織物傳感智能腿套的肌電信號擬合性能研究

張佳慧 王建萍

摘要： 為進一步開發(fā)智能服裝新的個性化功能，文章選用鍍銀錦綸紗作為織物傳感材料并設(shè)計4種電極部位組織和尺寸制作16款智能腿套，同步采集4種運動狀態(tài)下穿戴智能腿套試樣與Ag/AgCl凝膠電極的小腿腓腸肌表面肌電信號，采用時域、頻域和相關(guān)函數(shù)分析方法得到各試樣的肌電信號擬合性能評價結(jié)果。結(jié)果表明：靜態(tài)下，智能腿套電極尺寸過大或過小都易出現(xiàn)信號異變;動態(tài)下，智能腿套肌電擬合性能較優(yōu)的圓形電極部位添紗組織為1×1抽條、1×2抽條組織，較優(yōu)添紗尺寸為16縱行×32橫列。

關(guān)鍵詞： 智能腿套;織物傳感;表面肌電信號;擬合性能;電極

Abstract： In order to further develop the new individualized function of smart garments， silver-plated nylon yarn was used as the fabric sensing material， and 4 structures and 4 sizes of electrodes were designed to make 16 kinds of smart leggings. The sEMG signal of calf gastrocnemius muscles worn by smart leggings and Ag/AgCl electrodes were simultaneously collected in 4 motion states. And sEMG signal fitting performance of each sample was evaluated by time domain， frequency domain and correlation function analysis. The results showed that too large or too small electrode size of smart leggings might cause abnormal sEMG signal change under static state. Under the dynamic condition， the smart leggings with 1×1 rib and 1×2 rib circular electrode structures and 16 vertical rows ×32 horizontal rows had better fitting performance.

Key words： smart legging; fabric sensing; sEMG signal; fitting performance; electrode

在消費需求升級的大環(huán)境下，人們開始更多地關(guān)注健康并利用最新的智能技術(shù)監(jiān)測生理信號。智能服裝因其可對人體生理活動信息及外部環(huán)境信息進行長期、動態(tài)且“人體無意識”監(jiān)測的特點而廣受青睞。近年來，可用于實時監(jiān)護的智能運動服裝已陸續(xù)研發(fā)，其中疾病預防和運動管理成為主要的流行趨勢。在基礎(chǔ)生理監(jiān)測方面，智能服裝可采集人體溫濕度[1-2]、心率[3]、呼吸頻率[4]及血壓血氧[5]等生理參數(shù)，不僅實現(xiàn)消費者對自我健康狀況的了解，也滿足了病人的更好監(jiān)護。在運動方面，目前智能運動服已具備步態(tài)[6]和動作監(jiān)測[7]并給以運動姿勢調(diào)整建議的功能，但仍舊無法滿足日益增長的消費需求。據(jù)美國可穿戴市場調(diào)研的報告指出，50%消費者難以對智能服裝形成依賴性[8]，因此進一步研發(fā)智能服裝的新功能對突破產(chǎn)業(yè)化瓶頸尤為重要。

表面肌電技術(shù)由于具有無創(chuàng)性、時效性[9]被運動神經(jīng)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在運動中，實施監(jiān)測人體表面肌電信號可預測肌肉疲勞而避免過度訓練，更有助于調(diào)整運動姿勢養(yǎng)成良好的運動習慣。但由于人體表面肌電信號是一種非常微弱、不穩(wěn)定且易受外界干擾的信號，故對研發(fā)的智能產(chǎn)品電極采集肌電信號的精確性要求較高。本文選用鍍銀導電紗作為織物傳感材料，設(shè)計4種圓形電極尺寸和添紗組織制作織物傳感智能腿套，并采集靜坐、站立、行走和慢跑4個狀態(tài)下的肌電信號。通過時域、頻域和相關(guān)函數(shù)分析以評價并對比電極部位不同組織結(jié)構(gòu)和尺寸的智能腿套試樣的肌電信號擬合性能，為肌電信號采集用智能運動腿套產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供理論參考，對智能服裝多領(lǐng)域多功能發(fā)展起到積極的促進作用。

