專利名稱：便攜式肌纖維組成無損測定儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于生理測量儀器，更具體地說，是關(guān)于便攜式的肌纖維組成無損測定儀。
根據(jù)現(xiàn)代運動生理學(xué)的研究已知，人類骨骼肌中，快肌纖維和慢肌纖維所含的百分比的不同，與專項體育運動能力有明顯的依存關(guān)系。例如，優(yōu)秀短跑運動員的快肌纖維百分比很高，而優(yōu)秀長跑運動員則慢肌纖維的百分比很高。根據(jù)肌纖維的組成對潛在的運動員進行科學(xué)選材和定向訓(xùn)練是各體育運動項目取得優(yōu)異成績的先決條條件。
為此，人們嘗試用各種方法來測定人體肌纖維的組成。最初，有人采用肌肉活檢針取樣，利用組織化學(xué)酶染色法測定肌纖維組成。這種測定方法雖然準(zhǔn)確有效，但是不易為人們所接受，因為這是一種有損傷性的方法。
1985年第2期中國《體育科學(xué)》雜志刊載了一篇題為“利用表面肌電圖某些參數(shù)對骨骼肌纖維類型進行無損傷測定”。該文提出，利用人體疲勞前后表面肌電信號和肌力等參數(shù)與肌纖維組成的相關(guān)性，建立檢測肌纖維組成的三元回歸方程。利用該方程可以對肌纖維的組成進行無損測定。這一測定方法是在實驗室條件下進行的。它需利用一系列龐大的實驗設(shè)備，例如多導(dǎo)生理測試儀、磁帶記錄器、數(shù)字信號處理機、電子計算機等。由于該測試過程需要一系列龐大而昂貴的實驗儀器，而且測試環(huán)節(jié)多、時間周期長，因而無法廣泛加以推廣應(yīng)用，尤其是廣大的中小城市和農(nóng)村地區(qū)難以應(yīng)用這一測定方法。
本發(fā)明的目的是提供一種成本低廉的便攜式肌纖維組成無損測定儀，它可以在城市或農(nóng)村的任何地點使用。
本發(fā)明由測力傳感器〔3〕、肌力放大器〔6〕、肌電傳感器〔4〕、肌電放大器〔7〕、A/D轉(zhuǎn)換器〔8〕、三元回歸方程信號處理器〔9〕、輸入裝置〔10〕、輸出裝置〔11〕和電源〔12〕構(gòu)成，其中，測力傳感器〔3〕接肌力放大器〔6〕，肌電傳感器〔4〕接肌電放大器〔7〕，肌力放大器〔6〕和肌電放大器〔7〕分別接A/D轉(zhuǎn)換器〔8〕，A/D轉(zhuǎn)換器〔8〕、輸入裝置〔10〕、輸出裝置〔11〕分別接三元回歸方程信號處理器〔9〕。
所述的三元回歸方程信號處理器〔9〕可以由微功耗單片微計算機〔13〕、可編程存貯器(EPROM)〔14〕、隨機存貯器(RAM)〔15〕和〔16〕、通用接口〔17〕、地址鎖存器〔18〕、譯碼器〔19〕、或非門〔20〕、單穩(wěn)觸發(fā)器〔21〕、編碼器〔22〕構(gòu)成。
所述三元回歸方程信號處理器〔9〕也可以由微處理器〔25〕、可編程存貯器(EPROM)〔26〕、隨機存貯器(RAM)〔27〕-〔34〕、通用接口〔35〕構(gòu)成。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細描述。


圖1是本發(fā)明的電路方框圖;
圖2和圖6是本發(fā)明中的三元回歸方程信號處理器的電路簡圖;
圖3是本發(fā)明所用程序的框圖。
圖4是本發(fā)明使用的示意圖;
圖5是本發(fā)明的面板外觀圖。
在圖1中，測力傳感器〔3〕可以選用量程為200公斤的BL型半導(dǎo)體應(yīng)變片式拉壓力傳感器。測力傳感器〔3〕將肌力轉(zhuǎn)換成肌力信號VMVC(最大隨意收縮力量)送入肌力放大器〔6〕進行放大。肌電傳感器〔4〕可選用表面圓盤電極。肌電傳感器〔4〕將肌電轉(zhuǎn)換成肌電信號送入肌電放大器〔7〕進行放大。肌電放大器〔7〕可選用通頻帶為1000赫茲、輸入阻抗＞5兆歐、共模抑制比＞60分貝的放大器。
