張佳慧 王建萍

摘要： 為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)智能服裝新的個(gè)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(jì)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(yùn)動(dòng)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(hào)，采用時(shí)域、頻域和相關(guān)函數(shù)分析方法得到各試樣的肌電信號(hào)擬合性能評(píng)價(jià)結(jié)果。結(jié)果表明：靜態(tài)下，智能腿套電極尺寸過(guò)大或過(guò)小都易出現(xiàn)信號(hào)異變;動(dòng)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(hào);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(fèi)需求升級(jí)的大環(huán)境下，人們開(kāi)始更多地關(guān)注健康并利用最新的智能技術(shù)監(jiān)測(cè)生理信號(hào)。智能服裝因其可對(duì)人體生理活動(dòng)信息及外部環(huán)境信息進(jìn)行長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)且“人體無(wú)意識(shí)”監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)而廣受青睞。近年來(lái)，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)的智能運(yùn)動(dòng)服裝已陸續(xù)研發(fā)，其中疾病預(yù)防和運(yùn)動(dòng)管理成為主要的流行趨勢(shì)。在基礎(chǔ)生理監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)消費(fèi)者對(duì)自我健康狀況的了解，也滿足了病人的更好監(jiān)護(hù)。在運(yùn)動(dòng)方面，目前智能運(yùn)動(dòng)服已具備步態(tài)[6]和動(dòng)作監(jiān)測(cè)[7]并給以運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)調(diào)整建議的功能，但仍舊無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的消費(fèi)需求。據(jù)美國(guó)可穿戴市場(chǎng)調(diào)研的報(bào)告指出，50%消費(fèi)者難以對(duì)智能服裝形成依賴性[8]，因此進(jìn)一步研發(fā)智能服裝的新功能對(duì)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(wú)創(chuàng)性、時(shí)效性[9]被運(yùn)動(dòng)神經(jīng)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在運(yùn)動(dòng)中，實(shí)施監(jiān)測(cè)人體表面肌電信號(hào)可預(yù)測(cè)肌肉疲勞而避免過(guò)度訓(xùn)練，更有助于調(diào)整運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)養(yǎng)成良好的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣。但由于人體表面肌電信號(hào)是一種非常微弱、不穩(wěn)定且易受外界干擾的信號(hào)，故對(duì)研發(fā)的智能產(chǎn)品電極采集肌電信號(hào)的精確性要求較高。本文選用鍍銀導(dǎo)電紗作為織物傳感材料，設(shè)計(jì)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(gè)狀態(tài)下的肌電信號(hào)。通過(guò)時(shí)域、頻域和相關(guān)函數(shù)分析以評(píng)價(jià)并對(duì)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(hào)擬合性能，為肌電信號(hào)采集用智能運(yùn)動(dòng)腿套產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供理論參考，對(duì)智能服裝多領(lǐng)域多功能發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。

1 試 驗(yàn)

1.1 對(duì) 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(biāo)正常，無(wú)小腿肌肉勞損病史，試驗(yàn)前24 h均無(wú)參加任何劇烈活動(dòng)的2名男性和3名女性作為試驗(yàn)對(duì)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(cè)受試者四肢骨骼肌及水分含量均在正常范圍內(nèi)，試驗(yàn)前對(duì)受試者進(jìn)行試驗(yàn)動(dòng)作培訓(xùn)以了解試驗(yàn)內(nèi)容，并要求受試者下身穿著較為寬松的運(yùn)動(dòng)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(dǎo)電紗線選用222 dtex鍍銀錦綸紗（青島志遠(yuǎn)翔宇功能性面料有限公司）。

設(shè)備與儀器：Goal 615 D型襪機(jī)，針筒直徑3.75英寸、144針（圣東尼上海針織機(jī)械有限公司），DTS 2223CN型無(wú)線表面肌電采集系統(tǒng)（Noraxon USA Inc），Horizon 832T型跑步機(jī)（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(hào)筆、剪刀及醫(yī)用膠帶（市售）。

1.3 方 案

1.3.1 采集點(diǎn)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(yùn)動(dòng)過(guò)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\(yùn)動(dòng)和日?；顒?dòng)中受損[10]，占小腿所有肌群受損的90%以上[11]，同時(shí)腓腸肌痙攣是最常見(jiàn)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(hào)的采集點(diǎn)。

1.3.2 表面肌電采集

試驗(yàn)環(huán)境設(shè)定參照文獻(xiàn)[12-13]，跑步最適宜的相對(duì)濕度為50%～60%，故試驗(yàn)在（25±1） ℃、（50±2）%RH的安靜舒適環(huán)境中進(jìn)行。為避免自身生理原因?qū)υ囼?yàn)造成干擾，受試者提前30 min適應(yīng)試驗(yàn)環(huán)境以保證皮膚汗液含量和溫度相對(duì)恒定。

試驗(yàn)前對(duì)采集部位脫毛處理并使用酒精棉片反復(fù)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(shí)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(hào)采樣頻率設(shè)置為1 500 Hz標(biāo)記智能腿套穿戴位置和膠帶長(zhǎng)度，以保證每次測(cè)量時(shí)穿戴位置和皮膚壓力相同。

由于肌電信號(hào)具有較大隨機(jī)性，試驗(yàn)同步采集靜坐、站立、行走和慢跑4種運(yùn)動(dòng)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(hào)，其中行走與慢跑狀態(tài)在跑步機(jī)上進(jìn)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(hào);更換一次試樣，休息5 min再進(jìn)行相同測(cè)試。

1.3.3 肌電信號(hào)擬合性能評(píng)價(jià)

從時(shí)域和頻域兩方面分析肌電信號(hào)是最早也是生物醫(yī)學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)領(lǐng)域最廣泛的分析方法[14]，目前已用于織物電極信號(hào)采集性能的分析[15-16]。

