腰部運動損傷防護智能服裝的研發(fā)

李檉安， 魯 虹,2

(1. 東華大學 服裝與藝術(shù)設計學院， 上海 200051；2. 東華大學 現(xiàn)代服裝設計與技術(shù)教育部重點實驗室，上海 200051)

近年來，人們對運動、健康，乃至形體的要求達到了新的高度，健身已成為年輕一代新的運動熱潮，但許多沒有專業(yè)指導的健身項目可能會造成肌肉損傷。健身房訓練項目中腰背肌訓練很受歡迎，俯臥兩頭起、游式挺身、背屈伸和杠鈴硬拉等均是鍛煉腰背肌的常見項目。其中杠鈴硬拉是很多健身初學者喜歡嘗試卻又難得其要領(lǐng)的動作，質(zhì)量較大的杠鈴易讓初學者受傷，因此腰部肌肉防護類服裝需求前景較為可觀。

豎脊肌是腰背肌群中的重要肌肉之一，常用作腰部肌肉狀態(tài)研究對象[1]。本文選取腰肌群中的豎脊肌為研究對象，研發(fā)出可實時監(jiān)控肌肉疲勞度的智能服裝，檢測穿戴者豎脊肌運動狀態(tài)，以蜂鳴器蜂鳴的方式提醒穿戴者停止訓練，將訓練強度控制在不造成肌肉過度疲勞的范圍內(nèi)。

1 理論基礎

電子智能服裝是多學科交叉技術(shù)的融合，具有感應和反饋雙重功能，已應用于通信、醫(yī)療、軍事等多個領(lǐng)域。其智能化功能主要通過智能纖維面料、外加電子元件、織物涂層等方式實現(xiàn)，以服裝為基礎建立一套信號采集及處理反應的閉合系統(tǒng)，根據(jù)人體特定生理或物理信號進行自動調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)某種特殊功能。

有關(guān)肌肉疲勞的研究一直是人體功效學、康復醫(yī)學和體育科學等的重要研究課題。肌肉疲勞及損傷主要是由于骨肌負荷過大引起肌肉收縮力量下降產(chǎn)生的[2]。早期以肌氧含量研究肌肉疲勞狀態(tài)的方法已逐漸淘汰，而以表面肌電信號評價肌肉疲勞已經(jīng)是一種較為成熟的生理疲勞研究方法，這也為表面肌電研究向人機工程學領(lǐng)域延伸奠定了堅實基礎[3-4]。

應用表面肌電(sEMG)信號的頻域分析評價肌肉疲勞，主要對sEMG信號進行快速傅里葉轉(zhuǎn)換，獲得sEMG信號的頻譜或功率譜[5-6]。頻域分析主要指標有平均功率頻率(簡稱MPF)，中位頻率(簡稱MF)等[7]。

在運動過程中，當肌肉發(fā)生疲勞時，功率譜一般由高頻向低頻漂移，平均功率頻率和中位頻率的值都呈下降趨勢，與肌肉的疲勞成相關(guān)性[8-9]。運動過程中肌肉收縮力大小稍有變化時，sEMG的諸多時域特征變化較大，不是很穩(wěn)定，而通過快速傅里葉變換將信號變換成頻域中的頻譜或功率譜發(fā)現(xiàn)，其波形變化不是很大[10]。

2 整體研發(fā)方案

本文智能服裝研發(fā)核心在于肌電信號監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和運動緊身衣的結(jié)構(gòu)設計2個方面。該監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對肌電信號的采集、處理和反應等功能，并通過電路板和傳感器等電子元件使其能脫離電腦運行，設定特定人群肌肉疲勞閾值，以此作為觸發(fā)報警的開關(guān)。緊身衣的結(jié)構(gòu)設計需考慮模塊位置、模塊間導線附著方式等。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

sEMG信號實時監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)sEMG信號的采集、處理以及MPF變化圖繪制的功能，根據(jù)功能分布可分為Myoware采集模塊、基于Arduino的處理模塊、MPF信號監(jiān)視模塊。其中：Myoware采集模塊負責將采集到的原始信號進行濾波、去噪和放大等處理，再輸出便于處理的sEMG信號；基于Arduino的處理模塊負責接收被處理過的sEMG信號，通過編寫的算法對信號進行快速傅里葉變換(簡稱FFT)處理得到MPF，并與設置的參數(shù)(肌肉疲勞度閾值)進行比較判斷是否觸發(fā)蜂鳴器；MPF信號監(jiān)視模塊負責接收MPF信號，并繪制出MPF隨時間變化的波形圖，便于在肌肉疲勞度閾值測量實驗中觀察MPF變化。

緊身衣結(jié)構(gòu)設計主要針對Myoware采集模塊和Arduino處理模塊的附著設計，在不影響人體動作的前提下，充分考慮緊身衣的可洗滌功能，將2個電子模塊以可拆卸式部件附著于緊身衣表面。

3 sEMG信號實時監(jiān)控系統(tǒng)設計

3.1 信號采集模塊

以Myoware肌電傳感器作為肌電信號采集模塊的基礎，通過記錄肌肉靜止或收縮時的電活動，放大收集到的肌電原始信號，得到易于分析的信號數(shù)值，用于確定肌肉周圍神經(jīng)及肌肉本身的功能狀態(tài)。Myoware肌電傳感器的外部功能模塊如圖2所示。

