CN111449641B - 一种基于光电信号检测的肌肉功能状态的评估装置和评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光电信号检测的肌肉功能状态的评估装置和评估方法，包括：至少包括一个光电接收二极管、多个不同波长的LED发光二极管；控制所述LED发光二极管和所述光电接收二极管的驱动电路和对光电接收二极管的接收信号进行处理的信号处理器；位于所述LED发光二极管和所述光电接收二极管之间的内部光隔离屏障；为所述光电接收二极管和所述LED发光二极管遮挡外部光的外部遮光屏障；以及设于所述光电接收二极管与所述LED发光二极管的工作方向，并与检测皮肤表面直接作用的透明隔离层薄膜。该评估装置可以实时检测目标部位肌肉的肌动信号、血氧含量以及心率参数等，进而评估肌肉功能状态。
Description
技术领域
本发明属于生物医学领域，具体涉及一种基于光电信号检测的肌肉功能状态的评估装置和评估方法。
背景技术
脑卒中、盆底功能障碍等疾病以及骨折、手术等外部创伤会对人体相关肌肉造成不同程度的损伤，对肌肉的功能状态进行评估可以很好的帮助患者进行治疗和康复。传统的肌肉功能状态评估方法是通过患者的主观感受或医生的主观判断来实现的，这样的方法缺少科学的依据，容易由于个人的主观判断失误导致误诊的发生。
此外，当前较为流行的一种科学的肌肉功能状态评估方式为肌电信号(EMG)检测，即通过检测肌肉运动时产生的动作电位来判断肌肉的功能状态。然而由于人体阻抗和心电尾迹等因素的干扰，此种方式检测难度较大。另外此种方式的检测设备较复杂、价格较高、普及度也较低。研究表明：肌肉活动时不光会产生肌电信号(EMG)，还会产生一种低频的机械振动信号，也就是肌动信号(Mechanomyograph，MMG)。肌动信号(MMG)是肌肉主动收缩而产生横向振动以及肌肉纤维尺寸变化导致的，是一种能够反映肌肉运动力学特性的物理量。
目前可用的肌动信号(MMG)采集方法有压电接触传感器、加速度传感器、微型麦克风以及激光位移传感器等。近年来肌动信号(MMG)的检测和应用逐渐兴起，在肱二头肌、股四头肌等大块骨骼肌的肌肉运动检测以及假肢控制中可以起到重要作用。
相比于肌电信号(EMG)，肌动信号(MMG)具有不受人体阻抗影响，可不直接接触人体测量等优点。有研究发现肌动信号(MMG)在一些肌肉的特定发力条件下可以代替或辅助肌电信号(EMG)进行肌肉运动和肌肉功能状态的检测，有时甚至比肌电信号(EMG)的检测更为准确和有效。
文章Method for measuring mechanical vibrations from isometricallycontracted muscles提到一种激光测距传感器测量肌动信号(MMG)的方法，但是这种仅仅可以测量肌动信号(MMG)，不能同步同时测量肌动信号(MMG)、血氧含量和心率，更没有提及肌肉状态的测量方法。当然，因为文章方法是无法获得肌肉功能状态测量在运动过程中的综合生理参数的测量，包括血氧含量和心率，也就无法给出更为精准的肌肉功能状态测量。
申请公布号为CN107684433A的专利申请公开了一种同时检测创面多种生理参数指标的装置及方法，采用光电信号传感器进行检测信号，但是该装置通过引入各种成分敏感薄膜，实现创面生理参数的检测，而且只有检测方式，并没有进一步分析方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光电信号检测的肌肉功能状态的评估装置和评估方法，该评估装置和评估方法能够通过光电信号检测同时采集肌肉的肌动信号、血氧含量以及心率，综合肌动信号、血氧含量以及心率来评估肌肉功能状态。
为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案为：
一种基于光电信号检测的肌肉功能状态的评估装置，包括：
至少包括一个光电接收二极管、多个不同波长的LED发光二极管；
