CN110755095A - 一种骨骼肌运动机能测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种骨骼肌运动机能测试系统及其测试方法，上述骨骼肌运动机能测试系统包括：负载模块(1)，用于对待测部位施加载荷，使待测肌肉处于主动拉伸状态；激励模块(2)，用于对待测部位的皮肤表面进行激励，产生振动信号；信号采集模块(3)，用于对所述振动信号进行测量和记录；数据分析模块(4)，用于对所述信号采集模块(3)得到的信号进行分析，得到反映待测部位的皮肤表面振动传播的运动学参数，并由运动学参数计算反映肌肉运动机能的参数；显示模块(5)，用于显示所述信号采集模块(3)采集的信号和所述数据分析模块(4)得到的数据分析结果，并生成评价报告。本发明体积小、功耗小，方便设备的便携化，小型化。

Description

一种骨骼肌运动机能测试系统及其测试方法

技术领域

本发明属于肌肉力学性能测量领域，具体涉及一种骨骼肌运动机能测试系统及其测试方法。

背景技术

肌肉的力学性质测量是评价人体运动系统机能的重要组成部分。运动员的综合力量、敏捷性等指标与肌肉的力学性质息息相关；肌肉拉伤、运动过量、肌肉僵硬等情况在传统成像方法(如B超等)下难以判断，但这些情况下肌肉的力学性质都会出现一定的异常；因此，发展无创、准确、便捷的肌肉力学性质表征平台对运动健康领域具有重要意义。具体应用场景包括人体运动机能评估、训练效果评估、肌肉损伤测定、恢复效果评价等等。此外，现有文献中还指出，某些疾病(如中风、营养不良等)亦会导致肌肉力学性质发生变化。

骨骼肌是人体最主要的运动器官，主要由纤维状的肌细胞构成。对于骨骼肌来说，最能反映其机械性能的指标是其剪切模量(Shear modulus)和拉伸模量(Stretchmodulus)。从力学角度来看，肌肉可以看作是典型的横观各向同性弹性材料(如图1所示，1,2,3分别表示三个方向)。图1所示的不可压缩的横观各向同性材料内部分布着沿1方向的纤维，故1方向的力学性质与2-3方向平面内的力学性质有所差异，横贯各向同性材料存在三个力学参数：2-3平面内的剪切模量μ_T、1-3平面内的剪切模量μ_L、以及1方向的拉伸模量E_L。

在运动健康领域，人们需要对运动员的肌肉力学性质进行测量，以客观地衡量运动员的身体素质。现有技术中存在以下几种测量方式：(1)采用活检的方法，即直接在人体肌肉上取出一小块进行检查。这种测量方式属于有创方法，是最直接测量肌肉力学性质的方式，但是会使得运动员在检测过程中不得不经受痛苦，在取样结束后一段时间内不能进行剧烈运动，取样造成的伤口亦可能带来感染的风险；(2)中国专利文献(公开号为CN104622511A)提出了一种利用超声波检测骨骼肌机械力学参数的装置及超声波检测方法，利用手腕沙袋和超声斑点追踪来确定骨骼肌应变和应变率，从而衡量肌肉的机械性能。该方法只需要传统超声，成本低，然而，该方法只能给出力-肌肉变形量的曲线，从原理上无法测得材料的模量，即不能得到反映肌肉的本征力学参数；(3)中国专利文献(公开号为CN88102357A)提出了一种肌肉的测定装置与方法。该装置通过机械元件和力传感器元件组合来测定肌肉力量，然而，该方法亦无法从原理上测得材料的模量；(4)利用剪切波弹性成像方法测量肌肉横观各向同性力学性质，这种方法能够很精确地测量肌肉材料的弹性模量，但是其成本很高、占用空间大，限制了该方法的推广应用及其便携、小型化。

由上可以看出，目前尚无一种方法，能够在较低成本下实现肌肉力学性质的在体、无损无创、快速、精确的测量。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种骨骼肌运动机能测试系统及其测试方法，达到了成本低、功耗小、便携化以及小型化的效果。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供了一种骨骼肌运动机能测试系统，包括：

