利用下颌表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置的制造方法
利用下颌表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及生物医学工程领域，尤其涉及一种利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置。
【背景技术】
[0002]肌电图(Electromyography，EMG)是用电子仪器记录肌肉静止或收缩时的电活动的曲线；一条肌纤维的动作电位在传播过程中形成了单纤维动作电位(Single FiberAct1n Potential，SFAP);一个运动单位内所有SFAP在时间和空间上的叠加形成运动单位动作电位(Motor Unit Act1n Potential,MUAP) (Peter, 2005);运动单位持续放电过程中产生运动单位动作电位序列(Motor Unit Act1n 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叠加形成肌电信号。
[0003]传统的EMG检测是将针状电极、线状电极、勾状电极等细小电极直接插入肌肉组织内进行采集，得到插入式肌电信号(intramuscular EMG Signal，iEMG)。针状电极、线状电极、勾状电极能够很好地与肌纤维接触，MUAP互相叠加程度较低，因此可以容易地检测出不同类型运动单位的MUAP序列。然而，iEMG检测的有创性，给受试者带来了较大的痛苦。表面肌电信号(Surface EMG，SEMG)是将检测电极放置在皮肤表面采集EMG信号(Hermenset al，1984)，是一种无创的EMG检测方法，但也存在以下一些不足，具体如下:
[0004]I)与iEMG相比，SEMG是EMG信号经过肌肉、脂肪、皮肤等组织后得到的，对于不同生理状态、年龄、性别、骨骼形态、皮肤状况的人，上述组织对EMG信号的影响差异较大，难以形成一个统一的检测标准。
[0005]2) EMG信号在传播过程中，受到了由各种组织组成的容积导体的滤波作用，波形易发生一定的变形，容积导体也使近处与远处的多个MUAP互相叠加产生串扰，难以区分。
[0006]3)工频干扰、心电、电极移动等会对SEMG的测量产生干扰，具有较大阻抗的皮肤会降低SEMG的信噪比。
[0007]SEMG信号检测具有无仓I」、便捷的优点，同时也存在波形叠加和变异的问题。因此，提高SEMG电极的信号质量需要从电极材料、生物电信号采集处理电路和信号处理算法方面进行改进。
[0008]段晏文等(2007)研制了一种Ag/AgCl粉末烧结电极，与传统Ag/AgCl镀层电极或银电极相比，具有较低的电极-皮肤阻抗，有效地提高了电极的信噪比。一般在使用电极时，需要涂抹导电膏，以减小电极的阻抗，Griss等(2002)研制了一种具有100 μπι间距的钉状微机械结构电极，这种电极在不使用导电膏的情况下，仍能获得与湿电极相似的低阻抗。
[0009]有源电极是将电极与放大电路集成在一起的电极，采用有源电极可以避免电极连线引入的干扰。Nishimura等(1992)将电压跟随器与电极集成在一起，降低了电极连线的阻抗，有效抑制了噪声干扰；何庆华等(2003)研制了一种具有两级放大电路的有源电极，成功应用于SEMG信号检测。
[0010]目前的电极设计方面的研宄主要方法是利用空间电极阵列检测SEMG信号，并通过空间滤波来提高信号质量。Block等(2002)和Kleine等(2000，2007)利用125通道的阵列电极采集SEMG信号，得到了各类MUAP的波形。Lapatki等(2003)研制了一种聚酰亚胺材料的柔性高密度电极阵列，可以用于颈部和面部等弯曲部位的SEMG检测。
[0011]SEMG信号是一种复杂的生物电过程。肌肉运动的动作电位通过肌肉组织、皮下组织、皮肤等容积导体，在皮肤表面间接被检测到，在它的形成与传输过程中会引入大量的噪声干扰。主要的干扰包括:1、肌肉组织内部、皮下组织、真皮表皮等具有不同的分布电阻和分布电容，各动作电位在这些组织里叠加和滤波；2、皮肤表面相对干燥致密的角质层，使SEMG电极的接触阻抗高达几百kD-几十MΩ ;3、电极与皮肤之间会使用导电膏等，形成一个金属-电解质溶液界面，这个界面的化学反应会产生一个电极电位，该电位随电极与皮肤的接触程度而变化。
[0012]由于SEMG信号本身比较微弱(uV-mV级)，容易受噪声干扰，且肌电信号经过皮下组织和皮肤后又有所衰减，使表面肌电信号的采集和处理具有较高的难度，因此有必要从源头上进行改进，即对电极的材料和排布方式进行研宄。
[0013]表面电极结构包括电极与皮肤接触的面积、形状和电极间的距离。标准双电极法规定电极为直径Icm的圆形，电极间距为2cm(O’ Connor et al.2007)，两个电极的放置位置为目标肌的肌腹正中部位。在实际操作中，该位置的定位多通过肉眼对解剖学体表标记的辨别而定。
[0014]一般电极采用银-氯化银(Ag/AgCl)，电流通过电极-电解质界面时，不会产生双电层。这类电极的特性接近于完全非极化电极，典型的Ag/AgCl电极如图1所示，图1中，I表示引线端子，2表示绝缘板，3表示Ag/AgCl电极，4表示导电膏，5表示皮肤。Ag/AgCl通过将含Cl-离子的导电膏与皮肤接触，当信号通过时，由式(I)所示的化学平衡反应维持电荷流动。
[0015]AgCl+e-Ag+Cr (I)
