沈天舒，萬 舟

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明650500)

作為世界主流球類運動之一的網(wǎng)球，其普及程度很高。然而，在訓(xùn)練和比賽中，因動作不規(guī)范導(dǎo)致受傷的情況較為普遍，“網(wǎng)球肘”(Tennis Elbow)就是其中之一。其醫(yī)學(xué)術(shù)語為“肱骨外上髁炎”，這是一種在臨床上比較多見的慢性損傷病癥，會對網(wǎng)球運動員及愛好者運動機能造成不同程度的傷害[1-2]。因此，關(guān)于“網(wǎng)球肘”的認識及研究是十分必要的。

對于“網(wǎng)球肘”的研究可追溯至十七世紀，國外的研究主要是從醫(yī)學(xué)角度及病理生理學(xué)角度剖析其產(chǎn)生原因[3-5]。在國內(nèi)，大多數(shù)學(xué)者主要結(jié)合肌電學(xué)對網(wǎng)球運動時上肢肌肉活動的特征進行研究，試圖找出“網(wǎng)球肘”外在表現(xiàn)與肌肉內(nèi)在性質(zhì)之間的相關(guān)性[1-2]。但是該此類研究所需技術(shù)復(fù)雜且研究成本高昂，因此該方法難以進行推廣?！熬W(wǎng)球肘”病理的成因較復(fù)雜，大致可以歸納為生理、技術(shù)、個體等3方面。大量的統(tǒng)計資料表明，技術(shù)因素是導(dǎo)致“網(wǎng)球肘”產(chǎn)生的主要原因，其中又以單手反手揮拍動作的影響最為明顯?；诖耍疚脑O(shè)計了一種基于PVDF的檢測肘部做單手反向揮拍運動時的壓電信號傳感器。利用PVDF壓電薄膜材料所具有的質(zhì)地輕柔、材料薄、速度響應(yīng)快、靈敏度高以及動態(tài)響應(yīng)范圍大的特性優(yōu)點，設(shè)計并制作了關(guān)于肘部壓力的傳感器陣列。通過分析采集到的單手反手揮拍時肘部控制肌群的運動信息，找到其與“網(wǎng)球肘”病理產(chǎn)生的潛在聯(lián)系，為預(yù)防和治療“網(wǎng)球肘”疾病提供數(shù)據(jù)支持，同時為制定個人化的網(wǎng)球?qū)ｍ椨?xùn)練提供科學(xué)依據(jù)。

1 運動損傷機理分析

“肱骨外上髁炎”是一種常見的運動性疾病。其癥狀表現(xiàn)為肘部關(guān)節(jié)運動困難并伴有刺激性疼痛。在現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)階段中，例如神經(jīng)源性的病變以及肱橈關(guān)節(jié)病等可能導(dǎo)致手肘關(guān)節(jié)的疾病，常被診斷成“肱骨外上髁炎”。因此，怎樣識別并能準(zhǔn)確判斷出是否為“網(wǎng)球肘”疾病尤為重要。經(jīng)過大量醫(yī)學(xué)研究表明，肌腱組織結(jié)構(gòu)的退化變性才是導(dǎo)致肱骨外上髁部位發(fā)生病理變化的主要原因。在慢性“肱骨外上髁炎”患者的肌腱的病理組織中，發(fā)現(xiàn)了不同程度的自噬細胞和凋亡細胞，而這些細胞的數(shù)量隨著病變嚴重程度的加深而不斷增長，這也說明其病理的改變?yōu)榧‰旖M織的退化[5]。在本文中，主要針對普通人群在網(wǎng)球訓(xùn)練時出現(xiàn)的“網(wǎng)球肘”癥狀進行探討和研究[6-7]。

單手反手揮拍是網(wǎng)球揮拍中很常用的動作，但這也是導(dǎo)致“網(wǎng)球肘”病理產(chǎn)生的主要原因之一。從人體工程學(xué)的角度來講，人體的手臂有7個自由度，可以滿足人的一切日?；顒印５诰W(wǎng)球運動中，做單手反手揮拍運動時，人體的手臂是由內(nèi)向外的反關(guān)節(jié)運動，不在正常的7個自由度的范圍內(nèi)。此外，打反手時會用到手臂不常用的肌肉，這些肌肉力量比較小，得到鍛煉的機會也相對較少。再加上球與球拍之間相接觸的剎那間會產(chǎn)生強大的沖擊力，長此以往，會對肘部關(guān)節(jié)肌腱組織造成損害，因而極易受傷。

2 PVDF傳感器原理

2.1 PVDF傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

PVDF傳感器的制作由外觀設(shè)計、結(jié)構(gòu)加工和黏貼層壓3個階段組成[8-10]，傳感系統(tǒng)一共需要8個PVDF傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在外觀設(shè)計的過程中，多次實驗證明，圓形傳感器結(jié)構(gòu)能滿足各種不同條件的需要。所以，把所有傳感器的主要組成部分都設(shè)計并制作成圓形結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)加工的過程中，傳感器懸臂梁采用PV膜材料制成，選用容易加工的硅膠片作為傳感器基座，加工厚度為1 mm。在黏貼壓層的過程中，由于不同材料之間的附著力以及不同種類膠水凝固時間有所區(qū)別，為解決不同因素對傳感器黏貼壓層加工過程的影響，采用導(dǎo)電銀膠作為制成傳感器的首選材料。

