一種利用超聲圖像熵特性檢測肌肉疲勞進程的系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種檢測肌肉疲勞進程的方法，特別涉及一種利用超聲圖像熵特性檢 測肌肉疲勞進程的系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002] 肌肉疲勞是指肌肉經(jīng)過一段時間的持續(xù)收縮或反復收縮運動后，不能繼續(xù)保持運 動所需或所預期的肌肉張力和收縮的一種現(xiàn)象。肌肉疲勞經(jīng)常發(fā)生在我們?nèi)粘Ｉ钪?，?肌肉過度疲勞，有可能造成肌肉勞損。如果在運動過程中肌肉疲勞到一定程度時，仍然繼續(xù) 運動，極易造成肌肉或肌腱損傷。肌肉疲勞處理不當，會影響日常生活，特別是體育運動訓 練。肌肉疲勞特性的研宄在康復醫(yī)學、運動醫(yī)學領域具有重要的作用。
[0003] 目前，檢測肌肉疲勞進程的方法主要有：植入傳感器、放射性標記和表面肌電信 號。植入傳感器方法，一方面植入設備的物理尺寸對受試者有一定的侵害性，植入手術風險 較高。另一方面，這些裝置不能反復植入和較長時間滯留在體內(nèi)。不適合縱向研宄間隔長于 幾個小時的肌腱力的變化。植入放射性標記方法雖然可以較為精準反映肌腱力的變化，但 仍需要通過外科手術植入標記。這樣，體內(nèi)肌腱的正常功能在植入放射性標記的過程中易 受損傷。肌電圖是研宄肌肉疲勞特性的一個重要工具。但表面肌電信號屬于微弱的生物電 信號，測量精度的影響因素很多。比如，如果是遙測肌電儀，空間傳播的無線電波是影響肌 電信號精度的最為突出的問題。肌電測量時，周圍環(huán)境中可能存在很多無線電干擾，造成肌 電信號一定程度上的失真。另外，皮脂厚度和皮膚溫度也都會影響到肌電的測量精度。皮 脂越厚，電阻越大。不同受試者的皮脂厚度不同，對肌電輸出到皮膚表面有著很大的影響。 受試者的皮膚溫度對肌電信號的影響也很大，研宄表明受試者肌肉表面的溫度升高，肌電 信號的振幅減小，等等這些因素都使得微弱的肌電信號容易淹沒在各種噪聲當中，從而需 要后期的各種精細復雜的處理才能進一步研宄分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種實時、無損地利用超聲圖像熵特性檢測肌肉疲勞進程 的系統(tǒng)及方法。
[0005] 為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：
[0006] 一種利用超聲圖像熵特性檢測肌肉疲勞進程的方法，通過施力單元向被檢測者的 目標肌肉施加恒力，按時間順序記錄被檢測肌肉受力過程中，沿肌肉纖維方向的B型超聲 圖像，估計肌肉纖維圖像熵的紋理特征；根據(jù)肌纖維在運動中隨疲勞程度的增加，其截面積 正相關的增加，整個肌纖維形成肌肉整體的有序化增加，反映肌纖維超聲特性的肌肉超聲 圖像的熵正相關減少的原理，設定圖像熵閾值判斷目標肌肉疲勞的程度和進程，熵值越小， 肌肉疲勞程度越大，圖像熵下降幅度超過設定的閾值，則肌肉抖動，疲勞程度達到最大值。
[0007] 估計肌肉纖維圖像熵的方法為，選擇圖像的鄰域灰度均值作為灰度分布的空間特 征量，與圖像像素灰度共同組成特征二元組，記為（i，j)，其中i表示像素的灰度值（〇〈= i〈 = Lmax)，j表示鄰域灰度值（0〈 = j〈 = Mmax)，則有：
[0008] PiJ= f(i，j)/N2 (1)
[0009] 式（1)能夠表示某像素位置上的灰度值與周圍像素灰度值分布的綜合特征，其中 f (i，j)為特征二元（i，j)出現(xiàn)的頻數(shù)，N為圖像的尺度；圖像的二維熵定義為：
【主權項】
