CN111466945A - 一种能自动调节接触压力的肌音信号检测传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能自动调节接触压力的肌音信号检测传感装置，属于电子设备技术领域。装置包括加速度‑压力传感器集成单元、微处理器、串口蓝牙、电源模块、气囊绑带。加速度‑压力传感器集成单元包含加速度传感器和压力传感器，加速度传感器用于采集肌肉表面的肌音信号，压力传感器采集气囊绑带与肌肉间的接触压力；气囊泵用于调节气囊绑带中间层的气囊腔体的体积大小，从而调节肌肉与绑带间的压力。本装置根据人体肌肉的大小和位置，采用不同阵列的传感器集成单元，同时检测肌音信号和接触压力，通过气囊泵调节绑带与肌肉间的气囊腔体的内部压力，当肌音信号幅值最大且稳定时关闭阀门，此时检测到的肌音信号质量最好。
Description
技术领域
本发明属于电子设备技术领域，涉及一种能自动调节接触压力的肌音信号检测传感装置。
背景技术
老年人的肌力退化影响了老年人日常生活的能力，肌力估计能够评估老年人的活动能力。肌音信号能够很好地估计肌力，因此有必要设计一套肌音信号采集装置来方便、可靠、灵活地测量肌力。
太原科技大学的姜毅发明了一种多通道肌音信号采集装置(专利公开号CN204931670U)，该装置采用n个麦克风传感器来采集肌音信号并通过信号屏蔽线与处理器连接，并通过音频双声道线与计算机连接来处理肌音信号数据。郑州大学的任海川设计了一套肌音信号分析***(专利公开号CN108903948A)，该***涉及人体动作模式识别技术领域，所述的装置主要由肌音信号采集传感器、肌音信号采集板、肌音信号滤波电路、肌音信号处理模块和肌音信号分析模块构成。
华东理工大学的夏春明设计了一种用于手语识别的肌音信号无线采集手环(专利公开号CN109171124A),该手环包括肌音信号采集和wifi数据传输的信号采集电路板、可充电锂电池、塑料壳体，其内侧分别设有四个分别通过FPC软排线束与信号采集电路板连接的加速度传感器，所述的加速度传感器分别与指总伸长肌、桡侧腕屈肌、尺侧腕屈肌和桡侧腕长伸肌紧贴设置。
肌音信号是记录和量化骨骼肌纤维运动的低频横向振动的非侵入式信号，相比肌电信号，具有抗干扰能力强，隔衣测量，穿戴方便等优点。当肌肉收缩时，其产生的振动信号会通过脂肪皮肤等软组织传递到皮肤表面，肌音信号通过固定在皮肤或者衣服上的传感器，比如麦克风传感器、激光位移传感器、惯性传感器等传感器来获取，采集的加速度信号通过5-100Hz的滤波处理便得到肌音信号。在采集肌音信号过程中，传感器与肌肉间的接触压力会对肌音信号产生影响，接触压力过大或者过小不利于肌音信号的获取，适宜的接触压力能更好地采集肌音信号。但上述专利的装置和***不能灵活地调节传感器与肌肉间的接触压力，无法保证肌音信号采集的可靠性和稳定性。基于此，本发明设计了一种能自动调节接触压力的肌音信号检测传感装置，根据合理的接触压力获取可靠的和稳定的肌音信号。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能自动调节接触压力的肌音信号检测传感装置。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种能自动调节接触压力的肌音信号检测传感装置，包括加速度-压力传感器集成单元、微处理器、串口蓝牙、电源模块和气囊绑带；
所述加速度-压力传感器集成单元包含加速度传感器和压力传感器，加速度传感器用于采集肌肉表面的肌音信号，压力传感器采集气囊绑带与肌肉间的接触压力；微处理器与加速度传感器和压力传感器连接，用于控制肌音信号和接触压力的采集过程；串口蓝牙将肌音信号和接触压力无线传输给电脑或者手机；电源模块为传感器集成单元、微处理器、串口蓝牙提供电能；气囊绑带作用于人体肌肉，用于固定整个检测传感装置，内含有密闭的气囊腔体，气囊泵用于调节气囊绑带中间层的气囊腔体的体积大小，从而调节肌肉与绑带间的压力；本装置根据人体肌肉的大小和位置，采用不同阵列的传感器集成单元，同时检测肌音信号和接触压力，通过气囊泵调节绑带与肌肉间的气囊腔体的内部压力，当肌音信号幅值最大且稳定时关闭阀门，检测到的肌音信号质量最好。
