一种植入式人体运动意图信号生成装置的制作方法

一种植入式人体运动意图信号生成装置
1.技术领域:本发明涉及信号生成领域，具体涉及一种植入式人体运动意图信号生成装置。
2.

背景技术：
:目前，人体运动意图信号生成使用最多和最成熟的是肌电信号。肌电信号是指放置在肌肉上通过电极引导、记录下来的肌肉活动时的生物电信号。当大脑发出某一动作的运动指令后，运动神经会发送这些信息到相应肌肉群，引起一些肌肉（称为靶肌肉）的收缩，完成这一特定动作，同时伴随这些靶肌肉肌电信号的产生。
3.近几年，出现了一种植入皮下进行肌肉电信号采集的肌电假肢，称为肌肉骨骼假臂。其结构为把一个金属连接件一端植入残肢端的肱骨内，另一端经皮外露和假肢手臂相连，假肢手臂又连接肘关节和机械手。肌电电极缝合在肱二头肌两个头以及肱三头肌长头和外侧头的肌外膜上，导线连接肌电电极并通过金属连接件中空腔外接到假肢手臂内的信号处理组件。通过采集肱二头肌和肱三头肌的肌电信号送入信号处理组件进行人体运动意图信号生成，经过一定算法转化成动作模式代码并发送到机械手去执行。
4.植入式肌电电极采集的优势是靶肌肉肌电信号灵敏、可精准采集且信号无干扰。
5.但此肌肉骨骼假臂也有其缺点。1.非常容易引发严重感染，危及生命。因为金属连接件一端是经皮外露和假肢手臂相连，所以金属连接件和皮肤接触的四周界面处，细菌容易侵入造成感染；金属连接件一端植入残肢端的肱骨内，内腔中空，还有导线连接到外界，一旦密封件有一丝不密闭，就使得骨髓腔直接暴露在自然环境中，极易感染，引发骨髓炎，危及生命。2. 需要连续发力的靶肌电容易疲劳，因为正常的肌电信号的获取需要肌肉大力发力，如果发力时间长，肌肉能量短时消耗过大，非常容易引起肌肉疲劳。
6.如何克服现有植入式肌电采集系统皮肤下组织暴露，易引起感染；用于采集信号的肌肉容易疲劳的问题，是我们所关注的。
7.要解决的技术问题：本发明要解决植入式肌电采集系统易引起皮下组织感染、用于采集信号的肌肉容易疲劳的技术问题。
8.发明创造内容：肌肉信号分为肌肉电信号和肌肉形变信号，二者相伴而生，都可反映人体运动意图。肌肉形变信号的优势是肌肉只需轻微发力就会产生，对肌肉能耗要求低，不会引起肌肉疲劳，但肌肉形变信号的采集对肌肉有最小变形量的要求；而肌电信号对肌肉要求低，但需要肌肉大力发力来采集；两种信号能形成很好的互补。
9.如果采集的靶肌肉都无需连续发力，单独进行靶肌肉的肌电信号采集即可；如果采集的部分靶肌肉需连续发力，那就对需连续发力的靶肌肉进行肌肉形变信号采集（靶肌肉需符合肌肉形变信号的采集要求），其余靶肌肉进行肌肉形变信号采集或肌电信号采集。
10.本发明把整个体内肌肉信号采集系统植入皮下，通过电连接的方式来进行信息及电力的传输，不再有皮肤创口，彻底杜绝感染可能；对需要连续发力的靶肌肉进行肌肉形变信号采集，避免连续发力的状况，从而避免肌肉疲劳。
11.为了实现上述目的，本发明提供了一种植入式人体运动意图信号生成装置，包括植入皮肤下的采集体内肌肉信号的体内肌肉信号采集组件和接收所述体内肌肉信号的信号处理组件；其特征在于，所述体内肌肉信号采集组件分布于植入皮肤下的信号处理组件四周，通过电连接传送体内肌肉信号给信号处理组件及通过导线接收电力，信号处理组件处理成反映人体运动意图的各种动作的模式代码并发送给执行机构去执行相应动作。
12.在一些实施方案中，所述体内肌肉信号采集组件至少包括两个。
13.在一些实施方案中，所述信号处理组件仅仅包括一个。
