肌電信號採集和動作形態同步的方法
2023-10-07 07:23:04
專利名稱：肌電信號採集和動作形態同步的方法
所屬領域本發明涉及體育訓練自動化和醫療器械自動化領域，特別涉及肌電信號的多種採集模式以及肌電信號與高速攝像、其它外部電信號測試裝置的時間同步。
背景技術：
肌電是產生肌肉力的電信號根源，它是肌肉中多個運動單元動作電位在時間和空間上的疊加，反映了神經、肌肉的功能狀態。近年來，肌電被廣泛應用於基礎醫學研究、臨床診斷、康復工程、運動醫學、工效學和運動生物力學等領域。
目前國內各單位使用的肌電儀基本都通過代理商或分銷商從國外公司購買，國外主要生產廠商包括Mega Electronics、Noraxon、MIE medical research等公司，他們的產品都以有線或無線的形式實現了肌電信號的採集和傳輸。
隨著科技工作者對肌電信號本質的深入研究，人們意識到單純的肌電信號由於其重複性不好、生理特徵不明確，必須結合高速攝影以及其他生物力學信息的測量才能更好的發揮肌電分析的效果。相關的生物力學信息包括人體三維姿勢信息、運動環節速度信息、運動環節加速度信息、人體步態、腦電波信號等。
要實現肌電信號與上述生物力學信息的綜合分析，首先需解決的就是肌電信號與三維圖像、其他模擬信號的同步問題，只有建立精確的時間同步才能夠進行後續時域、頻域的相關分析。本系統提供了肌電信號與高速影像、其他模擬信號的同步機制，並且設計了肌電信號的多種採集模式，滿足各種應用場景的需求。
發明內容
本發明的目的在於設計一種人體肌電信號採集和動作形態同步的方法，為使用者提供靈活多樣的肌電信號採集模式，實現肌電信號與高速影像、其他模擬信號的精確時間同步。
本發明的技術方案是
一種肌電信號採集和動作形態同步的方法，其特徵是為使用者提供靈活多樣的肌電信號採集模式，實現肌電信號與高速影像、其他模擬信號的精確時間同步，並提供肌電信號的四種測試模式無線遙測、USB接口測試、外部電信號觸發測試、肌電儀獨立測試，具體做法是(1)、建立肌電信號採集和動作形態同步系統由計算機(1)、微機接口器(2)、肌電儀(3)、同步器(4)、高速攝像機(5)、USB接口線(6)組成，所述的微機接口器(2)包括USB接口插座(2a)、USB接口晶片(2b)、微處理器(2c)、無線收發模塊(2d)、穩壓器(2e)，所述的肌電儀(3)包括肌電信號放大和濾波電路(3a)、內嵌模數轉換器的微處理器(3b)、電源模塊(3c)、無線收發模塊(3d)、USB接口插座(3e)、USB接口晶片(3f)、按鈕(3g)、肌電信號導線(3h)、電極(3i)、存儲器(3j)，所述的同步器(4)包括微處理器(4a)、無線收發模塊(4b)、電源模塊(4c)、外部信號輸入插座(4d)、超高亮發光二極體(4e)；(2)、無線遙測模式由計算機(1)通過USB接口線(6)向微機接口器(2)發出開始測試的指令，該指令被微機接口器(2)通過無線收發模塊(2d)廣播出去，肌電儀(3)通過無線收發模塊(3d)接收該信號後，開始採集肌電信號；同時，微機接口器(2)發出的開始指令被同步器(4)的無線收發模塊(4b)接收，同步器(4)點亮超高亮發光二極體(4e)，該信號被高速攝像機(5)捕獲，高速攝像機(5)同時錄製使用者的動作形態，從而實現肌電信號與動作形態圖像的精確時間同步，與此同時同步器(4)通過通過同步脈衝輸出接口(4f)輸出一個脈衝信號，供給其它外部測試設備，作為開始測量的觸發信號，從而實現肌電信號與其它外部電信號的精確時間同步；(3)、USB接口測試模式計算機(1)通過USB接口線(6)直接控制肌電儀(3)進行肌電信號的採集；(4)、外部電信號觸發測試模式一旦同步器(4)的外部信號輸入插座(4d)接收外部電信號的有效變化，就點亮超高亮發光二極體(4e)，該信號被高速攝像機(5)捕獲，高速攝像機(5)同時錄製使用者的動作形態，同時通過無線模塊(4b)發出開始測試的指令，肌電儀(3)通過無線收發模塊(3d)接收該信號後，開始採集肌電信號；從而實現外部電信號、肌電信號、圖像的精確時間同步；所述的外部電信號的有效變化指標準TTL電平或者CMOS電平由低到高的變化；或者電信號幅度超過預定闕值；(5)、肌電儀獨立工作模式操作者按下肌電儀(3)的按鈕(3g)，肌電儀(3)就開始肌電信號的採集。