可选的，所述加速度-压力传感器集成单元有三层，上层是压力传感器，下层是加速度传感器，二者中间层是防止电磁干扰的薄膜，加速度传感器与人体皮肤或者衣服接触，压力传感器与气囊绑带的内层接触；根据牛顿第三定律，在忽略传感器集成单元质量的情况下，加速度传感器与皮肤间的压力和压力传感器检测到的接触压力大小是相等的。
可选的，所述气囊绑带包括内层、中间层和外层，气囊绑带的内层是亲肤弹性材质，方便传感器集成单元在内层位置的动态调节，气囊绑带的中间层是密闭的气囊腔体，气囊腔体的体积可以扩大或者缩小，气囊绑带的外层是弹性材质，用于固定整个检测传感装置。
可选的，所述加速度-压力传感器集成单元针对单块肌肉，布置为1*n,2*n,3*n…的多通道检测阵列；本装置将列举两种具体的实施例来进行说明。
可选的，所述单块肌肉为肱二头肌时，加速度-压力传感器集成单元布设在肱二头肌的长头和短头，按照肱二头肌的梭形方向。
可选的，所述单块肌肉为股四头肌时，加速度-压力传感器集成单元布设在股直肌、股外侧肌和股内侧肌的梭形方向。
本发明的有益效果在于：本装置根据人体肌肉的大小和位置，采用不同阵列的传感器集成单元，同时检测肌音信号和接触压力，通过气囊泵调节绑带与肌肉间的气囊腔体的内部压力，当肌音信号幅值最大且稳定时关闭阀门，此时检测到的肌音信号质量最好。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本装置结构图；
图2为加速度-压力传感器集成单元布局展开图；
图3为肱二头肌检测效果图；
图4为装置与肱二头肌长头的接触剖面图；
图5为股四头肌检测效果图。
附图标记：A1为加速度-压力传感器集成单元一，A2为加速度-压力传感器集成单元二，A3为加速度-压力传感器集成单元三，A4为加速度-压力传感器集成单元四，A5为加速度-压力传感器集成单元五，A6为加速度-压力传感器集成单元六，B1为微处理器，B2为串口蓝牙，B3为电源模块，B4为传感器集成单元接口，C1为气囊绑带的内层，C2为气囊绑带的中间层，C3为气囊绑带的外层，C4为气囊绑带的气管，C5为气囊绑带的阀门，C6为气囊绑带的气囊泵。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
一种能自动调节接触压力的肌音信号检测传感装置，装置硬件包括加速度-压力传感器集成单元、微处理器、串口蓝牙、电源模块、气囊绑带。加速度-压力传感器集成单元包含加速度传感器和压力传感器，加速度传感器用于采集肌肉表面的肌音信号，压力传感器采集气囊绑带与肌肉间的接触压力；微处理器与加速度传感器和压力传感器连接，用于控制肌音信号和接触压力的采集过程；串口蓝牙将肌音信号和接触压力无线传输给电脑或者手机；电源模块为传感器集成单元、微处理器、串口蓝牙提供电能；气囊绑带作用于人体肌肉，用于固定整个检测传感装置，内含有密闭的气囊腔体，气囊泵用于调节气囊绑带中间层的气囊腔体的体积大小，从而调节肌肉与绑带间的压力。本装置根据人体肌肉的大小和位置，采用不同阵列的传感器集成单元，同时检测肌音信号和接触压力，通过气囊泵调节绑带与肌肉间的气囊腔体的内部压力，当肌音信号幅值最大且稳定时关闭阀门，此时检测到的肌音信号质量最好。
图1是装置结构图，A1为加速度-压力传感器集成单元一，A2为加速度-压力传感器集成单元二，A3为加速度-压力传感器集成单元三，A4为加速度-压力传感器集成单元四，A5为加速度-压力传感器集成单元五，A6为加速度-压力传感器集成单元六，传感器集成单元的内部包含加速度传感器和压力传感器，加速度传感器用于采集肌肉表面的肌音信号，压力传感器采集气囊绑带与肌肉间的接触压力；B1是微处理器，微处理器与加速度传感器和压力传感器连接，用于控制肌音信号和接触压力的采集过程；B2是串口蓝牙，串口蓝牙将肌音信号和接触压力无线传输给电脑或者手机；B3是电源模块，电源模块为传感器集成单元、微处理器、串口蓝牙提供电能；B4是传感器集成单元接口，肌音信号和接触压力通过此接口将采集的数据传输给微处理器；C1、C2、C3分别是气囊绑带的内层、中间层、外层，气囊绑带的内层是亲肤弹性材质，方便传感器集成单元在内层位置的动态调节，气囊绑带的中间层是密闭的气囊腔体，气囊腔体的体积可以扩大或者缩小，气囊绑带的外层是弹性材质，C4、C5、C6分别是气囊绑带的气管、阀门、气囊泵，在阀门C5开启时，气囊泵C6通过气管C4来调节气囊绑带中间层的气囊腔体的体积大小，从而不断调节肌肉与绑带间的接触压力。当检测到的肌音信号质量良好且稳定时，关闭阀门C5，记录此时的接触压力，方便下次使用装置时只要调节接触压力值便能得到最佳的肌音信号。