圖2 Myoware肌電傳感器功能模塊Fig.2 Functional module of Myowaremyoelectric sensor

3.2 信號處理模塊

基于Arduino的肌電信號處理模塊由Arduino UNO開發(fā)板和蜂鳴器組成。使用Arduino UNO芯片進行信號處理主要采用UNO擴展盾連接蜂鳴器和Myoware肌電信號采集模塊，對Myoware模塊輸出的EMG信號進行FFT處理求MPF值，并對比通過實驗獲得的肌肉疲勞度閾值來判斷是否達到肌肉疲勞，在判定為疲勞時觸發(fā)蜂鳴器起到預警作用。Arduino開發(fā)板與Myoware肌電傳感器的連接方式如圖3所示。

圖3 傳感器與開發(fā)板的接線圖Fig.3 Wiring diagram of sensor and development board

該模塊主要由微處理器、USB接口、外接電源、電源管腳、模擬輸入段、數(shù)字輸出端組成。其中USB接口主要用于與電腦連接，用于從電腦中下載程序，同時給UNO單板供電，外接電源用來給裝置供電，實現(xiàn)UNO單板脫離電腦獨立運行的功能。

3.3 MPF信號監(jiān)控模塊

該電子智能服裝通過Myoware采集模塊和基于Arduino的處理模塊能夠得到變化的MPF值，通過MPF變化圖觀察受試者肌肉疲勞時MPF的變化范圍。

4 肌肉疲勞度閾值獲取實驗

4.1 預實驗

選擇(23±3) 歲、體型中等、身高(175±5) cm、體重在(65±5) kg、近期無明顯腰部外傷史且無硬拉訓練習慣、實驗前24 h未從事過劇烈運動的男性大學生進行肌肉疲勞度閾值測量實驗。實驗要求受試者手握杠鈴以4個屈腿硬拉為1組，觀測3組內(nèi)肌電圖及MPF變化。

2013年，黨的十八屆三中全會提出全面深化改革，轉(zhuǎn)變政府職能，使市場在資源配置中起決定性作用，并積極發(fā)展混合所有制經(jīng)濟，完善主要由市場決定價格的機制等內(nèi)容，讓以市場為導向和生命線的企業(yè)投入了更多的關(guān)注。

圖4示出受試者感覺肌肉疲勞時肌肉表面的MPF變化圖。通過受試者測試過程中MPF變化趨勢可知，受試者開始運動時，MPF會隨之升高，峰值達到980 Hz，但受試者感覺疲勞時，MPF下降至 200 Hz 左右，谷值可降至140 Hz，因此將200 Hz設定為初始肌肉疲勞度閾值。

圖4 肌肉疲勞時受試者的MPF變化圖Fig.4 MPF fluctuations when feeling fatigue

4.2 正式實驗

正式實驗安排4名受試者。受試者手握40 kg杠鈴(單邊20 kg)，以4個屈腿硬拉為1組，感覺肌肉疲勞則停止動作。實驗將記錄受試者第1組結(jié)束時及開始出現(xiàn)疲勞時的MPF變化圖，結(jié)果如圖5所示。

圖5 第1組硬拉結(jié)束后MPF變化圖Fig.5 MPF variation diagram after first group of deadlift.(a)Subject No. 1；(b)Subject No. 2；(c)Subject No. 3；(d)Subject No. 4

由圖可知，由于受試者并未停止動作，MPF受動作影響太大，其值均在100～1 000 Hz范圍內(nèi)波動，無明顯規(guī)律性。

4名受試者感覺肌肉疲勞時MPF變化對比如圖6所示。除了1號受試者外，出現(xiàn)肌肉疲勞時，MPF變化圖出現(xiàn)大量明顯波谷，谷值衰減至150 Hz以下(少數(shù)波峰超過150 Hz是因為受試者有少許小動作影響了豎脊肌的表面肌電信號)。1號受試者MPF變化圖的異常情況可能是電極片的松動所導致?？烧J為，肌肉疲勞時MPF的波動范圍在0～150 Hz 之間。

圖6 肌肉疲勞時受試者的MPF波動對比Fig.6 Comparison of MPF fluctuations in subjects withmuscle fatigue.(a)Subject No. 1；(b)Subject No. 2；(c)Subject No. 3；(d)Subject No. 4

受試者初始MPF值較低，可能隨時觸發(fā)蜂鳴器，因此為保證監(jiān)控系統(tǒng)正常運行，需設定2個閾值：蜂鳴器接通電源的MPF變化閾值和觸發(fā)蜂鳴器的MPF變化閾值。結(jié)合受試者主觀感受和出現(xiàn)疲勞時MPF變化情況，將蜂鳴器的運作方式設定為：MPF升高至950 Hz時接通蜂鳴器電源；MPF降至200 Hz時觸發(fā)蜂鳴器開關(guān)。進一步測量計算蜂鳴器觸發(fā)與受試者感覺到肌肉疲勞的時間差，根據(jù)時間差將觸發(fā)蜂鳴器的MPF閾值修正為150 Hz。

