一種兩用電極及采用兩用電極實現(xiàn)表面肌電提取及經(jīng)皮電刺激的裝置及方法
【專利摘要】一種兩用電極及采用兩用電極實現(xiàn)表面肌電提取及經(jīng)皮電刺激的裝置及方法，涉及生機(jī)電一體化領(lǐng)域。為了解決現(xiàn)有的經(jīng)皮電刺激與表面肌電信號提取之間相互干擾、且結(jié)構(gòu)復(fù)雜不能有效利用皮膚面積及電磁兼容性不強(qiáng)的問題，也是為了滿足實現(xiàn)表面肌電提取及經(jīng)皮電刺激的裝置的需求。它包括N個電極單元，每個電極單元由上至下依次為鈕扣式電連接觸點、無紡布層、電極層和導(dǎo)電膠層；電極層包括主電極和參考電極；參考電極與主電極同軸，且參考電極包圍主電極；且參考電極與主電極之間的距離為2mm～3mm，所述裝置滿足了對實現(xiàn)表面肌電提取及經(jīng)皮電刺激的裝置的需求，而且本裝置及方法簡單適用范圍廣。本發(fā)明適用于肌肉的理療康復(fù)和肌電假肢的人機(jī)交互。
【專利說明】—種兩用電極及采用兩用電極實現(xiàn)表面肌電提取及經(jīng)皮電刺激的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生機(jī)電一體化領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]表面肌電信號作為一種常用的肌肉運動監(jiān)測手段，具有監(jiān)測準(zhǔn)確、無創(chuàng)傷、價格低廉的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于肌肉的病理診斷、假肢控制、神經(jīng)肌肉的理療康復(fù)等。由于肌電信號比較微弱，電極與皮膚間的電化學(xué)反應(yīng)、電極-皮膚界面的阻抗變化、電極的竄動往往會引起較大的偽跡噪聲，為了減少這些偽跡噪聲，肌電電極應(yīng)具有穩(wěn)定的電化學(xué)特性和電極-皮膚阻抗，并能夠以一定的附著力粘結(jié)在皮膚表面。
[0003]經(jīng)皮電刺激是一種在人體皮膚表面敷設(shè)電極釋放電流，刺激皮下目標(biāo)區(qū)域或深層組織的電刺激手段，選擇恰當(dāng)?shù)碾姶碳?shù)，可以使被刺激者感到震動、觸動、麻木、壓迫等不同的感覺，并可替代神經(jīng)控制癱瘓的肌肉收縮。由于其不用將電刺激裝置植入人體，因此具有創(chuàng)傷小，操作簡便的優(yōu)點，被廣泛用于理療、鎮(zhèn)痛、假肢的感覺替代SensorySubstitut1n、功能康復(fù)中。為了使刺激效果明顯,刺激電流均勻流入人體而避免局部灼傷，電刺激電極的設(shè)計尤為重要。
[0004]隨著康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，目前越來越多的場合將經(jīng)皮電刺激與表面肌電信號提取結(jié)合使用，其中比較典型的是采用經(jīng)皮電刺激作為感覺反饋的肌電假肢和采用肌電反饋的功能性電刺激。由于電刺激電流的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于肌電信號的幅值，電刺激電流不可避免地會對肌電信號提取產(chǎn)生干擾。另一方面，當(dāng)前經(jīng)皮電刺激與表面肌電信號提取往往采用不同的電極，這既增加了成本，又增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，需要占據(jù)較大的皮膚面積。而且，經(jīng)皮電刺激系統(tǒng)與肌電信號提取系統(tǒng)的電磁兼容性不強(qiáng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的經(jīng)皮電刺激與表面肌電信號提取之間相互干擾、且結(jié)構(gòu)復(fù)雜不能有效利用皮膚面積及電磁兼容性不強(qiáng)的問題，也是為了滿足實現(xiàn)表面肌電提取及經(jīng)皮電刺激的裝置的需求，提出了一種兩用電極及采用兩用電極實現(xiàn)表面肌電提取及經(jīng)皮電刺激的裝置及方法。
[0006]一種兩用電極，它包括N個電極單元，N為大于等于2的正整數(shù)；每個電極單元由上至下依次固定有鈕扣式電連接觸點、無紡布層、電極層和導(dǎo)電膠層；鈕扣式電連接觸點穿過無紡布層與電極層相連接；