A/D轉(zhuǎn)換器〔8〕可選用8位A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器〔8〕將肌力放大器〔6〕和肌電放大器〔7〕送來的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字化信號送入三元回歸方程信號處理器〔9〕進行處理。
已知數(shù)據(jù)和操作指令由輸入裝置〔10〕輸入。輸入裝置〔10〕通常采用鍵盤。
三元回歸方程處理器〔9〕處理結(jié)果可獲得快肌百分比等數(shù)據(jù)，所得數(shù)據(jù)送入輸出裝置〔11〕，進行顯示或打印。輸出裝置〔11〕通常采用發(fā)光二極管或液晶顯示，或者采用打印機打出數(shù)據(jù)。
電源〔12〕可用干電池，采用4.5-6伏。當(dāng)然也可使用直流穩(wěn)壓電源采用交流供電，這時以5伏為宜。
在圖1中，〔5〕為測定儀的主機部分。
圖2和圖6是三元回歸方程處理器〔9〕的兩種實施例。
在圖2中，〔13〕為微功耗單片計算機。用于運算處理和控制整個測定過程的進程，它可選用80C31單片微機;〔14〕為可編程存貯器(EPROM)，它用于存放處理程序、常數(shù)及表格，可編程存貯器〔14〕可選用一片27C64;〔15〕和〔16〕為隨機存貯器(RAM)，它們用于存放采樣數(shù)據(jù)及運算中間結(jié)果，隨機存貯器〔15〕和〔16〕可選用一片23C128或兩片6264;〔17〕為通用接口，用于輸出數(shù)據(jù)，通用接口〔17〕可選用可編程并行接口82C55;〔18〕為地址鎖存器，用于產(chǎn)生地址低八位，地址鎖存器〔18〕可選用74HC138;〔20〕為或非門，用于產(chǎn)生A/D的讀寫信號，或非門〔20〕可選用74HC02;〔21〕為單穩(wěn)觸發(fā)器，用于產(chǎn)生A/D的啟動信號，單穩(wěn)觸發(fā)器〔21〕可選用74HC123;〔22〕為編碼器，用于輸入編碼，編碼器〔22〕可選用74HC147。三元回歸方程信號處理器〔9〕所含各部件的連接方式如圖2所示。該處理器由干電池供電。
在圖6中，〔25〕為微處理器8085，用于運算處理和控制整個測定過程;〔26〕為可編程存貯器(EPROM)，用于存放程序、常數(shù)和表格，可選用一片2764;〔27〕至〔34〕為隨機存貯器(RAM)，用于存放采樣數(shù)據(jù)和運算的中間結(jié)果，可選用八片6116;〔35〕為通用接口，用于輸入裝置〔10〕和輸出裝置〔11〕與微處理器〔25〕之間進行信息交換，可選用8279。此三元回歸方程信號處理器〔9〕所含各部件的連接方式如圖6所示。該信號處理器〔9〕的功耗較大，電源可以采用交流電經(jīng)穩(wěn)壓后以5伏供電。
三元回歸方程信號處理器〔9〕還可以選用其他微功耗或一般功耗的微機芯片和集成電路芯片組合而成。
測定儀的軟件存放在可編程存貯器〔14〕中。軟件是根據(jù)檢測肌纖維組成的三元回歸方程而編制的。該方程為y＝ax1+bx1+cx1+d式中y為快慢肌纖維百分比;
x1為相對最大隨意收縮力量(R.MVC);
x2為肌電圖平均功率頻率下降百分?jǐn)?shù)(MPF.DP);
x3為積分肌電圖上升斜率(IEMG.Slope);
a，b，c分別為方程相應(yīng)變量的系數(shù);
d為常數(shù)。
