多通道運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

鐘昇，易萬貫，鄧可，詹凱，溫慧瑩，陳昕

1 深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳市，518060

2 醫(yī)學(xué)超聲關(guān)鍵技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東省醫(yī)學(xué)信息檢測與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

多通道運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

【作 者】鐘昇1,2，易萬貫1,2，鄧可1,2，詹凱1,2，溫慧瑩1,2，陳昕1,2

1 深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳市，518060

2 醫(yī)學(xué)超聲關(guān)鍵技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東省醫(yī)學(xué)信息檢測與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

為研究運(yùn)動(dòng)過程中肌肉功能和特性,研制了一個(gè)多通道運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、硬件組成、系統(tǒng)功能等進(jìn)行了詳細(xì)闡述。實(shí)現(xiàn)了表面肌電信號(hào)、關(guān)節(jié)角度信號(hào)、足底壓力信號(hào)、超聲圖像的同步采集、存儲(chǔ)，并取得了初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

運(yùn)動(dòng)信號(hào)；多通道；同步采集

0 引言

由于運(yùn)動(dòng)過程的復(fù)雜性和多樣性，對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中肌肉功能和特性的研究是一項(xiàng)復(fù)雜和艱巨的任務(wù)，單一的技術(shù)很難全面獲取肌肉活動(dòng)的信息。表面肌電信號(hào)(Surface Electromyography，sEMG，簡稱肌電信號(hào))在康復(fù)醫(yī)學(xué)、人體動(dòng)力學(xué)、生物肌肉力學(xué)等方面都有廣泛的應(yīng)用[1]。肌電信號(hào)的時(shí)頻特性直接反映肌肉力的大小、肌肉的功能和狀態(tài)、肌群的相互協(xié)作協(xié)調(diào)等特性[2]。然而肌電信號(hào)容易受到各種潛在因素的影響，如電極位置、肌肉類型、鄰近肌肉干擾等[3]，這些都制約了肌電信號(hào)在肌肉評(píng)估中的應(yīng)用。與EMG信號(hào)不同，關(guān)節(jié)角度信號(hào)和足底壓力信號(hào)是人體運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生反應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)過程中的步態(tài)信息，以及肌肉收縮的協(xié)調(diào)能力，同樣包含了肌肉的功能狀態(tài)信息。超聲影像具有無創(chuàng)和實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，從超聲影像中可以提取肌束長度、羽狀角（肌束與肌腱之間的夾角）、收縮速度、肌肉厚度等與肌肉力學(xué)性能密切相關(guān)的參數(shù)。肌肉運(yùn)動(dòng)過程中所表現(xiàn)的電學(xué)、機(jī)械和力學(xué)方面的性質(zhì)可以通過EMG、關(guān)節(jié)角度、足底壓力和超聲圖像來表現(xiàn)，多模態(tài)的信號(hào)聯(lián)合分析為肌肉運(yùn)動(dòng)研究提供更加豐富的信息，并且不同的信號(hào)可以信息互補(bǔ)。

以往的研究多是將EMG和足底壓力結(jié)合起來，也有嘗試將EMG和超聲結(jié)合起來。目前很少有人將EMG、關(guān)節(jié)角度、足底壓力和超聲圖像結(jié)合在一起，深入研究骨骼肌不間斷運(yùn)動(dòng)過程中的機(jī)理和生物特性。Hodge等[2]在實(shí)驗(yàn)中同時(shí)測量超聲圖像和表面肌電信號(hào)，將肌肉形態(tài)參數(shù)與肌肉激活程度聯(lián)系起來，并得到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。Shi等[4]研究了EMG與肌肉形態(tài)的關(guān)系，并首先用肌肉形態(tài)參數(shù)來分析肌肉疲勞。對(duì)肌肉生物力學(xué)的研究還可以將超聲圖像和運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究的多種技術(shù)結(jié)合起來。Fukunaga等[5]在研究中結(jié)合了角度計(jì)和足底壓力傳感器，使用關(guān)節(jié)角度計(jì)來記錄運(yùn)動(dòng)中關(guān)節(jié)變化，并通過足底壓力的變化區(qū)分人體運(yùn)動(dòng)的各個(gè)階段，分析肌肉在不同階段的不同功能。Zheng等[6]使用超聲圖像和VICON系統(tǒng)來分析手腕運(yùn)動(dòng)中的肌肉變化，通過VICON系統(tǒng)記錄的反射點(diǎn)軌跡計(jì)算出運(yùn)動(dòng)中的腕關(guān)節(jié)角度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前臂肌肉厚度與腕關(guān)節(jié)角度之間有近似的線性關(guān)系。

