[發明專利]多模態生物信號同步檢測系統及方法

有效

• 申請號: 201310559557.4
• 申請日: 2013-11-12
• 公開（公告）號: CN103584919A
• 公開（公告）日: 2014-02-19
• 發明（設計）人: 肖波;樊建平;周永進;蘆祎
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳先進技術研究院
• 主分類號: A61B19/00
• 分類號: A61B19/00
• 代理公司: 深圳市科進知識產權代理事務所(普通合伙) 44316
• 代理人: 沈祖鋒;郝明琴

技術領域

本發明涉及人體運動生物力學技術領域，尤其涉及一種多模態生物信號同步檢測系統及方法。

背景技術

人體運動生物力學研究一直是國內外研究的熱點和焦點問題，運動生物力學研究的對象是人體，是一門交叉的學科，除了與解剖學、生理學結合較多外，與醫學、康復結合也逐漸密切。隨著運動生物力學的發展，研究內容已經逐漸由為奧運戰略服務向競技體育上擴展；對人體的研究，已由對人體整體運動的研究，逐漸發展到不同環節和結構的深入研究；由對人體運動的描述性研究，發展到探討運動時神經肌肉的控制以及運動系統和感覺系統的整合。對人體運動生物力學研究的方法主要包括高速攝影（二維與三維）、錄像，肌電、肌力測試系統，同步測試、理論分析及CT、核磁共振等方法。

隨著對人體運動生物力學研究的深入，同時由于人體運動力學參數具有非線性、時變形、隨機性等特征，單純采用運動學、生理學或影像學的方法將難以反映人體運動狀態的準確性，由此需要綜合多種技術進行分析研究。

李喬亮等人在“融合實時超聲影像的多模態肌肉運動特性研究”（中國生物醫學工程學報，2012，31(4):519-525）中提出一種多模態方法，聯合肌電信號、肌音信號和超聲影像三種信號，對肌肉活動特性進行研究，研發多通道運動學信號采集系統，對包括超聲影像在內的多種信號進行實時同步采集；開發一種新的圖像追蹤算法，實現肌肉邊界的自動追蹤；對膝關節伸展時股直肌等長收縮的情況進行研究，對采集的各種信號進行特性分析；聯合多種參數，采用多變量擬合的方法對關節力矩進行估計。

申請號為201210214871.4的中國專利提出了一種肌電信號與關節角度信息融合的下肢運動軌跡預測方法，將表面肌電(EMG)與運動力學相結合，主要用于康復醫療器械的設計制造，可有效地提高肌電控制假肢運動的穩定性。

申請號200910184851.5的中國專利提出了一種多參數生物信息測試平臺及測試方法，該多參數生物信息測試平臺包括由高速影像采集單元、步態觸覺信息測試單元、表面肌電采集單元、加速度/角度測試單元、心率/脈搏測試單元集成的生物力學測試通道，各單元經以太網接口連接，經過時鐘服務器實現各單元測量生物特征參數的時域精確同步。

然而，由于人體的運動是神經系統、肌肉系統和骨骼系統協同工作的結果，肌肉收縮是人體產生運動的主動力。了解人體運動、揭示人體運動規律，就必然要了解肌肉的結構、形態和功能。且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，特別是如何對人體運動時同時獲取多種信息并進行多層次綜合處理仍然是有待解決的難題。

現有技術中，對于人體運動多種信息的獲取，大部分仍采用的是多臺檢測設備分開操作，各設備間獨立運行時，維護起來難度大、兼容性不足，且難以將信息集成在一個統一的系統框架下進行綜合處理與分析。雖然有報道將高速影像系統融合到人體運動信息的測量中，但是只能反映人體運動行為的外部特性，不能深入、準確地反映人體運動肌肉內部結構和形態變化。而采用其他影像技術，如核磁共振(MRI)來研究肌肉的變化，則需要面對MRI設備價格昂貴、操作復雜等實際問題。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種多模態生物信號同步檢測系統及方法。

一種多模態生物信號同步檢測系統，包括實時同步采集多源信號的信號采集模塊及對所述多源信號進行融合處理和分析的信號處理模塊，所述信號采集模塊和所述信號處理模塊相連接。所述信號采集模塊包括采集超聲圖像的超聲圖像采集單元、采集生理學信號的生理信號采集單元及采集運動學信號的運動學信號采集單元，所述信號處理模塊采用多線程通信及時間戳的方法控制所述信號采集模塊實現所述超聲圖像、所述生理學信號及所述運動學信號的實時同步采集，所述信號處理模塊采用特征提取和統計學習方法對所述超聲圖像、所述生理學信號及所述運動學信號進行信號處理，并建立運動模型。

本發明一較佳實施例中，所述信號處理模塊對所述超聲圖像、所述生理學信號及所述運動學信號進行特征提取，獲得肌肉形態學參數、肌電參數及運動學參數。

本發明一較佳實施例中，所述超聲圖像經過視頻采集卡或數據接口進行數字化處理后傳送至所述信號處理單元，數字化處理時利用差分斑點追蹤法動態追蹤運動過程中的肌束的長度、利用霍夫變換計算羽狀角和肌肉厚度、以及利用組合多普勒的方法估計肌肉的收縮速度，獲得所述肌肉形態學參數。