本发明涉及超声波检测，具体地，涉及一种基于柔性可穿戴传感器的肌肉弹性模量检测系统及方法。尤其涉及一种基于柔性微型可穿戴超声传感器的肌肉状态与弹性模量检测系统。
背景技术：
1、对人体或动物体的生理信号进行检测是医学和科研的关键环节，它不仅有助于疾病的早期诊断和治疗效果的评估，还能为个体提供健康管理和生物反馈训练。此外，生理信号检测在虚拟现实、增强现实和健身领域也发挥着重要作用，为用户提供更真实的体验和优化的锻炼计划。对生物体的生理信号进行检测和分析，有助于科学家和研究者更深入地理解身体的功能和机制，促进医学和生物科学的研究和发展。
2、超声检测是一种无创、实时并具有动态观察能力的方法，它能够提供对人体内部组织和器官的详细信息。与其他技术相比，超声具有成本低、无辐射风险和高分辨率的优点，同时还可以通过多种模式提供关于血流和组织硬度的信息。因此，超声在医学领域中被视为一种高效且多功能的工具。近年来，利用超声检测肌肉运动状态信息的方法被许多文献所报道。目前利用超声检测肌肉运动状态信息的方法主要有a超和b超。目前利用超声检测肌肉弹性模量的方法主要有mri、准静态弹性成像和动态弹性成像。
3、在超声检测领域中：一方面，针对于肌肉运动状态信息问题，a超是利用独立超声传感器，对某一位置的不同深度进行扫描，得到一维特性；而b超一般为阵列超声传感器，对某一剖面进行扫描，得到二维特性；由于b超设备体积比较大、成本高，不适合用来作为可穿戴的传感器设备。另一方面，针对于肌肉弹性模量问题，mri使用成本高，成像速度慢；动态弹性成像需要接入外部振源或声辐射激励，所以他们不适合用来作为可穿戴的传感设备。本技术采用a超和准静态弹性成像原理来分别进行肌肉状态与弹性模量检测。本技术主要应用准静态弹性成像原理检测肌肉弹性模量，基于不同的超声检测步骤与超声信号处理方法，本系统同时也能采用a超原理进行肌肉运动状态信息检测。
4、柔性可穿戴传感器是近年来快速发展的技术领域，它结合了微电子、纳米技术和生物医学工程的先进研究，为各种应用领域带来了创新的解决方案。与传统刚性传感器相比，柔性可穿戴传感器能够紧贴皮肤或衣物。由于其柔韧性，它可以较好地适应身体的各种曲线和动作，从而更好地捕捉并响应外部刺激。基于微型传感制造工艺、器件集成化、使用环境等因素，以往的柔性可穿戴传感器在使用过程中存在较多限制。一方面，使用过程中传感器本身材料耐用性有限，在反复弯曲、拉伸或长期佩戴过程中，材料可能会发生疲劳或损坏，导致传感器性能下降或失效。另一方面，传统的结构设计与材料选择，致使传感器可能无法完全贴合皮肤，特别是在身体弯曲或运动较频繁的部位，这会导致传感器脱落、不稳定或者引起皮肤不适和过敏反应，限制了其长时间佩戴的可能性。另外，超声领域对传感检测过程中的信号要求较高，以往的柔性可穿戴传感器在数据采集时的灵敏度和准确性不足，影响其在实际应用中的效果和可靠性。
5、因此，本领域的技术人员致力于开发一种柔性可穿戴式检测肌肉状态与弹性模量的超声系统。
技术实现思路
1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于柔性可穿戴传感器的肌肉弹性模量检测系统及方法。
2、根据本发明提供的一种基于柔性可穿戴传感器的肌肉弹性模量检测系统，包括：柔性可穿戴超声传感器阵列、超声脉冲发生接收器和数据采集系统/pc端；
3、通过所述柔性可穿戴超声传感器接收所述超声脉冲发生接收器所产生的脉冲信号，将所述脉冲信号转换为超声波信号发射至被检测对象中，并将所述超声回波信号反馈至所述超声脉冲发生接收器；所述超声脉冲发生接收器将所述超声回波信号发送至所述数据采集系统/pc端进行分析处理后得到对应的肌肉弹性模量。