负载模块，用于对待测部位施加载荷，使待测肌肉处于主动拉伸状态；

激励模块，用于对待测部位的皮肤表面进行激励，产生振动信号；

信号采集模块，用于对振动信号进行测量和记录；

数据分析模块，用于对信号采集模块得到的信号进行分析，得到反映待测部位的皮肤表面振动传播的运动学参数，并由运动学参数计算反映肌肉运动机能的参数；

显示模块，用于显示信号采集模块采集的信号和数据分析模块得到的数据分析结果，并生成评价报告。

在本发明的某些实施例中，信号采集模块包括至少两个采集元件组，每个采集元件组位于不同方向上，并且每个采集元件组包括至少两个采集元件；其中，

每个采集元件与激励模块在皮肤表面上的激励点的距离能够进行调整。

在本发明的某些实施例中，信号采集模块还包括：

模具板，其表面设置有多个位点，用于放置采集元件；和/或，

滑轨结构，用于实现采集元件的自由移动。

在本发明的某些实施例中，负载模块包括沙包、砝码、拉力计中的一种或多种。

在本发明的某些实施例中，采集元件包括激光多普勒探头、超声换能器、表面波电子器件中的一种或多种。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种使用如上所述的骨骼肌运动机能测试系统的测试方法，其包括以下步骤：

利用负载模块对待测部位施加负载，使待测肌肉处于主动拉伸状态；

利用激励模块对待测部位的皮肤表面进行激励，产生振动信号；

利用信号采集模块对待测部位的皮肤表面的振动信号进行测量和记录，同时通过显示模块进行显示；

利用数据分析模块对得到的振动信号进行分析，得到反映待测部位的皮肤表面振动传播的运动学参数，并由运动学参数计算反映肌肉运动机能的参数，并通过显示模块进行显示。

在本发明的某些实施例中，在进行激励之前，上述测试方法还包括以下步骤：对于每种负载水平，通过以下方式计算对待测部位的皮肤表面进行激励的频率上界：

向待测部位的内部发射超声波，并接收回波信息，通过超声回波信号，测得待测部位当前状态下的皮肤厚度d，通过解如下方程计算激励频率上界f_sup：

其中，皮肤厚度d的单位为mm；频率f_sup的单位为Hz。

在本发明的某些实施例中，对于每种负载水平，采用多个不同的激励频率进行振动信号的产生，信号采集模块分别采集多个激励频率下的振动信号，多个激励频率均不能超过f_sup；其中，

对得到的振动信号进行处理，得到不同激励频率下皮肤表面振动传播的相速度，判断采集元件所在每个方向上不同激励频率下信号波动的相速度c_i(f)是否收敛，其中，i用于区分采集元件所在的方向，i＝1、2、……、n，n为采集元件分布的不同方向的个数，若是，则将每个方向上不同激励频率下的相速度c₁(f)、c₂(f)、……c_n(f)的统计量c₁、c₂、……c_n作为该负载水平下的最终测量结果；若否，再次减小激励频率，直至c₁(f)、c₂(f)、……c_n(f)全部收敛；得到收敛值c₁、c₂、……c_n之后，将相速度c₁、c₂、……c_n换算为剪切模量μ₁、μ₂、……μ_n，将当前荷载与分析得到的剪切模量一并进行记录。

在本发明的某些实施例中，相速度的计算方法包括：

对于同一方向的采集元件在皮肤表面的不同采集点测得的信号进行相关运算、或采用基于多普勒超声的运动测量方法，得到采集点上的运动信号，其包括采集点位移/速度/加速度随着时间的变化；

对运动信号采用傅里叶Fourier变换求相位差、基于小波变换的频散分析方法，求得该激励频率下波动的相速度。

在本发明的某些实施例中，上述测试方法还包括以下步骤：

改变负载模块的载荷，获得不同载荷下的剪切模量，作出肌肉的剪切模量随着负载模块施加载荷变化而变化的曲线，通过曲线上的特征量来描述待测部位骨骼肌的运动机能，并将评价结果进行显示，同时生成评价报告。