[0016]为了使电极和皮肤有良好的电接触以便导出电位，需要在皮肤上涂抹导电膏。但是长时间使用时，导电膏易干燥，另外它对皮肤有化学的刺激。还有，金属电极和组织液(如汗液等)或导电膏之间产生极化电压之类的直流电位，而这个直流电位易随着呼吸波动，将引起基线波动产生波形失真，有时还容易引起放大器饱和，且导电介质的性能会随着时间变化，导电性能会下降或消失，从而影响采集的质量。
【实用新型内容】
[0017]本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，以解决原有的在肌电检测过程中所采用的电极本身易受噪声干扰、肌电信号在传播过程中易衰减、表面肌电信号的采集和处理难度较大、导电膏的使用导致导电介质性能的变化进而影响采集的质量等问题。
[0018]本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是，提供一种利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，包括至少三个用于采集表面肌电信号的采集电极，其中，在所述采集电极表面覆盖有至少一层纳米银丝无纺布纤维。当采用三个采集电极时，以一个作为参考固定点，另外两个与其呈三角形排列。
[0019]优选地，所述纳米银丝无纺布纤维的含银量为45%?60%，单丝直径为6-45.5um，断裂延伸率为40%?43%，电阻为10?50 Ω，极化电势为38uv?42uv。
[0020]优选地，所述采集电极呈圆柱状，固定于一环形凹槽中，所述凹槽的槽口大小与采集电极大小相适宜。所述凹槽的形状可设置为类似纽扣型、飞碟型、陀螺型或者圆柱型等合适的形状，凹槽可以容置所述采集电极，也作为支撑固定物，凹槽可以缝制固定在柔软的布料上。
[0021]优选地，所述米集电极的直径大小为11.5mm?12.5mm，厚度大小为3.3mm?4.3mm,电极的形状不一定为标准的圆柱体，可以为椭圆柱体，原则上，电极的形状与槽口的形状可设置为任一合适的相配套的形状即可。
[0022]进一步地，所述检测装置还包括放大滤波电路、A/D转换电路、无线传输单元以及供电单元，所述放大滤波电路用于对采集电极采集到的微弱的表面肌电信号进行放大、滤除杂波，所述A/D转换电路用于对经放大滤波电路的模拟信号转换为数字信号，所述无线传输单元将转换后的数字信号无线传输至上位机进行存储、分析和处理，所述供电单元用于给所述检测装置提供稳定的电压。
[0023]更优选地，所述纳米银丝无纺布纤维的含银量为52%。
[0024]进一步地，所述采集电极与所述放大滤波电路以及A/D转换电路之间的电路传输采用屏蔽线连接。
[0025]进一步地，所述采集电极与人体表皮相接触面高于所述凹槽顶部或与所述凹槽顶部持平。
[0026]进一步地，所述无线传输单元用于将转换后的数字电路无线传输至上位机进行存储、分析和处理。
[0027]进一步地，整个下颁表面肌电检测装置采用群浮地技术，即整套系统采用电池供电，不与大地相连，以减少工频干扰。
[0028]与现有技术相比，本实用新型所提供的利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，采用纳米银纤维做成干电极，减少使用导电膏，其极化电动势小，应用更加方便快捷，由于人体各部位的空间结构不同，因此，将电极固定于柔软而有弹性的凹槽底座上，能够适用于身体的绝大多数部位，且佩戴舒适。根据临床经验，提出了合适的电极大小结构，更有利于下颁体表检测的时间与空间分辨率提高，系统采用电池供电，群浮地技术，可以最大限度减少干扰，提高信噪比。
【附图说明】
[0029]图1是现有技术中采用Ag/AgCl电极的示意图；
[0030]图2是本实用新型所述的利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置的结构示意图；
[0031]图3(a)是图2所述的电极的主视图；
[0032]图3(b)是图2所述的纳米银纤维与电极及凹槽结合的主视图；
[0033]图4是本实用新型所述的利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置的电路连接示意图。
【具体实施方式】
[0034]以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定部件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个部件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分部件的方式，而是以部件在功能上的差异来作为区分的准则。说明书后续描述为实施本实用新型的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本新型的一般原则为目的，并非用以限定本实用新型的范围。本实用新型的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
[0035]下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。
