[發明專利]一種基于多傳感器數據融合的可穿戴式人體上肢肌肉運動疲勞檢測及訓練系統

在審

• 申請號: 201811290259.9
• 申請日: 2018-10-31
• 公開（公告）號: CN109222969A
• 公開（公告）日: 2019-01-18
• 發明（設計）人: 任海川;李慶明;毛曉波;董杰超;劉明康;李臣宏;王邦鋒;段虎飛;李世博;楊朝中;毛帆;鄒青青
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: A61B5/0488
• 分類號: A61B5/0488;A61B5/1455;A61B5/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于多傳感器數據融合的可穿戴式人體上肢肌肉運動疲勞檢測及訓練系統，系統包括信號采集模塊、數據處理模塊、報警模塊和人機交互模塊；由表面肌電傳感器、肌音傳感器和血氧飽和度傳感器構成多傳感器采集陣列穿戴在被測上肢部位，基于加權平均法進行數據融合，綜合計算人體上肢肌肉疲勞參數，極大提高了人體上肢肌肉運動疲勞的檢測精度；若參數達到預設值，系統可給出疲勞報警提醒；系統還具有肌肉力量訓練功能，通過采集表面肌電信號和肌音信號來判斷人體上肢動作和肌肉力量，并實時監測肌肉疲勞狀況，采用無線傳輸方式將數據上傳到人機交互模塊，與虛擬游戲進行匹配，使上肢肌肉力量訓練過程更有趣味，有效提高其訓練效果。

技術領域

本發明涉及人體肌肉疲勞檢測及訓練領域，具體涉及一種基于多傳感器數據融合的可穿戴式人體上肢肌肉運動疲勞檢測及訓練系統。

背景技術

一定程度上的腦卒中患者可以通過適量的運動和合理鍛煉來實現完全康復，但是腦卒中患者在運動康復訓練時，較常人易于出現肌肉疲勞，再加之多數患者訓練部位的中樞神經系統功能受損，在訓練中患者大腦不能及時獲取有關肌肉活動情況的反饋信息，隨著疲勞程度的加重，肌張力會顯著上升進而引起痙攣、拉傷等嚴重后果，易造成人體肌肉的二次損傷；在體育競技方面，運動員在訓練中為了提高成績，過度的訓練容易導致肌肉拉傷。因此，對于預防殘障患者的二次損傷及運動員訓練過量方面，人體肌肉疲勞狀況的準確檢測技術非常關鍵。

目前對上肢肌肉疲勞研究發現，可以通過壓力傳感器、電容話筒、位移傳感器等采集肌音信號來檢測局部肌肉活動，進而判斷肌肉的不同疲勞程度，其中肌音是一種人體肌肉纖維在運動收縮情況下產生的機械振動波，通過肌動圖(mechanomyography, MMG)可觀測肌纖維移動和肌肉表面的振動；現有的無線表面肌電儀配套有信號處理軟件，可以存儲顯示表面肌電信號，同時帶有小波變換、多種濾波、快速傅里葉變換等數據處理分析功能，但大多數不具備肌肉疲勞分析的功能，此外，研究表明當被測皮膚不干凈或出汗時，表面肌電信號不能夠用于肌肉疲勞分析。

綜上所述，針對人體肌肉運動疲勞檢測定量分析及可穿戴設備研究仍處于相對較早的階段，國內外市場上的產品主要有兩種重要特征：一種是采集肌肉狀態的單一原始信號，在PC端進行后期數據處理分析后，將結果反饋給實驗者，但是在運動出汗、高速高頻肢體運動等極端情況下噪聲增大，并不能準確反應肌肉運動的疲勞狀態；另一種是通過復雜設備提取到肌肉狀態的原始信號，沒有進行所含生理特征的分析，也沒有把康復醫學和控制工程學方法很好的相結合，無法實時準確評測人體肌肉的運動疲勞狀態。

發明內容

針對目前市場上設備存在的不足，本發明公開了一種可穿戴式的基于多傳感器數據融合的人體肌肉運動疲勞檢測及訓練系統，該設備結構簡單，操作簡便，靈敏度高，訓練趣味性強，便于推廣。

本發明的技術解決方案如下。

所述基于多傳感器數據融合的可穿戴式人體上肢肌肉運動疲勞檢測及訓練系統包括信號采集模塊、數據處理及控制模塊、報警模塊和人機交互模塊。

所述信號采集模塊將表面肌電傳感器、肌音傳感器和血氧飽和度傳感器三類傳感器集成為一個傳感器陣列，放置于人體上肢袖帶的內側，通過袖帶充氣可使傳感器陣列與皮膚緊密接觸。

所述多傳感器數據融合的可穿戴式人體上肢肌肉運動疲勞檢測設備的數據處理電路放置在袖帶夾層中，并與控制板集成，使設計的電路板體積減小；數據處理及控制模塊的主要功能是將肌電、肌音和血氧的原始數據進行放大和濾波，使控制模塊獲得高振幅且可清晰識別的模擬信號，并通過A/D轉換輸出數字信號，控制器將對輸出數字信號進行深度處理及運算；此外，控制模塊還負責控制無線模塊與人機交互模塊進行數據通信。