从上述技术方案可以看出，本发明骨骼肌运动机能测试系统及其测试方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)本发明对肌肉没有任何损伤，也不会产生痛苦，在一段时间以内可以任意反复测量；本发明属于在体测量，能够真实反映肌肉的力学性能，而有创方法测量的肌肉力学性质是离体的属性，可能与在体的性质有较大的差异。

(2)本发明测量速度快，单次测量仅需数分钟，允许高通量，大规模的测量，有利于各种运动健康和临床医学的研究。

(3)本发明能够测量肌肉的各向异性弹性模量，弹性模量直接反映了肌肉的本征材料性能，所测参数具有更高的评估价值。

(4)本发明能够同时测得同一载荷状态下骨骼肌在沿纤维面上和垂直纤维面上的剪切模量，从而能够定量地衡量骨骼肌的各向异性性质。

(5)本发明在保证测量精确的同时，成本低，且测试系统的体积小，方便移动和携带。

附图说明

图1为现有技术中肌肉被看做典型的横观各向同性材料示意图。

图2为本发明实施例骨骼肌运动机能测试系统的组成示意图。

图3为本发明实施例可调整的超声探头的设计示意图。

图4为本发明实施例骨骼肌运动机能测试方法的步骤示意图。

图5为本发明实施例骨骼肌运动机能测试方法的数据采集示意图。

【附图标记说明】

1-负载模块；2-激励模块；3-信号采集模块；31-超声探头；32-模具板；321-位点；33-滑轨；4-数据分析模块；5-显示模块；6-控制模块；7-手臂支架；8-激励点；x₁、x₂、x₃、x₄-采集点。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

在本发明的示例性实施例中，提供了一种骨骼肌运动机能测试系统。如图2所示，本发明骨骼肌运动机能测试系统包括：负载模块1、激励模块2、信号采集模块3、数据分析模块4、显示模块5和控制模块6。

负载模块1作用于人体的待测部位，使待测部位承受一定量的荷载，使待测肌肉处于主动拉伸状态。负载模块1可以包括沙包、砝码等重物中的一种或多种，也可以包括拉力计等测量肌肉力量的仪表中的一种或多种。

激励模块2作用于人体的待测部位的皮肤表面，能够在待测位置的皮肤表面(激励点)产生一定频率范围内的单频振动，优选的频率范围为50～2000Hz。激励模块2包括振动元件，比如模态激振器、偏心振动马达、或者压电晶片。

信号采集模块3用于以足够高的采样频率对待测部位的皮肤表面的振动进行测量和记录，其中，采样频率优选为5000Hz以上。信号采集模块3包括至少两个采集元件组，每个采集元件组位于不同方向上，每个采集元件组包括至少两个采集元件，例如采集元件包括超声换能器(阵列)、激光多普勒探头、表面波电子器件中的一种或者多种。超声换能器例如为超声探头，超声探头可以为A超探头也可以为B超探头。

作为一种具体实施方式，信号采集模块3包括两组超声探头31(比如单晶超声探头)，每组超声探头31至少有两个超声探头31。为了使本发明能够适用于不同年龄段、不同体型的人的不同部位的肌肉运动机能测试，将超声探头31设计为位置可调整的形式，即每个超声探头31与激励点的距离可以在一定范围内、一定程度上进行自由调整。信号采集模块3中的这些超声探头31的位置调整可以通过手动调整或者自动调整的方式实现。

比如，如图3的(a)所示，设计一模具板32，模具板32上设置有多个位点321，这些位点321可以规则排布，例如按照行列规则排布，相邻两个位点321之间的间距相等，优选为1cm。测试时，将每个超声探头31放置在位点321上，进行振动信号的采集。当需要调整超声探头31的位置时，手动将超声探头31调整到其他位点321上。

如图3的(b)所示，设计滑轨结构，其包括至少两条位于不同方向的滑轨33，一条滑轨33用于容纳一组超声探头31，在本实施例中，滑轨结构包括两条相互垂直的滑轨33，两条滑轨33之间不接触，测试时，每组超声探头31的两个超声探头31放置在一条滑轨33上，进行振动信号的采集。当需要调整超声探头31的位置时，能够将超声探头31自动调整到滑轨33上的其他位置。