控制所述LED发光二极管和所述光电接收二极管的驱动电路和对光电接收二极管的接收信号进行处理的信号处理器；
位于所述LED发光二极管和所述光电接收二极管之间的内部光隔离屏障；
为所述光电接收二极管和所述LED发光二极管遮挡外部光的外部遮光屏障；以及，
设于所述光电接收二极管与所述LED发光二极管的工作方向，并与检测皮肤表面直接作用的透明隔离层薄膜；
所述LED发光二极管发射不同波长的光信号透过所述透明隔离层薄膜照射到检测皮肤表面，经皮肤表面反射的反射光信号通过所述透明隔离层薄膜被所述光电接收二极管接收，所述信号处理器通过对所述反射光信号进行处理和分析，得到肌动信号、血氧含量和心率，综合所述肌动信号、血氧含量和心率得到肌肉功能状态。
所述评估装置的工作原理为：多个不同波长的LED发光二极管按照检测模式的不同发出相应波长的光信号，光信号通过透明隔离层薄膜照射到检测肌肉皮肤表面，透过皮肤组织后，一部分光信号被皮肤、血液以及其他物质吸收，另一部分光信号由皮肤表面通过透明隔离层薄膜反射回光电接收二极管后经过处理得到与反射回光信号光强成正比的数字信号，通过对数字信号进行不同的处理和分析即可得到肌肉功能状态的相关信息，包括肌动信号(MMG)、血氧含量和心率。
优选地，所述信号处理器通过对所述反射光信号进行滤波和微分处理，分析微分结果获得肌肉表面运动的细微变化规律，进而得到肌动信号。
优选地，所述信号处理器检测肌肉静止时刻反射光信号由于血流变化引起的规律性变化数据，再通过分析变化数据的变化频率得到心率。
优选地，根据非氧合血红蛋白以及氧合血红蛋白的光谱吸收特性，所述信号处理器分时测量不同波长光的反射光信号，利用结合朗伯-比尔定律计算血氧饱和度。
优选地，所述综合所述肌动信号、血氧含量和心率得到肌肉功能状态包括：
运动过程中检测目标肌肉的肌动信号，根据光电信号和肌动信号的幅值特征评估肌肉的发力大小、发力快慢和疲劳程度；
根据血氧含量的变化率判断运动的剧烈程度，或判断运动为有氧或无氧运动；
根据心率的变化率判断目标的疲劳程度。
优选地，所述评估装置包括绿光(波长535nm左右)LED发光二极管、红光(波长660nm左右)LED发光二极管和红外(波长940nm左右)LED发光二极管，所述红外LED发光二极管用于肌肉的肌动信号检测；所述绿光LED发光二极管用于心率检测；所述红光LED发光二极管和红外LED发光二极管共同用于血氧含量检测。
优选地，所述内部光隔离屏障和所述外部遮光屏障均为遮光率大于70％、且具有绝缘性质的硬质或软质结构；厚度不大于5mm。其中，内部光隔离屏障和所述外部遮光屏障的材料包括但不限于丙烯腈ABS、聚碳酸酯PC、聚氯乙烯PVC或热塑性聚氨酯TPU材质。
优选地，所述透明隔离层薄膜为透光率大于70％、且生物兼容的透明薄膜；厚度不大于5mm。所述透明隔离层薄膜的材料包括但不限于聚二甲基硅氧烷PDMS或聚乳酸PLA材质。
一种基于光电信号检测的肌肉功能状态的评估方法，所述评估方法应用上述评估装置，所述评估方法包括以下步骤：
(1)将所述评估装置置于被测试肌肉表面一段时间，被测肌肉进行静止和快速动作两种状态，所述评估装置检测被测肌肉快速运动和静止时的肌动信号、血氧含量和心率；
(2)根据被测肌肉快速运动和静止时的肌动信号、血氧含量和心率评估肌肉功能状态，具体包括根据测肌肉快速运动的光电信号和肌动信号的幅值特征评估被测肌肉的发力大小，发力快慢和疲劳程度，根据被测肌肉快速运动和静止时血氧含量变化率判断运动的剧烈程度，根据被测肌肉快速运动和静止时心率的变化率判断目标的疲劳程度。