所述的肌電信號的採集是將電極(3i)放置於使用者待測肌肉的肌腹部位，電極(3i)感應肌纖維內部微弱的電信號，經過肌電信號導線(3h)，傳輸至肌電儀(3)，通過肌電放大和濾波電路(3a)，傳送至內嵌模數轉換器的微處理器(3b)，將模擬量轉化為數字量，保存於存儲器(3j)；採集完成後存儲器(3j)中的數據由計算機(1)通過USB接口線(6)讀入計算機(1)，進行後續處理和分析。
無線遙測模式實現了肌電信號、高速攝影、其它測試設備的同步；肌電信號的在線監視；肌電信號的完整存儲。
USB接口測試模式實現了肌電信號的在線監視；肌電信號的完整存儲。
外部電信號觸發測試模式實現了高速攝像、肌電信號和外部測試設備的同步；肌電信號在線監視；肌點信號的完整存儲。
所述的無線收發模塊(2d)、無線收發模塊(3d)、無線收發模塊(4b)可以由有線收發模塊替換，計算機(1)與微機接口器(2)、肌電儀(3)、同步器(4)建立有線通信。
採集的肌電信號存儲於肌電儀內，採用記錄索引的形式，在存儲器內記錄多次測量的肌電詳細數據，實現多次採集、集中傳輸。
本發明的有益效果是1實現了肌電信號的採集、存儲和傳輸，提供肌電信號的多種測試模式，用戶可以根據具體應用場合自由選擇。
2實現了肌電信號、圖像和外部電信號的精確時間同步。
3用戶可以通過計算機對肌電信號變化進行在線監視，及時發現測試對象生理機能的變化情況。
4肌電信號完整的保存於肌電儀內部存儲器中，為後續分析提供了準確數據。
5肌電儀採用無線傳輸和電源模塊供電等技術手段，保證受測對象可自由移動。
6採用自定義文件列表對存儲器中的肌電數據進行管理，使得同一存儲器可儲存多次肌電測試的原始數據，由計算機一次讀出，實現了多次測試、集中上載7本系統可廣泛應用於病人臨床監護、運動員訓練指導、運動醫學、體育科研等多個領域。
圖1是肌電信號採集和同步系統結構示意圖。
圖2是微機接口器硬體結構示意圖。
圖3是同步器硬體結構示意圖。
圖4是同步器外部觸發信號輸入原理圖。
圖5是肌電儀硬體結構示意圖。
圖6是肌電信號放大和濾波電路原理圖。
圖7是無線遙測模式同步過程示意圖。
圖8是外部電信號觸發測試模式同步過程示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
肌電採集和同步系統包括由計算機(1)、微機接口器(2)、肌電儀(3)、同步器(4)高速攝像機(5)、USB接口線組成(附圖1)。下面分別介紹微機接口器(2)肌電儀(3)、同步器(4)的工作原理和功能。
微機接口器(2)通過USB接收計算機(1)的控制指令，並通過無線信道將該指令發送出去；通過無線信道接收同步器(4)、肌電儀(3)的狀態信號，並將狀態信號反饋給計算機(1)；通過無線信道接收肌電儀的實時檢測數據，並將該數據傳送給計算機(1)(附圖2)。
同步器(4)的作用是使用無線信道接收開始測量的指令，點亮超高亮發光二極體(4e)，同時通過同步脈衝輸出接口(4f)輸出脈衝信號；監視外部信號電平的有效變化，並通過無線信道向肌電儀(3)發出開始指令(附圖3)。其中外部信號電平INPUT通過R1、R2、U1所構成的跟隨器進入內部帶模數轉換器的微處理器，一旦該信號超過某個預定的值，即認為是有效的電平變化；外部電平信號通過R3、R4、U2組成的跟隨器進入微處理器的中斷引腳，一旦該引腳由高到低即認為是有效的電平變化，其中R5作為下拉電阻，防止無外部信號引入的情況下，由於電磁幹擾而產生的誤動作(附圖4)。實際使用中可根據需要，由計算機(1)設置同步器(4)選擇上述兩種識別方式中的任何一種。
肌電儀(3)負責肌電信號的採集、儲存和傳輸(附圖5)。其USB接口晶片(3f)和USB接口插座(3e)負責與計算機的有線方式通信，無線模塊(3c)與微機接口器(2)、同步器(4)進行無線通信。電極(3i)拾取原始肌電信號，經過肌電信號導線(3h)輸入放大和濾波電路(3a)。單通道原始肌電信號由AIN1和AIN2的電位差形成，U1為雙極性儀表放大器，通過外接電阻R1調整放大倍數(附圖6)。放大後的肌電信號包含豐富的高次諧波，U2、C1、C3、R2、R3構成二階巴特沃斯低通濾波器，其截止頻率通過C1、C3、R2、R3調整，輸出的模擬信號AOUT輸入微處理器。微處理器內部帶有模數轉換器，可將模擬信號數位化。完整的數位化肌電信號保存在存儲器(3j)中，存儲器(3j)中前512個字節作為記錄索引，不保存肌電數據。記錄索引的格式如表一。