[0007]電極層包括主電極和參考電極；參考電極與主電極同軸，且參考電極包圍主電極；且參考電極與主電極之間的距離為2mm~3mm。
[0008]主電極包括I個或多個圓形電極塊。
[0009]電極層還包括副電極；副電極位于參考電極與主電極之間，參考電極、副電極和主電極同軸， 且副電極與主電極之間的距離為2mm~3mm，副電極與參考電極之間的距離為2mm ~3mm ；
[0010]鈕扣式電連接觸點位于副電極的上表面。
[0011]采用兩用電極實現(xiàn)表面肌電提取及經(jīng)皮電刺激的裝置，該裝置包括外圍電路及兩用電極；
[0012]所述外圍電路包括電極復(fù)用電路、表面肌電信號處理電路、經(jīng)皮電刺激電路及上位機(jī)；表面肌電信號處理電路包括差分放大電路、工頻陷波電路、低通濾波電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；
[0013]上位機(jī)的控制端連接電極復(fù)用電路的控制端；上位機(jī)的經(jīng)皮電刺激信號端連接經(jīng)皮電刺激電路的經(jīng)皮電刺激信號端；電極復(fù)用電路的輸入端連接經(jīng)皮電刺激電路的輸出端；差分放大電路的輸入端作為表面肌電信號處理電路的輸入端連接電極復(fù)用電路的輸出端，所述差分放大電路的輸出端連接工頻陷波電路的輸入端，所述工頻陷波電路的輸出端連接低通濾波電路的輸入端，所述低通濾波電路的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出端作為表面肌電信號處理電路輸出端連接上位機(jī)的肌電信號輸入端；
[0014]兩用電極的主電極的輸入輸出端連接電極復(fù)用電路輸出輸入端。
[0015]采用兩用電極實現(xiàn)表面肌電提取及經(jīng)皮電刺激的方法，該方法包括:
[0016]上位機(jī)向電極復(fù)用電路發(fā)送經(jīng)皮電刺激指令，此時電極復(fù)用電路將經(jīng)皮電刺激電路與兩用電極連通，實現(xiàn)對人體肌肉或神經(jīng)的經(jīng)皮電刺激；
[0017]上位機(jī)向電極復(fù)用電路發(fā)送表面肌電信號指令，兩用電極采集人體肌肉的表面肌電信號，采用表面肌電信號處理電路對采集到的表面肌電信號進(jìn)行信號處理后，上傳至上位機(jī)。
[0018]本發(fā)明適用于肌肉的理療康復(fù)和肌電假肢的人機(jī)交互。
[0019]根據(jù)本發(fā)明所記載的內(nèi)容，兩用電極的電極單元中的電極層只含有主電極和參考電極，電磁兼容性強(qiáng)，且有效地利用了皮膚面積，本發(fā)明所述的兩用電極的結(jié)構(gòu)簡單，既能實現(xiàn)經(jīng)皮電刺激信號的傳輸，還能實現(xiàn)表面肌電信號的傳輸，解決了經(jīng)皮電刺激與表面肌電信號提取之間相互干擾的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的兩用電極中的電極單元的層次結(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖2為本發(fā)明的兩用電極中的電極單元的俯視圖；
[0022]圖3為本發(fā)明的兩用電極的電極單元的結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖4為本發(fā)明的兩用電極與外圍電路的連接關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0024]【具體實施方式】一、參照圖1、圖2及圖3具體說明本實施方式，本實施方式所述的它包括N個電極單元，N為大于等于2的正整數(shù)；每個電極單元由上至下依次固定有鈕扣式電連接觸點1、無紡布層2、電極層3和導(dǎo)電膠層4 ;鈕扣式電連接觸點I穿過無紡布層2與電極層3相連接；
[0025] 電極層3包括主電極3-1和參考電極3-3 ;參考電極3_3與主電極3_1同軸，且參考電極3-3包圍主電極3-1 ;且參考電極3-3與主電極3-1之間的距離為2mm~3mm。[0026]本實施方式中，兩用電極包括N個電極單元，各電極單元應(yīng)盡量布置在肌肉群或神經(jīng)束上方。無紡布層2用于支撐及固定電極層3的各個電極單元，從而將電極單元的各個部分結(jié)合為一體。
