苏炳添新论文提出运动监控系统!借助可穿戴设备,聚焦于运动信号的科学检测方式

2021-11-18 10:20:28

今年东京奥运会上,苏炳添以9秒83的百米亚洲纪录缔造者的身份,进入了人们的视线。

“苏神”的名号,一时传遍了大江南北。

其实,除了奥运会百米运动员之外,苏炳添还有另外两个身份:暨南大学体育学院副教授以及北京体育大学2019级博士研究生。

此前备战奥运会期间还在写博士论文的苏炳添,之前已经发表过数篇短跑方面的论文,研究内容主要是“苏炳添为什么跑这么快”。

最近,在告别全运会征程之后,苏炳添回归家庭享受了一个短暂假期,随后又开启了工作模式。

暨南大学官方录制的一段有关苏炳添上课的视频中,除了在运动场和力量室里的教学外,在户外运动场,苏炳添先是演示跨栏动作,双臂张开平行,随即跨栏,后续还有钻栏的动作,然后让学生一一做出来,苏炳添则在一旁监督纠正。

除了教学之外,苏炳添与国家体育总局体育科学研究所/北京体育大学陈小平、暨南大学化学与材料学院李风煜教授等人合作,从运动员训练中对各种体征信号采集、分析的需求出发,综述了近些年来柔性电子、光电集成传感器的最新研究进展,介绍了不同种类的运动信号检测方法,包括生物电位信号监测、电化学传感监测、光电容积描记法监测等。

相关论文也以“科学训练辅助:柔性可穿戴传感器运动监测应用”为题,发表在《中国科学: 信息科学》上。

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基于电生理信号监测

在论文中,作者主要讨论了基于电生理信号监测、基于光电感知的体征监测和基于电化学生物传感监测三类。

在基于电生理信号监测中,我们就来看看其中的一类,即肌肉电信号。

肌肉电信号采集的原理主要通过体表附着电极,进行对肌肉系统的神经细胞所产生的电生理信号的监测。通过监测运动过程中的肌肉电信号变化,可以对肌肉疲劳发出预警,从而调整运动员的训练方法以及训练量。

在电极与皮肤的贴合性问题上,新加坡国立大学的欧阳建勇教授引入基于山梨醇修饰的PEDOT:PSS与水性聚氨酯复合的有机干电极薄膜,即使皮肤处于湿润条件下,电极仍能与皮肤实现良好贴合。也就是说,即使在运动出汗过程中,该电极仍能采集到高质量的肌电信号。

为实现便携式的实时监测肌电信号,佐治亚理工学院的Woon-Hong Yeo教授提出了基于石墨烯、银、聚酰亚胺等多种纳米材料合成制备可拉伸的传感器。该方法打印制备的柔性电极能够与皮肤形成良好的贴合,在循环多次使用情况下,仍然能够采集具有高质量的信号。

除此之外,新加坡南洋理工大学的陈晓东教授采用水凝胶与TPU-Au导电复合材料制备的电极,具有机械柔软性以及高导电性,可以在运动电生理信号的监测获得质量稳定的信号,电极在150次循环使用后,采集信号的信噪比仍保持在45dB,即具有极佳的耐疲劳性。

通过上面的讨论可以看出,通过开发新型导电材料,制备柔性电极,可解决肌肉电信号监测中器件集成与贴附的问题,也有助于更灵敏、便捷、可穿戴、可附着式传感设备的开发。

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基于光电感知的体征监测

在基于光电感知的体征监测中,可以分为心率、心率变异性和血氧饱和度。

作为人体最重要的人体体征信息之一,心率的监测方法主要包括基于ECG黄金标准法和基于PPG原理的方法。

在针对心率监测方法的改进上,香港中文大学的赵铌教授基于有机光电晶体管和无机LED掺杂,研制了超薄柔性近红外光表皮电容积脉搏波传感器,首次搭建了柔性生物传感器的生理信号检测平台,主要解决运动过程中产生的运动伪影导致采集光电信号数据失真的问题。