本文開發(fā)了多通道信號(hào)同步采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在人體步行過程中，對(duì)與骨骼肌特性相關(guān)的多種生理信號(hào)的同步采集。這些生理信號(hào)包括：反映肌肉結(jié)構(gòu)形態(tài)特征的實(shí)時(shí)超聲圖像，反映肌肉電特性的表面肌電信號(hào)，反映肌肉與骨骼相互作用和關(guān)聯(lián)特性的關(guān)節(jié)角度信號(hào)，以及反映肌肉與神經(jīng)系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)性、具有步態(tài)分析意義的足底壓力信號(hào)。并利用該系統(tǒng)對(duì)正常人進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)表面肌電信號(hào)、關(guān)節(jié)角度信號(hào)、肌肉超聲圖像、足底壓力信號(hào)同步采集存儲(chǔ)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of the system

表面肌電信號(hào)通過貼附在體表的Ag-AgCl表面電極來拾取，在采集表面肌電信號(hào)的過程中，除了必須的正負(fù)電極，還需要引入一參考電極，提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓，這樣可以大大減小人體自身產(chǎn)生的電位差電壓。參考電極可以擺放在體表的骨性標(biāo)志上或不參加測試運(yùn)動(dòng)的肌肉的肌腱處。

通過電極采集到的肌電信號(hào)通過美國BIOPAC公司的多導(dǎo)電生理記錄儀MP150系統(tǒng)中的EMG100C進(jìn)行放大、濾波。實(shí)驗(yàn)時(shí)，放大器增益設(shè)置在 2 000，高通濾波器設(shè)置在 1 Hz，低通濾波器設(shè)置在 100 Hz。信號(hào)通過美國NI公司的 NI USB-6216數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

關(guān)節(jié)角度信號(hào)采集采用MP150系統(tǒng)中的TSD130A傳感器獲取關(guān)節(jié)角度信號(hào)，信號(hào)直接通過DA100C通用放大器進(jìn)行放大、濾波。放大器增益設(shè)置在5 000、低通濾波器設(shè)置在300 Hz、高通濾波設(shè)置在DC，信號(hào)通過NI USB-6216數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

超聲圖像采集采用深圳邁瑞公司的DC-6(線陣探頭；掃描深度：5 cm；發(fā)射信號(hào)中心頻率：10 MHz；4個(gè)焦點(diǎn))進(jìn)行采集。圖像通過北京大恒公司的CG400數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。超聲探頭通過自制的夾具固定在小腿上。

足底壓力信號(hào)采集通過美國Tekscan公司F-scan足底壓力分析系統(tǒng)進(jìn)行采集，它是計(jì)算機(jī)化測量人站立或行走中足底接觸面壓力分布的系統(tǒng)。系統(tǒng)通過接受觸發(fā)信號(hào)開始采集并實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)采集結(jié)束時(shí)系統(tǒng)接收觸發(fā)信號(hào)停止采集。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要完成數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)等功能。該系統(tǒng)采用LabVIEW 2009圖形化編制軟件作為軟件開發(fā)平臺(tái)，其內(nèi)置功能可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)等功能[7]。LabVIEW上位機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制，包括向F-scan足底壓力分析系統(tǒng)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)和采集表面肌電信號(hào)、關(guān)節(jié)角度信號(hào)和超聲圖像的功能。F-scan足底壓力分析系統(tǒng)接收LabVIEW程序發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)開始采集足底壓力信號(hào)。系統(tǒng)主程序流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主程序流程Fig.2 The main program fow of system

LabVIEW采集控制程序界面中，在設(shè)定欄中可對(duì)采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)和采樣模式進(jìn)行設(shè)置。兩個(gè)波形顯示窗口分別實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前采集到的表面肌電信號(hào)和關(guān)節(jié)角度信號(hào)。圖像顯示框?qū)崟r(shí)顯示超聲圖像。F-scan 系統(tǒng)采集界面中可設(shè)置觸發(fā)模式為外部觸發(fā)。采集到的足底壓力信號(hào)以影片形式保存，實(shí)驗(yàn)開始前要對(duì)足底壓力鞋墊的壓力進(jìn)行校準(zhǔn)，根據(jù)不同被試者的體重選擇合適的壓力梯度。

3 系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)方法

選取1名男性被試者參與本次試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中被試者將在跑步機(jī)上行走，跑步機(jī)以3 km/h的速度運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)開始前，先把肌電電極貼到被試者的小腿內(nèi)側(cè)腓腸肌肌腹位置，兩個(gè)電極的距離控制在2 cm以內(nèi)，參考電極貼在骨性皮膚表面，以減少運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的肌電信號(hào)對(duì)參考電平的干擾。超聲儀器的探頭通過特制的夾具，綁定在小腿上，使超聲探頭通過超聲耦合劑緊貼在小腿內(nèi)側(cè)腓腸肌的表面，探頭的方向與目標(biāo)肌肉的走向平行。采用特制夾具進(jìn)行固定可以避免被試者步行時(shí)超聲探頭相對(duì)肌肉運(yùn)動(dòng)，使得前后采集到的超聲圖像具有穩(wěn)定性。足底壓力鞋墊根據(jù)被試者的鞋號(hào)大小進(jìn)行裁剪，然后放置到被試者的鞋子里，用雙面膠固定到被試者的鞋墊上，以減少步行時(shí)其相對(duì)于腳掌的移動(dòng)。然后再把關(guān)節(jié)角度計(jì)用彈性皮帶固定在踝關(guān)節(jié)上。其連接圖3所示。本實(shí)驗(yàn)中，表面肌電信號(hào)和關(guān)節(jié)角度信號(hào)選擇采樣率為1 000 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)定為1 000點(diǎn)，采樣模式設(shè)定為連續(xù)采樣,跑步機(jī)速度設(shè)置在3.5 km/h。采集到的超聲圖像能清楚反映肌肉形態(tài)的變化，表面肌電信號(hào)具有較高的信噪比，關(guān)節(jié)角度信號(hào)能實(shí)時(shí)記錄踝關(guān)節(jié)角度變化，足底壓力信號(hào)反映步行過程中重心移動(dòng)的過程。

