一种基于肌电检测技术与近红外光谱技术的肌电与血氧信号采集方法技术

本发明专利技术公开了一种基于肌电检测技术与近红外光谱技术的肌电与血氧信号采集方法，包括如下步骤：步骤1、设计表面肌电与血氧信号采集系统；步骤2、基于修正的朗伯

【技术实现步骤摘要】
一种基于肌电检测技术与近红外光谱技术的肌电与血氧信号采集方法


[0001]本专利技术涉及医疗器械
，尤其是一种基于肌电检测技术与近红外光谱技术的肌电与血氧信号采集方法。

技术介绍

[0002]运动疲劳防治是运动人体科学研究领域的热点，肌肉疲劳的现象主要涉及到神经性和代谢性的生理因素。从神经系统角度，肌肉在产生疲劳过程中，会引起动作电位变化在时空上的叠加，从而导致sEMG发生变化，进而反映出肌肉的本体状态。从生理代谢角度，肌肉中血管活性增强，局部组织内的血氧的消耗量变大，从而会使组织中血氧含量减少到另一个平衡点，监测肌肉组织的缺氧程度可用来判断肌肉疲劳程度。
[0003]sEMG检测技术因其具有探测性好、灵敏度高、无创伤以及安全可靠等特点已经有很多科研工作者对其进行研究，而且已经取得了一些成果。sEMG作为人体肌肉细胞电位活动的外在综合表征，其信号变化特性与骨骼肌在疲劳收缩过程中发生的生化和生理变化有关。
[0004]近红外光谱技术(Near Infrared Spectroscopy，NIRS)是一种无损检测人体组织血氧浓度变化的方法，依据生物组织对于波长在700nm～900nm之间的光表现出低吸收、高散射的特性。这个波段的光子从人体表面的皮肤射入，可以达到几个厘米深度的组织，大大增加了对生物组织进行光学分析的空间范围。生物组织对700～900nm波段的近红外光的散射作用起主导，远大于吸收作用，这个特性使这个波段范围称为“光学窗”(Optical Window)，特指该波段的光较其它波段的光更容易穿透人体组织。
[0005]目前的研究主要是基于单通道单元信号进行的，采集的信号比较单一，无法全面反映肌肉疲劳过程中内在的物理参数的变化规律。基于多元信号融合从多维度分析肌肉疲劳成因的研究较少。另外，现有的运动员疲劳检测仪器大多体积庞大。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种基于肌电检测技术与近红外光谱技术的肌电与血氧信号采集方法，能够对肌肉在运动过程肌电以及近红外两种信号进行采集以及预处理，对进行运动员康复训练过程中实时评价疲劳程度有重要价值。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于肌电检测技术与近红外光谱技术的肌电与血氧信号采集方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1、设计肌电与血氧信号采集系统；
[0009]步骤2、基于修正的朗伯
‑
比尔定理确定血氧信号采集系统的模型参数；
[0010]步骤3、分别设计间歇握力实验和前臂阻断实验采集运动状态与血流阻断过程中肌肉的多元信号变化，根据对采集到的信号进行预处理，验证血氧信号采集系统采集信号的有效性。
[0011]优选的，步骤1中，肌电与血氧信号采集系统包括肌电信号的采集电路和血氧信号的采集电路；其中肌电信号的采集电路包括差分电路和滤波放大电路，差分电路采用双端输入单输出模型放置在采集电路的最前端，并且设计相应的保护电路抑制信号中的射频干扰，滤波放大电路包括一阶RC低通滤波器以及二阶RC高通滤波器；血氧信号采集电路包括恒流源驱动电路、时序分离电路和滤波电路，恒流源驱动电路用以驱动双波长LED光源，时序分离电路以双通道模拟开关为核心，以固定频率PWM波分时驱动双通道开关，在时序分离电路的输出端设计分压电路以降低通道衰减，滤波电路包括一阶RC低通滤波器以及二阶RC高通滤波器。
[0012]优选的，步骤2中，根据蒙特卡洛所模拟的光子在组织内的散射与反射的路径，修正的朗伯—比尔定理公式描述为：其中L表示近红外光源到光电传感器之间的物理距离，B为差分路径因子用来描述光子实际传播的路径与L的数学关系，G为耗散常量用来表示光子衰减的影响，I
i
为入射光强度，I为出射光强度，C代表吸收物质的浓度，单位为：mol/L；ε代表摩尔吸光系数，单位为：mM
‑1cm
‑1；A代表光密度；
[0013]由于光子在传播的过程中引起的损失G无法直接计算，因而考虑计算组织血氧浓度的相对变化，具体公式为：
[0014]在调整双波长光源的发射光强度后，I0表示肌肉组织在静息状态下探测器采集到的光强度；I
t
表示肌肉状态改变后探测器采集到的光强度；ΔC表示t时刻吸收物质的浓度变化；ΔA表示t时刻光密度的变化；