[0036]肌电是人体肌肉、神经兴奋产生生物电的结果。利用肌电信号可以达到很多目标 ，例如利用肌电控制假肢、肌电刺激治疗肌肉萎缩、在体育活动中诊断肌肉力量和肌肉疲劳等。表面肌电则是从人体皮肤表面通过电极记录下来的神经肌肉的生物电信号，具有无创性，操作简单的优点，有着广泛的应用前景。颏舌肌(gen1glossus，GG)位于下颚与舌头之间，构成口咽部的前臂，是重要的上气道扩张肌。GG是一对强有力的肌肉，起自下颁体后面的颏棘，肌纤维呈扇形向后上方分散，止于舌中线两侧。GG是维持上气道开放的重要肌肉，收缩时导致舌体向前下方运动，使舌咽部横截面积增加并巩固上气道。在大部分时间甚至睡眠状态下，GG都处于收缩状态，使部分上气道维持开放；若GG和颏舌骨肌(gen1hyoideus)处于舒张状态，则会导致气道阻塞，引起打鼾和阻塞性睡眠呼吸暂停(obstructive sleep apnea, OSA)。分析GG活动在OSA发病中的作用及效果，对于了解发病机理、指导治疗和预防干预具有重要意义。胡宝明等(2008)已经证明，下颁SEMG基本能代表GG肌功能的变化，且具有很好的稳定性，现已用于睡眠阶段、睡眠呼吸等睡眠相关行为的研宄。
[0037]如图2所示，本实用新型所公开的一种利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，操作简单方便，易于让人接受，小型实用，低功耗，其包括至少三个用于采集表面肌电信号的采集电极10，采集电极10可设置多个，当采用三个采集电极时，一个设于人体下颁骨中点，作为公共地端，另外两个对称设于口角下1mm相对颏孔处(以下颁中点下1mm为中点，双侧对开20_处)，采集电极可以采用空间电极配置方式，即利用多个电极按采集目的，互相组合的形式来进行采集，其中，在所述采集电极10表面覆盖有至少一层纳米银丝无纺布纤维20。
[0038]本实用新型的采集电极10采用覆盖有纳米银丝纤维20制作成干电极，不使用导电膏或者其他电介质作为皮肤和电极之间的耦合通路，而是用电容耦合信号的原理实现。纳米纤维20采用无纺布的排列方式，这种构成，具有防潮、透气、柔韧、质轻、不助燃、抗毒性和抗腐蚀性等优点，制作而成的纳米银纤维电极质地柔软，佩戴舒适，能够与皮肤紧密贴合，契合度好。纳米银纤维20的作用是将肌电产生的离子电流转换成极化电势，而皮肤本身的汗液被其他纤维吸收后，与银丝结合并发生反应，可以降低电极的接触阻抗，接触阻抗小，提高电荷转化效率，起到类似导电膏的作用，但无须真正涂抹导电膏，且无创伤、无痛苦、使用方便，也能起到良好的导电的目的。
[0039]人体生物电的检出，必须依靠感受器一电极的引导，但并不是任何形状、尺寸、材料和工艺制作的电极都能取得肌电引导的良好效果，这是因为电极材料要与人体组织(包括细胞组织和体液)接触，不仅有电化学方面的联系，也会发生物理和化学方面的作用，由于人体生物电中，肌电比较微弱，因此引导肌电的采集电极的材料选择关系甚大。
[0040] 具体来说，本实用新型的采集电极10上的纳米银丝无纺布纤维20的含银量为45%?60%，优选采用的含银量为52%，这样能取得较好的电荷引导的效果，采集检测出的信号强度最大，单丝直径为6-45.5um，断裂延伸率为40%?43%，电阻为10?50 Ω，极化电势为38uv?42uv，本实用新型通过对银纤维材料的最优选择，能够使电极接触阻抗保持稳定，所采集出的动作电位波形规律清晰易辨，且对信号源的干扰小，并避免对人体有害物质的产生。
[0041 ] 电极的大小会直接影响肌电采集的性能，电极太小，接触阻抗较大，不利于信号采集；电极太大，虽然接触阻抗降低，可以达到信号采集的要求，但受到下颁特殊结构和表面积的限制，电极又不能太大，太大不利于佩戴，不够舒适。经过大量反复临床测试，将所述采集电极10制作成如图3(a)所示的圆柱状，其直径D大小为11.5mm?12.5mm之间，厚度H大小为3.3mm?4.3_，其圆柱状的其中一个与表面皮肤接触的面可以稍微向上鼓起，有一段较小的弧度，这样得到的电极大小最为合适，当然所述采集电极可以制作成其他任何合适的形状，比如长方体等。
[0042]由于电极与皮肤表面发生的微小位移会引起噪音，干扰肌电信号，故还设有一固定于所述采集电极的环形凹槽30，所述凹槽30的槽口大小与采集电极10大小相适宜，所述采集电极10的厚度可以等于或略高于凹槽30的深度，凹槽可以固定住电极，所述纳米银丝无纺布纤维20进一步覆盖于所述凹槽30的外表面，将采集电极10的一面及凹槽的外表面都包裹住，进一步地，该环形凹槽30可以缝制于一富有弹性的下颁托上(图中未示出)，下颁托可以采用帆布、棉布、橡胶等柔软有弹性的材料制成，通过对电极的固定，这样能够避免不必要的噪音，使肌肉定位准确，另一方面，使用柔软而又有弹性的布料做底座，能够适用于人体绝大多数部位，移动也方便，其中，凹槽和电极都设计的比较小，类似纽扣大小，凹槽可以设计为任一合适的形状，凹槽的材质可以采用导电性材料制成，导线可以直接连接在凹槽底部或者通过在凹槽底部开设的小孔穿过与采集电极以及参考电极相连接。