1 試 驗

1.1 對 象

選擇年齡（23.4±1.3）歲，身高（165±4.9） cm，體重（532±6.4） kg且身體健康、下肢骨骼肌指標正常，無小腿肌肉勞損病史，試驗前24 h均無參加任何劇烈活動的2名男性和3名女性作為試驗對象，受試者基本數(shù)據(jù)如表1所示。經(jīng)Inbody人體成分儀檢測受試者四肢骨骼肌及水分含量均在正常范圍內(nèi)，試驗前對受試者進行試驗動作培訓以了解試驗內(nèi)容，并要求受試者下身穿著較為寬松的運動短褲。

1.2 材料及儀器

紗線：面紗及扎口線均選用78 dtex/2黑色錦綸紗（東方桂冠針紡織品有限公司），地紗選用44 dtex/44 dtex/44 dtex黑色錦包/氨綸雙包紗、襯墊選用311 dtex/44 dtex/44 dtex黑色錦包/氨綸雙包紗（上海利以德特種絲有限公司），導電紗線選用222 dtex鍍銀錦綸紗（青島志遠翔宇功能性面料有限公司）。

設(shè)備與儀器：Goal 615 D型襪機，針筒直徑3.75英寸、144針（圣東尼上海針織機械有限公司），DTS 2223CN型無線表面肌電采集系統(tǒng)（Noraxon USA Inc），Horizon 832T型跑步機（喬山健康科技有限公司）。

其他材料：金屬扣、Ag/AgCl凝膠電極貼片、脫毛膏、酒精棉片、記號筆、剪刀及醫(yī)用膠帶（市售）。

1.3 方 案

1.3.1 采集點選取

小腿肌肉數(shù)量較多，按照肌群位置可分為前群、后群和外側(cè)群，在運動過程中最常用到的肌肉是脛骨前肌、腓腸肌和比目魚肌，且小腿三頭?。措枘c肌和比目魚?。┳钜自谶\動和日常活動中受損[10]，占小腿所有肌群受損的90%以上[11]，同時腓腸肌痙攣是最常見的痛性肌肉痙攣。因此，選擇右腿小腿外側(cè)腓腸肌作為肌電信號的采集點。

1.3.2 表面肌電采集

試驗環(huán)境設(shè)定參照文獻[12-13]，跑步最適宜的相對濕度為50%～60%，故試驗在（25±1） ℃、（50±2）%RH的安靜舒適環(huán)境中進行。為避免自身生理原因?qū)υ囼炘斐筛蓴_，受試者提前30 min適應(yīng)試驗環(huán)境以保證皮膚汗液含量和溫度相對恒定。

試驗前對采集部位脫毛處理并使用酒精棉片反復擦拭以減少皮膚阻抗，依照腓腸肌纖維方向貼兩片Ag/AgCl凝膠電極片，中心距設(shè)置為31 mm（與智能腿套電極部位中心距相同），連接Noraxon DTS肌電傳感器并使用醫(yī)用膠帶固定。穿戴織物傳感智能腿套，使其電極部位位于腓腸肌中部同時與皮膚充分接觸，連接Noraxon DTS肌電傳感器并用醫(yī)用膠帶固定于智能腿套外側(cè)，將信號采樣頻率設(shè)置為1 500 Hz標記智能腿套穿戴位置和膠帶長度，以保證每次測量時穿戴位置和皮膚壓力相同。

由于肌電信號具有較大隨機性，試驗同步采集靜坐、站立、行走和慢跑4種運動狀態(tài)下受試者佩戴Ag/AgCl凝膠電極和智能腿套試樣的肌電信號，其中行走與慢跑狀態(tài)在跑步機上進行，分別設(shè)置速度為3 km/h和5 km/h。觀察受試者表面肌電圖，待波形穩(wěn)定后采集受試者靜坐、站立各40 s，行走、慢跑各60 s的表面肌電信號;更換一次試樣，休息5 min再進行相同測試。

1.3.3 肌電信號擬合性能評價

從時域和頻域兩方面分析肌電信號是最早也是生物醫(yī)學和運動學領(lǐng)域最廣泛的分析方法[14]，目前已用于織物電極信號采集性能的分析[15-16]。

時域分析是采集的腓腸肌電信號隨時間變化的特征，繪制肌電信號的時域?qū)Ρ葓D（圖1），同時提取指標均方根值RMS。RMS是肌電信號在一定運動時段內(nèi)的有效振幅，定義式為：

式中：N為采樣點個數(shù);Xi為采樣點的肌電信號幅值。

頻域分析反映肌電信號隨信號頻率的變化情況，繪制試樣與Ag/AgCl凝膠電極的EMG頻域?qū)Ρ葓D（圖2），提取指標中值頻率MF。MF是肌電時域信號功率譜圖面積中值所對應(yīng)的頻率值，定義式為：