14.在一些实施方案中，所述体内肌肉信号采集组件分为采集体内肌肉形变信号的体内肌肉形变信号采集组件和采集体内肌电信号的体内肌电信号采集组件两种。
15.在一些实施方案中，所述体内肌肉信号采集组件可只包含体内肌肉形变信号采集组件；或只包含体内肌电信号采集组件；或也可同时包含体内肌肉形变信号采集组件和体内肌肉电信号采集组件。
16.在一些实施方案中，所述体内肌肉形变信号采集组件包括体内肌肉形变信号采集模块、柔性囊状物和壳体；体内肌肉形变信号采集模块置于侧壁上有凸起的柔性囊状物和壳体板围成的密闭腔内；密闭腔内有介质，体内肌肉形变信号采集模块采集因凸起被挤压而变化的介质物理量以表征肌肉形变并传递给信号处理组件；壳体套套在柔性囊状物上，其侧壁有让柔性囊状物凸起伸出的孔，壳体套用来保护柔性囊状物除凸起外的表面不受挤压。
17.在一些实施方案中，所述体内肌电信号采集组件包括电极、体内肌电信号采集模块、柔性绝缘体和壳体。体内肌电信号采集模块配置成通过电极采集体内肌电信号；柔性绝缘体密封绝缘体内肌电信号采集模块，壳体罩在柔性绝缘体之外保护其不受外力挤压。
18.在一些实施方案中，信号处理组件包括信号接收模块、处理模块、无线通讯模块、导线、电池、柔性绝缘体和壳体。信号接收模块配置成接收体内肌肉形变信号；处理模块被配置成通过算法把体内肌肉形变信号转化为反映人体运动意图的各种动作的模式代码；无线通讯模块把各种动作的模式代码传输给执行机构；导线用来传送电力给体内肌肉形变信号采集组件或通讯；电池配置成为信号处理组件提供电能；柔性绝缘体密封绝缘信号接收模块、处理模块、无线通讯模块和电池；壳体罩在柔性绝缘体之外保护柔性密封体不受外力挤压。
19.在一些实施方案中，信号处理组件包括信号接收模块、处理模块、无线通讯模块、导线、电池、柔性绝缘体和壳体。信号接收模块配置成接收体内肌电信号；处理模块被配置成通过算法把体内肌电信号转化为反映人体运动意图的各种动作的模式代码；无线通讯模块把各种动作的模式代码传输给执行机构；导线用来传送电力给体内肌电信号采集组件或通讯；电池配置成为信号处理组件提供电能；柔性绝缘体密封绝缘信号接收模块、处理模块、无线通讯模块和电池；壳体罩在柔性绝缘体之外保护柔性密封体不受外力挤压。
20.在一些实施方案中，信号处理组件包括信号接收模块、处理模块、无线通讯模块、导线、电池、柔性绝缘体和壳体。信号接收模块配置成接收体内肌肉形变信号和体内肌电信号；处理模块被配置成通过算法把体内肌肉形变信号和体内肌电信号转化为反映人体运动意图的各种动作的模式代码；无线通讯模块把各种动作的模式代码传输给执行机构；导线用来传送电力给体内肌肉形变信号采集组件和体内肌电信号采集组件或通讯；电池配置成
为信号处理组件提供电能；柔性绝缘体密封绝缘信号接收模块、处理模块、无线通讯模块和电池；壳体罩在柔性绝缘体之外保护柔性密封体不受外力挤压。
21.在一些实施方案中，所述信号处理组件还可包括一个无线充电接收模块，其线圈伸出信号处理组件壳体之外，用于无线电力的接收并给信号处理组件的电池充电；其用柔性绝缘体包裹，用于和外部的绝缘。
22.在一些实施方案中，所述信号处理组件还包括信号增强天线，其伸出信号处理组件壳体之外，用于无线信号的增强发射和接收；其用柔性绝缘体包裹，用于和外部的绝缘。
23.在一些实施方案中，所述植入式人体运动意图信号生成装置还可增加一个充电固定套，充电固定套呈长桶状，由两层弹性材料结合而成，无线充电模块及其充电线圈位于内层弹性凝聚物内部或面上，充电固定套可固定充电线圈于信号处理组件上的无线充电接收线圈外，使二者耦合并给其电池充电。