[0043]参照图4所示，由于表面肌电信号非常微弱，分布在UV?mV数量级，所以需要对微弱信号进行放大才能达到A/D采集单元的要求，由于人体是一导电体，工频干扰及体外的电场、磁场感应都会在人体内形成测量噪声，干扰肌电信号的检测，故该检测装置中还设有放大滤波电路、A/D转换电路、无线传输单元以及供电单元，所述放大滤波电路通过导线与采集电极的表面接触，用于对采集电极采集到的微弱的表面肌电信号进行放大以及滤除杂波，所述A/D转换电路用于对经放大滤波电路的模拟信号转换为可显示的数字信号，所述无线传输单元用于将数字信号无线传输至上位机，所述供电单元用于给所述检测装置提供稳定的电压。其中，所述放大滤波电路可以由前置放大器、高通滤波器、二级放大器、低通滤波器以及陷波滤波器依次连接组成，它们集成在一块电路板中封装形成，所述无线传输单元采用蓝牙或ZigBee，它们集成在一块电路板中封装形成，采用集成的方式也可降低电极连线的阻抗，有效抑制噪声干扰，所述供电单元可以采用微小的锂电池或蓄电池，这样也能够提高信噪比，减少干扰，而且电池续航能力也较强，方便携带，在家或外出都能方便佩戴在人体下颁部位。其中，整个检测电路完全浮地，不与大地相连，所述A/D转换后的数字信号采用无线传输方式至上位机，进行存储、分析和处理。采用无线传输避免了电极与发射器之间的连线，使SEMG采集更加便携，采用浮地技术，可使该电路不受大地电性能的影响，能阻止共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰，有效抑制工频干扰，提高检测装置的便携性。
[0044]参照图3(b)，作为本实用新型一个优选的实施方式，所述采集电极10与所述放大滤波电路以及A/D转换电路之间的电路传输采用屏蔽线40连接，这样可以最大限度的减少外界电磁场或内部产生的磁场对信号传输过程中造成的干扰，起到屏蔽的作用。
[0045]本实用新型通过采用纳米银纤维作为电极材料，制作成无需涂抹导电膏的一次性电极，极大提高了 SEMG信号的信噪比、时间分辨率和空间分辨率。
[0046]需要说明的是，本实用新型不仅限于下颁表面肌电检测，也可用于身体其他部位的表面肌电检测。
[0047]值得注意的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非因此限定本实用新型的专利保护范围，本实用新型还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本实用新型的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本实用新型所涵盖的范围内。
【主权项】
1.一种利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，包括至少三个用于采集下颁表面肌电信号的采集电极，其特征在于，在所述采集电极表面覆盖有至少一层纳米银丝无纺布纤维。2.如权利要求1所述的利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，其特征在于，所述纳米银丝无纺布纤维的单丝直径为6-45.5um,断裂延伸率为40%?43%，电阻为10?50 Ω，极化电势为38uv?42uv。3.如权利要求1所述的利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，其特征在于，所述采集电极呈圆柱状，容置固定于一环形凹槽中，所述凹槽的槽口大小与采集电极大小相适宜。4.如权利要求3所述的利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，其特征在于，所述米集电极的直径大小为11.5mm?12.5_，厚度大小为3.3mm?4.3_。5.如权利要求1所述的利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，其特征在于，还包括放大滤波电路、A/D转换电路、无线传输单元以及供电单元，所述放大滤波电路连接所述采集电极，用于对采集电极采集到的微弱的表面肌电信号进行放大、滤除杂波，所述A/D转换电路连接所述放大滤波电路，用于对经放大滤波电路的模拟信号转换为数字信号，所述无线传输单元，用于将转换后的数字信号无线传输至上位机，进行存储、分析和处理，所述供电单元用于给所述检测装置提供稳定的电源电压。6.如权利要求5所述的利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，其特征在于，所述采集电极与所述放大滤波电路以及A/D转换电路之间的电路传输采用屏蔽线连接。7.如权利要求5所述的利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，其特征在于，整个检测电路由电池供电，完全浮地，不与大地相连。8.如权利要求3所述的利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，其特征在于，所述采集电极与人体表皮相接触面高于所述凹槽顶部或与所述凹槽顶部持平。
【专利摘要】本实用新型公开了一种利用下颌表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，包括至少三个用于采集表面肌电信号的采集电极，其中，在所述采集电极表面覆盖有至少一层纳米银丝无纺布纤维。本实用新型采用纳米银纤维做成干电极，减少使用导电膏，其极化电动势小，应用更加方便快捷，且能取得较好的肌电引导的效果，采集到的肌电信号更加全面精确，不仅能应用于人体下颌表面肌电检测，也可用于身体其他部位的表面肌电检测。
【IPC分类】A61B5/0488, A61B5/0492
【公开号】CN204698550
【申请号】CN201520256591
【发明人】陈宝明, 宋天一, 张达, 叶京英, 李彦如, 赵迪, 亢丹, 张玉焕, 尹国平
【申请人】北京新兴阳升科技有限公司, 首都医科大学附属北京同仁医院
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年4月24日