表1 存儲器(3j)記錄索引定義下面分別介紹肌電儀四種工作模式的具體實施方式
。
無線遙測模式中，由計算機(1)通過USB接口線(6)向微機接口器(2)發出開始測試的指令，該指令被微機接口器(2)通過無線收發模塊(2d)廣播出去，肌電儀(3)通過無線收發模塊(3d)接收該信號後，開始採集肌電信號。同時，微機接口器(2)發出的開始指令被同步器(4)的無線收發模塊(4b)接收，同步器(4)點亮超高亮發光二極體(4e)，該信號被高速攝像機(5)捕獲，從而實現肌電信號與圖像的精確時間同步(附圖7)；與此同時同步器(4)通過通過同步脈衝輸出接口(4f)輸出一個脈衝信號，供給其它外部測試設備，作為開始測量的觸發信號，從而實現肌電信號與其它外部信號的精確通步。肌電信號採集過程中，肌電儀(3)通過無線模塊(3d)將採集的數據發送出去，該數據被微機接口器(2)接收，通過USB導線(6)向計算機(1)發送，從而實現肌電信號的在線監視。考慮到無線鏈路的通信速率有限，而且肌電儀隨著測試對象一起運動，無線鏈路可能會出現暫時中斷，因此將完整的肌電數據存儲於存儲器(3j)內。採集完成後，由計算機(1)通過USB導線(6)直接上載存儲器內(3j)的數據。
在USB接口測試模式中，計算機(1)通過USB接口線(6)直接控制肌電儀(3)開始肌電信號的採集。在測量過程中，肌電儀(3)通過USB接口線(6)將肌電信號數據發送給計算機(1)，實現在線監視。為了保證肌電數據的完整性，將完整的肌電數據存儲於存儲器(3j)內。採集完成後，由計算機(1)通過USB導線(6)直接上載存儲器內(3j)的數據。
在外部電信號觸發測試模式中，一旦同步器(4)的外部信號輸入插座(4d)接收到外部電信號的有效變化，就點亮超高亮發光二極體(4e)，同時通過無線模塊(4b)發出開始測試的指令，肌電儀(3)通過無線收發模塊(3d)接收該信號後，開始採集肌電信號(附圖8)。從而實現外部電信號、肌電信號、圖像的精確時間同步。在本模式中，外部電信號的有效變化指標準TTL電平或者CMOS電平由低到高的變化；電信號幅度超過預定闕值。在採集過程中，如果肌電儀(3)通過USB接口線(6)連接計算機(1)，則通過USB接口線(6)向計算機發送肌電數據，否則通過無線模塊(3d)發送數據，實現肌電信號的在線監視。並將完整的肌電數據存儲於存儲器(3j)內。採集完成後，由計算機(1)通過USB導線(6)直接上載存儲器內(3j)的數據。
在肌電儀獨立工作模式中，操作者按下肌電儀(3)的按鈕(3g)，肌電儀(3)就開始肌電信號的採集。在該模式中不存在在線監視，所有肌電數據存放在存儲器(3j)內。
表2 對四種工作模式進行了總結。
表2 肌電採集與同步系統四種工作模式對比
權利要求
1.一種肌電信號採集和動作形態同步的方法，其特徵是為使用者提供靈活多樣的肌電信號採集模式，實現肌電信號與高速影像、其他模擬信號的精確時間同步，並提供肌電信號的四種測試模式無線遙測、USB接口測試、外部電信號觸發測試、肌電儀獨立測試，具體做法是(1)、建立肌電信號採集和動作形態同步系統由計算機(1)、微機接口器(2)、肌電儀(3)、同步器(4)、高速攝像機(5)、USB接口線(6)組成，所述的微機接口器(2)包括USB接口插座(2a)、USB接口晶片(2b)、微處理器(2c)、無線收發模塊(2d)、穩壓器(2e)，所述的肌電儀(3)包括肌電信號放大和濾波電路(3a)、內嵌模數轉換器的微處理器(3b)、電源模塊(3c)、無線收發模塊(3d)、USB接口插座(3e)、USB接口晶片(3f)、按鈕(3g)、肌電信號導線(3h)、電極(3i)、存儲器(3j)，所述的同步器(4)包括微處理器(4a)、無線收發模塊(4b)、電源模塊(4c)、外部信號