24.技术有益效果:本发明通过把一种人体运动意图信号生成装置完全植入体内，完全避免了由于骨髓及因皮肤破损而外露的皮下组织暴露在空气中从而导致感染的风险，显著提高了患者的安全水平；并且对需要连续发力的靶肌肉进行肌肉形变信号采集，从而避免了肌肉疲劳。
25.附图及附图说明：图1示例体内肌肉形变信号采集组件图2示例体内肌肉形变信号采集组件具体实施方式图3示例体内肌肉形变信号采集组件另一具体实施方式图4示例体内肌电信号采集组件图5示例体内肌肉信号采集组件功能框图图6示例信号处理组件图7示例信号处理组件功能框图图8示例充电固定套图9示例充电固定套功能框图图10示例植入式人体运动意图信号生成装置具体实施方式：本发明的一种植入式人体运动意图信号生成装置通过植入皮肤下的的体内肌肉信号采集组件采集体内肌肉信号；体内肌肉信号采集组件分布于植入皮肤下的信号处理组件四周，通过电连接传送体内肌肉信号给信号处理组件及通过导线接收电力，信号处理组件处理成反映人体运动意图的各种动作的模式代码并发送给执行机构去执行相应动作。
26.体内肌肉信号采集组件分为采集体内肌肉形变信号的体内肌肉形变信号采集组件和采集体内肌电信号的体内肌电信号采集组件两种；体内肌肉信号采集组件可只包含体内肌肉形变信号采集组件，或只包含体内肌电信号采集组件，或也可同时包含体内肌肉形变信号采集组件和体内肌肉电信号采集组件。
27.体内肌肉形变信号采集组件一端是一个柔性囊状物，在其侧壁上有一些凸起，壳体板置于其开口端上，二者固定连接在一起，柔性囊状物内部和壳体板的一个端面围成一个密闭腔；密闭腔内有肌肉形变信号采集模块；密闭腔内充满介质；在柔性囊状物的外层套有一个壳体套，其侧壁上开了一些孔，柔性囊状物侧壁上的凸起从这些孔中凸出；柔性囊状
物的凸起紧贴在体内靶肌肉束间，体内肌肉形变信号采集模块采集因凸起被挤压而变化的介质物理量以表征肌肉形变并传递给信号处理组件。
28.体内肌电信号采集组件包括用于采集体内肌肉电信号的多个电极、体内肌电信号采集模块、柔性绝缘体和壳体。电极部署在壳体的表面上，体内肌电信号采集模块配置成通过电极采集体内肌电信号；柔性绝缘体密封绝缘体内肌电信号采集模块，壳体罩在柔性绝缘体之外保护其不受外力挤压；体内肌电信号采集组件固定于靶肌肉的表面上，当肌肉动作时，释放肌肉电信号，此肌肉电信号通过肌电信号采集模块转化为电压信号并传入信号处理组件接收模块进行下一步处理。
29.信号处理组件包括信号接收模块、处理模块、无线通信模块、导线、电池、柔性绝缘体和壳体。该壳体具有允许信号处理组件放置于靶肌肉上的尺寸和形状，在一些示例中，壳体可具有长方体形状；信号接收模块配置成以数字方式采集体内肌肉信号；处理模块被配置把采集到的体内肌肉信号转化为反应肌肉动作强度的数字信号，并通过算法把这些信号转化为反映人体运动意图的各种动作的模式代码；无线通讯模块把各种动作的模式代码传输给执行机构；导线用来传送电力给体内肌肉形变信号采集组件和体内肌电信号采集组件或通讯；电池配置成为信号处理组件提供电能；柔性绝缘体密封绝缘信号接收模块、处理模块、无线通讯模块和电池；位于柔性绝缘体之外的壳体罩保护柔性密封体不受外力挤压。
30.信号处理组件可单独接收体内肌肉形变信号；或可单独接收体内肌电信号；或也可同时接收体内肌肉电信号和体内肌肉形变信号。
31.信号处理组件还包括无线充电接收模块，其无线充电接收线圈由金属丝在一个平面上绕制成同心状，其伸出密闭的壳体之外，用于接收无线电力；其用柔性绝缘体包裹，用于和外部的绝缘。无线充电接收模块使用磁感应或磁共振或射频原理来进行无线充电。