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及生物医学工程领域，尤其涉及一种利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置。
【背景技术】
[0002]肌电图(Electromyography，EMG)是用电子仪器记录肌肉静止或收缩时的电活动的曲线；一条肌纤维的动作电位在传播过程中形成了单纤维动作电位(Single FiberAct1n Potential，SFAP);一个运动单位内所有SFAP在时间和空间上的叠加形成运动单位动作电位(Motor Unit Act1n Potential,MUAP) (Peter, 2005);运动单位持续放电过程中产生运动单位动作电位序列(Motor Unit Act1n 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叠加形成肌电信号。
[0003]传统的EMG检测是将针状电极、线状电极、勾状电极等细小电极直接插入肌肉组织内进行采集，得到插入式肌电信号(intramuscular EMG Signal，iEMG)。针状电极、线状电极、勾状电极能够很好地与肌纤维接触，MUAP互相叠加程度较低，因此可以容易地检测出不同类型运动单位的MUAP序列。然而，iEMG检测的有创性，给受试者带来了较大的痛苦。表面肌电信号(Surface EMG，SEMG)是将检测电极放置在皮肤表面采集EMG信号(Hermenset al，1984)，是一种无创的EMG检测方法，但也存在以下一些不足，具体如下:
[0004]I)与iEMG相比，SEMG是EMG信号经过肌肉、脂肪、皮肤等组织后得到的，对于不同生理状态、年龄、性别、骨骼形态、皮肤状况的人，上述组织对EMG信号的影响差异较大，难以形成一个统一的检测标准。
[0005]2) EMG信号在传播过程中，受到了由各种组织组成的容积导体的滤波作用，波形易发生一定的变形，容积导体也使近处与远处的多个MUAP互相叠加产生串扰，难以区分。
[0006]3)工频干扰、心电、电极移动等会对SEMG的测量产生干扰，具有较大阻抗的皮肤会降低SEMG的信噪比。
[0007]SEMG信号检测具有无仓I」、便捷的优点，同时也存在波形叠加和变异的问题。因此，提高SEMG电极的信号质量需要从电极材料、生物电信号采集处理电路和信号处理算法方面进行改进。
[0008]段晏文等(2007)研制了一种Ag/AgCl粉末烧结电极，与传统Ag/AgCl镀层电极或银电极相比，具有较低的电极-皮肤阻抗，有效地提高了电极的信噪比。一般在使用电极时，需要涂抹导电膏，以减小电极的阻抗，Griss等(2002)研制了一种具有100 μπι间距的钉状微机械结构电极，这种电极在不使用导电膏的情况下，仍能获得与湿电极相似的低阻抗。
[0009]有源电极是将电极与放大电路集成在一起的电极，采用有源电极可以避免电极连线引入的干扰。Nishimura等(1992)将电压跟随器与电极集成在一起，降低了电极连线的阻抗，有效抑制了噪声干扰；何庆华等(2003)研制了一种具有两级放大电路的有源电极，成功应用于SEMG信号检测。
[0010]目前的电极设计方面的研宄主要方法是利用空间电极阵列检测SEMG信号，并通过空间滤波来提高信号质量。Block等(2002)和Kleine等(2000，2007)利用125通道的阵列电极采集SEMG信号，得到了各类MUAP的波形。Lapatki等(2003)研制了一种聚酰亚胺材料的柔性高密度电极阵列，可以用于颈部和面部等弯曲部位的SEMG检测。
[0011]SEMG信号是一种复杂的生物电过程。肌肉运动的动作电位通过肌肉组织、皮下组织、皮肤等容积导体，在皮肤表面间接被检测到，在它的形成与传输过程中会引入大量的噪声干扰。主要的干扰包括:1、肌肉组织内部、皮下组织、真皮表皮等具有不同的分布电阻和分布电容，各动作电位在这些组织里叠加和滤波；2、皮肤表面相对干燥致密的角质层，使SEMG电极的接触阻抗高达几百kD-几十MΩ ;3、电极与皮肤之间会使用导电膏等，形成一个金属-电解质溶液界面，这个界面的化学反应会产生一个电极电位，该电位随电极与皮肤的接触程度而变化。
[0012]由于SEMG信号本身比较微弱(uV-mV级)，容易受噪声干扰，且肌电信号经过皮下组织和皮肤后又有所衰减，使表面肌电信号的采集和处理具有较高的难度，因此有必要从源头上进行改进，即对电极的材料和排布方式进行研宄。
[0013]表面电极结构包括电极与皮肤接触的面积、形状和电极间的距离。标准双电极法规定电极为直径Icm的圆形，电极间距为2cm(O’ Connor et al.2007)，两个电极的放置位置为目标肌的肌腹正中部位。在实际操作中，该位置的定位多通过肉眼对解剖学体表标记的辨别而定。
[0014]一般电极采用银-氯化银(Ag/AgCl)，电流通过电极-电解质界面时，不会产生双电层。这类电极的特性接近于完全非极化电极，典型的Ag/AgCl电极如图1所示，图1中，I表示引线端子，2表示绝缘板，3表示Ag/AgCl电极，4表示导电膏，5表示皮肤。Ag/AgCl通过将含Cl-离子的导电膏与皮肤接触，当信号通过时，由式(I)所示的化学平衡反应维持电荷流动。
[0015]AgCl+e-Ag+Cr (I)
