劉環(huán)

(長(zhǎng)治醫(yī)學(xué)院計(jì)算機(jī)教學(xué)部，山西長(zhǎng)治，046000)

0 引言

人體運(yùn)動(dòng)是自然界最復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)之一[1]。對(duì)于人體運(yùn)動(dòng)的研究已經(jīng)逐漸發(fā)展成一門(mén)專(zhuān)業(yè)學(xué)科，即運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)[2]。人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)及識(shí)別是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的重要組成部分，也為獲取人體運(yùn)動(dòng)參數(shù)提供了極大的方便，對(duì)軍事、醫(yī)學(xué)和助力機(jī)器人等技術(shù)的發(fā)展均有重要意義。

本文提出了采用脈沖式多普勒超聲波檢測(cè)骨骼肌的運(yùn)動(dòng)速度大小來(lái)判斷人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的方法，并利用家用胎心儀作為骨骼肌運(yùn)動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)設(shè)備，簡(jiǎn)化了超聲檢測(cè)過(guò)程，為人體運(yùn)動(dòng)的快速檢測(cè)提供了方法。

1 超聲波檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)機(jī)理

人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，骨骼肌快速而有力地收縮，產(chǎn)生的拉力即通過(guò)膛傳到骨上，牽連骨骼引起運(yùn)動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中做功。

超聲波作為一種高頻信號(hào)，能夠滲透到人體內(nèi)得到較深的肌肉的信息。通過(guò)研究多普勒超聲波檢測(cè)機(jī)理，得出頻率信號(hào)與被測(cè)肌肉的速度之間的關(guān)系[3]。

利用多普勒超聲波的多普勒效應(yīng)，可以測(cè)出人體肌肉的收縮速度。脈沖式多普勒超聲波是由同一個(gè)(或一組)晶片發(fā)射并接收超聲波的，而脈沖式多普勒超聲波相對(duì)于連續(xù)多普勒超聲波而言，具有定點(diǎn)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，用較少的時(shí)間發(fā)射，更多的時(shí)間接收，由于采用深度選通技術(shù)，因此可進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)定，因而具有很高的距離分辨力，可以檢測(cè)很小的區(qū)域并且能夠?qū)崟r(shí)的輸出該區(qū)域的速度。

2 脈沖式多普勒信號(hào)采集裝置

理想的骨骼肌運(yùn)動(dòng)信號(hào)識(shí)別裝置為B超儀，自主開(kāi)發(fā)一套脈沖式多普勒超聲波收發(fā)系統(tǒng)所需的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、投入資金過(guò)大、過(guò)程過(guò)于繁瑣，為此，本項(xiàng)目采用能夠收發(fā)脈沖式多普勒超聲波信號(hào)，并能檢測(cè)速度的胎心儀作為骨骼肌運(yùn)動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)。常用的醫(yī)用B超儀的超聲脈沖收發(fā)頻率為3-7MHz，對(duì)于脂肪含量較高的被測(cè)者，檢測(cè)頻率為3-3.5MHz，而目前常用的、檢測(cè)胎兒心跳頻率的胎心儀頻率一般為2.5-4.5MHz，故二者的頻率有重疊部分，能夠檢測(cè)到骨骼肌運(yùn)動(dòng)信號(hào)。該胎心儀的各項(xiàng)檢測(cè)系數(shù)如表1所示。

表1 胎心儀檢測(cè)參數(shù)

鑒于人體上肢運(yùn)動(dòng)比下肢運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單，且易于采集信號(hào)，故本項(xiàng)目擬采集上肢運(yùn)動(dòng)信號(hào)以進(jìn)行處理。手臂屈伸運(yùn)動(dòng)是很常見(jiàn)動(dòng)作，當(dāng)肱二頭肌收縮使肘關(guān)節(jié)屈曲帶動(dòng)某一負(fù)荷時(shí)，產(chǎn)生的張力隨關(guān)節(jié)的角度變化而變化，收縮張力在關(guān)節(jié)角度為120°時(shí)最大，在30°時(shí)最小。實(shí)驗(yàn)證明，隨著負(fù)荷量的逐漸增加，骨骼肌的收縮力也逐漸增加，而收縮速度逐漸減小。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，被測(cè)人員以自然的姿勢(shì)坐在椅子上，上臂肱二頭肌處均勻涂抹耦合劑，前臂稍貼于上臂，檢測(cè)系統(tǒng)的探頭垂直于上臂肱二頭肌的肌纖維方向，橫向放置在肱二頭肌的肌腹位置。被測(cè)者被要求在一個(gè)音頻節(jié)拍器(45拍/分鐘)的引導(dǎo)下，從初始位置開(kāi)始進(jìn)行前臂伸展到最大位置，再?gòu)澢貜?fù)到起始位置的運(yùn)動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，盡量保持上臂緊貼椅背而并不橫向移動(dòng)，而且保持腕關(guān)節(jié)固定不動(dòng)，只是肘關(guān)節(jié)進(jìn)行屈伸。被測(cè)者進(jìn)行5次獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)，在每次實(shí)驗(yàn)時(shí)采集從0°到120°范圍內(nèi)的肘關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)。

3 骨骼肌運(yùn)動(dòng)信號(hào)處理機(jī)理

脈沖式多普勒超聲波測(cè)速主要涉及頻率信號(hào)獲取和信號(hào)分析兩項(xiàng)內(nèi)容。目前常規(guī)的信號(hào)獲取如圖 1所示。