圖1 PVDF壓電傳感器整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 PVDF壓電薄膜特性分析

PVDF是新型高分子壓電材料聚偏氟乙烯的簡稱，其化學(xué)分子式為-(CH2=CF2)n-。與傳統(tǒng)壓電材料相比，PVDF材料具有響應(yīng)速度快、線性度好、精度高、材料薄以及柔軟等優(yōu)勢，較容易被制成任意形狀或是不同面積的片狀或管狀。由于以上優(yōu)勢，使得PVDF成為本實驗的首選材料[9,11-12]。

如果將理想化的電容器模型用受壓時的PVDF壓電薄膜來表示，其輸出的電荷量與外力之間的關(guān)系為

Qi=dijFj

(1)

qi=dijσj

(2)

其中，i=1,2,3，j=1,2,…,6；Qi為薄膜輸出電荷量的總和；dij表示薄膜壓電應(yīng)變常數(shù)矩陣；Fj為薄膜能夠承載的壓力；qi表示薄膜單位面積輸出電荷量；σj為薄膜能夠承受應(yīng)力。

當(dāng)兩個極板之間匯聚了足夠的電荷時，兩極板之間就會產(chǎn)生電勢差，形成電壓，則有

Ua=Q/Ca

(3)

Ca=ε0εrA/t

(4)

式中，Ua表示薄膜兩極化面間的電壓(V)；Q表示薄膜上的總電荷量(C)；Ca表示薄膜兩極化面之間的等效電容(F)；ε0表示真空介電常數(shù)；εr表示高分子介電常數(shù)；A表示薄膜面積(m2)；t為薄膜厚度(m)。

3 實驗原理

實驗設(shè)計中，將肘關(guān)節(jié)控制肌群作為信息采集的對象。當(dāng)運動員進行單手反手擊球時，肘關(guān)節(jié)控制肌群會因完成動作而承載一定的負荷，其外在表現(xiàn)為手臂肌肉發(fā)生形變。根據(jù)PVDF薄膜極好的壓電特性，制成PVDF壓電傳感器并將其固定在特制的雙層護肘夾層中的指定位置。當(dāng)肘部肌肉因承載負荷而發(fā)生形變時，其對PVDF壓電傳感器的壓力大小也會發(fā)生改變，因壓力而產(chǎn)生的電荷量也將發(fā)生改變，肌肉負荷的改變便轉(zhuǎn)化為電荷量的變化。隨后通過信號調(diào)理電路可以將電荷量的變化轉(zhuǎn)換為輸出電壓的變化，即可構(gòu)建出輸出電壓與肌肉負荷相互之間的關(guān)系。當(dāng)技術(shù)動作不規(guī)范時，肘部控制肌群所承載的壓力負荷情況將會出現(xiàn)異常，傳感器輸出電壓也隨之發(fā)生異常情況，通過分析輸出電壓信息便可獲知其技術(shù)動作規(guī)范與否。此外，設(shè)計采用PVDF壓力傳感器陣列對肘關(guān)節(jié)控制肌群各點所承載的負荷信息進行同時采集，從而使測得的結(jié)果具有全面性和完整性，更具有說服力。

3.1 傳感器陣列制作

為了在單反揮拍過程中有效的采集肘關(guān)節(jié)控制肌群的運動信號，本文基于運動生理學(xué)以及肘關(guān)節(jié)構(gòu)造的相關(guān)知識，提出一種傳感器陣列結(jié)構(gòu)配置方案。

圖2 肘部傳感器陣列設(shè)計圖

如圖2所示，將8個傳感器分對應(yīng)貼合到肱三頭肌、肱二頭肌、旋前圓肌等8塊不同部位的肌肉上(單反揮拍運動時肘關(guān)節(jié)部位運動的控制肌群)。在單反揮拍技術(shù)動作中，肘部關(guān)節(jié)的運動的幅度比較大，為了能夠精確固定傳感器陣列、保證信號采集強度，要盡可能將傳感器緊貼人體肘部關(guān)節(jié)表面。因此，在選材方面運用了一款做工精良的護肘。如圖2(b)所示。此護肘采用腈綸拼接工藝，不僅輕薄透氣，舒適性好，而且還有著光滑涂層的外表面，利于固定本文設(shè)計的傳感器單元。將傳感器粘貼于護肘表面，并將壓電傳感器懸臂梁那面貼向皮膚，該面在護肘的外表面上與柔性雙面膠直接貼合；利用針線與外層護肘在內(nèi)表面縫合制作傳感器的底座；引出的電極信號導(dǎo)線聚合于護肘內(nèi)表面之間，引出的導(dǎo)線從上方引出[13-14]。