式中：PSD（f）為功率譜密度函數(shù)。

即使兩個具有相同時域和頻域特征的隨機信號，也依舊難以判定兩者間的變化規(guī)律是否具有一致性[17]，故須采用相關(guān)函數(shù)進一步分析同步采集的智能腿套電極與Ag/AgCl凝膠電極肌電信號變化趨勢是否一致，提取Pearson相關(guān)系數(shù)和相應(yīng)的顯著性指標以反映兩隨機變量在不同相對位置的相互匹配程度。Pearson相關(guān)系數(shù)定義為：

式中：N為采樣點個數(shù);μ為均值;σ為標準差。

2 討論與分析

2.1 智能腿套工藝設(shè)計

智能腿套款式及工藝設(shè)計采用Photon繪圖軟件和QuasarL編程軟件，并用SANTONI Goal 615 D型襪機完成試樣制作。

2.1.1 規(guī)格參數(shù)設(shè)計

腿套每轉(zhuǎn)144針，其他規(guī)格參數(shù)設(shè)定如表2所示。

2.1.2 電極組織結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計

腿套的主體組織采用襯墊平針組織，上羅口采用雙層襯墊平針組織，下羅口采用雙層襯緯羅紋組織;電極部位分別選用平紋、1×1抽條、1×2抽條、毛圈組織進行添紗;同時由于方形織物電極存在邊緣效應(yīng)[18]，試驗設(shè)計4種圓形電極尺寸，縱行×橫列數(shù)分別設(shè)計為12×24、16×32、20×40、24×48。

2.1.3 紗線配置

紗線的穿紗方式如表3所示。

2.1.4 試樣編織及后整理

圖3為下機后的智能腿套試樣示意，圖3中電極尺寸均為16×32，分別為平紋組織（圖3（a））、1×1抽條組織（圖3（b））、1×2抽條組織（圖3（c））、毛圈（圖3（d））組織。

下機后試樣需進一步套在標準腿模上進行熱定型整理，并在電極中心位置用導電紗縫上金屬扣，下機及熱定型后電極部位的工藝參數(shù)見表4，其中橫密為每5 cm的縱行數(shù)、縱密為每5 cm的橫列數(shù)。共制作智能腿套試樣16種，依次編號（表5）。

2.2 靜態(tài)肌電信號擬合性能分析

將同步采集的智能腿套和Ag/AgCl凝膠電極的肌電數(shù)據(jù)導入Matlab軟件，截取靜坐和站立狀態(tài)下的穩(wěn)定肌電信號各10 s，采用1.3.3中時域評價方法處理信號，并用Origin 9.0繪制靜態(tài)肌電信號RMS統(tǒng)計圖，結(jié)果如圖4所示。

觀察肌電信號時域圖像可知，靜坐與站立狀態(tài)下所有智能腿套采集的肌電信號穩(wěn)定性較好無明顯波動。Ag/AgCl電極采集的肌電信號其站立狀態(tài)下的均方根值RMS高于靜坐狀態(tài)，是由于靜坐狀態(tài)下小腿腓腸肌處于放松狀態(tài)，站立后肌肉收縮，而1#、4#、5#、8#、15#和16#的靜態(tài)肌電信號有所變異，站立狀態(tài)的肌電信號幅值未高于靜態(tài)肌電信號，其余試樣與Ag/AgCl電極采集的靜態(tài)肌電信號RMS較為接近。因此，靜態(tài)肌電擬合性能較好的腿套試樣編號為2#、3#、6#、7#、9#～14#，智能腿套電極尺寸設(shè)置過大或過小都將影響其靜態(tài)肌電信號采集效果。

2.3 動態(tài)肌電信號擬合性能分析

使用Matlab軟件截取行走狀態(tài)和慢跑狀態(tài)下的穩(wěn)定肌電信號各20 s，根據(jù)1.3.3肌電信號擬合性能評價方法觀察動態(tài)肌電信號的時域、頻域?qū)Ρ葓D，并提取時域RMS、頻域MF，以及相關(guān)系數(shù)r和對應(yīng)的顯著性p指標。

