一种用于姿势控制能力检测的多信号同步采集系统及方法

本发明涉及姿势控制检测，具体涉及一种用于姿势控制能力检测的多信号同步采集系统及信号采集方法。

背景技术：

1、姿势控制是指为实现身体重心稳定和肢体空间定位而完成的一系列神经肌肉控制活动，其中中枢神经系统主导的预期姿势调节（anticipatory postural adjustment，apas）、补偿姿势调节（compensatory postural adjustment，cpas）和随意姿势调节是姿势控制的三个基本生理学机制。在中枢神经系统，姿势控制涉及大脑感觉皮质、运动皮层、运动前区、前额叶、小脑、基底节等多脑区的协同、交流。在外周，姿势控制涉及肌肉的激活及人体动力学改变。

2、目前，常用的神经肌肉运动控制评价方法，包括近红外脑功能成像（functionalnear infrared spectroscopy, fnirs）检测、表面肌电图（surface electromyography,semg）检测、压力平台（center of pressure, cop）检测。

3、但是现有的姿势控制检测方法，存在如下缺陷：其一，传统的姿势控制检测方法不能实现同时采集中枢神经系统及外周骨骼肌肉的姿势控制相关生物信号。虽然近红外功能检测已被用于中枢神经系统姿势控制的脑功能信号检测，但是却无法实现对身体外周肌电信号和人体压力中心改变的检测；且现有的表面肌电检测及压力平台检测，局限于姿势控制相关表面肌电及人体压力中心信号检测，无法实现对中枢神经系统脑功能的检测。其二，传统的姿势控制检测方法多采用有线连接方法，设备线缆排布繁琐、易缠绕限位，不利于用于检测受试者灵活执行姿势控制任务，容易干扰受试者肢体动作，导致检测数据失真。其三，对于姿势控制的检测，目前缺少适用于动静态任务下中枢及外周生物信号的同步无线采集装置，各类信号采集设备独立工作，时间戳无法统一，信号时序错位、同步性差，无法精准对应姿势调节过程中的脑区激活、肌肉发力、重心变化的耦合关系，检测精度和数据完整性不足。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：提供一种用于姿势控制能力检测的多信号同步采集系统及方法，能够实现中枢脑功能信号、外周肌电信号、人体压力中心信号的无线同步采集，可适配各类动静态姿势控制任务，提升检测灵活性、数据同步精度与检测准确性。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一、一种用于姿势控制能力检测的多信号同步采集系统

4、本发明提供了一种用于姿势控制能力检测的多信号同步采集系统，主要包括：压力平台检测设备1、表面肌电检测设备2、近红外脑信号检测设备3、多信号同步盒4和上位机5；

5、所述压力平台检测设备1垫设于受试者脚底地面上，用于实时采集受试者的人体压力中心信号变化量；所述表面肌电检测设备2安装于受试者腿部预设肌群处，且与受试者腿部皮肤紧密贴合，用于实时采集受试者腿部肌群表面的肌电信号变化量；所述近红外脑信号检测设备3的测量端佩戴于受试者头部，用于实时采集受试者的脑功能信号变化量；

6、所述多信号同步盒4通过无线同步接口一41、无线同步接口二42、无线同步接口三43分别与所述压力平台检测设备1、表面肌电检测设备2、近红外脑信号检测设备3无线通信连接，且所述多信号同步盒4通过通信线缆与所述上位机5电性连接。

7、优选的，所述多信号同步盒4内设置有时钟同步模块、信号触发模块和数据缓存模块；

8、所述时钟同步模块用于统一所述压力平台检测设备1、表面肌电检测设备2、近红外脑信号检测设备3的采集时钟，所述信号触发模块用于同步下发采集触发指令给三组检测设备，所述数据缓存模块用于实时缓存多源采集信号。

9、优选的，所述压力平台检测设备1内部集成有电容式压力传感阵列，用于实现各静态及动态姿势任务下的压力数据采集。

10、优选的，所述表面肌电检测设备2采用柔性电极片结构，其与受试者腿部曲面贴合，用于采集姿势调节过程中受试者腿部肌群激活时序与发力强度信号。

11、优选的，所述近红外脑信号检测设备3的检测探头对应大脑运动皮层、感知皮层和小脑运动关联脑区布设，用于捕捉中枢神经系统在姿势调节过程中的脑区激活状态数据。

12、二、一种用于姿势控制能力检测的多信号同步采集方法

13、基于同一发明构思，本发明还提供了一种用于姿势控制能力检测的多信号同步采集方法，采用如上所述的多信号同步采集系统，包括如下步骤：

14、s1，设备穿戴与部署：将压力平台检测设备水平放置于平整地面，受试者赤脚站立于压力平台中心区域；清洁受试者腿部检测区域皮肤，去除油脂与角质，将表面肌电检测设备电极片贴合固定于受试者腿部预设肌群处；将近红外脑信号检测设备佩戴于受试者头部，调整探头位置固定，确保探头对应预设脑区；