4、优选地，所述柔性可穿戴超声传感器阵列包括多个柔性可穿戴超声传感器；
5、所述柔性可穿戴超声传感器的空间布置方式包括线性阵列、弧形阵列、点阵；
6、相邻与相对的柔性可穿戴超声传感器之间具有间距，用于减少信号之间的串扰，所述间距应大于或等于超声波的半波长。
7、优选地，所述柔性可穿戴超声传感器之间用蛇形电路连接；
8、所述柔性可穿戴超声传感器的结构采用双层对称结构，通过粘连层相互固定。
9、优选地，所述柔性可穿戴超声传感器包括保护层、电磁屏蔽层、隔音材料、电极层、压电材料薄膜和粘连层；
10、所述保护层和所述电磁屏蔽层对称分布在上下区域，作为所述柔性可穿戴超声传感器的最外层，所述隔音材料与所述电磁屏蔽层和所述电极层之间不粘接，用于消除超声波的后向反射；所述电极层包括上电极层、中间电极层和下电极层；
11、其中，上、下两层电极层与接地端相连，中间电极层与所述压电材料薄膜相粘合并连接到有源电压端。
12、优选地，所述保护层由聚酰亚胺膜构成，用于结构保护和电绝缘；
13、所述电磁屏蔽层由柔性黄铜膜构成，用于电磁屏蔽降低环境噪声；
14、所述电极层由导电银油墨构成；
15、所述压电材料薄膜由1～2层柔性压电材料构成，用于产生和接收超声波信号。
16、优选地，所述超声脉冲发生接收器包括超声脉冲发射电路、超声回波接收电路和脉冲发生接收转换电路；
17、所述超声脉冲发射电路包括控制器和脉冲发生器，用于产生所需要的波形和基于该波形产生超声波脉冲信号，并按需对各通道超声波脉冲信号进行相位控制；
18、所述超声回波接收电路包括信号放大与滤波器、模数转换器和输入输出缓存器，用于对超声回波信号进行放大并进行滤波处理，并将模拟信号转换为数字信号；
19、所述脉冲发生接收转换电路用于实现发射和接收电路转换。
20、根据本发明提供的一种基于柔性可穿戴传感器的肌肉弹性模量检测方法，采用所述的基于柔性可穿戴传感器的肌肉弹性模量检测系统，检测方法包括：
21、步骤s1：将柔性可穿戴超声传感器阵列佩戴于被检测区域肌体表面，并接收述超声脉冲发生接收器发送的脉冲信号；
22、步骤s2：柔性可穿戴超声传感器阵列中的各个柔性可穿戴超声传感器将依次将所述脉冲信号转换为超声信号，并发射所述超声信号至被测区域；
23、步骤s3：所述柔性可穿戴超声传感器阵列中各传感器接收超声回波信号，并按各通道将超声回波信号反馈至所述超声脉冲发生接收器；
24、步骤s4：对所述被测区域施加应变后再次执行步骤s1至步骤s3后执行步骤s5；
25、步骤s5：超声脉冲发生接收器接收两次超声回波信号进行模数转换后发送至数据采集系统/pc端，所述数据采集系统/pc端对两次超声回波信号进行互相关分析，以检测肌肉弹性模量分布。
26、优选地，所述步骤s5包括：
27、步骤s5.1：通过数据采集系统/pc端获得施加微小应变前后的超声回波信号后，对所述超声回波信号分别进行信号滤波和去噪处理，并提取对应的特征；
28、步骤s5.2：基于时域的互相关算法，在合理的时域范围内使用滑动窗口对施加微小应变前后的超声回波信号的相互关联性进行分析处理，寻找两次超声回波信号特征窗口所对应的时间延迟；
29、步骤s5.3：根据所述时间延迟计算被检测对象在轴向静态压力下的位移，并通过差分计算被检测组织的应变；
30、步骤s5.4：利用弹性理论模型将测量到的应变与外力相联系，并根据所述弹性理论模型和超声信号数据，计算得到被检测对象的弹性模量。
31、优选地，所述特征包括最大和最小振幅、信号频率成分、信号持续时间；
32、所述弹性理论模型包括霍克定律。
33、优选地，还包括检测肌肉运动状态，检测方法包括以下步骤：