32.信号处理组件还包括信号增强天线，其伸出信号处理组件壳体之外，用于无线信号的增强发射和接收；其用柔性绝缘体包裹，用于和外部的绝缘。
33.信号处理组件和执行机构之间使用无线通讯模块进行无线通讯，使用近距离无线通信技术，无线通信标准有zig-bee、蓝牙(bluetooth)、无线宽带(wi-fi)、超宽带(uwb)和近场通信(nfc)。
34.充电固定套包括无线充电模块、弹性内层、弹性外层。充电固定套呈长桶状，底部直径和口部直径不相等，内层弹性凝聚物是具有和皮肤之间有粘性的凝聚物，具有高弹性、张力和一定厚度，外层带弹力的织物其截面上纤维具有高弹性。内层弹性凝聚物与外层带弹力的织物之间紧固的连接。无线充电模块及其充电线圈位于内层弹性凝聚物内部或面上，充电固定套套在残肢上，用于把无线充电模块上的充电线圈位置固定到和信号处理组件上的无线充电接收线圈相对应的位置上，充电线圈用于和信号处理组件上的无线充电接收线圈耦合并给其电池充电。
35.图1示出可被放置于体内靶肌肉处的体内肌肉形变信号采集组件10-1。包括壳体101、采集肌肉形变的柔性囊状物102和导线103。柔性囊状物102由柔性弹性材料制成，优选地，使用硅胶或橡胶材料；壳体板101-2置于柔性囊状物102开口端面1022上，二者固定连接在一起，优选地，使用胶粘结在一起；柔性囊状物102内部和壳体板101-2围成一个密闭腔；壳体板101-2整体嵌入101-3壳体后盖孔内，导线103穿过孔1015，小圆柱面1014所围成的体积内注满密封胶，以保证导线接口与外界的密封；在柔性囊状物102的外层还套有一个壳体
套101-1，壳体套101-1端面1012和壳体后盖101-3端面1013固定连接在一起，优选地，使用胶粘结在一起；壳体套101-1其侧壁上开了一些孔1011，柔性囊状物102侧壁上的凸起1021从这些孔中凸出；柔性囊状物的凸起1021紧贴在体内靶肌肉束间，柔性囊状物102内部和壳体板101-2围成的密闭腔内有肌肉形变信号采集模块，密闭腔内充满介质，采集模块采集因凸起1021被挤压而变化的介质物理量以表征肌肉形变并传递给信号处理组件。
36.如图2所示，体内肌肉形变信号采集组件具体实施方式：柔性囊状物102和壳体板101-2围成的密闭腔中包含的介质1023是气体，压强传感器104-1是利用mems技术在单晶硅片上加工出真空腔体和惠斯登电桥，惠斯登电桥桥臂两端的输出电压与施加的压力成正比，经过温度补偿和校准后具有体积小，精度高，响应速度快，不受温度变化影响的特点。柔性囊状物102侧壁有凸起1021置于靶肌肉肌束间，随着肌肉束之间的挤压而产生凸起1021压下或升起的变化，引起密闭腔体积的变化，最终引起介质1023气体压强变化，肌肉形变信号采集模块104采集变化的表征肌肉信号的气体压强传感器104-1压强值并传送给信号处理组件进行下一步处理。
37.如图3所示，体内肌肉形变信号采集组件另一具体实施方式：柔性囊状物102和壳体板101-2围成的密闭腔中包含的介质1024是弹性固体，优选地，弹性固体是硅胶；压力传感器104-2分为压阻压力传感器、电容式压力传感器；压阻压力传感器主要基于压阻效应（piezoresistive effect）。压阻效应是用来描述材料在受到机械式应力下所产生的电阻变化，压阻效应只产生阻抗变化，并不会产生电荷；电容式压力传感器是一种利用电容作为敏感元件，将被测压力转换成电容值改变的压力传感器。压力传感器输出方式为连续电压信号。柔性囊状物102侧壁有凸起1021置于靶肌肉肌束间，随着肌肉束之间的挤压而产生凸起1021压下或升起的变化，引起介质1024弹性固体变形，肌肉形变信号采集模块104采集变化的表征肌肉信号的压力传感器104-2中电压信号并传送给信号处理组件进行下一步处理。
