鐘昇，易萬貫，鄧可，詹凱，溫慧瑩，陳昕

1 深圳大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系，深圳市，518060

2 醫(yī)學超聲關鍵技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣東省醫(yī)學信息檢測與超聲成像重點實驗室，深圳市，518060

多通道運動信號采集系統(tǒng)及實驗結果

【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 深圳大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系，深圳市，518060

2 醫(yī)學超聲關鍵技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣東省醫(yī)學信息檢測與超聲成像重點實驗室，深圳市，518060

為研究運動過程中肌肉功能和特性,研制了一個多通道運動信號采集系統(tǒng)，對系統(tǒng)的總體設計、硬件組成、系統(tǒng)功能等進行了詳細闡述。實現(xiàn)了表面肌電信號、關節(jié)角度信號、足底壓力信號、超聲圖像的同步采集、存儲，并取得了初步實驗結果。

運動信號；多通道；同步采集

0 引言

由于運動過程的復雜性和多樣性，對運動過程中肌肉功能和特性的研究是一項復雜和艱巨的任務，單一的技術很難全面獲取肌肉活動的信息。表面肌電信號(Surface Electromyography，sEMG，簡稱肌電信號)在康復醫(yī)學、人體動力學、生物肌肉力學等方面都有廣泛的應用[1]。肌電信號的時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)調等特性[2]。然而肌電信號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在肌肉評估中的應用。與EMG信號不同，關節(jié)角度信號和足底壓力信號是人體運動過程中產生反應人體運動過程中的步態(tài)信息，以及肌肉收縮的協(xié)調能力，同樣包含了肌肉的功能狀態(tài)信息。超聲影像具有無創(chuàng)和實時的特點，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性能密切相關的參數(shù)。肌肉運動過程中所表現(xiàn)的電學、機械和力學方面的性質可以通過EMG、關節(jié)角度、足底壓力和超聲圖像來表現(xiàn)，多模態(tài)的信號聯(lián)合分析為肌肉運動研究提供更加豐富的信息，并且不同的信號可以信息互補。

以往的研究多是將EMG和足底壓力結合起來，也有嘗試將EMG和超聲結合起來。目前很少有人將EMG、關節(jié)角度、足底壓力和超聲圖像結合在一起，深入研究骨骼肌不間斷運動過程中的機理和生物特性。Hodge等[2]在實驗中同時測量超聲圖像和表面肌電信號，將肌肉形態(tài)參數(shù)與肌肉激活程度聯(lián)系起來，并得到一個經驗公式。Shi等[4]研究了EMG與肌肉形態(tài)的關系，并首先用肌肉形態(tài)參數(shù)來分析肌肉疲勞。對肌肉生物力學的研究還可以將超聲圖像和運動力學研究的多種技術結合起來。Fukunaga等[5]在研究中結合了角度計和足底壓力傳感器，使用關節(jié)角度計來記錄運動中關節(jié)變化，并通過足底壓力的變化區(qū)分人體運動的各個階段，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)來分析手腕運動中的肌肉變化，通過VICON系統(tǒng)記錄的反射點軌跡計算出運動中的腕關節(jié)角度，結果發(fā)現(xiàn)前臂肌肉厚度與腕關節(jié)角度之間有近似的線性關系。

本文開發(fā)了多通道信號同步采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了在人體步行過程中，對與骨骼肌特性相關的多種生理信號的同步采集。這些生理信號包括：反映肌肉結構形態(tài)特征的實時超聲圖像，反映肌肉電特性的表面肌電信號，反映肌肉與骨骼相互作用和關聯(lián)特性的關節(jié)角度信號，以及反映肌肉與神經系統(tǒng)之間協(xié)調性、具有步態(tài)分析意義的足底壓力信號。并利用該系統(tǒng)對正常人進行了初步實驗。

1 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)要實現(xiàn)表面肌電信號、關節(jié)角度信號、肌肉超聲圖像、足底壓力信號同步采集存儲。系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖Fig.1 The structure diagram of the system

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

通過電極采集到的肌電信號通過美國BIOPAC公司的多導電生理記錄儀MP150系統(tǒng)中的EMG100C進行放大、濾波。實驗時，放大器增益設置在 2 000，高通濾波器設置在 1 Hz，低通濾波器設置在 100 Hz。信號通過美國NI公司的 NI USB-6216數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)缴衔粰C。

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

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)射信號中心頻率：10 MHz；4個焦點)進行采集。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。超聲探頭通過自制的夾具固定在小腿上。