另外，可以将超声探头31放置在可动机械结构(例如机械手)上，测试时，将每个超声探头31固定在可动机械结构上，进行振动信号的采集。当需要调整超声探头31的位置时，调整可动机械结构，使超声探头31的位置随之调整。

数据分析模块4用于对信号采集模块3得到的信号进行分析，得到反映待测部位的皮肤表面振动传播的运动学参数，并由运动学参数计算反映肌肉运动机能的参数，如肌肉的瞬时弹性模量，弹性模量即背景技术中提及的剪切模量。数据分析模块4主要包括搭载在计算机上的一套软件。

显示模块5用于显示信号采集模块3采集的信号和数据分析模块4得到的数据分析结果，并生成评价报告，使受试者对自己的肌肉运动机能有一个直观的了解。

控制模块6用于控制负载模块1、激励模块2、信号采集模块3、数据分析模块4、显示模块5，使各个模块协调工作，控制模块6主要包括搭载在计算机上的一套软件。

通过以上测试系统，能够无创、无损、快速以及准确地对人体肌肉运动机能进行测试，相较现有的能达到同样效果的测试系统，该测试系统的成本低廉很多；整个测试系统的体积小、功耗小，方便设备的便携化，小型化。

在本发明实施例中，还提供了一种骨骼肌运动机能测试方法，如图4所示，其包括以下步骤：

利用负载模块1对待测部位施加负载，使待测肌肉处于主动拉伸状态；

利用激励模块2对待测部位的皮肤表面进行激励，产生振动信号；

利用信号采集模块3对待测部位的皮肤表面的振动信号进行测量和记录，同时通过显示模块5进行显示；

利用数据分析模块4对得到的振动信号进行分析，得到反映待测部位的皮肤表面振动传播的运动学参数，并由运动学参数计算反映肌肉运动机能的参数，并通过显示模块5进行显示。

在进行激励之前，还包括步骤：对于每种负载水平，计算对待测部位的皮肤表面进行激励的频率上界，具体通过以下方式：向待测部位的内部发射超声波，并接收回波信息，通过超声回波信号，测得受试者的待测部位当前状态下的皮肤厚度d，通过解如下方程计算激励频率上界f_sup：

其中，皮肤厚度d的单位为mm；频率f_sup的单位为Hz。确定频率上界以后，所有该负载状态下的信号激励所采用的激励频率不应超过f_sup。这样能够保证所测信号主要反映肌肉本身的弹性性质。

针对不同年龄段、不同体型的人的不同部位的肌肉运动机能测试，对信号采集模块3中的采集元件的位置可以进行适应性调整。

对于每种负载水平，采用多个不同的激励频率进行振动信号的产生，信号采集模块3分别采集多个激励频率下的振动信号，多个激励频率均不能超过f_sup。

对得到的振动信号进行处理，得到不同激励频率下皮肤表面振动传播的相速度，判断采集元件所在每个方向上不同激励频率下信号波动的相速度c_i(f)是否收敛，其中，i＝1、2、……、n表示采集元件所在的方向，n为采集元件分布的不同方向的个数，若是，则将每个方向上不同激励频率下的相速度c₁(f)、c₂(f)、……c_n(f)的统计量c₁、c₂、……c_n作为该负载水平下的最终测量结果；若否，再次减小激励频率，直至c₁(f)、c₂(f)、……c_n(f)全部收敛，即满足收敛判定条件。这样能够保证测得的波速能够准确反映骨骼肌力学性质。

优选地，一个收敛判定准则为：多个频率下c₁(f)的极大值与极小值的比低于第一设定阈值(如1.1)；多个频率下c₂(f)的极大值与极小值的比低于第二设定阈值(如1.2)；……；多个频率下c_n(f)的极大值与极小值的比低于第n设定阈值。

得到收敛值c₁、c₂、……c_n之后，通过理论公式将相速度c₁、c₂、……c_n换算为剪切模量μ1、μ₂、……μ_n，换算公式为μ₁＝1.4206c₁ ²，μ₂＝1.4206c₂ ²，……，μ_n＝1.4206c_n ²。将当前荷载与分析得到的剪切模量一并进行记录。

