多通道运动信号采集系统及实验结果

钟昇，易万贯，邓可，詹凯，温慧莹，陈昕

1 深圳大学医学院生物医学工程系，深圳市，518060

2 医学超声关键技术国家地方联合工程实验室，广东省医学信息检测与超声成像重点实验室，深圳市，518060

多通道运动信号采集系统及实验结果

【作 者】钟昇1,2，易万贯1,2，邓可1,2，詹凯1,2，温慧莹1,2，陈昕1,2

1 深圳大学医学院生物医学工程系，深圳市，518060

2 医学超声关键技术国家地方联合工程实验室，广东省医学信息检测与超声成像重点实验室，深圳市，518060

为研究运动过程中肌肉功能和特性,研制了一个多通道运动信号采集系统，对系统的总体设计、硬件组成、系统功能等进行了详细阐述。实现了表面肌电信号、关节角度信号、足底压力信号、超声图像的同步采集、存储，并取得了初步实验结果。

运动信号；多通道；同步采集

0 引言

由于运动过程的复杂性和多样性，对运动过程中肌肉功能和特性的研究是一项复杂和艰巨的任务，单一的技术很难全面获取肌肉活动的信息。表面肌电信号(Surface Electromyography，sEMG，简称肌电信号)在康复医学、人体动力学、生物肌肉力学等方面都有广泛的应用[1]。肌电信号的时频特性直接反映肌肉力的大小、肌肉的功能和状态、肌群的相互协作协调等特性[2]。然而肌电信号容易受到各种潜在因素的影响，如电极位置、肌肉类型、邻近肌肉干扰等[3]，这些都制约了肌电信号在肌肉评估中的应用。与EMG信号不同，关节角度信号和足底压力信号是人体运动过程中产生反应人体运动过程中的步态信息，以及肌肉收缩的协调能力，同样包含了肌肉的功能状态信息。超声影像具有无创和实时的特点，从超声影像中可以提取肌束长度、羽状角（肌束与肌腱之间的夹角）、收缩速度、肌肉厚度等与肌肉力学性能密切相关的参数。肌肉运动过程中所表现的电学、机械和力学方面的性质可以通过EMG、关节角度、足底压力和超声图像来表现，多模态的信号联合分析为肌肉运动研究提供更加丰富的信息，并且不同的信号可以信息互补。

以往的研究多是将EMG和足底压力结合起来，也有尝试将EMG和超声结合起来。目前很少有人将EMG、关节角度、足底压力和超声图像结合在一起，深入研究骨骼肌不间断运动过程中的机理和生物特性。Hodge等[2]在实验中同时测量超声图像和表面肌电信号，将肌肉形态参数与肌肉激活程度联系起来，并得到一个经验公式。Shi等[4]研究了EMG与肌肉形态的关系，并首先用肌肉形态参数来分析肌肉疲劳。对肌肉生物力学的研究还可以将超声图像和运动力学研究的多种技术结合起来。Fukunaga等[5]在研究中结合了角度计和足底压力传感器，使用关节角度计来记录运动中关节变化，并通过足底压力的变化区分人体运动的各个阶段，分析肌肉在不同阶段的不同功能。Zheng等[6]使用超声图像和VICON系统来分析手腕运动中的肌肉变化，通过VICON系统记录的反射点轨迹计算出运动中的腕关节角度，结果发现前臂肌肉厚度与腕关节角度之间有近似的线性关系。

本文开发了多通道信号同步采集系统，实现了在人体步行过程中，对与骨骼肌特性相关的多种生理信号的同步采集。这些生理信号包括：反映肌肉结构形态特征的实时超声图像，反映肌肉电特性的表面肌电信号，反映肌肉与骨骼相互作用和关联特性的关节角度信号，以及反映肌肉与神经系统之间协调性、具有步态分析意义的足底压力信号。并利用该系统对正常人进行了初步实验。

1 系统硬件设计

系统要实现表面肌电信号、关节角度信号、肌肉超声图像、足底压力信号同步采集存储。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 The structure diagram of the system

表面肌电信号通过贴附在体表的Ag-AgCl表面电极来拾取，在采集表面肌电信号的过程中，除了必须的正负电极，还需要引入一参考电极，提供一个基准电压，这样可以大大减小人体自身产生的电位差电压。参考电极可以摆放在体表的骨性标志上或不参加测试运动的肌肉的肌腱处。

通过电极采集到的肌电信号通过美国BIOPAC公司的多导电生理记录仪MP150系统中的EMG100C进行放大、滤波。实验时，放大器增益设置在 2 000，高通滤波器设置在 1 Hz，低通滤波器设置在 100 Hz。信号通过美国NI公司的 NI USB-6216数据采集卡传输到上位机。

关节角度信号采集采用MP150系统中的TSD130A传感器获取关节角度信号，信号直接通过DA100C通用放大器进行放大、滤波。放大器增益设置在5 000、低通滤波器设置在300 Hz、高通滤波设置在DC，信号通过NI USB-6216数据采集卡传输到上位机。

超声图像采集采用深圳迈瑞公司的DC-6(线阵探头；扫描深度：5 cm；发射信号中心频率：10 MHz；4个焦点)进行采集。图像通过北京大恒公司的CG400数据采集卡传输到上位机。超声探头通过自制的夹具固定在小腿上。