在该评估方法中，在运动开始前对目标部位进行静止测量，得到目标部位肌肉的血氧含量和心率作为基准参考值；然后进行运动检测，在运动过程中检测目标肌肉的肌动信号，根据光电信号和肌动信号的幅值特征可以对肌肉的发力大小，发力快慢和疲劳程度进行评估，可以根据光电信号的幅值判断肌肉发力的大小，根据肌动信号的波峰幅值判断肌肉收缩/舒张的快慢，根据肌动信号收缩波峰和舒张波峰的时间间隔判断肌肉发力的持续时间，根据肌肉持续发力时间段内的肌动信号平稳度判断肌肉发力的稳定性；在完成动作停止运动后再次检测心率和目标部位的血氧含量，根据血氧含量的变化率判断运动的剧烈程度或判断运动动作为有氧运动或无氧运动)，根据心率的变化率判断目标的疲劳程度；再次运动时根据检测的肌动信号以及之前的心率和血氧含量变化情况综合分析目标运动发力的稳定性和疲劳程度等参数。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
本发明提供的基于光电信号检测的肌肉功能状态的评估装置和评估方法能够在肌肉处于不同发力大小、发力快慢、肌肉疲劳程度等不同状态下，通过广电信号检测方式实时同步检测目标肌肉的肌动信号(MMG)、血氧以及被测量者的心率参数，将肌动信号(MMG)、血氧和心率三者结合才能更准确地评估肌肉功能状态：肌肉强劲还是降低、力量肌占主还是快速肌占主、肌肉稳定性和持续力、肌肉萎缩下血供是否正常可否康复等，为进一步康复训练或康复治疗提供更精准的诊断依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是实施例提供的基于光电信号检测的肌肉功能状态的测量装置的整体结构示意图；
图2是实施例提供的基于光电信号检测的肌肉功能状态的测量装置贴附于检测部位皮肤表面的结构示意图；
图3是利用实施例提供的评估装置与传统加速度传感器测量肌肉快速发力时肌电信号的对比图，其中，图3(a)为使用加速度传感器测量的加速度值；图3(b)为加速度绝对值；图3(c)为使用评估装置测量光电信号图；图3(d)为使用评估装置测量光电信号经过平滑滤波和微分处理后的信号图；
图4是利用实施例提供的评估装置与传统加速度传感器测量肌肉不同发力大小时肌电信号的对比图，其中，图4(a)为使用加速度传感器测量的加速度值；图4(b)为加速度信号滤波后的绝对值；图4(c)为使用评估装置测量的光电信号图；图4(d)为使用评估装置测量光电信号经过平滑滤波和微分处理后的信号图；
图5是利用实施例提供的评估装置检测血氧含量和心率的PPG波形信号图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
图1是本发明实施例提供的基于光电信号检测的肌肉功能状态的测量装置整体结构示意图。图2是实施例提供的基于光电信号检测的肌肉功能状态的测量装置贴附于检测部位皮肤表面的结构示意图。如图1所示，该评估装置包括一个大面积光电接收二极管1、LED发光二极管2，LED发光二极管3，LED发光二极管4、内部光隔离屏障5、外部遮光屏障6、驱动电路7、透明隔离层薄膜8以及信号处理器(图中未显示)。
其中，LED发光二极管2～4为三个不同波长的LED发光二极管，位于检测装置的一侧，用于发射不同波长的光信号，实施例优选为一个绿光LED(波长535nm左右)发光二极管、一个红光LED(波长660nm左右)发光二极管和一个红外LED(波长940nm左右)发光二极管，其位置没有固定要求。大面积光电接收二极管1位于检测装置的一侧，用于接收从皮肤反射回的光信号。
内部光隔离屏障5位于大面积光电接收二极管1和LED发光二极管2～4之间，用于防止从三个LED发光二极管发出的光线未经过皮肤表面反射，直接横向照射到光电接收二极管上。通过内部的光线格挡，可以减少内部光线的干扰。
外部遮光屏障6位于检测装置的外表面，可以阻止除LED发光二极管发出的光以外的环境自然光照射到检测部位，可以减少外部光线的干扰，同时起到绝缘保护作用。
内部光隔离屏障5和外部遮光屏障6遮光率大于70％，其厚度不大于0.5mm，选用黑色聚氯乙烯PVC材质。内部光隔离屏障5和外部遮光屏障6相互连接，一体成型，便于制造和结构固定。
二极管驱动电路7与大面积光电接收二极管1和LED发光二极管2～4相连接，位于外部遮光屏障6的包裹之下，用于驱动大面积光电接收二极管1和LED发光二极管2～4工作。