輸入插座(4d)、超高亮發光二極體(4e)；(2)、無線遙測模式由計算機(1)通過USB接口線(6)向微機接口器(2)發出開始測試的指令，該指令被微機接口器(2)通過無線收發模塊(2d)廣播出去，肌電儀(3)通過無線收發模塊(3d)接收該信號後，開始採集肌電信號；同時，微機接口器(2)發出的開始指令被同步器(4)的無線收發模塊(4b)接收，同步器(4)點亮超高亮發光二極體(4e)，該信號被高速攝像機(5)捕獲，高速攝像機(5)同時錄製使用者的動作形態，從而實現肌電信號與動作形態圖像的精確時間同步，與此同時同步器(4)通過通過同步脈衝輸出接口(4f)輸出一個脈衝信號，供給其它外部測試設備，作為開始測量的觸發信號，從而實現肌電信號與其它外部電信號的精確時間同步；(3)、USB接口測試模式計算機(1)通過USB接口線(6)直接控制肌電儀(3)進行肌電信號的採集；(4)、外部電信號觸發測試模式一旦同步器(4)的外部信號輸入插座(4d)接收外部電信號的有效變化，就點亮超高亮發光二極體(4e)，該信號被高速攝像機(5)捕獲，高速攝像機(5)同時錄製使用者的動作形態，同時通過無線模塊(4b)發出開始測試的指令，肌電儀(3)通過無線收發模塊(3d)接收該信號後，開始採集肌電信號；從而實現外部電信號、肌電信號、圖像的精確時間同步；所述的外部電信號的有效變化指標準TTL電平或者CMOS電平由低到高的變化；或者電信號幅度超過預定闕值；(5)、肌電儀獨立工作模式操作者按下肌電儀(3)的按鈕(3g)，肌電儀(3)就開始肌電信號的採集。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵是所述的肌電信號的採集是將電極(3i)放置於使用者待測肌肉的肌腹部位，電極(3i)感應肌纖維內部微弱的電信號，經過肌電信號導線(3h)，傳輸至肌電儀(3)，通過肌電放大和濾波電路(3a)，傳送至內嵌模數轉換器的微處理器(3b)，將模擬量轉化為數字量，保存於存儲器(3j)；採集完成後存儲器(3j)中的數據由計算機(1)通過USB接口線(6)讀入計算機(1)，進行後續處理和分析。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於無線遙測模式實現了肌電信號、高速攝影、其它測試設備的同步；肌電信號的在線監視；肌電信號的完整存儲。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於USB接口測試模式實現了肌電信號的在線監視；肌電信號的完整存儲。
5.根據權利要求1所述的肌電信號採集和同步系統，其特徵在於外部電信號觸發測試模式實現了高速攝像、肌電信號和外部測試設備的同步；肌電信號在線監視；肌點信號的完整存儲。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的無線收發模塊(2d)、無線收發模塊(3d)、無線收發模塊(4b)由有線收發模塊替換，計算機(1)與微機接口器(2)、肌電儀(3)、同步器(4)建立有線通信。
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於採集的肌電信號存儲於肌電儀內，採用記錄索引的形式，在存儲器內記錄多次測量的肌電詳細數據，實現多次採集、集中傳輸。
全文摘要
本發明是一種肌電信號的採集和動作形態同步的方法，由計算機(1)、微機接口器(2)、肌電儀(3)、同步器(4)、高速攝像機(5)、USB接口線(6)組成所需硬體系統。該系統提供了肌電信號的四種採集模式，包括無線遙測、USB接口測試、外部電信號觸發測試和肌電儀獨立測試。該系統在完成肌電信號的採集、存儲和傳輸的同時，實現了肌電信號與動作形態高速攝影、其它外部檢測信號的精確時間同步。可應用於基礎醫學研究、臨床診斷、康復工程、運動醫學、工效學和運動生物力學等領域。
文檔編號G06F19/00GK1799497SQ200510122628
公開日2006年7月12日 申請日期2005年11月26日 優先權日2005年11月26日
發明者馬祖長 申請人:安徽君誠體育器材有限公司