足底压力信号采集通过美国Tekscan公司F-scan足底压力分析系统进行采集，它是计算机化测量人站立或行走中足底接触面压力分布的系统。系统通过接受触发信号开始采集并实时显示，当采集结束时系统接收触发信号停止采集。

2 系统软件设计

系统程序主要完成数据采集、实时显示、存储等功能。该系统采用LabVIEW 2009图形化编制软件作为软件开发平台，其内置功能可以实现数据的参数设置、实时显示、存储等功能[7]。LabVIEW上位机系统负责整个系统的控制，包括向F-scan足底压力分析系统发送触发信号和采集表面肌电信号、关节角度信号和超声图像的功能。F-scan足底压力分析系统接收LabVIEW程序发出的触发信号开始采集足底压力信号。系统主程序流程如图2所示。

图2 系统主程序流程Fig.2 The main program fow of system

LabVIEW采集控制程序界面中，在设定栏中可对采样率、采样点数和采样模式进行设置。两个波形显示窗口分别实时显示当前采集到的表面肌电信号和关节角度信号。图像显示框实时显示超声图像。F-scan 系统采集界面中可设置触发模式为外部触发。采集到的足底压力信号以影片形式保存，实验开始前要对足底压力鞋垫的压力进行校准，根据不同被试者的体重选择合适的压力梯度。

3 系统测试实验方法

选取1名男性被试者参与本次试验，实验过程中被试者将在跑步机上行走，跑步机以3 km/h的速度运行。实验开始前，先把肌电电极贴到被试者的小腿内侧腓肠肌肌腹位置，两个电极的距离控制在2 cm以内，参考电极贴在骨性皮肤表面，以减少运动时产生的肌电信号对参考电平的干扰。超声仪器的探头通过特制的夹具，绑定在小腿上，使超声探头通过超声耦合剂紧贴在小腿内侧腓肠肌的表面，探头的方向与目标肌肉的走向平行。采用特制夹具进行固定可以避免被试者步行时超声探头相对肌肉运动，使得前后采集到的超声图像具有稳定性。足底压力鞋垫根据被试者的鞋号大小进行裁剪，然后放置到被试者的鞋子里，用双面胶固定到被试者的鞋垫上，以减少步行时其相对于脚掌的移动。然后再把关节角度计用弹性皮带固定在踝关节上。其连接图3所示。本实验中，表面肌电信号和关节角度信号选择采样率为1 000 Hz，采样点数设定为1 000点，采样模式设定为连续采样,跑步机速度设置在3.5 km/h。采集到的超声图像能清楚反映肌肉形态的变化，表面肌电信号具有较高的信噪比，关节角度信号能实时记录踝关节角度变化，足底压力信号反映步行过程中重心移动的过程。

图3 实验过程中被试者的连接图Fig.3 subjects connection diagrams during the experiment

4 实验结果

骨骼肌在运动过程中体积是恒定不变的，所以肌肉收缩过程中，当肌肉的长度缩短，一定会引起肌肉的横截面积的增大，从而改变肌肉的厚度和羽状角的角度。研究表明，在肌肉等长收缩过程中，肌肉的厚度也会增大，羽状角角度也发生相应的变化[8]。在人体步行过程中，伴随着人体的脚跟着地、重心前移、蹬脚掌、抬腿前迈，小腿内侧腓肠肌形态特征发生相应的变化。步行过程中，单步步行典型超声图像如图4所示。图4(a)表示右脚着地的时刻，图4(b)和(c)分别是步行过程中肌肉的厚度最大和厚度最小的时刻的肌肉图像，图4(d)表示右脚支撑相的一帧典型图像。在步行过程中，腓肠肌的平行切面图随着步速周期活动，其中尤为重要的两个参数是肌肉运动过程中的羽状角和肌肉的厚度，这两个参数将分别通过算法自动提取。

图4 步行过程中内侧腓肠肌的典型超声图像Fig.4 The typical ultrasound image of the medial gastrocnemius in the process of walking

将采集的EMG信号用Matlab求包络，在F-Scan软件平台下选取脚跟区域为受力中心点，用该软件自带功能将足底压力信号转换成压力曲线，将EMG信号包络、肌肉厚度曲线、羽状角角度曲线、关节角度信号和足底压力信号采用时间对齐，并且归一化后如图5所示。由于各路信号通过触发信号同步开始采集，采集过程中也对超声图像帧进行时间戳的记录。所以各信号的同步只需采取起始点对齐，即可实现时间对齐。单步运动过程中肌电信号的包络出现两个明显的波峰，第一个波峰出现在“向前迈腿-脚尖接触地面”的过程中，反映肌肉收缩对身体重量进行缓冲；第二个波峰出现在“脚尖蹬地-向前迈腿”的过程中，反映肌肉收缩推动身体先前行进的过程。而关节角度信号的两个波峰反映了抬腿过程中，踝关节的摆动相。

Multi-channel Motion Signal Acquisition System and Experimental Results

【Writers】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

国家自然科学基金青年项目（81000637）

钟昇，E-mail: zhongsheng12@foxmail.com

陈昕，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.