3.2 信號調(diào)理電路

PVDF壓電傳感器具有內(nèi)阻抗，輸出電信號也十分微弱。實驗的過程中，當(dāng)傳感器受力的大小為20 N時，傳感器產(chǎn)生的電荷量為皮庫等級，容易被干擾。如果在網(wǎng)球訓(xùn)練中進行數(shù)據(jù)采集，信號干擾將更為嚴重。因此，采集到的信號一定要經(jīng)過信號調(diào)理電路的阻抗匹配、信號放大以及濾波之后，方能保證收集的數(shù)據(jù)是真實、可靠的數(shù)據(jù)。

(1)濾波放大電路。本文設(shè)計了一個三級濾波放大電路。第一級是前置放大電路，其目的是把微弱的電信號經(jīng)過放大器放大，并將高阻抗輸入轉(zhuǎn)化為低阻抗輸出。第二級是帶有增益的低通濾波器，設(shè)計目的是為了濾除信號中的高頻噪聲。第三級濾波器是帶通濾波器，設(shè)計目的是為了將輸出信號的幅值范圍調(diào)整到0 ～5 V之間，便于被數(shù)據(jù)采集電路識別、采集。

(2)工頻陷波電路。本傳感器只用交流220 V作為供電電源。為消除50 Hz市電對傳感器的影響，采用工頻陷波電路濾除工頻干擾信號。陷波電路的設(shè)計采用的是“雙T型”結(jié)構(gòu)，如圖4所示，即運用對稱的電容、電阻實現(xiàn)帶阻濾波功能，并且陷波電路后面又設(shè)計了一個基于LM358芯片的正反饋放大電路。

圖3 濾波放大電路設(shè)計圖

圖4 工頻陷波電路設(shè)計圖

3.3 系統(tǒng)測試

網(wǎng)球單反揮拍的運動信息采集方法是基于PVDF壓電傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路、USB3.0接口和PC機設(shè)計而成，其構(gòu)建方案如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)構(gòu)建圖

圖6 準(zhǔn)靜態(tài)測試數(shù)據(jù)的線性關(guān)系圖

(1)準(zhǔn)靜態(tài)測試。為了標(biāo)定傳感器在數(shù)據(jù)采集中能夠得到的較為精準(zhǔn)的運動信號，文中采用了靜態(tài)測試方法。其具體操作步驟是使用砝碼給傳感器施加重力，并不斷增加砝碼的重量，此時數(shù)據(jù)采集電路采集傳感器的數(shù)據(jù)，將結(jié)果繪制成圖，如圖6所示。由圖6可知，給傳感器施加的重力與采集的電壓之間存在一定的線性關(guān)系。同時，反映出測試的傳感器的線性響應(yīng)好，靈敏度較高。也證明了此傳感器能夠有效采集到精確地信號，設(shè)計符合預(yù)期。

(2)動態(tài)測試。實驗以自愿的形式選取某校2016級選修公共體育網(wǎng)球課的本科男生進行動態(tài)測試。被測者身體健康并且沒有任何上臂疾病史，要求被測者按網(wǎng)球運動中常見的單手反手進行揮拍動作[15]。利用USB7360AF多功能數(shù)據(jù)采集卡采集傳感器信號，使用附帶的軟件實時顯示電壓波動情況。圖7中下方為標(biāo)準(zhǔn)單手反手揮拍動作時傳感器陣列輸出信號波形圖，上方為不規(guī)范動作的對應(yīng)波形圖。

圖7 傳感器信號輸出

對上述兩種情況的分析可知，在單手反手揮拍動作中，出現(xiàn)不規(guī)范動作時傳感器陣列輸出信號波形圖幅值均較大。該結(jié)果反映出不規(guī)范技術(shù)動作時其肘關(guān)節(jié)控制肌群所承載的壓力負荷值均較標(biāo)準(zhǔn)動作時更大，則長期的不規(guī)范技術(shù)動作必然會增加肘關(guān)節(jié)控制肌群的壓力負荷，而長期過多的壓力積累在肌肉上便會導(dǎo)致手臂受傷，這也是產(chǎn)生“網(wǎng)球肘”病理的潛在因素，測試結(jié)果符合預(yù)期。

4 結(jié)束語

隨著網(wǎng)球運動的發(fā)展，為了可以最大限度地減少運動性損傷，網(wǎng)球運動的教學(xué)以及訓(xùn)練必然要以嚴謹?shù)目茖W(xué)理論依據(jù)進行指導(dǎo)，而科學(xué)的理論依據(jù)必然要以準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集為先決條件。設(shè)計了一種基于PVDF檢測肘部做單手反向揮拍運動時的壓電信號傳感器。實驗結(jié)果表明，檢測過程傳感器運行穩(wěn)定、信號處理實時，并且制作成本低廉、簡便實用。運用該方法能夠準(zhǔn)確地采集網(wǎng)球運動員在不同情況下肘關(guān)節(jié)控制肌群的運動信息，為研究“網(wǎng)球肘”的預(yù)防及治療措施提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。