2.3.1 時域分析

采用Origin 9.0繪制動態(tài)肌電信號RMS統(tǒng)計圖（圖5），各試樣RMS提取結(jié)果均為5名受試者的肌電信號RMS均值。慢跑時的智能腿套與Ag/AgCl凝膠電極采集的時域指標數(shù)據(jù)均高于行走狀態(tài)且幅值有明顯變化，因此智能腿套電極可以區(qū)分小腿的不同運動狀態(tài)，4#和16#試樣未采集到肌電信號，是由電極尺寸較大和滿添紗工藝造成的正負織物電極接觸導致。通過觀察動態(tài)肌電信號時域?qū)Ρ葓D可知，5#～12#智能腿套在行走和慢跑狀態(tài)下采集到的肌電信號幅值與普通凝膠電極較為接近且趨勢一致性較好，但幅值普遍偏高，其中5#、9#～12#智能腿套在行走狀態(tài)下肌電信號受到部分干擾。因此從時域分析結(jié)果來看，6#～8#（1×1抽條）智能腿套采集的肌電信號較為理想。

2.3.2 頻域分析

頻域指標中值頻率MF統(tǒng)計圖如圖6所示，各試樣MF提取結(jié)果均為5名受試者的肌電信號MF均值。5#～12#，即1×1抽條和1×2抽條組織的智能腿套電極與Ag/AgCl凝膠電極采集的肌電信號中值頻率MF更為接近，且在慢跑狀態(tài)的肌電信號中值頻率均明顯高于行走狀態(tài)。通過頻譜圖像分析可以發(fā)現(xiàn)，3#及5#～12#的Welch功率譜密度與普通電極變化趨勢一致較好。

2.3.3 相關(guān)函數(shù)分析

使用Matlab提取兩隨機變量函數(shù)的Pearson相關(guān)系數(shù)r和顯著性p以反映不同時刻點隨機變量之間的內(nèi)在聯(lián)系，結(jié)果如表6所示。

由表6可知，除4#與16#試樣外其余智能腿套電極與普通凝膠電極的顯著性均小于顯著性水平0.05，故認為相關(guān)性顯著。1×1抽條和1×2抽條組織（5#～12#）的智能腿套與Ag/AgCl凝膠電極的相關(guān)系數(shù)優(yōu)于平紋（1#～4#）與毛圈（13#～16#）組織，故作為肌電信號采集試驗的緯編織物電極應(yīng)選用抽條組織作為導電紗的添紗組織。

其中，6#和10#試樣行走和慢跑狀態(tài)下相關(guān)系數(shù)均高于045為實相關(guān)，因此智能腿套試樣添紗尺寸最佳為16×32（縱行×橫列數(shù)）。6#試樣與普通電極行走狀態(tài)相關(guān)系數(shù)更是高達0.648 1，呈顯著相關(guān)，肌電信號擬合效果好。

3 結(jié) 論

本文選用222 dtex鍍銀錦綸紗作為織物傳感材料，設(shè)計4種電極部位組織和尺寸制作智能腿套試樣，同步采集4種狀態(tài)下穿戴智能腿套試樣與Ag/AgCl凝膠電極的小腿腓腸肌表面肌電信號，通過時域、頻域和相關(guān)函數(shù)分析評價各試樣的肌電信號擬合性能，為肌電信號采集用智能運動腿套產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供理論參考，促進智能服裝向多領(lǐng)域發(fā)展以滿足消費者的不同需求。通過試驗與分析得到以下結(jié)論：

1）靜坐與站立狀態(tài)（靜態(tài)）下所有智能腿套采集的肌電信號穩(wěn)定性較好無明顯波動，但智能腿套電極尺寸設(shè)置過大或過小都易出現(xiàn)靜態(tài)肌電信號異變，影響其靜態(tài)肌電信號采集效果。

2）行走和慢跑狀態(tài)（動態(tài)）下，除4#和16#外其余智能腿套試樣均能檢測到肌電信號。綜合時域、頻域和相關(guān)函數(shù)分析結(jié)果可知，5#～12#即1×1抽條和1×2抽條組織智能腿套的肌電擬合性能明顯優(yōu)于平紋（1#～4#）與毛圈（13#～16#）組織，且智能腿套的圓形電極部位最佳添紗尺寸為16縱行×32橫列，6#和10#試樣與Ag/AgCl電極相關(guān)系數(shù)均高于0.45，其中6#試樣行走狀態(tài)相關(guān)系數(shù)高達0.648 1。故認為6#（1×1抽條組織、16縱行×32橫列）智能腿套試樣的肌電擬合性能較優(yōu)。

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