對于男子18-22年令組，a＝35.5338;b＝16.2075;c＝-6.40734;d＝5.895。
相對最大隨意收縮力量R.MVC＝ (MVC)/(L) 。式中，MVC為肌力傳感器〔3〕所測得的肌力最大值;L為受試者腿圍;它可用手工測量后，由輸入裝置〔10〕，例如鍵盤打入隨機存貯器〔15〕中。
肌電圖平均功率頻率下降百分比數(shù)(MPF.DP)是由肌電信號經(jīng)采樣、快速付立葉變換(FFT)和計算后取得的。
積分肌電圖上升斜率(IEMG.Slope)是用最小二乘法計算每秒肌電積分值上升斜率所得的。
測定儀的軟件主要包括采樣程序、積分程序、FFT程序、平均功率計算程序、積分斜率計算程序、快肌纖維百分比計算程序、以及輸入和輸出程序等。圖3為測定儀的程序框圖。全部程序采用機器語言編寫，將其存放在存貯器〔14〕中。三元回歸方程信號處理器〔9〕時鐘頻率為6兆赫。
若改湎凳齛，b，c和常數(shù)d的數(shù)值，本發(fā)明的測定儀可以測定男子其他年令組和女子的快肌纖維百分比。
使用測定儀時，如圖4所示，受試者〔1〕坐在測力椅〔2〕上，以最大用力等長伸膝，測出股四頭肌最大隨意收縮力量(MVC)，然后，受試者〔1〕以70%MVC持續(xù)等長伸膝，直到出現(xiàn)疲勞為止。在上述疲勞性等長收縮過程中，根據(jù)肌力傳感器〔3〕和肌電傳感器〔4〕同步地分別測出肌力和肌電信號，并將其輸入測定儀主機〔5〕，進行處理，即可從輸出裝置〔11〕獲得快肌百分比。
在圖5中，〔10〕為輸入裝置，本實例采用鍵盤，其中包括按鍵0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、共10個數(shù)碼，一個清除鍵(CLR)，一個運行鍵(RUN)，一個復(fù)位鍵(RST)?！?1〕為輸出裝置，本實例為數(shù)碼管。〔23〕為電源開關(guān)。
測定儀的使用操作方法舉例如下開啟電源開關(guān)〔23〕，輸出裝置〔11〕顯示字母P，表示允許從鍵盤〔10〕打入數(shù)據(jù)。將手工測得的受試者腿圍L的兩位十進制整數(shù)打入。例如，實測腿圍57.6厘米，則按四舍五入原則，由鍵盤〔10〕打入58，在輸出裝置〔11〕上顯示出58。輸入完畢，按運行鍵(RUN)，測定儀開始執(zhí)行肌力采集程序，受試者以最大用力等長伸膝，輸出裝置〔11〕顯示當(dāng)時所采集到的最大肌力值。例如，輸出裝置〔11〕上顯示出60，則表示最大隨意收縮肌力值(MVC)為60公斤。然后，再按運行鍵(RUN)，測定儀進入處于高負荷等長收縮誘發(fā)肌肉疲勞條件下采集肌電信號的等待狀態(tài)。此時，輸出裝置〔11〕顯示出下述三種情況之一。(1)中間一道亮線，表示此時肌力值處于最大肌力值MVC的60%至80%之間;(2)上邊和中間兩道亮線，表示肌力值大于80%MVC，這時受試者應(yīng)調(diào)整自己的用力，使肌力值保持在70%MVC左右;(3)下邊和中間兩道亮線，表示肌力值小于60%MVC，這時受試者應(yīng)調(diào)整自己的用力，使肌力值保持在70%MVC左右。當(dāng)肌力值保持在70%MVC時，即輸出裝置〔11〕的中間顯示一道亮線，即可按運行鍵(RUN)，測定儀開始采集肌電信號，這時亮線的亮度變暗，約經(jīng)過8秒，亮線開始以每秒一次有規(guī)律地明暗閃爍。當(dāng)受試者力竭，按下運行鍵(RUN)，并持續(xù)1秒鐘之后才松開，此時輸出裝置〔11〕的顯示關(guān)滅，測定儀開始處理數(shù)據(jù)，約經(jīng)80秒，輸出裝置〔11〕顯示快肌百分比，例如顯示65，表示快肌占65%。
