汪豐 趙曉杰

【摘要】隨著老齡化的出現(xiàn)，帕金森病（PD）發(fā)病率正在升高。目前評判PD疾病的分期主要依靠相關(guān)評分量表，結(jié)果受患者的主觀感受和檢查者檢查手法的影響。為了客觀評價患者運動功能，指導(dǎo)康復(fù)過程，提出設(shè)計運動信號采集系統(tǒng)。通過藍牙把運動信號上傳到上位機，為提取諸多評價PD患者運動功能的特征參量提供信號數(shù)據(jù)，從而達到客觀準確地對PD進行分期的目的。

【關(guān)鍵詞】佩戴式運動信號加速度無線采集

當今世界，人口老齡化已經(jīng)日益嚴重，并且成為顯著的社會問題。資料顯示，帕金森病多發(fā)于老年人，平均發(fā)病年齡約為60歲，在我國65歲以上的PD發(fā)病率為1.7%。全球400萬患者中有將近一半在我國，而且這個數(shù)字仍然在以每年10萬以上的速度增加。PD征兆為顫抖、四肢僵硬、肌肉痙攣和動作遲緩，而一旦患病，其臨床表現(xiàn)為靜止性震顫、動作遲緩、肌肉強直和步態(tài)障礙等[1]。其運動功能評價甚至分期和康復(fù)評價，目前都是依靠相關(guān)評分量表，這種傳統(tǒng)的方法對患者的主觀感受依賴性大，同時也會因為醫(yī)生的主觀經(jīng)驗受到較大的影響。

隨著加速度傳感器在步態(tài)和跌倒方面的研究，通過加速度信號對運動信號進行時域或頻域分析，可以獲得諸如平躺、坐、站、走和跑等運動的分類[2，3]。通過三軸加速度采集信號，結(jié)合臨床需求，分析諸如步頻、步幅、手部抖動、軀干傾角、TUG時間、運動對稱性、協(xié)調(diào)性等PD患者敏感的特征參量，從而更客觀準確的對PD患者運動功能進行評價。

準確的信號，是設(shè)計和評價算法的關(guān)鍵，更是研究PD患者運動功能評價方法的依據(jù)，甚至可以為客觀準確的前期診斷提供輔助手段。

一、設(shè)計方案

基于需求分析，設(shè)計實現(xiàn)佩戴式帕金森病人運動信號無線采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用超低功耗單片機MSP430FG4618作為控制中心，前端為LIS302DL三軸加速度傳感器，通過I2C把輸出的數(shù)字信號傳輸?shù)絾纹瑱C。經(jīng)過標定和濾波后，一方面存儲到Nor Flash芯片MX25L1605D中，另一方面基于UART的藍牙模塊實時將信號傳輸?shù)缴衔粰C（PC）上。同時可以通過上位機命令控制采集功能。最后，可以通過藍牙上傳存儲在Nor Flash里的歷史數(shù)據(jù)，在上位機進行特征參量計算。通過測試，該系統(tǒng)穩(wěn)定性好，抗干擾性強，可以為PD患者運動功能評價時相關(guān)參量的提取提供準確信號。

1.1硬件部分

系統(tǒng)硬件包括中心控制單片機模塊、藍牙模塊、加速度傳感器模塊、Nor Flash模塊和電源模塊，整個系統(tǒng)通訊連接如圖1所示。

1.1.1單片機MSP430

MSP430是TI公司近年來推出的專門針對便攜式醫(yī)療設(shè)備的MCU，具有超低功耗、處理能力強、資源豐富、工作穩(wěn)定和方便的開發(fā)環(huán)境等優(yōu)點[4]。

其內(nèi)部有flash和RAM，兩個定時器，A/D&D/A轉(zhuǎn)換器，三個可以配置的運放，一個USCI和一個USART。

1.1.2加速度傳感器

三軸加速度傳感器型號為LIS302D，輸出三軸數(shù)字信號。它的滿刻度量程為±2g/±8g，加速度數(shù)據(jù)的輸出速率為100Hz或400Hz，其功耗小于1mv，是一款尺寸小、低g線性產(chǎn)品。由于人體運動的加速度幅頻都比較低，考慮該系統(tǒng)使用的對象，該系統(tǒng)選擇滿量程±2g，實際輸出為±2.3g，信號輸出速率為400Hz，最終通過單片機控制定時器實現(xiàn)64Hz采樣率。

