陕西师范大学学报(自然科学版) 第43卷 常常淹没在噪声信号中使得其在幅度上呈现固有的测量受试者右肱二头肌2横向平均厚度x。为4cm 不稳定性口1,而基于肌肉疲劳的生化指标评估疲参照文献[18]超声在肌肉组织横纤维方向传播 劳程度的方法需要对人体有创伤的进行评价15 时11衰减系数a为5.75dB/cm2,将二者代入(4) 近年来研究人员开始探讨超声参数与肌肉功能式得到肌肉组织疲劳过程中时间与幅度的函数关系 之间的关系来评估肌肉疲劳。2003年 Hodges等研式为 究了超声成像对肌肉收缩的测量[16,之后Mc A/A=e-23e-186.07 (5) Meeker等研究了腹横肌厚度与SEMG变化的相关式(5)中幅度随时间变化如图1,可得肌肉组织疲劳 性[。2005年胡跃辉等通过检测超声图像中肌肉过程中幅度衰减近于指数形式的单调减函数。 厚度的变化估计肌肉疲劳,但这种超声图像检测方 法,无法实现对图像的实时处理。严碧歌通过采 用脉冲反射法探讨了超声对肌肉组织超声传输特 性310),表明肌肉组织超声传输衰减特性具有随纤 维方向结构变化特征,对研究生物软组织声学特征 及其临床应用具有参考价值 本文基于超声波在肌肉组织中的传播机理,分 析疲劳过程中的肌肉组织超声波传输衰减特征,设 计相应的实验研究在肌肉静态疲劳收缩过程中超声 图1疲劳过程中超声波幅度随时间变化图 激励信号在逐渐疲劳的肌肉组织中的传输规律,得 in fatigue process 到肌肉疲劳状态与超声衰减特征的规律,以及与同 对于衰减系数a,在测量生物组织声衰减的理 步采集的SEMG估计肌肉疲劳的相关性,以探寻 论分析中,衰减系数与声源频率相关[20,改变声源 项方便快捷、适合在线实时检测肌肉组织疲劳的频率可以得到不同频率下生物组织的超声衰减系 技术。 数,经过曲线拟合可表示为 1肌肉组织疲劳过程中超声传输衰减 的理论分析 式中a是衰减常数,在1~7MHz频率范围内B 的值为1.07~1.14。由公式(6)可知生物组织声衰 超声波在介质中传播时,会因波前扩展和材料内减系数随入射频率∫的变化关系,那么随着∫增 摩擦以及界面散射造成超声能量衰减。平面声波大,衰减系数a越大,衰减程度随之加强 在介质中沿直线方向传播时,根据朗伯比尔(Lam- bert-Beer)定律的推导,其振幅衰减{2可表示为 2实验 (1) 公式(5)表明随着肌肉疲劳过程中肌肉厚度△x 式中:A0为最初的声波幅度,A为声波经过x距离逐渐增加,声波幅度A的衰减近似一个指数函数衰 后的幅度,a是介质的衰减系数。 减。公式(6)表明随着入射声波频率f的增大,超 超声图像检测发现,疲劳过程中肌肉的厚度随声波的衰减系数a增大,声波衰减程度增强。 时间变化有非线性增加0:23,肌肉厚度的增加量2.1实验设计 △x与时间t(t≤30s)的关系32为 针对肌肉疲劳过程中超声波幅度衰减规律满足 △x=8.09xoe 6.69x0e (2)指数函数衰减以及超声波幅度衰减与入射的超声波 式中:x0为超声波经过的目标肌肉的初始厚度,△x频率相关,我们设计了肌肉组织疲劳过程中的超声 为随着疲劳肌肉厚度的增加量 传输衰减测量实验,如图2所示。其中由计算机控 超声传播过程中,如果传输距离增大Δx,由式制信号发生器( RIGOL,型号DG3101A)产生相应 (1)可得 的激励信号,激励超声换能器[2( OLYMPUS,型 A=Ae“o (3)号A306S-SU)产生超声波在肌肉组织中传输,由 将式(2)代入式(3)得到 另一端换能器( OLYMPUS,型号A327S-SU)接 A/A。=e“0+809a0-6.69x0。.0 (4)收,计算机控制示波器( TELEDYNE LECROY,型４２ 陕西师范大学学报（自然科学版） 第４３卷 常常淹没在噪声信号中使得其在幅度上呈现固有的 不稳定性［１３１４］，而基于肌肉疲劳的生化指标评估疲 劳程度的方法需要对人体有创伤的进行评价［１５］。 近年来研究人员开始探讨超声参数与肌肉功能 之间的关系来评估肌肉疲劳。