[0027]—個電極層只含有主電極3-1和參考電極3-3，是為了減少不同電極間信號的串?dāng)_和更靈活地布置電極單元。
[0028]根據(jù)本實施方式記載的內(nèi)容，兩用電極既能實現(xiàn)經(jīng)皮電刺激信號的傳輸，還能實現(xiàn)表面肌電信號的傳輸，解決了經(jīng)皮電刺激與表面肌電信號提取之間相互干擾的問題，而且電極單元中的電極層只含有主電極3-1和參考電極3-3，電磁兼容性強(qiáng)，且有效地利用了皮膚面積，本實施方式所記載的兩用電極的結(jié)構(gòu)簡單。
[0029]【具體實施方式】二、參照圖3說明本實施實施方式，本實施方式是對【具體實施方式】一或二所述的一種兩用電極的進(jìn)一步說明，本實施方式中，主電極3-1包括I個或多個圓形電極塊。
[0030]主電極3-1用I個圓形電極塊就能實現(xiàn)信號的采集及傳輸；采用多個圓形電極塊，可減少肌電信號提取的共模噪聲和經(jīng)皮電刺激的空間分辨能力。
[0031]【具體實施方式】三、參照圖3具體說明本實施方式，本實施方式是對【具體實施方式】一或二所述的一種兩用電極的進(jìn)一步說明，本實施方式中，電極層3還包括副電極3-2 ；
[0032]副電極3-2位于參考電極3-3與主電極3_1之間，參考電極3_3、副電極3_2和主電極3-1同軸，且副電極3-2與主電極3-1之間的距離為2mm~3mm，副電極3-2與參考電極3-3之間的距離為2mm~3mm ； [0033]鈕扣式電連接觸點I位于副電極3-2的上表面。
[0034]本實施方式中，當(dāng)主電極采用I個圓形電極塊時，電極單元不包括副電極3-2 ;當(dāng)主電極采用多個圓形電極塊時，為了避免多個圓形電極塊之間的電刺激，電極單元包括副電極3-2 ;副電極3-2位于參考電極3-3與主電極3-1之間，且分別包圍主電極3_1的多個圓形電極塊。本實施方式中副電極3-2配合主電極3-1使用，進(jìn)一步減少電極單元之間的串?dāng)_和增加經(jīng)皮電刺激的強(qiáng)度。
[0035]【具體實施方式】四、本實施方式是對【具體實施方式】一或二所述的一種兩用電極的進(jìn)一步說明,本實施方式中，主電極3-1的材料為Ag/AgCl燒結(jié)混合物。
[0036]【具體實施方式】五、本實施方式是對【具體實施方式】一或二所述的一種兩用電極的進(jìn)一步說明，本實施方式中，所述副電極3-2的材料均為石墨紡織物。
[0037]本實施方式中，副電極3-2用于隔離、抵消主電極3-1電刺激時產(chǎn)生的電刺激噪聲，當(dāng)電極單元用作電刺激時，副電極3-2的兩枚電極對應(yīng)其包圍的主電極3-1，發(fā)放與之相位相反的反相刺激波形，以抵消電刺激噪聲，當(dāng)電極單元用作肌電信號提取時，副電極3-2的兩枚電極不接入電路。
[0038]【具體實施方式】六、本實施方式是對【具體實施方式】一或二所述的一種兩用電極的進(jìn)一步說明，本實施方式中，參考電極3-3的材料為石墨紡織物。
[0039]本實施方式中，參考電極3-3當(dāng)電極單元用作電刺激時，參考電極3-3用于隔離主電極3-1電刺激時產(chǎn)生的電刺激噪聲，當(dāng)電極單元用作肌電信號提取時，參考電極3-3用作肌電信號提取時的參考電位。
[0040]【具體實施方式】七、本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種兩用電極的進(jìn)一步說明，本實施方式中，所述參考電極3-3為環(huán)狀電極。
[0041]【具體實施方式】八、根據(jù)【具體實施方式】三所述的一種兩用電極實現(xiàn)表面肌電提取及經(jīng)皮電刺激的裝置，該裝置包括外圍電路及兩用電極；
[0042]所述外圍電路包括電極復(fù)用電路5、表面肌電信號處理電路6、經(jīng)皮電刺激電路7及上位機(jī)8 ;表面肌電信號處理電路6包括差分放大電路9、工頻陷波電路10、低通濾波電路11和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路12 ；