38.图4示出可被放置于体内靶肌肉处的体内肌电信号采集组件10-2。包括采集肌电的两个或多个电极105、柔性绝缘体106、壳体107。在一些示例中，电极105由导电材料构成，嵌于壳体107表面上；柔性绝缘体106密封绝缘体内肌电信号采集组件10-2中电子组件；罩在柔性绝缘体106上的壳体107具有长方形形状因子，使用硬质材料，用于保护壳内模块免受外力的挤压和破坏；体内肌电信号采集组件10-2固定于靶肌肉的表面上，当肌肉动作时，释放肌肉电信号，信号采集模块中电信号传感器采集变化的表征肌肉信号电压值并传送给信号处理组件进行下一步处理。
39.体内肌肉信号采集组件10的壳体101／107内还包含电子组件。电子组件能够实现本文中所描述的体内肌肉信号采集组件10的功能的模拟和／或数字电路的任何分立和／或集成电子电路组件。例如，壳体101／107可容纳经由柔性囊1021或电极105采集体内肌肉信号的电子组件。
40.图5所示为置于体内靶肌肉处的体内肌肉信号采集组件10的功能框图。体内肌肉信号采集组件10包括肌肉信号采集模块104。本公开的模块可包括任何分立的和／或集成的电子电路组件，其实现了能产生模块功能的模拟和／或数字电路。例如，这些模块可包括模拟电路，如放大电路、滤波电路、和／或其他信号调节电路。这些模块也可以包括数字电路，例如，组合的或顺序的逻辑电路等。本模块的功能可具体实施为一个或多个处理器、硬件、
固件、软件、或其任何组合。将不同的特征描绘为模块旨在强调不同的功能方面，并且不一定暗示这些模块必须通过单独的硬件或软件组件来实现。相反，与一个或多个模块相关联的功能可由单独的硬件或软件组件执行，或者集成在共同或单独的硬件或软件组件内。
41.肌肉信号采集模块104经由柔性囊1021或电极105采集到原始电信号，并经过滤、放大、获取表征肌肉信号的电信号。在一些示例中，通过电连接发送到信号处理组件11中的信号接收模块115（图7所示），此电连接方式可以是有线方式的，例如导线，也可是无线方式的。
42.图6示出连接了体内肌肉信号采集组件10的信号处理组件11，包括导线110、信号增强天线111、柔性绝缘体112、壳体113、无线充电接收线圈114、电池118。在一些示例中，壳体113可具有长方形形状因子，使用硬质材料，用于保护壳内模块免受外力的挤压和破坏；导线110可给体内肌肉信号采集组件10进行电力传输，一些示例中，也可与其肌肉信号采集模块（图5所示）做通讯连接；电池118配置成为信号处理组件提供电能；柔性绝缘体112密封绝缘信号处理组件11中电子组件和电池118；信号增强天线111用于无线信号的增强发射和接收；无线充电接收线圈114由金属丝在一个平面上绕制成同心状，用于接收无线电力。
43.信号处理组件11的壳体113内还包含电子组件。电子组件能够实现本文中所描述的信号处理组件11的功能的模拟和／或数字电路的任何分立和／或集成电子电路组件。例如，壳体113可容纳用于和执行机构无线通信的电子组件、用于信号接收的电子组件、用于信号集中处理的电子组件、用于无线充电接收的电子组件。