西北大学Rogers教授团队研发了一种柔性平台的材料和设备,在指甲片上安装柔性薄膜光电传感器,集成光电功能进行光电容积图的无线捕获和传输,采用带有双层环形天线的多层布局,可最大限度地提高能量收集效率和无线数据通信的距离,进行心率等生理信号的实时监测。与商业手环相比,该器件贴合指甲,足以减少运动伪影导致的信号衰减问题,准确性较高。

随着AI和深度学习的应用,Motin MA等人提出了一种在高强度运动条件下,基于PPG原理下得到心率情况。该研究主要是提出一种基于维纳滤波的算法,在高强度运动情况下,从PPG信号进行提取信号,并估算此时心率情况。在实验组对比中,该算法得出最终的错误率仅为1.78%。

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基于电化学生物传感监测

基于电化学生物传感监测可以分为乳酸和葡萄糖。

针对可穿戴传感器而言,乳酸的主要检测方法有两种:基于光学感知与基于电化学生物传感。

加州大学Wenzhao Jia等人第一个提出基于柔性打印的纹身电极电化学传感器用于汗液乳酸的检测,由于无创的乳酸检测对实际运动比赛具有重要意义,引起了世界各国科研工作者广泛研究。

加州大学伯克利分校的高伟教授提出了一种实时可穿戴汗液分析传感阵列( flexible integrated sensing array, FISA),该传感阵列可以实现选择性筛选汗液中的各种代谢物以及电解质,将乳酸氧化酶固定在壳聚糖渗透膜上,通过传感器产生的电流与代谢产物成比例关系,进行乳酸浓度分析。该传感阵列的抗干扰能力较强,在外界情况的影响下依旧能够保持较好的机械性能和稳定性。

加州大学的Joseph Wang教授开发了一种集成多功能眼镜传感器,可以实时地对人活动过程中汗液中的电解质和代谢产物检测。通过将乳酸传感器集成到眼镜的鼻梁垫中,从而实现对运动过程中的乳酸监测。在运动过程期间,可以通过无线的模块实时传送数据。

澳大利亚莫纳什大学程文龙教授提出了一种可穿戴智能纺织乳酸生物传感器,该传感器可以集成到运动装备,从而实现全方位长时间的监测。该传感器在人工汗液中检测灵敏度为14.6μA/mMcm2。另外,可以在高达100%的高拉伸应变情况下,传感器性能仍然保持不变。

美国西北大学A. Rogers等人开发了一种柔性微流控多功能比色汗液检测平台,该平台除了可以实现汗液中的乳酸监测,还可以进行汗液温度监测、出汗率、氯离子和葡萄糖的检测。该平台特点是对收集汗液的毛细破裂阀进行优化,使汗液流通到各个的微通道中,实现平台在各物质检测与监测互 不干扰。

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未来与展望

竞技体育是国家重点的发展方面,也是发展水平的核心竞争所在。

现代的竞技体育训练方面不断地提高,尤其是随着智能化的应用,很多设备都可以在体育行业当中得到利用。正如论文中涉及的各种设备,通过分析大数据,可以监控运动员的各项生理指标,还可以预测运动员在训练过程当中可能存在的风险,可以进行合理的规避。

苏炳添提出,科学化运动训练需要一个完整的运动监控系统。这个系统需要多种柔性可穿戴运动传感器的整合,具备运动训练生理指标监测、运动技术战术分析、运动心理情况分析、运动损伤预测等功能。

该平台的研发将有望解决运动员运动训练需要多台监控设备、多位技术人员等问题,降低了成本和时间投入。

科学化运动训练监控系统的发展将会成为竞技体育成绩突破的新科技,助力运动员取得新突破,为青少年运动员培养与优秀运动员选拔提供更精细、准确的参考与指导,推动我国“体育强国建设”。

来源:腾讯网 文章:大数据文摘 作者:Caleb

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