[0043]上位機(jī)8的控制端連接電極復(fù)用電路5的控制端；上位機(jī)8的經(jīng)皮電刺激信號端連接經(jīng)皮電刺激電路7的經(jīng)皮電刺激信號端；電極復(fù)用電路5的輸入端連接經(jīng)皮電刺激電路7的輸出端；差分放大電路9的輸入端作為表面肌電信號處理電路6的輸入端連接電極復(fù)用電路5的輸出端，所述差分放大電路9的輸出端連接工頻陷波電路10的輸入端，所述工頻陷波電路10的輸出端連接低通濾波電路11的輸入端，所述低通濾波電路11的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路12的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路12的輸出端作為表面肌電信號處理電路6輸出端連接上位機(jī)8的肌電信號輸入端；
[0044]兩用電極的主電極3-1的輸入輸出端連接電極復(fù)用電路5輸出輸入端。
[0045]【具體實施方式】九、根據(jù)【具體實施方式】八所述的采用一種兩用電極實現(xiàn)表面肌電提取及經(jīng)皮電刺激的裝置的實現(xiàn)表面肌電提取及經(jīng)皮電刺激的方法，該方法包括:
[0046]上位機(jī)8向電極復(fù)用電路5發(fā)送經(jīng)皮電刺激指令，此時電極復(fù)用電路5將經(jīng)皮電刺激電路7與兩用電極連通，實現(xiàn)對人體肌肉或神經(jīng)的經(jīng)皮電刺激；
[0047]上位機(jī)8向電極復(fù)用電路5發(fā)送表面肌電信號指令，兩用電極采集人體肌肉的表面肌電信號，采用表面肌電信號處理電路6對采集到的表面肌電信號進(jìn)行信號處理后，上傳至上位機(jī)8。
[0048]工作過程:當(dāng)電極單元用作電刺激時主電極3-1作為電刺激電極，獨立發(fā)放正相刺激波形；此時人體肌肉對所述正相刺激波形進(jìn)行相應(yīng)的反應(yīng)動作，并在人形成相應(yīng)的表面肌電信號。
[0049]本實施方式所述的內(nèi)容是為了滿足實現(xiàn)表面肌電提取及經(jīng)皮電刺激的裝置的需求，且本實施方式記載的裝置簡單、操作方便且采集的表面肌電信號及經(jīng)皮電刺激信號的精度比較高。
[0050]【具體實施方式】十、根據(jù)【具體實施方式】九所述的采用兩用電極實現(xiàn)表面肌電提取及經(jīng)皮電刺激的方法，所述采用表面肌電信號處理電路6對采集到的表面肌電信號進(jìn)行信號處理的信號處理過程包括:
[0051]所述表面肌電信號經(jīng)過差分放大電路9進(jìn)行放大后發(fā)送至工頻陷波電路10，工頻陷波電路對放大的表面肌電信號進(jìn)行工頻濾除并發(fā)送至低通濾波電路11濾波，經(jīng)濾波后的表面肌電信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路12進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到表面肌電信號的數(shù)字信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路再將所述表面肌電信號的數(shù)字信號發(fā)送至上位機(jī)8。
[0052]該方法可自由地配置表面肌電信號提取與經(jīng)皮電刺激的功能區(qū)域，提高表面肌電信號的信號質(zhì)量和經(jīng)皮電刺激的刺激效果。
[0053]主電極3-1、副電極3-2的尺寸依據(jù)下述理論設(shè)計。
[0054] 設(shè)主電極3-1的一枚盤狀電極的半徑為rE，副電極3_2的一枚環(huán)狀電極的內(nèi)徑為ra，外徑為rb，肌電提取電極的兩枚差分電極的距離為d，肌電提取電極的中心距電刺激電極中心的距離為R，為了簡化模型，假設(shè)人體為電阻率為P的均勻電導(dǎo)體，當(dāng)電刺激電流為I時，電刺激噪聲為
【權(quán)利要求】
1.一種兩用電極，其特征在于，它包括N個電極單元，N為大于等于2的正整數(shù)；每個電極單元由上至下依次固定有鈕扣式電連接觸點(I)、無紡布層(2)、電極層(3)和導(dǎo)電膠層(4);鈕扣式電連接觸點⑴穿過無紡布層(2)與電極層(3)相連接； 電極層⑶包括主電極(3-1)和參考電極(3-3);參考電極(3-3)與主電極(3-1)同軸，且參考電極(3-3)包圍主電極(3-1);且參考電極(3-3)與主電極(3-1)之間的距離為2mm ~3mm.