15、s2，系统时钟同步配置：启动多信号同步盒的时钟同步模块，分别建立多信号同步盒与三组采集设备的无线通信链路，通过设备时钟同步校准算法统一压力平台检测设备、表面肌电检测设备、近红外脑信号检测设备的采集时钟，完成多设备时序对齐；

16、s3，任务模式选取与指令下发：上位机根据不同姿势控制能力检测需求，选取静态姿势检测任务或动态姿势检测任务；并将任务指令与同步采集触发信号传输至多信号同步盒；

17、s4，多信号同步采集：受试者确认准备完成后，上位机输出任务提示，引导受试者执行对应姿势控制动作；同时多信号同步盒同步触发三组检测设备启动实时信号采集；

18、s5，信号预处理与同步耦合：多信号同步盒对缓存的三类原始信号进行自适应降噪滤波降噪预处理，并基于统一时间戳和多信号同步耦合量化算法对三类信号进行时序匹配整合，生成带同步时间轴的多维度姿势控制信号数据集，并将整合后的完整数据上传至上位机；

19、s6，数据存储与重复检测：上位机接收并存储多信号数据集，同步展示信号变化曲线；单次任务采集完成后，自动保存数据，并重复执行不同姿势任务的采集流程。

20、优选的，在步骤s2中，所述设备时钟同步校准算法，公式如下：

21、ts=t0+△t1+△t2+△t3

22、式中，ts为统一标准采集时钟，t0为多信号同步盒基准时钟，△t1为压力平台设备时钟偏差修正值，△t2为表面肌电设备时钟偏差修正值，△t3为近红外脑信号设备时钟偏差修正值，通过该公式将所有设备时钟统一至基准时钟，保障同步采集精度。

23、优选的，在步骤s4中，所述压力平台检测设备持续采集人体重心坐标、压力分布变化的cop信号，所述表面肌电检测设备采集肌群激活的semg电压信号，所述近红外脑信号检测设备采集脑区血氧浓度变化的fnirs信号，三组信号实时无线传输至多信号同步盒缓存。

24、优选的，在步骤s5中，所述自适应降噪滤波降噪预处理，公式如下：

25、xout(t)=α×xin(t)+(1-α)×xout(t-1)

26、式中，xout(t)为t时刻降噪后信号值，xin(t)为t时刻原始采集信号值，xout(t-1)为t-1时刻降噪后信号值，α为滤波系数。

27、优选的，在步骤s5中，所述多信号同步耦合量化算法，

28、公式如下：

29、s(t)=w1×c(t)+w2×m(t)+w3×b(t)

30、式中，s(t)为t时刻姿势控制综合信号量化值，c(t)为t时刻cop压力中心信号归一化值，m(t)为t时刻semg肌电信号归一化值，b(t)为t时刻fnirs脑血氧信号归一化值，w1、w2、w3分别为对应信号权重系数，且w1+ w2+ w3=1。

31、本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

32、1、本发明构建了中枢脑功能信号、外周肌电信号、人体压力中心信号一体化的无线同步采集系统，能够同步获取姿势控制过程中脑区激活、肌肉发力、重心偏移的全维度生物信号，完整覆盖姿势调节的中枢调控与外周执行全过程，解决了现有技术无法联动检测中枢与外周生理信号的行业痛点，可大幅提升姿势控制能力检测的全面性与系统性。

33、2、本发明采用全无线信号传输架构，既能够保证多信号同步采集精度，又可保障受试者灵活完成各类静态、动态姿势控制任务，有效避免设备硬件对检测动作的干扰，显著提升检测数据的真实性与精准度，适配不同场景、不同动作模式的姿势检测需求。

34、3、本发明通过多信号采集与处理算法，可实现多源信号的自动降噪、时序匹配与耦合量化处理，大幅提升数据处理效率，能够为姿势控制能力检测提供精准、全面、时序统一的原始数据支撑，具备较强的实际应用价值与推广前景。