34、步骤a：将柔性可穿戴超声传感器阵列佩戴于被检测区域肌体表面，超声脉冲发生接收器向柔性可穿戴超声传感器阵列发送脉冲信号，柔性可穿戴超声传感器阵列中各传感器依次将脉冲信号转换为超声信号，并发射超声信号至被测区域；
35、步骤b：柔性可穿戴超声传感器阵列中各传感器接收超声回波信号，并按各通道将超声回波信号反馈至超声脉冲发生接收器。
36、步骤c：超声脉冲发生接收器将超声回波信号进行模数转换后发送至数据采集系统/pc端，数据采集系统/pc端对超声回波信号进行分析，以检测肌肉运动状态；
37、所述步骤c包括基于脉冲-回波法，在连续检测过程中获取的超声回波信号进行信号滤波和去噪处理，提取出时间特征和频率特征，通过对连续时间点的超声回波信号在时域与频率内进行比对，识别不同的肌肉运动状态。
38、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
39、1、本发明构建的柔性可穿戴超声传感器结构本身使用多层设计，通过保护层的封装，在保证传感性能的同时，提高其在使用过程中的耐用性。具有多种工作模式，使得柔性可穿戴超声检测系统可以满足不同的工作要求，并且多通道传感器间可独立工作，互不干扰，以达到做好的工作性能需求。
40、2、本发明通过柔性可穿戴超声传感器微型化、电极连接采用蛇形电路，保证了柔性可穿戴超声传感器阵列的可拉伸与弯曲性能，致使传感器阵列与人体更贴合相连，使其在反复弯曲、拉伸或长期佩戴过程中保持稳定。
41、3、本发明通过电磁屏蔽层与多层压电材料结构设计保证传感器良好的压电性能与抗噪声干扰能力，并通过对柔性可穿戴超声传感器阵列超声信号的相位控制达到聚焦效果，最大程度上保证超声信号数据的灵敏度和准确性。
42、4、本发明根据实际需要对输出至各路通道连通的所述柔性可穿戴超声传感器的超声信号进行相位控制，从而有效增强超声信号强度。
43、5、本发明的超声脉冲发生接收器可实现逻辑控制能力，根据实际需要对输出至各路通道连通的所述柔性可穿戴超声传感器的超声信号进行相位控制，以达到超声信号聚焦的效果，从而有效增强超声信号强度。
1.一种基于柔性可穿戴传感器的肌肉弹性模量检测系统，其特征在于，包括：柔性可穿戴超声传感器阵列、超声脉冲发生接收器和数据采集系统/pc端；
2.根据权利要求1所述的基于柔性可穿戴传感器的肌肉弹性模量检测系统，其特征在于，所述柔性可穿戴超声传感器阵列包括多个柔性可穿戴超声传感器；
3.根据权利要求2所述的基于柔性可穿戴传感器的肌肉弹性模量检测系统，其特征在于，所述柔性可穿戴超声传感器之间用蛇形电路连接；
4.根据权利要求2所述的基于柔性可穿戴传感器的肌肉弹性模量检测系统，其特征在于，所述柔性可穿戴超声传感器包括保护层、电磁屏蔽层、隔音材料、电极层、压电材料薄膜和粘连层；
5.根据权利要求4所述的基于柔性可穿戴传感器的肌肉弹性模量检测系统，其特征在于，所述保护层由聚酰亚胺膜构成，用于结构保护和电绝缘；
6.根据权利要求1所述的基于柔性可穿戴传感器的肌肉弹性模量检测系统，其特征在于，所述超声脉冲发生接收器包括超声脉冲发射电路、超声回波接收电路和脉冲发生接收转换电路；
7.一种基于柔性可穿戴传感器的肌肉弹性模量检测方法，其特征在于，采用权利要求1至6任一项所述的基于柔性可穿戴传感器的肌肉弹性模量检测系统，检测方法包括：
8.根据权利要求7所述的基于柔性可穿戴传感器的肌肉弹性模量检测方法，其特征在于，所述步骤s5包括：
9.根据权利要求8所述的基于柔性可穿戴传感器的肌肉弹性模量检测方法，其特征在于，所述特征包括最大和最小振幅、信号频率成分、信号持续时间；
10.根据权利要求7所述的基于柔性可穿戴传感器的肌肉弹性模量检测方法，其特征在于，还包括检测肌肉运动状态，检测方法包括以下步骤：