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩用電極，其特征在于，主電極(3-1)包括I個或多個圓形電極塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種兩用電極，其特征在于，電極層(3)還包括副電極(3-2)； 畐IJ電極(3-2)位于參考電極(3-3)與主電極(3-1)之間，參考電極(3-3)、副電極(3_2)和主電極(3-1)同軸，且副電極(3-2)與主電極(3-1)之間的距離為2mm~3mm，副電極(3-2)與參考電極(3-3)之間的距離為2mm~3mm ; 鈕扣式電連接觸點⑴位于副電極(3-2)的上表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種兩用電極，其特征在于，主電極(3-1)的材料為Ag/AgCl燒結(jié)混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種兩用電極，其特征在于，所述副電極(3-2)的材料均為石墨紡織物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種兩用電極，其特征在于，所述參考電極(3-3)的材料均為石墨紡織物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩用電極，其特征在于，所述參考電極(3-3)為環(huán)狀電極。
8.采用權(quán)利要求3所述的一種兩用電極實現(xiàn)表面肌電提取及經(jīng)皮電刺激的裝置，其特征在于，該裝置包括外圍電路及兩用電極； 所述外圍電路包括電極復(fù)用電路(5)、表面肌電信號處理電路(6)、經(jīng)皮電刺激電路(7)及上位機(jī)⑶；表面肌電信號處理電路(6)包括差分放大電路(9)、工頻陷波電路(10)、低通濾波電路(11)和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(12)； 上位機(jī)⑶的控制端連接電極復(fù)用電路(5)的控制端；上位機(jī)⑶的經(jīng)皮電刺激信號端連接經(jīng)皮電刺激電路(7)的經(jīng)皮電刺激信號端；電極復(fù)用電路(5)的輸入端連接經(jīng)皮電刺激電路(X)的輸出端；差分放大電路(9)的輸入端作為表面肌電信號處理電路(6)的輸入端連接電極復(fù)用電路(5)的輸出端，所述差分放大電路(9)的輸出端連接工頻陷波電路(10)的輸入端，所述工頻陷波電路(10)的輸出端連接低通濾波電路(11)的輸入端，所述低通濾波電路(11)的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(12)的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(12)的輸出端作為表面肌電信號處理電路(6)輸出端連接上位機(jī)(8)的肌電信號輸入端； 兩用電極的主電極(3-1)的輸入輸出端連接電極復(fù)用電路(5)輸出輸入端。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的采用一種兩用電極實現(xiàn)表面肌電提取及經(jīng)皮電刺激的裝置的實現(xiàn)表面肌電提取及經(jīng)皮電刺激的方法，其特征在于，該方法包括: 上位機(jī)⑶向電極復(fù)用電路(5)發(fā)送經(jīng)皮電刺激指令，此時電極復(fù)用電路(5)將經(jīng)皮電刺激電路(7)與兩用電極連通，實現(xiàn)對人體肌肉或神經(jīng)的經(jīng)皮電刺激；上位機(jī)(8)向電極復(fù)用電路(5)發(fā)送表面肌電信號指令，兩用電極采集人體肌肉的表面肌電信號，采用表面肌電信號處理電路(6)對采集到的表面肌電信號進(jìn)行信號處理后，上傳至上位機(jī)(8)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的采用兩用電極實現(xiàn)表面肌電提取及經(jīng)皮電刺激的方法，其特征在于，所述采用表面肌電信號處理電路(6)對采集到的表面肌電信號進(jìn)行信號處理的信號處理過程包括:所述表面肌電信號經(jīng)過差分放大電路(9)進(jìn)行放大后發(fā)送至工頻陷波電路(10)，工頻陷波電路對放大的表面肌電信號進(jìn)行工頻濾除并發(fā)送至低通濾波電路(11)濾波，經(jīng)濾波后的表面肌電信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(12)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到表面肌電信號的數(shù)字信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路再將所述表面 肌電信號的數(shù)字信號發(fā)送至上位機(jī)(8)。
【文檔編號】A61N1/04GK104027111SQ201410299634
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】姜力, 黃琦, 楊大鵬, 樊紹巍, 劉宏, 曾博 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)