骨骼肌运动机能测试方法还包括以下步骤：改变负载模块1的载荷，获得不同载荷下的剪切模量(肌肉力学参数)，作出肌肉的剪切模量随着负载模块1施加载荷变化而变化的曲线，通过曲线上的一些特征量(例如无载荷的肌肉弹性模量初值、肌肉弹性模量变化与相应载荷变化的比值)来描述待测部位骨骼肌的运动机能，并将评价结果显示在显示屏(显示模块5)上，同时生成评价报告。

下面以评价肱二头肌的运动机能为例，如图5所示，详细介绍本发明的测试流程，需要注意的是，本发明的测试方法可以对身体各个部位的骨骼肌的力学性质进行测量，肱二头肌仅是一个实施例，测试过程如下。

S1、受试者采取某种设定的体位，保持身体放松。在本实施例中，受试者采取坐姿，手臂伸直，自然放置在手臂支架7(例如桌子，手臂放在桌面上)的平面上，不主动使肌肉收缩，如图5的(a)所示。

S2、负载模块1启动，对手臂施加一定大小的载荷，待手臂稳定后进行下一步操作，本实施例中，在受试者的手上悬挂重0.1kg的沙袋。

S3、将超声换能器定位到受试者的待测部位，超声换能器的轴线与皮肤表面垂直，超声换能器与皮肤表面之间的空隙通过超声耦合剂填充。超声换能器向待测部位组织内部发射超声波，并接收回波信息。由超声回波信息获取受试者的皮肤厚度d。

S4、根据步骤S3测得的皮肤厚度d，由如下方程计算激励频率上界f_sup：

其中，皮肤厚度d的单位为mm，计算得到的频率上界f_sup的单位为Hz。例如，设皮肤厚度d为1.3mm，则通过上述方程得到f_sup＝211.5Hz。

S5、将激励模块2放置在靠近肌肉一端的位置，保证紧贴皮肤表面，激励模块2在皮肤表面进行激励的点定义为激励点8；在本实施例中，激励模块2的振动头放置于距肱二头肌肌腱2～4cm的位置。

S6、激励模块2开始作用，取激励频率f＝f_sup，进行一定次数(1～20次)、一定幅度(幅度可以以力的峰值来衡量，如0.5N～2N；也可以以振动的幅值来衡量，如0.1～3mm)的振动。例如，在本实施例中，以f_sup的频率振动5次，振动幅度为1mm；同时，激励模块2向信号采集模块3发射同步信号。其中，激励频率由控制模块6给定发送给激励模块2。

S7、将信号采集模块3的采集区域定位在激励点8的附近，设置采集点，为多个，信号采集模块3接收到激励模块2发射的同步信号后立刻进行采集，获取激励模块2产生的表面振动沿着大臂表面传播的运动信号。在本实施例中，采用四个A超探头，沿手臂放置的两个A超探头与激励点的距离预设为1cm和2.5cm；垂直手臂放置的两个A超探头与激励点的距离预设为0.5cm和1.5cm。所有A超探头的探头轴线与皮肤表面垂直，A超探头与皮肤表面之间的缝隙用超声耦合剂或声垫填充。需要注意的是，上述四个距离是针对青年男性肱二头肌的预设值；不同年龄段、不同位置的肌肉，预设的四个距离有区别，正式测量前应进行调整。A超探头以5000帧/秒的帧率(Repetition Rate)记录大臂沿手臂表面上两点(记为x₁和x₂)和垂直手臂表面上两点(记为x₃和x₄)的回声波形。其中，x₁、x₂、x₃、x₄即为A超探头在手臂表面上的采集点，如图5的(b)所示。

S8、数据分析模块4通过对上一步的四个采集点的回声波形进行处理，可以得到激励频率f＝f_sup下表面振动传播的相速度。具体说来，对x₁和x₂两点测得的超声信号进行相关运算、或采用基于多普勒超声的运动测量方法，获取x₁和x₂两点上的运动信息。典型的运动信息包括：x₁和x₂两点位移/速度/加速度随着时间的变化；对x₃和x₄两点测得的超声信号做相同处理，得到x₃和x₄两点位移/速度/加速度随着时间的变化。