1. 一種利用超聲圖像熵特性檢測肌肉疲勞進程的方法，其特征在于：通過施力單元向 被檢測者的目標肌肉施加恒力，按時間順序記錄被檢測肌肉受力過程中，沿肌肉纖維方向 的B型超聲圖像，估計肌肉纖維圖像熵的紋理特征；根據(jù)肌纖維在運動中隨疲勞程度的增 加，其截面積正相關的增加，整個肌纖維形成肌肉整體的有序化增加，反映肌纖維超聲特性 的肌肉超聲圖像的熵正相關減少的原理，設定圖像熵閾值判斷目標肌肉疲勞的程度和進 程，熵值越小，肌肉疲勞程度越大，圖像熵下降幅度超過設定的閾值，則肌肉抖動，疲勞程度 達到最大值。
2. 根據(jù)權利要求1所述的利用超聲圖像熵特性檢測肌肉疲勞進程的方法，其特征在 于：估計肌肉纖維圖像熵的方法為，選擇圖像的鄰域灰度均值作為灰度分布的空間特征量， 與圖像像素灰度共同組成特征二元組，記為（i，j)，其中i表示像素的灰度值（〇〈 = i〈= Lmax)，j表示鄰域灰度值（0〈 = j〈 = Mmax)，則有： Pij= f(i, j)/N2 (I) 式（1)能夠表示某像素位置上的灰度值與周圍像素灰度值分布的綜合特征，其中 f (i，j)為特征二元（i，j)出現(xiàn)的頻數(shù)，N為圖像的尺度；圖像的二維熵定義為：
(2)'
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的利用超聲圖像熵特性檢測肌肉疲勞進程的方法，其特征 在于：在超聲換能器與受試者皮膚之間填充耦合劑，所述超聲探頭為線陣探頭，其中心頻率 為 7. 5MHz。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的利用超聲圖像熵特性檢測肌肉疲勞進程的方法，其特征 在于：通過B超系統(tǒng)記錄，每隔一段時間記錄一幅目標肌肉組織的超聲圖像，直到目標肌肉 組織開始抖動結(jié)束測量。
5. -種利用超聲圖像熵特性檢測肌肉疲勞進程的系統(tǒng)，其特征在于：包括超聲換能 器、B超系統(tǒng)、計算機控制及圖像處理單元、施力單元和施力控制單元；B超系統(tǒng)、施力控制 單元分別與計算機控制及圖像處理單元連接，施力控制單元連接施力單元；通過超聲換能 器向目標肌肉組織發(fā)送超聲波信號，同時，由施力控制單元控制施力單元向受試者目標肌 肉施加恒定的力，并通過最大收縮力歸一化，即測得最大力矩，然后取20%、30%、40%等不 同百分比最大力矩作為測試的力矩，經(jīng)超聲探頭由B超系統(tǒng)記錄目標肌肉的肌肉纖維圖并 送至計算機控制及圖像處理單元處理得到肌肉纖維圖像熵的紋理特征，通過劃定的圖像熵 閾值判斷目標肌肉肌肉疲勞的進程。
6. 根據(jù)權利要求5所述的利用超聲圖像熵特性檢測肌肉疲勞進程的系統(tǒng)，其特征在 于：所述施力單元為等速肌力測試裝置，受試者通過施力控制單元的控制線調(diào)節(jié)施力的大 小與時間，施力的大小由最大收縮力歸一化后獲得，施力時間從開始測量到目標肌肉組織 開始抖動結(jié)束。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種利用超聲圖像熵特性檢測肌肉疲勞進程的系統(tǒng)及方法，將超聲換能器對準目標肌肉組織區(qū)域，通過施力單元向目標肌肉組織施加恒定的力，按時間順序記錄被檢測肌肉受力過程中，沿肌肉纖維方向的B型超聲圖像，估計肌肉纖維圖像熵的紋理特征，根據(jù)肌纖維在運動中隨疲勞程度的增加，其截面積正相關的增加，整個肌纖維形成肌肉整體的有序化增加，反映肌纖維超聲特性的肌肉超聲圖像的熵正相關減少的原理，設定圖像熵閾值判斷目標肌肉疲勞的程度和進程；本發(fā)明將肌肉組織超聲圖像熵特征與肌肉組織疲勞進程結(jié)合起來，設計一套無損傷、無介入的肌肉組織疲勞進程超聲圖像熵檢測系統(tǒng)，實時、有效、無損的檢測肌肉疲勞進程。
【IPC分類】A61B8-08
【公開號】CN104523295
【申請?zhí)枴緾N201410350080
【發(fā)明人】郭建中, 王前, 劉世博
【申請人】陜西師范大學
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年7月22日