穿戴式多节点肌电—惯性采集系统设计及应用

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随着我国老龄化加剧,脑卒中等疾病高发,脑卒中患者术后往往会产生严重的肢体功能障碍,患者在进行康复训练时有极大的运动损伤风险,需要进行完备的运动监测,基于肌电信号和惯性信息的获取与分析技术已经成为研究热点。单一的肌电信号对肢体运动状态不能做出全面的判断,多通道肌电采集与惯性传感技术相结合能较为全面地实现肢体运动监测与评价,提高肢体运动监测准确度、增加评价指标。但随着采集节点增加,成本会急剧上升。为此本文设计穿戴式多节点肌电-惯性采集系统,能够以低成本实现多节点信息同步实时采集,将其应用于对下肢运动功能的监测,并开发了上位机监测平台,能够对患者多个生理指标和运动状态实时监测。本文主要研究内容如下:首先,分析肌电、惯性信息的研究现状,以及对多通道肌电信息、惯性数据获取技术的研究,针对当前同类设备肌电信号和惯性信息采集节点有限的问题,提出通过无线局域网技术,以低成本实现多节点信息同步实时采集的思路。设计穿戴式多节点肌电-惯性采集系统的整体结构方案。其次,设计穿戴式多节点肌电-惯性采集系统的硬件部分,从增强多节点肌电信号同步采集系统鲁棒性出发,设计了肌电信号调理电路与惯性信息采集电路;为实现多节点、多通道信息的同步采集,设计了嵌入式硬件电路与多信息收发电路;进一步设计了电源系统并进行集成化处理和可穿戴结构设计。然后,设计穿戴式多节点肌电-惯性采集系统的软件部分,以任务合理调配、信息高速传输、低功耗等需求出发,设计系统嵌入式程序。以实现多节点组网、多通道信息同步获取出发,进行无线传输网络设计;针对系统灵活性需求,设计多信息收发器的Wi-Fi无线传输与串口(USB)有线传输方式;针对多指标分析与数据可视化要求,设计了肌电和惯性数据预处理和特征提取方法,并建立上位机监测软件平台。最后,对所设计采集系统进行性能对比与分析,并应用于下肢运动监测,通过下肢运动疲劳与步态监测实验,同步获取肌电信号与惯性信息并进行运动疲劳估计与步态分析,验证系统的有效性。
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