[0015]使用双波长LED来获取每个波长下的光密度变化量，具体公式如下：
[0016][0017]其中，其余以此类推。
[0018]优选的，步骤3中，分别设计间歇握力实验和前臂阻断实验采集运动状态与血流阻断过程中肌肉的多元信号变化，根据对采集到的信号进行预处理，验证血氧信号采集系统采集信号的有效性具体为：设计间歇握力试验，在实验中采集sEMG，在matlab中对信号进行工频陷波处理再小波降噪于傅里叶变换得到肌电信号的时域与频域特征分量，其中傅里叶变换公式如下：
[0019][0020]其中ω代表频率，t代表时间，由于傅里叶变换认为一个周期函数包含多个频率分量，这里f(t)为叠加后的信号；
[0021]使用OxiplexTS组织血氧仪与本系统做对照试验，在前臂阻断实验中，根据Hb和HbO2对红光和近红外光吸收差异的特性实时计算血氧饱和度变化，根据修正的朗伯—比尔定理模型实时计算两种血红蛋白参数的变化。
[0022]本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术基于肌电检测技术和近红外光谱技术实现对于肌肉的多元信号的采集，能够更为准确的反应肌肉状态的变化；(2)本专利技术采用无创，快捷
的选用Ag/AgCl凝胶电极对肌电信号进行拾取，设计稳定，抗干扰能力强的信号处理电路完成对微弱信号的滤波处理，成本低廉；设计恒流源驱动电路实现对双波长近红外光的稳定功率驱动，利用模拟开关设计时序复用电路提取通道内双波长的光信号，再根据修正后的朗伯—比尔定理计算出血氧饱和度以及HbO2和Hb的相对变化；(3)本专利技术实现无创，便捷的肌电与血氧信号采集对进行肌肉的疲劳评估有重要价值。
附图说明
[0023]图1为本专利技术的方法流程示意图。
[0024]图2为本专利技术的采集探头的结构示意图。
[0025]图3为本专利技术的恒流源驱动电路结构示意图。
[0026]图4为本专利技术的sEMG信号处理电路结构示意图。
[0027]图5为本专利技术的NIRS信号处理电路拓扑图。
[0028]图6为本专利技术的血氧无创采集检测模型示意图。
[0029]图7(a)为本专利技术的某一组间歇握力实验下测得sEMG原始信号示意图。
[0030]图7(b)为本专利技术的某一组间歇握力实验下测得sEMG原始信号FFT示意图。
[0031]图7(c)为本专利技术的某一组间歇握力实验下测得sEMG原始信号小波软阈值去噪示意图。
[0032]图7(d)为本专利技术的某一组间歇握力实验下测得sEMG原始信号小波软阈值去噪FFT示意图。
[0033]图8为本专利技术的某一组前臂阻断实验下本系统和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于肌电检测技术与近红外光谱技术的肌电与血氧信号采集方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、设计肌电与血氧信号采集系统；步骤2、基于修正的朗伯
‑
比尔定理确定血氧信号采集系统的模型参数；步骤3、分别设计间歇握力实验和前臂阻断实验采集运动状态与血流阻断过程中肌肉的多元信号变化，根据对采集到的信号进行预处理，验证肌电与血氧信号采集系统采集信号的有效性。2.如权利要求1所述的基于肌电检测技术与近红外光谱技术的肌电与血氧信号采集方法，其特征在于，步骤1中，肌电与血氧信号采集系统包括肌电信号的采集电路和血氧信号的采集电路；其中肌电信号的采集电路包括差分电路和滤波放大电路，差分电路采用双端输入单输出模型放置在采集电路的最前端，并且设计相应的保护电路抑制信号中的射频干扰，滤波放大电路包括一阶RC低通滤波器以及二阶RC高通滤波器；血氧信号采集电路包括恒流源驱动电路、时序分离电路和滤波电路，恒流源驱动电路用以驱动双波长LED光源，时序分离电路以双通道模拟开关为核心，以固定频率PWM波分时驱动双通道开关，在时序分离电路的输出端设计分压电路以降低通道衰减，滤波电路包括一阶RC低通滤波器以及二阶RC高通滤波器。3.如权利要求1所述的基于肌电检测技术与近红外光谱技术的肌电与血氧信号采集方法，其特征在于，步骤2中，根据蒙特卡洛所模拟的光子在组织内的散射与反射的路径，修正的朗伯—比尔定理公式描述为：其中L表示近红外光源到光电传感器之间的物理距离，B为差分路径因子用来描述光子实际传播的路径与L的数学关系，G为耗散常量用来表示光...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢丽冬，臧梦洁，钱志余，姚柳叶，张宇，邹止寒，李梦雪，张瑞，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：