本測定儀還能顯示有關(guān)的計算參數(shù)。當(dāng)分別按下某個數(shù)碼鍵時，在輸出裝置〔11〕上便顯示出相應(yīng)的參數(shù)。數(shù)碼鍵與相應(yīng)計算參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系列表如下數(shù)碼鍵名稱參數(shù)名稱單位0平均功率頻率下降百分?jǐn)?shù)%1積分上升斜率2相對最大隨意收縮肌力公斤/厘米3疲勞前平均功率頻率赫茲4快肌百分比%5腿圍厘米當(dāng)一名受試者測試完畢，按下復(fù)位鍵(RST)，測定儀復(fù)位，輸出裝置〔11〕重新顯示字母P，即可開始測試下一個受試者。
使用本測定儀對7名受試者進行測試，其Ⅱ型肌纖維%的測試結(jié)果與采用活檢取樣的測試結(jié)果對照列表如下受試者活檢實測值本測定儀測定值(NO.)16763255603706546562564616605875857比較上表數(shù)據(jù)可知本測定儀測定值最大誤差在±5%以內(nèi)，符合率100%，測試結(jié)果可靠、有效，能滿足使用要求。本測定儀體積小、成本低、測試方便，可廣泛應(yīng)用于體育運動實踐中，它在運動選材和運動訓(xùn)練方面具有很大的實用價值。
權(quán)利要求
1.一種便攜式肌纖維組成無損測定儀，其特征是由測力傳感器[3]、肌力放大器[6]、肌電傳感器[4]、肌電放大器[7]、A/D轉(zhuǎn)換器[8]、三元回歸方程信號處理器[9]、輸入裝置[10]、輸出裝置[11]和電源[12]構(gòu)成，其中，測力傳感器[3]接肌力放大器[6]，肌電傳感器[4]接肌電放大器[7]，肌力放大器[6]和肌電放大器[7]分別接A/D轉(zhuǎn)換器[8]，A/D轉(zhuǎn)換器[8]、輸入裝置[10]、輸出裝置[11]分別接三元回歸方程信號處理器[9]。
2.如權(quán)利要求1所述的肌纖維組成無損測定儀，其特征是，所述的三元回歸方程信號處理器〔9〕由微功耗單片微計算機〔13〕、可編程存貯器(EPROM)〔14〕、隨機存貯器(RAM)〔15〕和〔16〕、通用接口〔17〕、地址鎖存器〔18〕、譯碼器〔19〕、或非門〔20〕、單穩(wěn)觸發(fā)器〔21〕、編碼器〔22〕構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1所述的肌纖維組成無損測定儀，其特征是，所述的三元回歸方程信號處理器〔9〕由微處理器〔25〕、可編程存貯器(EPROM)〔26〕、隨機存貯器(RAM)〔27〕-〔34〕、通用接口〔35〕構(gòu)成。
全文摘要
一種便攜式肌纖維組成無損測定儀，由測力傳感器[3]、肌力放大器[6]、肌電傳感器[4]、肌電放大器[7]、A/D轉(zhuǎn)換器[8]、三元回歸方程信號處理器[9]、輸入裝置[10]、輸出裝置[11]、電源[12]構(gòu)成，其中測力傳感器[3]接肌力放大器[6]，肌電傳感器[4]接肌電放大器[7]，肌力放大器[6]和肌電放大器[7]分別接A/D轉(zhuǎn)換器[8]，A/D轉(zhuǎn)換器[8]、輸入裝置[10]、輸出裝置[11]分別接三元回歸方程信號處理器[9]。本測定儀體積小、成本低、測試方法簡便，適于大面積選拔優(yōu)秀運動員之用。
文檔編號A61B5/22GK1030015SQ8710427
公開日1989年1月4日 申請日期1987年6月22日 優(yōu)先權(quán)日1987年6月22日
發(fā)明者秦光俠, 馬盤, 高強, 尹吟青 申請人:天津大學(xué), 北京體育學(xué)院