圖3 實(shí)驗(yàn)過程中被試者的連接圖Fig.3 subjects connection diagrams during the experiment

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

骨骼肌在運(yùn)動(dòng)過程中體積是恒定不變的，所以肌肉收縮過程中，當(dāng)肌肉的長度縮短，一定會(huì)引起肌肉的橫截面積的增大，從而改變肌肉的厚度和羽狀角的角度。研究表明，在肌肉等長收縮過程中，肌肉的厚度也會(huì)增大，羽狀角角度也發(fā)生相應(yīng)的變化[8]。在人體步行過程中，伴隨著人體的腳跟著地、重心前移、蹬腳掌、抬腿前邁，小腿內(nèi)側(cè)腓腸肌形態(tài)特征發(fā)生相應(yīng)的變化。步行過程中，單步步行典型超聲圖像如圖4所示。圖4(a)表示右腳著地的時(shí)刻，圖4(b)和(c)分別是步行過程中肌肉的厚度最大和厚度最小的時(shí)刻的肌肉圖像，圖4(d)表示右腳支撐相的一幀典型圖像。在步行過程中，腓腸肌的平行切面圖隨著步速周期活動(dòng)，其中尤為重要的兩個(gè)參數(shù)是肌肉運(yùn)動(dòng)過程中的羽狀角和肌肉的厚度，這兩個(gè)參數(shù)將分別通過算法自動(dòng)提取。

圖4 步行過程中內(nèi)側(cè)腓腸肌的典型超聲圖像Fig.4 The typical ultrasound image of the medial gastrocnemius in the process of walking

將采集的EMG信號(hào)用Matlab求包絡(luò)，在F-Scan軟件平臺(tái)下選取腳跟區(qū)域?yàn)槭芰χ行狞c(diǎn)，用該軟件自帶功能將足底壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成壓力曲線，將EMG信號(hào)包絡(luò)、肌肉厚度曲線、羽狀角角度曲線、關(guān)節(jié)角度信號(hào)和足底壓力信號(hào)采用時(shí)間對(duì)齊，并且歸一化后如圖5所示。由于各路信號(hào)通過觸發(fā)信號(hào)同步開始采集，采集過程中也對(duì)超聲圖像幀進(jìn)行時(shí)間戳的記錄。所以各信號(hào)的同步只需采取起始點(diǎn)對(duì)齊，即可實(shí)現(xiàn)時(shí)間對(duì)齊。單步運(yùn)動(dòng)過程中肌電信號(hào)的包絡(luò)出現(xiàn)兩個(gè)明顯的波峰，第一個(gè)波峰出現(xiàn)在“向前邁腿-腳尖接觸地面”的過程中，反映肌肉收縮對(duì)身體重量進(jìn)行緩沖；第二個(gè)波峰出現(xiàn)在“腳尖蹬地-向前邁腿”的過程中，反映肌肉收縮推動(dòng)身體先前行進(jìn)的過程。而關(guān)節(jié)角度信號(hào)的兩個(gè)波峰反映了抬腿過程中，踝關(guān)節(jié)的擺動(dòng)相。

Multi-channel Motion Signal Acquisition System and Experimental Results

【W(wǎng)riters】Zhong Sheng1,2, Yi Wanguan1,2, Deng Ke1,2, Zhan Kai1,2, Wen Huiying1,2, Chen Xin1,2
1 Department of Biomedical Engineering, School of Medicine, Shenzhen University, Shenzhen, 518060
2 National-Regional Key Technology Engineering Laboratory for Medical Ultrasound, Guangdong Laboratory for Biomedical Measurements and Ultrasound Imaging, Shenzhen, 518060

motion signals, multi-channel, synchronous acquisition

TP274.2

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.05.003

1671-7104(2014)05-0322-03

2014-03-10

國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（81000637）

鐘昇，E-mail: zhongsheng12@foxmail.com

陳昕，E-mail: chenxin@szu.edu.cn

【 Abstract 】For the study of muscle function and features during exercise, a multi-channel data acquisition system was developed, the overall design of the system, hardware composition, the function of system and so on have made a detail implements. The synchronous acquisition and storage of the surface EMG signal, joint angle signal, plantar pressure signal, ultrasonic image and initial results have been achieved.