足底壓力信號采集通過美國Tekscan公司F-scan足底壓力分析系統(tǒng)進行采集，它是計算機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)信號開始采集并實時顯示，當采集結束時系統(tǒng)接收觸發(fā)信號停止采集。

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)程序主要完成數(shù)據(jù)采集、實時顯示、存儲等功能。該系統(tǒng)采用LabVIEW 2009圖形化編制軟件作為軟件開發(fā)平臺，其內置功能可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的參數(shù)設置、實時顯示、存儲等功能[7]。LabVIEW上位機系統(tǒng)負責整個系統(tǒng)的控制，包括向F-scan足底壓力分析系統(tǒng)發(fā)送觸發(fā)信號和采集表面肌電信號、關節(jié)角度信號和超聲圖像的功能。F-scan足底壓力分析系統(tǒng)接收LabVIEW程序發(fā)出的觸發(fā)信號開始采集足底壓力信號。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，在設定欄中可對采樣率、采樣點數(shù)和采樣模式進行設置。兩個波形顯示窗口分別實時顯示當前采集到的表面肌電信號和關節(jié)角度信號。圖像顯示框實時顯示超聲圖像。F-scan 系統(tǒng)采集界面中可設置觸發(fā)模式為外部觸發(fā)。采集到的足底壓力信號以影片形式保存，實驗開始前要對足底壓力鞋墊的壓力進行校準，根據(jù)不同被試者的體重選擇合適的壓力梯度。

3 系統(tǒng)測試實驗方法

選取1名男性被試者參與本次試驗，實驗過程中被試者將在跑步機上行走，跑步機以3 km/h的速度運行。實驗開始前，先把肌電電極貼到被試者的小腿內側腓腸肌肌腹位置，兩個電極的距離控制在2 cm以內，參考電極貼在骨性皮膚表面，以減少運動時產生的肌電信號對參考電平的干擾。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側腓腸肌的表面，探頭的方向與目標肌肉的走向平行。采用特制夾具進行固定可以避免被試者步行時超聲探頭相對肌肉運動，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)被試者的鞋號大小進行裁剪，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，以減少步行時其相對于腳掌的移動。然后再把關節(jié)角度計用彈性皮帶固定在踝關節(jié)上。其連接圖3所示。本實驗中，表面肌電信號和關節(jié)角度信號選擇采樣率為1 000 Hz，采樣點數(shù)設定為1 000點，采樣模式設定為連續(xù)采樣,跑步機速度設置在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，表面肌電信號具有較高的信噪比，關節(jié)角度信號能實時記錄踝關節(jié)角度變化，足底壓力信號反映步行過程中重心移動的過程。

圖3 實驗過程中被試者的連接圖Fig.3 subjects connection diagrams during the experiment

4 實驗結果

骨骼肌在運動過程中體積是恒定不變的，所以肌肉收縮過程中，當肌肉的長度縮短，一定會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，肌肉的厚度也會增大，羽狀角角度也發(fā)生相應的變化[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，小腿內側腓腸肌形態(tài)特征發(fā)生相應的變化。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，其中尤為重要的兩個參數(shù)是肌肉運動過程中的羽狀角和肌肉的厚度，這兩個參數(shù)將分別通過算法自動提取。

圖4 步行過程中內側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信號用Matlab求包絡，在F-Scan軟件平臺下選取腳跟區(qū)域為受力中心點，用該軟件自帶功能將足底壓力信號轉換成壓力曲線，將EMG信號包絡、肌肉厚度曲線、羽狀角角度曲線、關節(jié)角度信號和足底壓力信號采用時間對齊，并且歸一化后如圖5所示。由于各路信號通過觸發(fā)信號同步開始采集，采集過程中也對超聲圖像幀進行時間戳的記錄。所以各信號的同步只需采取起始點對齊，即可實現(xiàn)時間對齊。單步運動過程中肌電信號的包絡出現(xiàn)兩個明顯的波峰，第一個波峰出現(xiàn)在“向前邁腿-腳尖接觸地面”的過程中，反映肌肉收縮對身體重量進行緩沖；第二個波峰出現(xiàn)在“腳尖蹬地-向前邁腿”的過程中，反映肌肉收縮推動身體先前行進的過程。而關節(jié)角度信號的兩個波峰反映了抬腿過程中，踝關節(jié)的擺動相。

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

國家自然科學基金青年項目（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.