[发明专利]一种用于肌肉群运动检测的多频单振元超声换能器

说明书

一种用于肌肉群运动检测的多频单振元超声换能器，涉及一种非侵入式肌肉群运动检测装置，包括匹配层、电极引出线、背衬层、隔离层和外壳，所述背衬层堆叠在所述换能器组件上，所述背衬层和所述换能器组件被设置在所述外壳中；其中，所述超声换能器组件包括高频层和低频层，所述高频层、隔离层和所述低频层依次堆叠；所述高频层和所述低频层均单独发射和/或接收超声波，所述高频层和所述低频层均设置单独的电极引出线，由相互独立的脉冲信号分别驱动。本发明采用不同频率进行基于超声的肌肉群检测以兼顾空间分辨率和有效检测深度，通过有效的控制匹配层和隔离层的厚度与声阻抗从而使得多频超声换能器产生脉冲的回波达到最佳的效果。

技术领域

本发明涉及一种非侵入式肌肉群运动检测装置，尤其涉及一种用于肌肉群运动检测的多频单振元超声换能器。

背景技术

人机接口(Human Machine Interface)技术指的是机械或电子设备与人的意识之间交流的界面。人机接口通过一系列相应的传感技术获取人体的生理信号，经过特定的分类算法获知人类的运动“意图”，从而控制轮椅、假肢、外骨骼等外部设备。而对人体生理信号进行探测的传感器是人机接口技术中的重中之重。目前最为常用的是通过电极采集人体相应部位的电信号，例如人体肌肉电信号(EMG)、人体脑电信号(EEG)。然而，通过电极获取人体的电生理信号的方法也存在自身的缺陷。比如：信号微弱、信噪比低、容易受到外界的影响、信号特征时移、受到电极电磁的干扰等。

由于超声波具有无电离辐射、对人体无害且制造成本低等特点，许多学者进行了利用超声探测人体生理信号的探索。近年来，利用超声检测人体肌肉群的运动信息的方法也被文献所报道。目前利用超声检测人体肌肉群的运动信息的方法总结起来主要有A超和B超。A超是利用单振元超声换能器，对某一位置的不同深度进行扫描，得到所谓的一维特性；而B超一般为阵列超声换能器或机械扫描换能器，对某一肌肉剖面进行扫描，得到二维特性；但是B超设备体积比较大、成本高，不适合用来作为人机接口的传感器设备。同时，两种超声方法均只能在单一工作频率下进行探测。而由超声波的物理特性可知，高频的超声具有较好的空间分辨率；但是随着频率的升高，超声波在人体组织内的衰减也越快，从而导致所探测深度的降低。因此，单一工作频率的超声换能器在检测肌肉群的运动信息时，无法兼顾空间分辨率和有效检测深度，而如何获得能够兼顾空间分辨率和有效检测深度的超声信号对于实现肌肉群运动检测具有十分重要的作用。

另外，值得一提的是，虽然现在国外部分文献存在不同频率的超声换能器的设计，但是都是将低频超声用作功率类应用，高频超声用于成像或者探测类应用；现今研究中，并没有采用不同频率进行超声的肌肉群检测以兼顾空间分辨率和有效检测深度的方法与设计。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是采用不同频率进行超声的肌肉群检测以兼顾空间分辨率和有效检测深度，通过有效的控制匹配层和隔离层的厚度与声阻抗从而使得该多频超声换能器产生脉冲的回波达到最佳的效果。

一种用于肌肉群运动检测的多频单振元超声换能器，其特征在于，包括超声换能器组件10、匹配层20、电极引出线30、背衬层40、隔离层50、和外壳，所述背衬层40堆叠在所述换能器组件10上，所述背衬层40和所述换能器组件10被设置在所述外壳中；其中，所述超声换能器组件10包括高频层11和低频层12，所述高频层11、隔离层50和所述低频层12依次堆叠，用以检测同一位置不同深度的肌肉群的运动信息；所述高频层11和所述低频层12均为压电材料，形状均为圆柱形，但谐振频率不同，所述高频层11和所述低频层12谐振频率能够进行不同方式的组合；所述高频层11和所述低频层12均单独发射和/或接收超声波，所述高频层11和所述低频层12均设置单独的电极引出线30，由相互独立的脉冲信号分别驱动，通过控制硬件设备给高频层或者低频层单独加电压即可实现单独发射和/或接收超声波。