；所述从机包括硅胶外壳、粘附层、从机电路板、肌电电极；所述从机电路板以PI作为柔性基底，包括肌电采集模块、从机蓝牙模块、从机整流稳压模块、次级线圈；所述主机包括主机蓝牙模块、主机控制模块、电源管理模块、锂电池、初级线圈；所述肌电采集模块通过所述肌电电极采集表面肌电信号，并进行滤波、放大和模数转换；所述从机蓝牙模块将数字化的肌电数据发送至所述主机蓝牙模块；所述主机蓝牙模块接收肌电数据并发送至所述主机控制模块；所述主机控制模块解码肌电数据，并根据解码结果控制假肢手做出相应手势。

2.如权利要求1所述的面向假肢控制的无线柔性肌电采集系统，其特征在于，所述硅胶外壳通过浇注或3D打印方式制作，用于保护所述从机中的电路；所述粘附层采用粘性硅胶浇注而成。

3.如权利要求1所述的面向假肢控制的无线柔性肌电采集系统，其特征在于，所述肌电采集模块使用ADS1298作为模拟前端，内置差分放大器和模数转换器，采集8个差分通道的表面肌电信号，模拟前端的前级有RC高通滤波器。

4.如权利要求1所述的面向假肢控制的无线柔性肌电采集系统，其特征在于，所述肌电电极的形式为一片FPC上的2个镀金铜电极，用于一个采集通道的差分输入；在贴附所述肌电电极时，同一通道的两个电极与肌肉走向一致。

5.如权利要求1所述的面向假肢控制的无线柔性肌电采集系统，其特征在于，所述肌电电极通过FPC连接线与所述从机电路板连接。

6.如权利要求1所述的面向假肢控制的无线柔性肌电采集系统，其特征在于，所述从机整流稳压模块对所述次级线圈中通过电磁感应产生的交流电压进行整流滤波，为所述从机的其他模块提供3.3V直流电压。

7.如权利要求1所述的面向假肢控制的无线柔性肌电采集系统，其特征在于，所述次级线圈的形式为柔性电路，印刷在所述从机电路板上。

8.如权利要求1所述的面向假肢控制的无线柔性肌电采集系统，其特征在于，所述主机控制模块控制所述电源管理模块为所述从机无线供电。

9.如权利要求1所述的面向假肢控制的无线柔性肌电采集系统，其特征在于，所述电源管理模块通过LDO稳压器为所述主机蓝牙模块和所述主机控制模块提供3.3V直流电压；所述电源管理模块通过DC-DC转换器输出5V直流电压，为一个NFC收发器供电；所述NFC收发器将5V直流电压逆变为13.56MHz交流电压，通过所述初级线圈和所述次级线圈之间的电感耦合，向所述从机无线传输电能。

10.如权利要求1所述的面向假肢控制的无线柔性肌电采集系统，其特征在于，所述初级线圈安装在假肢接受腔外侧，与所述从机对齐，通过导线与所述主机连接。