4.3 驗證實驗

選取未參與正式實驗的1名身高為175 cm，體重為65 kg，沒有硬拉訓練習慣且在實驗開始前24 h未從事劇烈活動的男性受試者，在皮膚表面固定好肌電信號實時檢測模塊后，使用40 kg杠鈴(單邊 20 kg 的杠鈴片)開始屈腿硬拉訓練，記錄蜂鳴器觸發(fā)時間與受試者感覺肌肉疲勞的時間差；達到疲勞之后繼續(xù)做5個硬拉，記錄MPF變化的谷值。疲勞時MPF變化如圖7所示。

圖7 疲勞時MPF變化圖Fig.7 MPF variation diagram when feeling fatigue

5 模塊可穿戴設計

5.1 運動緊身衣設計

運動緊身衣采用速干透氣的彈性面料(84%聚酯纖維、16%氨綸)，保證運動過程中豎脊肌部位面料與表面肌膚的完美貼合，并減少汗液對電極片貼合狀態(tài)的影響。

緊身衣規(guī)格尺寸為：170/88 A，衣長63.5 cm，胸圍68.0 cm，袖長60.0 cm，腰圍63.0 cm。

緊身衣選用插肩袖結(jié)構(gòu)。插肩袖的結(jié)構(gòu)設計具有最大的肩關(guān)節(jié)活動角度，能夠顯著降低肩背、上臂與腋下的不舒適感覺，減小因人體手臂運動使服裝背部在袖窿處所承受的拉力[11]。在此緊身衣的基礎上進行電子元件的可穿戴設計。

5.2 各模塊附著設計

5.2.1 Myoware信號采集模塊附著設計

Myoware信號采集模塊位置在緊身衣后中往右3 cm處，考慮到人體差異，按照豎脊肌走向設計 6組電極片插孔，以供穿戴者選擇不同部位插入電極片，如圖8所示，2排圓孔間隔為2 cm，同排圓孔間相隔為4 cm，與電極片陰陽電極間隔一致。

圖8 電極片插孔位置Fig.8 Position of electrode socket

Myoware信號采集模塊表面平整尺寸如圖9所示，厚度可忽略不計。由于人體體型差異，穿戴者需要將信號采集模塊上的陰陽電極片插入不同的圓孔，因此Myoware信號采集模塊不能直接固定于緊身衣表面。

圖9 Myoware傳感器平面尺寸Fig.9 Flat dimensions of Myoware sensor

由于Arduino模塊采用可拆卸式設計，且Arduino模塊與Myoware模塊以導線相連，裝配好Arduino模塊后只需固定好導線即可。

5.2.2 Arduino信號處理模塊附著設計

Arduino信號處理模塊安置于左前胸處不會妨礙手臂的屈伸，便于穿著者運動。圖10示出模塊位置示意圖。該模塊長8 cm，寬5.5 cm，設計與其尺寸相適應的風琴袋將Arduino模板完全包裹在內(nèi)。風琴袋尺寸約為長9 cm，寬6.5 cm，泡起量為5 cm。風琴袋Arduino信號處理模塊與Myoware信號采集模塊以導線相連接，在風琴袋底部設置0.3 cm孔隙容納，保證導線從風琴袋中平整穿出。

圖10 Arduino信號處理模塊位置Fig.10 Position of signal processing module.

可拆卸式模塊通過可拆卸式風琴袋實現(xiàn)，將獨立的風琴袋用魔術(shù)貼粘合到緊身衣左前胸部位。配合風琴袋尺寸設計相應的袋底布，尺寸為10 cm×10 cm，并將其反面黏襯，防止模板表面電子插腳磨損皮膚。

5.2.3 Myoware模塊附著設計

導線需從左前胸繞至后腰右扇豎脊肌處，避免妨礙穿戴者運動，如圖11所示。

圖11 穿著正側(cè)背視圖Fig.11 Anteroposterior view of garment.(a)Front view；(b)Side view；(c)Back view

6 結(jié)束語

本文針對初步接觸硬拉的健身愛好者進行了腰部肌肉疲勞防護智能服裝的研發(fā)，綜合運用傳感器、數(shù)字信號處理、軟件算法、服裝結(jié)構(gòu)設計等技術(shù)，分別從Myoware信號采集模塊、Arduino信號處理模塊和MPF信號處理模塊著手，設計和開發(fā)以腰部肌肉疲勞防護實時監(jiān)測模塊為核心的智能服裝，并測量腰部肌肉疲勞時豎脊肌表面肌電信號的MPF信號波動范圍，將肌肉疲勞度閾值精確到150 Hz，并將蜂鳴器的工作方式修正為“MPF升高至950 Hz時接通蜂鳴器電源，MPF衰減至150 Hz時蜂鳴”。該智能服裝初步實現(xiàn)了預防肌肉疲勞、防止肌肉損傷的功能。未來可進一步從電路集成、紡織柔性傳感器代替電極片、太陽能轉(zhuǎn)換等角度進行優(yōu)化，提升穿著舒適性和可持續(xù)性。

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