透明隔离层薄膜8为聚二甲基硅氧烷PDMS材质，其填充于光电接收二极管1和LED发光二极管2～4的间隙之中，并构成一个平整表面，与检测部位皮肤表面9直接接触，起到防尘绝缘的作用。
将本实施例设备放置并用外力固定于检测部位皮肤表面，利用LED发光二极管发出的光经过皮肤反射到光电接收二极管的光信号强弱来对肌动信号(MMG)、血氧含量以及心率进行测量。
在检测肌动信号(MMG)时，选用红外光进行测量。由于传播距离影响反射光强的重要原因之一，故可以通过检测光电信号的大小判断检测装置与皮肤表面的距离进而检测肌动信号。在肌肉运动发力时，肌肉会发生形变，导致检测装置与肌肉部位皮肤表面的间距变化，肌肉发力越大，其间距越小，装置接收光电信号越强，反之发力越小，肌肉形变越小，间距越大，装置接收光电信号越弱。将检测得到的光电信号进行滤波和微分等处理可得到肌动信号。根据光电信号以及肌动信号的幅值波形特征可以判断肌肉的发力时间、发力大小、发力快慢等肌肉状态。
图3是用传统的加速度传感器与本装置分别同时测量同一肌肉部位短促间歇握拳发力时的肌动信号图。本组实验中，手臂肌肉的两次发力时间短促，力量较弱。图3(a)为使用加速度传感器测量的加速度值；图3(b)为加速度绝对值；图3(c)为使用评估装置测量光电信号图；图3(d)为使用评估装置测量光电信号经过平滑滤波和微分处理后的信号图。可根据图3(c)的光电信号图的幅值大小判断肌肉发力力量大小：在图3(c)中可明显观察到两个波峰，且峰值大小分别为7.2mV和6.6mV，可判定两次发力力量较弱且两次发力力量相当。根据图3(d)的肌动信号图的幅值大小判断肌肉发力的速度：在图3(c)中的2～4s以及6～8s时间内分别各有两个波峰，每组中两个波峰的第一个代表肌肉收缩过程，第二个波峰代表肌肉舒张过程，由于肌肉收缩和舒张的波峰相距较近，可以判断肌肉的发力动作在短时间内完成，没有持续发力的状态，此动作为短促发力；同时根据第一个波峰峰值较第二个波峰峰值大，可判断肌肉收缩过程比舒张过程更急促。本次测量实验中的图3(d)与图3(b)波形较为一致，且信息丰富度更大，可见本装置可代替传统肌动信号的测量。
图4是用传统的加速度传感器与本装置分别同时测量不同力量大小下持续握拳发力时的肌动信号图。本次测量包括两侧发力测试，第一次发力力量较弱，第二次发力力量较强。图4(a)为使用加速度传感器测量的加速度值；图4(b)为加速度信号滤波后的绝对值；图4(c)为使用评估装置测量的光电信号图；图4(d)为使用评估装置测量光电信号经过平滑滤波和微分处理后的信号图。与图3的分析方法相同：在图4(c)中可以看见有两个幅值不同的梯形波，前后两者最高幅值分别为36mV和57mV，前者较后者相差21mV，由此判断两次发力力量较大，且第一次发力较第二次发力力量差距也较大。在图4(d)中0～4s和15～18s代表两次发力的肌肉收缩时段，7～11s和23～27s代表两次发力的肌肉舒张时段。两次发力的肌肉收缩和肌肉舒张时间段相距时间较大，可判定两次肌肉发力为持续发力状态。0～4s内的肌肉收缩过程肌动图幅值较小，内含多次波峰，抖动次数较多，可判断肌肉收缩过程较缓，肌肉控制稳定度不高，23～27s内的肌肉舒张过程肌动图幅值较大，信号抖动较少，可判断肌肉舒张过程较急促，肌肉伸展较快。本次测量实验中的图4(d)与图4(b)肌肉收缩和舒张过程中的波形基本一致，且信息丰富度更大，可见本装置可代替传统肌动信号的测量。
参照图3和图4的分析过程，本装置可用光电信号测量代替传统的加速度传感器测量肌动信号来评估肌肉运动的状态：可通过采集的光电信号幅值判断肌肉发力大小，可以通过光电信号的微分信号幅值与波形特征判断肌肉发力的速度，稳定性以及肌肉收缩和舒张状态。
如图5所示，在检测血氧含量和心率时使用光电容积描记法(PPG)。LED发光二极管发射的光透过皮肤组织然后再反射到光电接收二极管时光信号会有一部分被人体吸收。像肌肉、骨骼、静脉等对光的吸收是基本不变的(DC信号)，但由于动脉里有血液的流动，那么对光的吸收也有所变化(AC信号)。当接收到的反射光处理为电信号后提取其中的AC信号，就能反应出血液流动的特点，以此来检测血氧含量和心率。