S9、对上一步测得的运动信号，采用Fourier变换求相位差、基于小波变换的频散分析方法，求得该激励频率f＝f_sup下波动的相速度，将沿手臂方向的相速度记为c_//(f)；将垂直手臂方向的相速度记为c_⊥(f)。

S10、按照一定比率降低激励频率f，重复步骤S6～S9，测得激励模块2在激励频率上界f_sup以下2～4个频率下产生的运动信息。这些频率的具体选择方法有很多，例如，选择f＝0.70f_sup、f＝0.49f_sup两个频率，重复步骤S6～S9，测得这两个激励频率f下的相速度c_//(f)和c_⊥(f)。

S11、判断步骤S10所测的一组c_//(f)和一组c_⊥(f)是否分别收敛。判断收敛的方式有很多种，例如：在几个频率下测得的c_//(f)中的最大值与最小值的比不超过第一设定阈值(如1.05)；而且，在几个频率下测得的c_⊥(f)中的最大值与最小值的比不超过第二设定阈值(如1.20)，则认为步骤S10所测的一组c_//(f)和一组c_⊥(f)分别收敛。

当确认c_//(f)和c_⊥(f)分别收敛后，取各自组的某种统计量(如平均值、中位数等)作为c_//(f)和c_⊥(f)的最终测量结果，记为c_//和c_⊥，执行后续步骤。

若c_//(f)或c_⊥(f)不满足收敛性条件时，则需在现有基础上继续降低激励频率f，重复步骤S6～S9，直至c_//(f)和c_⊥(f)分别收敛。例如，当f分别取f_sup、0.70f_sup和0.49f_sup三个值时，测得的c_//(f)和c_⊥(f)没有全部收敛，则再测0.35f_sup下的波速，并对0.35f_sup、0.49f_sup和0.70f_sup三个频率下的c_//(f)和c_⊥(f)判断收敛性，直至波速全部收敛。随着频率越来越低，波速收敛到一个确定值时，测量完成。

S12、通过步骤S11测得c_//(f)和c_⊥(f)的收敛值c_//和c_⊥后，通过理论公式算得第一剪切模量μ_//和第二剪切模量μ_⊥。典型地，计算公式如下：

将当前载荷与测得的μ_//、μ_⊥一并进行记录。

S13、按照一定比例或步长，逐渐增大步骤S2中的负载模块1的载荷，从步骤S2开始重新进行测量，获得不同载荷下的剪切模量(肌肉力学参数)。本实施例中，初始载荷为0.1kg的重物；接下来，在此基础上，以0.5kg的步长增加重物的重量，测得每个载荷下的μ_//、μ_⊥，直至载荷增加到3kg。

S14、作出肌肉力学参数μ_//、μ_⊥随着负载模块1施加载荷变化而变化的曲线，通过曲线上的一些特征量(例如无载荷的肌肉弹性模量初值，肌肉弹性模量变化与相应载荷变化的比值：如3kg负载下μ//和μ_⊥与1kg负载下μ//和μ_⊥的比值)来描述待测部位骨骼肌的运动机能。显示模块5将评价结果显示在屏幕上，或打印在评价报告上。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明骨骼肌运动机能测试系统及其测试方法有了清楚的认识。本发明能够无创、无损、快速、准确地测量骨骼肌的宏观弹性性质；能够实时测得骨骼肌的弹性性质随着肌肉负载的变化曲线；能够同时测得骨骼肌的各向异性弹性性质；相较现有的能达到同样效果的方法，该方法的成本低廉很多；整个测试系统的体积小、功耗小，方便设备的便携化，小型化。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种骨骼肌运动机能测试系统，其特征在于，包括：