[0016]为了使电极和皮肤有良好的电接触以便导出电位，需要在皮肤上涂抹导电膏。但是长时间使用时，导电膏易干燥，另外它对皮肤有化学的刺激。还有，金属电极和组织液(如汗液等)或导电膏之间产生极化电压之类的直流电位，而这个直流电位易随着呼吸波动，将引起基线波动产生波形失真，有时还容易引起放大器饱和，且导电介质的性能会随着时间变化，导电性能会下降或消失，从而影响采集的质量。
【实用新型内容】
[0017]本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，以解决原有的在肌电检测过程中所采用的电极本身易受噪声干扰、肌电信号在传播过程中易衰减、表面肌电信号的采集和处理难度较大、导电膏的使用导致导电介质性能的变化进而影响采集的质量等问题。
[0018]本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是，提供一种利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，包括至少三个用于采集表面肌电信号的采集电极，其中，在所述采集电极表面覆盖有至少一层纳米银丝无纺布纤维。当采用三个采集电极时，以一个作为参考固定点，另外两个与其呈三角形排列。
[0019]优选地，所述纳米银丝无纺布纤维的含银量为45%?60%，单丝直径为6-45.5um，断裂延伸率为40%?43%，电阻为10?50 Ω，极化电势为38uv?42uv。
[0020]优选地，所述采集电极呈圆柱状，固定于一环形凹槽中，所述凹槽的槽口大小与采集电极大小相适宜。所述凹槽的形状可设置为类似纽扣型、飞碟型、陀螺型或者圆柱型等合适的形状，凹槽可以容置所述采集电极，也作为支撑固定物，凹槽可以缝制固定在柔软的布料上。
[0021]优选地，所述米集电极的直径大小为11.5mm?12.5mm，厚度大小为3.3mm?4.3mm,电极的形状不一定为标准的圆柱体，可以为椭圆柱体，原则上，电极的形状与槽口的形状可设置为任一合适的相配套的形状即可。
[0022]进一步地，所述检测装置还包括放大滤波电路、A/D转换电路、无线传输单元以及供电单元，所述放大滤波电路用于对采集电极采集到的微弱的表面肌电信号进行放大、滤除杂波，所述A/D转换电路用于对经放大滤波电路的模拟信号转换为数字信号，所述无线传输单元将转换后的数字信号无线传输至上位机进行存储、分析和处理，所述供电单元用于给所述检测装置提供稳定的电压。
[0023]更优选地，所述纳米银丝无纺布纤维的含银量为52%。
[0024]进一步地，所述采集电极与所述放大滤波电路以及A/D转换电路之间的电路传输采用屏蔽线连接。
[0025]进一步地，所述采集电极与人体表皮相接触面高于所述凹槽顶部或与所述凹槽顶部持平。
[0026]进一步地，所述无线传输单元用于将转换后的数字电路无线传输至上位机进行存储、分析和处理。
[0027]进一步地，整个下颁表面肌电检测装置采用群浮地技术，即整套系统采用电池供电，不与大地相连，以减少工频干扰。
[0028]与现有技术相比，本实用新型所提供的利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，采用纳米银纤维做成干电极，减少使用导电膏，其极化电动势小，应用更加方便快捷，由于人体各部位的空间结构不同，因此，将电极固定于柔软而有弹性的凹槽底座上，能够适用于身体的绝大多数部位，且佩戴舒适。根据临床经验，提出了合适的电极大小结构，更有利于下颁体表检测的时间与空间分辨率提高，系统采用电池供电，群浮地技术，可以最大限度减少干扰，提高信噪比。
【附图说明】
[0029]图1是现有技术中采用Ag/AgCl电极的示意图；
[0030]图2是本实用新型所述的利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置的结构示意图；
[0031]图3(a)是图2所述的电极的主视图；
[0032]图3(b)是图2所述的纳米银纤维与电极及凹槽结合的主视图；
[0033]图4是本实用新型所述的利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置的电路连接示意图。
【具体实施方式】
[0034]以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定部件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个部件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分部件的方式，而是以部件在功能上的差异来作为区分的准则。说明书后续描述为实施本实用新型的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本新型的一般原则为目的，并非用以限定本实用新型的范围。本实用新型的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
[0035]下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。