圖1 多普勒信號(hào)獲取與預(yù)處理流程

經(jīng)過(guò)解調(diào)和濾波之后的信號(hào)，可以由振幅的變化表示信號(hào)的變化。由圖1可知，除了將處理過(guò)的信號(hào)用于圖像顯示外，信號(hào)也可以通過(guò)揚(yáng)聲器輸?shù)囊纛l。本項(xiàng)目擬對(duì)輸出的音頻信號(hào)進(jìn)行處理，即輸出聲音是立體聲信號(hào)的多普勒頻移和粒子流速的直接表述。

即在輸出的聲音同時(shí)，同步進(jìn)行的光譜處理對(duì)速度進(jìn)行量化，并實(shí)時(shí)地顯示在屏幕上。利用PC機(jī)的聲卡或者其他的錄音軟件來(lái)獲得這個(gè)聲音信號(hào)，從而能得到脈沖式多普勒超聲的數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)這個(gè)音頻信號(hào)進(jìn)行處理，就可以得到被測(cè)肌肉的收縮速度。首先經(jīng)過(guò)帶通濾波器濾除噪聲，然后利用漢寧窗的短時(shí)傅立葉變換得到的信號(hào)時(shí)變頻譜 S ( f , t)為：

其中是 W (τ)窗函數(shù), Xd是采樣獲得的音頻超生波多普勒信號(hào)。依據(jù)公式1可以得到頻域內(nèi)的速度譜，通過(guò)將速度對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，就可以得到位移量，至此，就得到了被測(cè)骨骼肌的收縮變形量。

4 骨骼肌運(yùn)動(dòng)檢測(cè)及識(shí)別

利用采集系統(tǒng)對(duì)人手做不同動(dòng)作時(shí)的肌電信號(hào)進(jìn)行采集。在試驗(yàn)中使用胎心儀在肱二頭肌處進(jìn)行3次信號(hào)采集。健康受試者完成三次手臂屈伸動(dòng)作，每次動(dòng)作將通過(guò)數(shù)據(jù)采集裝置存入計(jì)算機(jī)。人體在進(jìn)行手臂屈伸的一個(gè)周期內(nèi)的超聲波信號(hào)的變化情況及頻域圖如圖2所示。

本項(xiàng)目利用matlab音頻處理工具，具體操作如下：

（1）音量標(biāo)準(zhǔn)化：為避免出現(xiàn)音輕的問(wèn)題，調(diào)用wavread函數(shù)，將.wav文件轉(zhuǎn)換成列數(shù)組；然后求數(shù)組變量的極值并對(duì)所有元素作歸一化處理；最后用wavwrite函數(shù)還原成音量標(biāo)準(zhǔn)化的.wav文件。經(jīng)試聽(tīng)可知標(biāo)準(zhǔn)化處理后音量比原來(lái)稍大。

（2）濾波：本項(xiàng)目調(diào)用MATLAB中的漢寧窗函數(shù)實(shí)現(xiàn)高通濾波。同時(shí)繪制波形圖，保證濾波后的信號(hào)不出現(xiàn)失真情況。

（3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：對(duì)數(shù)字濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即改變音頻格式中的采樣頻率或量化位數(shù)：利用矩陣插值或抽取技術(shù)實(shí)現(xiàn)變量變換，完成后再用wavwrite函數(shù)重新定義量化位數(shù)和采樣頻率即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

表征速度的音頻信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換得到位移和角度的信息。如前所述，由于檢測(cè)設(shè)備的局限性，此胎心儀測(cè)得的運(yùn)動(dòng)速度范圍很小，經(jīng)圖像處理可知，檢測(cè)系統(tǒng)可得到前0.5秒的運(yùn)動(dòng)位移.

得出骨骼肌的位移量以后，根據(jù)解剖學(xué)里的Brand and Hollister模型[7]，可以將骨骼肌的變形量轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)角，模型假設(shè)肌腱的運(yùn)動(dòng)是自由的，則：

其中θ是沿圓弧方向的角度，D是骨骼肌的變形，m是關(guān)節(jié)的半徑與肌腱的厚度之和。

根據(jù)Brand and Hollister模型，測(cè)得前臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中前0.5秒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)角度。為避免出現(xiàn)誤差，在相同運(yùn)動(dòng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，3次測(cè)得前0.5秒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)角度分別為7.8°，8°和7°，即與圖像處理后所得數(shù)據(jù)吻合。通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理，可以驗(yàn)證以下幾方面工作：（1）脈沖式多普勒超聲波可以滲透到體內(nèi)得到較深的信息，即檢測(cè)到人體骨骼肌的運(yùn)動(dòng)速度信號(hào)。（2）利用胎心儀作為信號(hào)采集儀器，能夠采集到一定范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)信息，并可以反映該頻率范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，但由于設(shè)備的局限性，其采集范圍很小，尚無(wú)法得出完整的手臂屈伸過(guò)程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。（3）將采集到的信號(hào)以音頻形式輸出，并進(jìn)行信號(hào)處理，可直觀且快速地進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)識(shí)別。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目致力于開(kāi)發(fā)一套適合下肢助力外骨骼機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)，引入對(duì)脈沖式多普勒超聲波檢測(cè)機(jī)理的研究，證明利用脈沖式多普勒超聲波檢測(cè)的可行性；此外，分析了利用Matlab處理所得音頻信號(hào)的方法，得出了骨骼肌運(yùn)動(dòng)位移及角度數(shù)據(jù)，并證明了這種方法的可行性.

但由于本項(xiàng)目的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的檢測(cè)范圍有限，未能反映整周期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。故下一步的工作重點(diǎn)將放在采集一個(gè)或若干個(gè)完整周期的運(yùn)動(dòng)信號(hào)上，以明確揭示整個(gè)周期內(nèi)人體骨骼肌的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，進(jìn)而為人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)提供更為可靠的依據(jù)。

圖2 原信號(hào)在時(shí)域和頻域的波形圖

參考文獻(xiàn)

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