负载模块(1)，用于对待测部位施加载荷，使待测肌肉处于主动拉伸状态；

激励模块(2)，用于对待测部位的皮肤表面进行激励，产生振动信号；

信号采集模块(3)，用于对所述振动信号进行测量和记录；

数据分析模块(4)，用于对所述信号采集模块(3)得到的信号进行分析，得到反映待测部位的皮肤表面振动传播的运动学参数，并由运动学参数计算反映肌肉运动机能的参数；

显示模块(5)，用于显示所述信号采集模块(3)采集的信号和所述数据分析模块(4)得到的数据分析结果，并生成评价报告。

2.根据权利要求1所述的骨骼肌运动机能测试系统，其特征在于，所述信号采集模块(3)包括至少两个采集元件组，每个采集元件组位于不同方向上，并且每个采集元件组包括至少两个采集元件；其中，

每个采集元件与所述激励模块(2)在所述皮肤表面上的激励点的距离能够进行调整。

3.根据权利要求2所述的骨骼肌运动机能测试系统，其特征在于，所述信号采集模块(3)还包括：

模具板(32)，其表面设置有多个位点(321)，用于放置所述采集元件；和/或，

滑轨结构，用于实现所述采集元件的自由移动。

4.根据权利要求1所述的骨骼肌运动机能测试系统，其特征在于，所述负载模块(1)包括沙包、砝码、拉力计中的一种或多种。

5.根据权利要求3所述的骨骼肌运动机能测试系统，其特征在于，所述采集元件包括超声换能器、激光多普勒探头、表面波电子器件中的一种或多种。

6.一种使用如权利要求1-5任一项所述的骨骼肌运动机能测试系统的测试方法，其特征在于，其包括以下步骤：

利用所述负载模块(1)对待测部位施加负载，使待测肌肉处于主动拉伸状态；

利用所述激励模块(2)对待测部位的皮肤表面进行激励，产生振动信号；

利用所述信号采集模块(3)对待测部位的皮肤表面的振动信号进行测量和记录，同时通过所述显示模块(5)进行显示；

利用所述数据分析模块(4)对得到的振动信号进行分析，得到反映待测部位的皮肤表面振动传播的运动学参数，并由运动学参数计算反映肌肉运动机能的参数，并通过所述显示模块(5)进行显示。

7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，在进行激励之前，还包括以下步骤：对于每种负载水平，通过以下方式计算对待测部位的皮肤表面进行激励的频率上界：

向待测部位的内部发射超声波，并接收回波信息，通过超声回波信号，测得待测部位当前状态下的皮肤厚度d，通过解如下方程计算激励频率上界f_sup：

其中，皮肤厚度d的单位为mm；频率f_sup的单位为Hz。

8.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，对于每种负载水平，采用多个不同的激励频率进行振动信号的产生，所述信号采集模块(3)分别采集多个激励频率下的振动信号，多个激励频率均不能超过f_sup；其中，

对得到的振动信号进行处理，得到不同激励频率下皮肤表面振动传播的相速度，判断采集元件所在每个方向上不同激励频率下信号波动的相速度c_i(f)是否收敛，其中，i用于区分所述采集元件所在的方向，i＝1、2、……、n，n为采集元件分布的不同方向的个数，若是，则将每个方向上不同激励频率下的相速度c₁(f)、c₂(f)、……c_n(f)的统计量c₁、c₂、……c_n作为该负载水平下的最终测量结果；若否，再次减小激励频率，直至c₁(f)、c₂(f)、……c_n(f)全部收敛；得到收敛值c₁、c₂、……c_n之后，将相速度c₁、c₂、……c_n换算为剪切模量μ₁、μ₂、……μ_n，将当前荷载与分析得到的剪切模量一并进行记录。

9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，所述相速度的计算方法包括：

对于同一方向的采集元件在皮肤表面的不同采集点测得的信号进行相关运算、或采用基于多普勒超声的运动测量方法，得到采集点上的运动信号，其包括采集点位移/速度/加速度随着时间的变化；

对所述运动信号采用Fourier变换求相位差、基于小波变换的频散分析方法，求得该激励频率下波动的相速度。

10.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，还包括以下步骤：

改变所述负载模块(1)的载荷，获得不同载荷下的剪切模量，作出肌肉的剪切模量随着所述负载模块(1)施加载荷变化而变化的曲线，通过曲线上的特征量来描述待测部位骨骼肌的运动机能，并将评价结果进行显示，同时生成评价报告。

Images