44.图7所示为信号处理组件11的功能框图。信号处理组件11包括无线通讯模块119、信号处理模块116、信号接收模块115、无线充电接收模块117。本公开的模块可包括任何分立的和／或集成的电子电路组件，其实现了能产生模块功能的模拟和／或数字电路。例如，这些模块可以包括数字电路，例如，组合的或顺序的逻辑电路等。本模块的功能可具体实施为一个或多个处理器、硬件、固件、软件、或其任何组合。将不同的特征描绘为模块旨在强调不同的功能方面，并且不一定暗示这些模块必须通过单独的硬件或软件组件来实现。相反，与一个或多个模块相关联的功能可由单独的硬件或软件组件执行，或者集成在共同或单独的硬件或软件组件内。
45.肌肉信号接收模块115和肌肉信号采集模块104（图5所示）是电连接，此电连接方式可以是有线方式的，例如导线，也可是无线方式的；信号接收模块115以数字方式采集肌肉信号采集模块104（图5所示）中肌肉信号并传送给信号处理模块116；信号处理模块116把这些数字信号处理成反映靶肌肉信号强度的从0~9的自然整数的数字量并放入动作模式分类器中进行判别，最终输出从1~9的自然整数的数字量来表征反映人体运动意图的各种动作的模式代码；无线通讯模块119把这些模式代码再发送给执行机构；无线充电接收模块117在信号处理模块116的控制下，通过无线充电接收线圈114耦合外部的充电线圈24-1（图8所示）给电池118来充电，并在信号处理模块116的控制下监控电池状态，并决定何时充电并何时停止。
46.图8示出充电固定套2，包括弹性内层20、弹性外层22、无线充电线圈24-1。充电固定套2由内层弹性凝聚物20和外层带弹力的织物22结合而成，优选地，内层弹性凝聚物20使用和皮肤之间有粘性的凝胶或硅胶，优选地，外层带弹力织物22使用横截面纤维具有高弹性的氨纶弹力布；优选地，固定套内层弹性凝聚物20与外层带弹力的织物22之间使用热胶
合工艺固定；无线充电线圈24-1位于内层弹性凝聚物内部或面上，其用柔性绝缘体包裹，以和外界绝缘，充电固定套2的弹性内层20内还包含电子组件。电子组件能够实现本文中所描述的充电固定套2的功能的模拟和／或数字电路的任何分立和／或集成电子电路组件。例如，弹性内层20可容纳用于无线充电的电子组件。
47.图9所示为充电固定套2的功能框图。充电固定套2包括无线充电模块24。本公开的模块可包括任何分立的和／或集成的电子电路组件，其实现了能产生模块功能的模拟和／或数字电路。例如，这些模块可以包括数字电路，例如，组合的或顺序的逻辑电路等。本模块的功能可具体实施为一个或多个处理器、硬件、固件、软件、或其任何组合。将不同的特征描绘为模块旨在强调不同的功能方面，并且不一定暗示这些模块必须通过单独的硬件或软件组件来实现。相反，与一个或多个模块相关联的功能可由单独的硬件或软件组件执行，或者集成在共同或单独的硬件或软件组件内。
48.无线充电模块24通过无线充电线圈24-1与信号处理组件11中无线充电接收线圈114耦合并给其电池118充电，通过信号处理组件11的无线充电接收模块117（图7所示）获知电池118状态，并决定何时充电并何时停止。
49.图10所示为植入式人体运动意图信息生成装置。肌肉信号采集处理装置1植入残肢内，采集体内肌肉信号并处理成反映人体运动意图的各种动作的模式代码并发送给执行机构去执行相应动作。充电固定套2预先体内向外卷成圆圈状，顶端留出一小囊，然后套在残肢端头部，沿着残肢纵向顺势向上展开套在残肢上，充电定位套2上的无线充电线圈24-1与植入体内的信号处理组件11上无线充电接收线圈114位置相对应，二者耦合并给其电池118充电；其弹性内层凝聚物20和皮肤充分紧贴及弹性内层20、弹性外层22（图8所示）裹紧作用，使得充电定位套2把无线充电线圈24-1牢固的固定在其预定位置上。