加速度-压力传感器集成单元有三层，上层是压力传感器，下层是加速度传感器，二者中间层是防止电磁干扰的薄膜，加速度传感器与人体皮肤或者衣服接触，压力传感器与气囊绑带的内层接触。相对于接触压力，传感器集成单元的质量可以忽略不计，根据牛顿第三定律，在忽略传感器集成单元质量的情况下，加速度传感器与皮肤间的压力和压力传感器检测到的接触压力大小是相等的。因此，该加速度-压力传感器集成单元能够准确测量传感器集成单元与气囊绑带间的压力。
图2是加速度-压力传感器集成单元布局展开图，A1为加速度-压力传感器集成单元一，A2为加速度-压力传感器集成单元二，A3为加速度-压力传感器集成单元三，A4为加速度-压力传感器集成单元四，A5为加速度-压力传感器集成单元五，A6为加速度-压力传感器集成单元六，与骨骼肌肌肉接触，传感器集成单元的内部包含加速度传感器和压力传感器，加速度传感器用于采集肌肉表面的肌音信号，压力传感器采集气囊绑带与肌肉间的接触压力。C1、C2、C3分别是气囊绑带的内层、中间层、外层，气囊绑带的内层是亲肤弹性材质，方便传感器集成单元在内层位置的动态调节，气囊绑带的中间层是密闭的气囊腔体，气囊腔体的体积可以扩大或者缩小，气囊绑带的外层是弹性材质，用于固定整个检测传感装置。
本装置可作用于人体的上肢、下肢肌肉，检测的部位包括但不限于人体上肢的肱二头肌、肱三头肌、前臂肌群肌肉，下肢的股四头肌等肌肉。本装置的传感器集成单元针对肌肉部位的大小和位置，单块肌肉可布置为1*n,2*n,3*n等多通道检测阵列。本装置将列举两种具体的实施例来进行说明。
(1)实施例1
本实施例采用图1的装置来采集肱二头肌的肌音信号，由于肱二头肌为梭形结构且分为长头短头，因此分别在肱二头肌的长头和短头按照肱二头肌的梭形方向来放置传感器集成单元。
肱二头肌检测效果图如图3所示，加速度-压力传感器集成单元一A1、加速度-压力传感器集成单元二A2、加速度-压力传感器集成单元三A3是按照肱二头肌长头的梭形方向放置的3个传感器集成单元，加速度-压力传感器集成单元四A4、加速度-压力传感器集成单元五A5、加速度-压力传感器集成单元六A6是按照肱二头肌短头的梭形方向放置的3个传感器集成单元。B是微处理器部分，包含微处理器、串口蓝牙、电源模块等，B放置在肱二头肌的后面，微处理器与加速度传感器和压力传感器连接，用于控制肌音信号和接触压力的采集过程；串口蓝牙作用是将肌音信号和接触压力无线传输给电脑或者手机；电源模块为传感器集成单元、微处理器、串口蓝牙提供电能。C是弹性气囊绑带，气囊绑带有三层，气囊绑带的内层是亲肤弹性材质，方便传感器集成单元在内层位置的动态调节，气囊绑带的中间层是密闭的气囊腔体，气囊腔体的体积可以扩大或者缩小，气囊绑带的外层是弹性材质，用于固定整个检测传感装置。
图4是装置与肱二头肌长头的接触剖面图，A1为加速度-压力传感器集成单元一，A2为加速度-压力传感器集成单元二，A3为加速度-压力传感器集成单元三，C是气囊绑带部分，用于固定整个装置。图4中从下到上方向可以看到骨骼、肌肉、皮下脂肪、皮肤、传感器集成单元、气囊绑带，当肌肉收缩时，机械振动沿着皮下脂肪、皮肤等组织传递到皮肤表面，便通过传感器集成单元捕获这种机械振动信号，即肌音信号。
当检测到受试者的肌音信号质量不佳或佩戴松动，可通过气囊泵加大绑带的气囊腔体的内部压力，使之与肌肉接触良好。在装置开始工作时反复检测受试者肌音信号和接触压力，通过气囊泵调节绑带与肌肉间的气囊腔体的内部压力，当肌音信号幅值强度最大且稳定时，此时检测到的肌音信号质量最好。
(2)实施例2