[0036]肌电是人体肌肉、神经兴奋产生生物电的结果。利用肌电信号可以达到很多目标 ，例如利用肌电控制假肢、肌电刺激治疗肌肉萎缩、在体育活动中诊断肌肉力量和肌肉疲劳等。表面肌电则是从人体皮肤表面通过电极记录下来的神经肌肉的生物电信号，具有无创性，操作简单的优点，有着广泛的应用前景。颏舌肌(gen1glossus，GG)位于下颚与舌头之间，构成口咽部的前臂，是重要的上气道扩张肌。GG是一对强有力的肌肉，起自下颁体后面的颏棘，肌纤维呈扇形向后上方分散，止于舌中线两侧。GG是维持上气道开放的重要肌肉，收缩时导致舌体向前下方运动，使舌咽部横截面积增加并巩固上气道。在大部分时间甚至睡眠状态下，GG都处于收缩状态，使部分上气道维持开放；若GG和颏舌骨肌(gen1hyoideus)处于舒张状态，则会导致气道阻塞，引起打鼾和阻塞性睡眠呼吸暂停(obstructive sleep apnea, OSA)。分析GG活动在OSA发病中的作用及效果，对于了解发病机理、指导治疗和预防干预具有重要意义。胡宝明等(2008)已经证明，下颁SEMG基本能代表GG肌功能的变化，且具有很好的稳定性，现已用于睡眠阶段、睡眠呼吸等睡眠相关行为的研宄。
[0037]如图2所示，本实用新型所公开的一种利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，操作简单方便，易于让人接受，小型实用，低功耗，其包括至少三个用于采集表面肌电信号的采集电极10，采集电极10可设置多个，当采用三个采集电极时，一个设于人体下颁骨中点，作为公共地端，另外两个对称设于口角下1mm相对颏孔处(以下颁中点下1mm为中点，双侧对开20_处)，采集电极可以采用空间电极配置方式，即利用多个电极按采集目的，互相组合的形式来进行采集，其中，在所述采集电极10表面覆盖有至少一层纳米银丝无纺布纤维20。
[0038]本实用新型的采集电极10采用覆盖有纳米银丝纤维20制作成干电极，不使用导电膏或者其他电介质作为皮肤和电极之间的耦合通路，而是用电容耦合信号的原理实现。纳米纤维20采用无纺布的排列方式，这种构成，具有防潮、透气、柔韧、质轻、不助燃、抗毒性和抗腐蚀性等优点，制作而成的纳米银纤维电极质地柔软，佩戴舒适，能够与皮肤紧密贴合，契合度好。纳米银纤维20的作用是将肌电产生的离子电流转换成极化电势，而皮肤本身的汗液被其他纤维吸收后，与银丝结合并发生反应，可以降低电极的接触阻抗，接触阻抗小，提高电荷转化效率，起到类似导电膏的作用，但无须真正涂抹导电膏，且无创伤、无痛苦、使用方便，也能起到良好的导电的目的。
[0039]人体生物电的检出，必须依靠感受器一电极的引导，但并不是任何形状、尺寸、材料和工艺制作的电极都能取得肌电引导的良好效果，这是因为电极材料要与人体组织(包括细胞组织和体液)接触，不仅有电化学方面的联系，也会发生物理和化学方面的作用，由于人体生物电中，肌电比较微弱，因此引导肌电的采集电极的材料选择关系甚大。
[0040] 具体来说，本实用新型的采集电极10上的纳米银丝无纺布纤维20的含银量为45%?60%，优选采用的含银量为52%，这样能取得较好的电荷引导的效果，采集检测出的信号强度最大，单丝直径为6-45.5um，断裂延伸率为40%?43%，电阻为10?50 Ω，极化电势为38uv?42uv，本实用新型通过对银纤维材料的最优选择，能够使电极接触阻抗保持稳定，所采集出的动作电位波形规律清晰易辨，且对信号源的干扰小，并避免对人体有害物质的产生。
[0041 ] 电极的大小会直接影响肌电采集的性能，电极太小，接触阻抗较大，不利于信号采集；电极太大，虽然接触阻抗降低，可以达到信号采集的要求，但受到下颁特殊结构和表面积的限制，电极又不能太大，太大不利于佩戴，不够舒适。经过大量反复临床测试，将所述采集电极10制作成如图3(a)所示的圆柱状，其直径D大小为11.5mm?12.5mm之间，厚度H大小为3.3mm?4.3_，其圆柱状的其中一个与表面皮肤接触的面可以稍微向上鼓起，有一段较小的弧度，这样得到的电极大小最为合适，当然所述采集电极可以制作成其他任何合适的形状，比如长方体等。
[0042]由于电极与皮肤表面发生的微小位移会引起噪音，干扰肌电信号，故还设有一固定于所述采集电极的环形凹槽30，所述凹槽30的槽口大小与采集电极10大小相适宜，所述采集电极10的厚度可以等于或略高于凹槽30的深度，凹槽可以固定住电极，所述纳米银丝无纺布纤维20进一步覆盖于所述凹槽30的外表面，将采集电极10的一面及凹槽的外表面都包裹住，进一步地，该环形凹槽30可以缝制于一富有弹性的下颁托上(图中未示出)，下颁托可以采用帆布、棉布、橡胶等柔软有弹性的材料制成，通过对电极的固定，这样能够避免不必要的噪音，使肌肉定位准确，另一方面，使用柔软而又有弹性的布料做底座，能够适用于人体绝大多数部位，移动也方便，其中，凹槽和电极都设计的比较小，类似纽扣大小，凹槽可以设计为任一合适的形状，凹槽的材质可以采用导电性材料制成，导线可以直接连接在凹槽底部或者通过在凹槽底部开设的小孔穿过与采集电极以及参考电极相连接。