在检测血氧含量时使用红光和红外光分时测量。由于氧合血红蛋白HbO2和血红蛋白Hb对红光和红外光吸收程度的不同，经皮肤组织反射回光电接收二极管的光信号强度也会有差异，根据此差异进行数学分析即可检测出氧合血红蛋白HbO2和血红蛋白Hb的含量比值，进而求出检测部位血氧含量。在检测心率时则使用绿光测量，通过测量得到的PPG信号图进行滤波和频域分析等操作，即可以得到心率信息。
与专利申请一种同时检测创面多种生理参数指标的装置及方法相比，本发明直接对反射光电信号进行处理，实现检测肌肉功能状态的生理参数并给出了具体肌肉状态的评估方法，除同样采用光电信号传感器作为传感元件外，其他内容均不同。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于光电信号检测的肌肉功能状态的评估装置，其特征在于，包括：
至少包括一个光电接收二极管、多个不同波长的LED发光二极管；控制所述LED发光二极管和所述光电接收二极管的驱动电路和对光电接收二极管的接收信号进行处理的信号处理器；位于所述LED发光二极管和所述光电接收二极管之间的内部光隔离屏障；为所述光电接收二极管和所述LED发光二极管遮挡外部光的外部遮光屏障；以及，设于所述光电接收二极管与所述LED发光二极管的工作方向，并与检测皮肤表面直接作用的透明隔离层薄膜；
所述LED发光二极管发射不同波长的光信号透过所述透明隔离层薄膜照射到检测皮肤表面，经皮肤表面反射的反射光信号通过所述透明隔离层薄膜被所述光电接收二极管接收，所述信号处理器通过对所述反射光信号进行处理和分析，得到肌动信号、血氧含量和心率，综合所述肌动信号、血氧含量和心率得到肌肉功能状态；
所述评估装置的应用过程为：
将所述评估装置置于被测试肌肉表面一段时间，被测肌肉进行快速动作和静止两种状态，所述评估装置检测被测肌肉快速运动和静止时的肌动信号、血氧含量和心率；
根据被测肌肉快速运动和静止时的肌动信号、血氧含量和心率评估肌肉功能状态，具体包括根据测肌肉快速运动的光电信号和肌动信号的幅值特征评估被测肌肉的发力大小，发力快慢和疲劳程度，根据被测肌肉快速运动和静止时血氧含量变化率判断运动的剧烈程度，根据被测肌肉快速运动和静止时心率的变化率判断目标的疲劳程度。
2.如权利要求1所述的基于光电信号检测的肌肉功能状态的评估装置，其特征在于，所述信号处理器通过对所述反射光信号进行滤波和微分处理，分析微分结果获得肌肉表面运动的细微变化规律，进而得到肌动信号。
3.如权利要求1所述的基于光电信号检测的肌肉功能状态的评估装置，其特征在于，所述信号处理器检测肌肉静止时刻反射光信号由于血流变化引起的规律性变化数据，再通过分析变化数据的变化频率得到心率。
4.如权利要求1所述的基于光电信号检测的肌肉功能状态的评估装置，其特征在于，根据非氧合血红蛋白以及氧合血红蛋白的光谱吸收特性，所述信号处理器分时测量不同波长光的反射光信号，利用结合朗伯-比尔定律计算血氧饱和度。
5.如权利要求1所述的基于光电信号检测的肌肉功能状态的评估装置，其特征在于，所述评估装置包括绿光LED发光二极管、红光LED发光二极管和红外LED发光二极管，所述红外LED发光二极管用于肌肉的肌动信号检测；所述绿光LED发光二极管用于心率检测；所述红光LED发光二极管和红外LED发光二极管共同用于血氧含量检测。
6.如权利要求1所述的基于光电信号检测的肌肉功能状态的评估装置，其特征在于，所述内部光隔离屏障和所述外部遮光屏障均为遮光率大于70％、且具有绝缘性质的硬质或软质结构；厚度不大于5mm。
7.如权利要求1所述的基于光电信号检测的肌肉功能状态的评估装置，其特征在于，所述透明隔离层薄膜为透光率大于70％、且生物兼容的透明薄膜；厚度不大于5mm。
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