本实施例采用图1的装置来采集股四头肌的肌音信号，股四头肌有股直肌、股外侧肌、股内侧肌和股中间肌，其中股中间肌在大腿内测无法直接采集肌音信号。股四头肌是梭形结构，因此分别在股直肌、股外侧肌、股内侧肌等三块肌肉的梭形方向上分别布置3*2阵列的多通道传感器来采集肌音信号。
图5是采集股四头肌的肌音信号的效果图，A1和A2是按照股内侧肌的梭形方向布置2个传感器集成单元，A3和A4按照股中间肌的梭形方向布置2个传感器集成单元，A5和A6按照股外侧肌的梭形方向布置2个传感器集成单元。B是微处理器部分，包含微处理器、串口蓝牙、电源模块等，B放置在股四头肌的后面，微处理器与加速度传感器和压力传感器连接，用于控制肌音信号和接触压力的采集过程；串口蓝牙作用是将肌音信号和接触压力无线传输给电脑或者手机；电源模块为传感器集成单元、微处理器、串口蓝牙提供电能。C是弹性气囊绑带，气囊绑带有三层，气囊绑带的内层是亲肤弹性材质，方便传感器集成单元在内层位置的动态调节，气囊绑带的中间层是密闭的气囊腔体，气囊腔体的体积可以扩大或者缩小，气囊绑带的外层是弹性材质，用于固定整个检测传感装置。
当检测到受试者的肌音信号质量不佳或佩戴松动，可通过气囊泵加大绑带的气囊腔体的内部压力，使之与肌肉接触良好。在装置开始工作时反复检测受试者肌音信号和接触压力，通过气囊泵调节绑带与肌肉间的气囊腔体的内部压力，当肌音信号幅值强度最大且稳定时，此时检测到的肌音信号质量最好。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种能自动调节接触压力的肌音信号检测传感装置，其特征在于：包括加速度-压力传感器集成单元、微处理器、串口蓝牙、电源模块和气囊绑带；
所述加速度-压力传感器集成单元包含加速度传感器和压力传感器，加速度传感器用于采集肌肉表面的肌音信号，压力传感器采集气囊绑带与肌肉间的接触压力；微处理器与加速度传感器和压力传感器连接，用于控制肌音信号和接触压力的采集过程；串口蓝牙将肌音信号和接触压力无线传输给电脑或者手机；电源模块为传感器集成单元、微处理器、串口蓝牙提供电能；气囊绑带作用于人体肌肉，用于固定整个检测传感装置，内含有密闭的气囊腔体，气囊泵用于调节气囊绑带中间层的气囊腔体的体积大小，从而调节肌肉与绑带间的压力；本装置根据人体肌肉的大小和位置，采用不同阵列的传感器集成单元，同时检测肌音信号和接触压力，通过气囊泵调节绑带与肌肉间的气囊腔体的内部压力，当肌音信号幅值最大且稳定时关闭阀门，检测到的肌音信号质量最好。
2.根据权利要求1所述的一种能自动调节接触压力的肌音信号检测传感装置，其特征在于：所述加速度-压力传感器集成单元有三层，上层是压力传感器，下层是加速度传感器，二者中间层是防止电磁干扰的薄膜，加速度传感器与人体皮肤或者衣服接触，压力传感器与气囊绑带的内层接触；根据牛顿第三定律，在忽略传感器集成单元质量的情况下，加速度传感器与皮肤间的压力和压力传感器检测到的接触压力大小是相等的。
3.根据权利要求1所述的一种能自动调节接触压力的肌音信号检测传感装置，其特征在于：所述气囊绑带包括内层、中间层和外层，气囊绑带的内层是亲肤弹性材质，方便传感器集成单元在内层位置的动态调节，气囊绑带的中间层是密闭的气囊腔体，气囊腔体的体积可以扩大或者缩小，气囊绑带的外层是弹性材质，用于固定整个检测传感装置。
4.根据权利要求1所述的一种能自动调节接触压力的肌音信号检测传感装置，其特征在于：所述加速度-压力传感器集成单元针对单块肌肉，布置为1*n,2*n,3*n…的多通道检测阵列；本装置将列举两种具体的实施例来进行说明。
5.根据权利要求4所述的一种能自动调节接触压力的肌音信号检测传感装置，其特征在于：所述单块肌肉为肱二头肌时，加速度-压力传感器集成单元布设在肱二头肌的长头和短头按照肱二头肌的梭形方向。
6.根据权利要求4所述的一种能自动调节接触压力的肌音信号检测传感装置，其特征在于：所述单块肌肉为股四头肌时，加速度-压力传感器集成单元布设在股直肌、股外侧肌和股内侧肌的梭形方向。
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