[发明专利]阵列式表面肌电图像采集器及采集方法

说明书

技术领域

本发明属于人体表面肌电信号采集设备制造领域，尤其涉及一种阵列式表面肌电图像采集器及采集方法。 

背景技术

肌电信号（Electromyography，EMG）是应用电子学仪器记录肌肉静止或收缩时的电活动的曲线。一条肌纤维上动作电位传播过程形成了单纤维动作单位（Single Fiber Action Potential，SFAP）；一个运动单位内所有SFAP在时间和空间上的综合叠加就形成了运动单元动作电位（Motor Unit Action Potential，MUAP），运动单位持续的发放过程产生运动单位动作电位序列（Motor Unit Action Potential train，MUAPt）；肌肉活动时，参与肌肉活动的多个运动单位形成的MUAPt经过由肌肉、皮下组织和皮肤等组成的容积导体的滤波作用后在检测电极处时空叠加形成了肌电图像。 

传统的肌电图像采集方法是将针电极或线电极等细小电极直接插进肌肉组织进行采集，得到插入式肌电信号（indwelling or intramuscular EMG Signal，iEMG）。针电极、线电极能够很好地与肌纤维接触，MUAP互相叠加程度较低，因此可以较容易地检测出不同类型运动单位的MUAP序列。 

另外一种方法称为表面肌电信号检测。表面肌电（surface Electromyography, sEMG）信号是神经肌肉系统在进行随意性和非随意性活动时的生物电变化经表面电极引导、放大、显示和记录所获得的一维电压时间序列信号，其振幅约为0-5000μV，频率0-500Hz，信号形态具有较强的随机性和不稳定性。 

与传统的针式肌电图信号相比，sEMG的探测空间较大，重复性较好。基础研究表明，sEMG 信号源于大脑运动皮层控制之下的脊髓α运动神经元的生物电活动，信号的振幅和频率特征变化取决于不同肌肉活动水平和功能状态下的运动单位活动同步化、肌纤维募集等生理性因素，以及探测电极位置、信号串扰（Crosstalk）、皮肤温度、肌肉长度和肌肉收缩方式等测量性因素的共同作用。在控制良好的条件下，上述sEMG 信号活动的变化在很大程度上能够定量反映肌肉活动的局部疲劳程度、肌力水平、肌肉激活模式、运动单位兴奋传导速度、多肌群协调性等肌肉活动和中枢控制特征的变化规律，因而对于体育科学研究、手势识别、康复医学临床和基础研究等具有重要的学术价值和应用意义。 

但是以上这两种肌电信号采集方法都存在不足。 

医疗实践表明，iEMG给患者带来了较大的痛苦，首先，它会对皮肤造成损害，也会给患者带来疼痛感；其次，它不适用于多次重复检测。 

而目前我们能见到的sEMG信号采集器都是单通道或者若干个分散的通道进行采集。由于肌电信号存在串扰现象使得采集到的信号不能分析多肌群之间的协作关系，再由于电极检测点密度不够精细，无法利用其进行更高水平的图形学上的研究。 

发明内容

为克服现有肌电信号采集技术上的不足和缺陷，本发明提供了一种基于阵列式电极的表面肌电图像采集器及采集方法。它可以同时高速地采集、处理和传输16个通道的肌电信号，并可通过多个采集器的并联使用得到通道数的扩展，从而形成由密集电极组成的肌电图像。这避免了iEMG给人带来的痛苦，又可同时获得不同肌群之间协作完成某个动作的肌电图像序列。 

为此，本发明采用如下技术方案来解决以上技术问题： 

一种阵列式表面肌电图像采集器，包括1个16通道的阵列电极、1个参考电极模块、2个模拟滤波放大电路模块、2个A/D转换模块、1个数据处理模块与1个电源模块。

所述16通道的阵列电极由两个8通道阵列电极组成，每个8通道阵列电极由8个电极组成，可采集8路肌电信号。 

所述参考电极模块由一个电极构成，贴于人体表面肌肉组织较少的部位（如手腕），是本发明阵列式表面肌电图像采集器的参考地。 

所述模拟滤波放大电路模块包括八个模拟滤波放大电路，每个模拟滤波放大电路由一级差分放大电路、带通滤波电路与二级差分放大电路串联组成。每个模拟滤波放大电路与前端的8通道阵列电极中的一个通道相连接。模拟滤波放大电路模块对电极采集到的微弱信号进行一级差分放大后滤除20-380Hz以外的干扰信号，再经过二级差分放大，输出信号比输入信号增强60dB左右。16路信号并行传输，互不干扰。