[0043]参照图4所示，由于表面肌电信号非常微弱，分布在UV?mV数量级，所以需要对微弱信号进行放大才能达到A/D采集单元的要求，由于人体是一导电体，工频干扰及体外的电场、磁场感应都会在人体内形成测量噪声，干扰肌电信号的检测，故该检测装置中还设有放大滤波电路、A/D转换电路、无线传输单元以及供电单元，所述放大滤波电路通过导线与采集电极的表面接触，用于对采集电极采集到的微弱的表面肌电信号进行放大以及滤除杂波，所述A/D转换电路用于对经放大滤波电路的模拟信号转换为可显示的数字信号，所述无线传输单元用于将数字信号无线传输至上位机，所述供电单元用于给所述检测装置提供稳定的电压。其中，所述放大滤波电路可以由前置放大器、高通滤波器、二级放大器、低通滤波器以及陷波滤波器依次连接组成，它们集成在一块电路板中封装形成，所述无线传输单元采用蓝牙或ZigBee，它们集成在一块电路板中封装形成，采用集成的方式也可降低电极连线的阻抗，有效抑制噪声干扰，所述供电单元可以采用微小的锂电池或蓄电池，这样也能够提高信噪比，减少干扰，而且电池续航能力也较强，方便携带，在家或外出都能方便佩戴在人体下颁部位。其中，整个检测电路完全浮地，不与大地相连，所述A/D转换后的数字信号采用无线传输方式至上位机，进行存储、分析和处理。采用无线传输避免了电极与发射器之间的连线，使SEMG采集更加便携，采用浮地技术，可使该电路不受大地电性能的影响，能阻止共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰，有效抑制工频干扰，提高检测装置的便携性。
[0044]参照图3(b)，作为本实用新型一个优选的实施方式，所述采集电极10与所述放大滤波电路以及A/D转换电路之间的电路传输采用屏蔽线40连接，这样可以最大限度的减少外界电磁场或内部产生的磁场对信号传输过程中造成的干扰，起到屏蔽的作用。
[0045]本实用新型通过采用纳米银纤维作为电极材料，制作成无需涂抹导电膏的一次性电极，极大提高了 SEMG信号的信噪比、时间分辨率和空间分辨率。
[0046]需要说明的是，本实用新型不仅限于下颁表面肌电检测，也可用于身体其他部位的表面肌电检测。
[0047]值得注意的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非因此限定本实用新型的专利保护范围，本实用新型还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本实用新型的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本实用新型所涵盖的范围内。
【主权项】
1.一种利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，包括至少三个用于采集下颁表面肌电信号的采集电极，其特征在于，在所述采集电极表面覆盖有至少一层纳米银丝无纺布纤维。2.如权利要求1所述的利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，其特征在于，所述纳米银丝无纺布纤维的单丝直径为6-45.5um,断裂延伸率为40%?43%，电阻为10?50 Ω，极化电势为38uv?42uv。3.如权利要求1所述的利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，其特征在于，所述采集电极呈圆柱状，容置固定于一环形凹槽中，所述凹槽的槽口大小与采集电极大小相适宜。4.如权利要求3所述的利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，其特征在于，所述米集电极的直径大小为11.5mm?12.5_，厚度大小为3.3mm?4.3_。5.如权利要求1所述的利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，其特征在于，还包括放大滤波电路、A/D转换电路、无线传输单元以及供电单元，所述放大滤波电路连接所述采集电极，用于对采集电极采集到的微弱的表面肌电信号进行放大、滤除杂波，所述A/D转换电路连接所述放大滤波电路，用于对经放大滤波电路的模拟信号转换为数字信号，所述无线传输单元，用于将转换后的数字信号无线传输至上位机，进行存储、分析和处理，所述供电单元用于给所述检测装置提供稳定的电源电压。6.如权利要求5所述的利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，其特征在于，所述采集电极与所述放大滤波电路以及A/D转换电路之间的电路传输采用屏蔽线连接。7.如权利要求5所述的利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，其特征在于，整个检测电路由电池供电，完全浮地，不与大地相连。8.如权利要求3所述的利用下颁表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，其特征在于，所述采集电极与人体表皮相接触面高于所述凹槽顶部或与所述凹槽顶部持平。
【专利摘要】本实用新型公开了一种利用下颌表面肌电检测颏舌肌肌功能的检测装置，包括至少三个用于采集表面肌电信号的采集电极，其中，在所述采集电极表面覆盖有至少一层纳米银丝无纺布纤维。本实用新型采用纳米银纤维做成干电极，减少使用导电膏，其极化电动势小，应用更加方便快捷，且能取得较好的肌电引导的效果，采集到的肌电信号更加全面精确，不仅能应用于人体下颌表面肌电检测，也可用于身体其他部位的表面肌电检测。
【IPC分类】A61B5/0488, A61B5/0492
【公开号】CN204698550
【申请号】CN201520256591
【发明人】陈宝明, 宋天一, 张达, 叶京英, 李彦如, 赵迪, 亢丹, 张玉焕, 尹国平
【申请人】北京新兴阳升科技有限公司, 首都医科大学附属北京同仁医院
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年4月24日
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