２００３年 Ｈｏｄｇｅｓ等研 究了 超 声 成 像 对 肌 肉 收 缩 的 测 量［１６］，之 后 Ｍｃ Ｍｅｅｋｅｎ等研究了腹横肌厚度与ＳＥＭＧ 变化的相关 性［１７］。２００５年胡跃辉等通过检测超声图像中肌肉 厚度的变化估计肌肉疲劳，但这种超声图像检测方 法，无法实现对图像的实时处理［９］。严碧歌通过采 用脉冲反射法探讨了超声对肌肉组织超声传输特 性［１８１９］，表明肌肉组织超声传输衰减特性具有随纤 维方向结构变化特征，对研究生物软组织声学特征 及其临床应用具有参考价值。 本文基于超声波在肌肉组织中的传播机理，分 析疲劳过程中的肌肉组织超声波传输衰减特征，设 计相应的实验研究在肌肉静态疲劳收缩过程中超声 激励信号在逐渐疲劳的肌肉组织中的传输规律，得 到肌肉疲劳状态与超声衰减特征的规律，以及与同 步采集的ＳＥＭＧ 估计肌肉疲劳的相关性，以探寻一 项方便快 捷、适 合 在 线 实 时 检 测 肌 肉 组 织 疲 劳 的 技术。 １ 肌肉组织疲劳过程中超声传输衰减 的理论分析 超声波在介质中传播时，会因波前扩展和材料内 摩擦以及界面散射造成超声能量衰减［２０］。平面声波 在介质中沿直线方向传播时，根据朗伯比尔（Ｌａｍ ｂｅｒｔＢｅｅｒ）定律的推导，其振幅衰减［２１］可表示为 犃＝犃０ｅ－α狓 。 （１） 式中：犃０ 为最初的声波幅度，犃 为声波经过狓 距离 后的幅度，α是介质的衰减系数。 超声图像检测发现，疲劳过程中肌肉的厚度随 时间变化 有 非 线 性 增 加［１０，２２］，肌 肉 厚 度 的 增 加 量 Δ狓与时间狋（狋≤３０ｓ）的关系［２３２４］为 Δ狓＝８．０９狓０ｅ－０．００６狋－６．６９狓０ｅ－０．０９３狋。 （２） 式中：狓０ 为超声波经过的目标肌肉的初始厚度，Δ狓 为随着疲劳肌肉厚度的增加量。 超声传播过程中，如果传输距离增大 Δ狓，由式 （１）可得 犃＝犃０ｅ－α（狓０＋Δ狓）。 （３） 将式（２）代入式（３）得到 犃／犃０＝ｅ－α（狓０＋８．０９狓０ｅ－０．００６狋－６．６９狓０ｅ－０．０９３狋）。 （４） 测量受试者右肱二头肌［２５］横向平均厚度狓０为４ｃｍ， 参照文 献 ［１８］超 声 在 肌 肉 组 织 横 纤 维 方 向 传 播 时［１８１９］衰减系数α为５．７５ｄＢ／ｃｍ２，将二者代入（４） 式得到肌肉组织疲劳过程中时间与幅度的函数关系 式为 犃／犃０＝ｅ－２３ ｅ－１８６．０７ｅ－０．００６狋 ｅ１５３．８７ｅ－０．０９３狋 。 （５） 式（５）中幅度随时间变化如图１，可得肌肉组织疲劳 过程中幅度衰减近于指数形式的单调减函数。 图１ 疲劳过程中超声波幅度随时间变化图 犉犻犵．１ 犜犺犲狏犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳狋犺犲狌犾狋狉犪狊狅狀犻犮犪犿狆犾犻狋狌犱犲 犻狀犳犪狋犻犵狌犲狆狉狅犮犲狊狊 对于衰减系数α，在测量生物组织声衰减的理 论分析中，衰减系数与声源频率相关［２６］，改变声源 频率可以得到不同频率下生物组织的超声衰减系 数，经过曲线拟合可表示为 α＝α０犳β。 （６） 式中α０ 是衰减常数，在１～７ ＭＨｚ频率范围［２７］内β 的值为１．０７～１．１４。由公式（６）可知生物组织声衰 减系数随入射频率 犳 的变化关系，那么随着 犳 增 大，衰减系数α越大，衰减程度随之加强。 ２ 实验 公式（５）表明随着肌肉疲劳过程中肌肉厚度 Δ狓 逐渐增加，声波幅度犃 的衰减近似一个指数函数衰 减。公式（６）表明随着入射声波频率犳 的增大，超 声波的衰减系数α增大，声波衰减程度增强。 ２．１ 实验设计 针对肌肉疲劳过程中超声波幅度衰减规律满足 指数函数衰减以及超声波幅度衰减与入射的超声波 频率相关，我们设计了肌肉组织疲劳过程中的超声 传输衰减测量实验，如图２所示。其中由计算机控 制信号发生器（ＲＩＧＯＬ，型号 ＤＧ３１０１Ａ）产生相应 的激励信号，激励超声换能器［２８２９］（ＯＬＹＭＰＵＳ，型 号 Ａ３０６Ｓ—ＳＵ）产生超声波在肌肉组织中传输，由 另一端 换 能 器 （ＯＬＹＭＰＵＳ，型 号 Ａ３２７Ｓ—ＳＵ）接 收，计算机控制示波器（ＴＥＬＥＤＹＮＥＬＥＣＲＯＹ，型