基于树莓派 MCC 172 的神经肌肉生物力学测试系统

威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)的神经肌肉生物力学实验室(Neuromuscular Biomechanics Laboratory)对人体运动的生物力学和神经肌肉协调进行了研究,并将其应用于骨科和康复领域。

使用计算机模拟来表征肌肉腱动态,估计内部负荷,并测试指导运动控制的原理。研究的总体目标是为临床治疗和预防限制运动功能的损伤建立科学依据。

挑战

剪切波张力测定法是一种非侵入性技术,可促进运动过程中肌肉肌腱负荷的测量。传统上,它是通过台式系统完成的,该台式系统将使用范围限制在实验室环境中。

基于树莓派的解决方案允许在便携式包装中执行数据采集,从而解放了探索现实世界中生物力学行为的实验。

解决方案

剪切波张力计是首创的传感器,它可以在动态活动(例如步行和跑步)期间无创地跟踪体内的肌腱力。如果传感器可以在非实验室环境中便携式和可穿戴,则可以极大地扩展张力计的应用范围。高速,可靠的数据采集对于可穿戴式张力计的成功至关重要。

对于一个张力计,一个MCC 172 —— 基于IEPE传感器测量HAT,将以51,000Hz的频率完成两个单轴加速度计的采样。对于多张力计实验,两个HAT用于同步获取两个肌腱的数据。

在每个收集期间,通过开环压电控制器(MDT694B,Thorlabs,Newton,NJ)以50Hz方波驱动压电驱动(PK4JQP2,Thorlabs,Newton,NJ)。加速度计阵列由两个微型加速度计(352C23型,纽约州Depew的PCB Piezotronics)安装在硅胶模具(Mold Star 15 SLOW,Smooth-On,Macungie,PA)中,相距10mm。加速度计的数据以100kHz的频率采集,然后使用具有150和5000Hz截止频率的滤波器进行滤波。计算两个加速度计到达波之间的时间,通过将加速度计之间的距离(10毫米)除以时间延迟来计算剪切波速度。对每个方波上升沿信号执行此分析会产生50Hz的肌腱波速度信号。

具体的理论方法参考:
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fspor.2020.00069/full

该系统由树莓派4B,两个MCC 172和两个单轴加速度计组成。Pololu Wixel是一种具有2.4GHz无线电和USB接口的通用可编程模块,可远程支持触发。

使用Python™脚本对该系统进行了编程,以实现多HAT连续采集。数据的后处理则是在MATLAB®中完成的。

成果

整套系统是一个小型便携式解决方案,允许研究人员在实际环境中测量肌腱的生物力学行为。

树莓派和MCC 172的体积小巧,使研究人员能够创建轻巧且可穿戴的DAQ解决方案,以测量步行和跑步过程中的动态活动。

达里尔·塞伦(Darryl Thelen)
机械工程系(Department of Mechanical Engineering)
威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)
1513 University Ave
Madison, WI 53706

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