時(shí)域分析是采集的腓腸肌電信號(hào)隨時(shí)間變化的特征，繪制肌電信號(hào)的時(shí)域?qū)Ρ葓D（圖1），同時(shí)提取指標(biāo)均方根值RMS。RMS是肌電信號(hào)在一定運(yùn)動(dòng)時(shí)段內(nèi)的有效振幅，定義式為：

式中：N為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù);Xi為采樣點(diǎn)的肌電信號(hào)幅值。

頻域分析反映肌電信號(hào)隨信號(hào)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(biāo)中值頻率MF。MF是肌電時(shí)域信號(hào)功率譜圖面積中值所對(duì)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(gè)具有相同時(shí)域和頻域特征的隨機(jī)信號(hào)，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(jìn)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(hào)變化趨勢(shì)是否一致，提取Pearson相關(guān)系數(shù)和相應(yīng)的顯著性指標(biāo)以反映兩隨機(jī)變量在不同相對(duì)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(diǎn)個(gè)數(shù);μ為均值;σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

2 討論與分析

2.1 智能腿套工藝設(shè)計(jì)

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

2.1.1 規(guī)格參數(shù)設(shè)計(jì)

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(jì)

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(jìn)行添紗;同時(shí)由于方形織物電極存在邊緣效應(yīng)[18]，試驗(yàn)設(shè)計(jì)4種圓形電極尺寸，縱行×橫列數(shù)分別設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)后試樣需進(jìn)一步套在標(biāo)準(zhǔn)腿模上進(jìn)行熱定型整理，并在電極中心位置用導(dǎo)電紗縫上金屬扣，下機(jī)及熱定型后電極部位的工藝參數(shù)見(jiàn)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(hào)（表5）。

2.2 靜態(tài)肌電信號(hào)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(dǎo)入Matlab軟件，截取靜坐和站立狀態(tài)下的穩(wěn)定肌電信號(hào)各10 s，采用1.3.3中時(shí)域評(píng)價(jià)方法處理信號(hào)，并用Origin 9.0繪制靜態(tài)肌電信號(hào)RMS統(tǒng)計(jì)圖，結(jié)果如圖4所示。

觀察肌電信號(hào)時(shí)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(hào)穩(wěn)定性較好無(wú)明顯波動(dòng)。Ag/AgCl電極采集的肌電信號(hào)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(hào)有所變異，站立狀態(tài)的肌電信號(hào)幅值未高于靜態(tài)肌電信號(hào)，其余試樣與Ag/AgCl電極采集的靜態(tài)肌電信號(hào)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(hào)為2#、3#、6#、7#、9#～14#，智能腿套電極尺寸設(shè)置過(guò)大或過(guò)小都將影響其靜態(tài)肌電信號(hào)采集效果。

2.3 動(dòng)態(tài)肌電信號(hào)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(hào)各20 s，根據(jù)1.3.3肌電信號(hào)擬合性能評(píng)價(jià)方法觀察動(dòng)態(tài)肌電信號(hào)的時(shí)域、頻域?qū)Ρ葓D，并提取時(shí)域RMS、頻域MF，以及相關(guān)系數(shù)r和對(duì)應(yīng)的顯著性p指標(biāo)。

2.3.1 時(shí)域分析

采用Origin 9.0繪制動(dòng)態(tài)肌電信號(hào)RMS統(tǒng)計(jì)圖（圖5），各試樣RMS提取結(jié)果均為5名受試者的肌電信號(hào)RMS均值。慢跑時(shí)的智能腿套與Ag/AgCl凝膠電極采集的時(shí)域指標(biāo)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，4#和16#試樣未采集到肌電信號(hào)，是由電極尺寸較大和滿添紗工藝造成的正負(fù)織物電極接觸導(dǎo)致。通過(guò)觀察動(dòng)態(tài)肌電信號(hào)時(shí)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(hào)幅值與普通凝膠電極較為接近且趨勢(shì)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(hào)受到部分干擾。因此從時(shí)域分析結(jié)果來(lái)看，6#～8#（1×1抽條）智能腿套采集的肌電信號(hào)較為理想。

2.3.2 頻域分析

頻域指標(biāo)中值頻率MF統(tǒng)計(jì)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(hào)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(hào)中值頻率MF更為接近，且在慢跑狀態(tài)的肌電信號(hào)中值頻率均明顯高于行走狀態(tài)。通過(guò)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(shì)一致較好。

2.3.3 相關(guān)函數(shù)分析

使用Matlab提取兩隨機(jī)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(shí)刻點(diǎn)隨機(jī)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(rèn)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(hào)采集試驗(yàn)的緯編織物電極應(yīng)選用抽條組織作為導(dǎo)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(shí)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(dá)0.648 1，呈顯著相關(guān)，肌電信號(hào)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(jì)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(hào)，通過(guò)時(shí)域、頻域和相關(guān)函數(shù)分析評(píng)價(jià)各試樣的肌電信號(hào)擬合性能，為肌電信號(hào)采集用智能運(yùn)動(dòng)腿套產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供理論參考，促進(jìn)智能服裝向多領(lǐng)域發(fā)展以滿足消費(fèi)者的不同需求。通過(guò)試驗(yàn)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(hào)穩(wěn)定性較好無(wú)明顯波動(dòng)，但智能腿套電極尺寸設(shè)置過(guò)大或過(guò)小都易出現(xiàn)靜態(tài)肌電信號(hào)異變，影響其靜態(tài)肌電信號(hào)采集效果。

2）行走和慢跑狀態(tài)（動(dòng)態(tài)）下，除4#和16#外其余智能腿套試樣均能檢測(cè)到肌電信號(hào)。綜合時(shí)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(dá)0.648 1。故認(rèn)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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