1.1.3藍牙模塊

信號采集終端和上位機的通訊通過藍牙實現(xiàn)。一方面下行通訊，包括采樣頻率的選擇、開始/停止采集、即時上傳數(shù)據(jù)、上傳歷史數(shù)據(jù)等命令的發(fā)送；另一方面上行通訊，可以把數(shù)據(jù)即時上傳和歷史回調(diào)上傳到PC進行保存和處理。

藍牙技術(shù)在短距離通訊的全球開放性和低成本特點，故采用IDS-BM4A藍牙模塊進行串口數(shù)據(jù)傳輸。通過接受引腳URXD、發(fā)送引腳UTXD和外設(shè)連接，實現(xiàn)單片機的UART模式。

1.1.4存儲模塊

為了將實現(xiàn)長時間和多部位的信號采集，加入存儲模塊。將不同部位的終端系統(tǒng)采集到的信號存入Flash，然后通過上位機發(fā)送命令分時上傳歷史數(shù)據(jù)，對其進行處理和保存。同時在單一部位采集時可以實現(xiàn)實時上傳和歷史上傳兩種方式。本系統(tǒng)選擇具有16M bit容量的MX25L1605D，理論上可以存儲3個小時的64Hz三軸加速度數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^上位機命令進行擦除和上傳任意合法時間范圍內(nèi)數(shù)據(jù)。14s整片擦除時間和10萬次擦除編程。

1.2軟件部分

系統(tǒng)采用C語言編寫設(shè)計。分別實現(xiàn)各個模塊初始化、上位機命令中斷及解析、選擇采樣率、傳感器讀出、數(shù)據(jù)預(yù)處理、Flash讀寫、數(shù)據(jù)實時上傳、數(shù)據(jù)上傳等。

1.2.1初始化

該部分主要是針對模塊進行初始化，包括時鐘、引腳、TimerA、加速度傳感器、藍牙、SPI、I2C等。

1.2.2通訊

首先下行通訊。通過UART中斷可以獲得上位機通過藍牙發(fā)送的各種操作指令，通過解析如果是合法指令，則進入主循環(huán)中的功能操作函數(shù)。

然后是從采集系統(tǒng)到PC的通訊。一方面通訊上傳采集到的信號，另一方面是上傳命令發(fā)送失敗信息。如果發(fā)送失敗，則上傳一組代表發(fā)送失敗的字符串。

1.2.3標定

由于加速度傳感器本身的誤差，所以需要標定。系統(tǒng)加速度芯片在靜止放置時會有1g重力加速度，通過重力加速度可以進行1g標定。同時，三個軸的標定是以封裝好的系統(tǒng)X、Y、Z軸為準，而非芯片三個方向。分別把采集系統(tǒng)三個方向靜止放置在水平面上，開始采集，這時會有其中一個軸為g，另兩個軸為0；然后轉(zhuǎn)換180°后變?yōu)樵撦S為-g，另兩軸仍為0，那么通過線性平均對全量程的信號進行標定。該系統(tǒng)為8位輸出，最小精度為量程除以256，數(shù)據(jù)手冊提供值為18mg，通過多次標定后，最終確定為19.2mg。原始信號的0到127表示正方向的0g到滿量程；255到128表示負方向的0g到滿量程，原始信號乘以最小精度值即可得到加速度信號大小，通過原始信號與128比較來區(qū)分方向。

二、實驗結(jié)果

最終實現(xiàn)采集系統(tǒng)設(shè)計，實物如圖3所示，可以滿足采集運動信號的需求。由于人運動的頻率范圍比較低，以下結(jié)果采樣率均為64Hz。首先將采集系統(tǒng)固定在腰部，Y軸豎直向下，采集走動信號分析系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。走8步，轉(zhuǎn)身靜止，8步走回。橫軸為采樣點數(shù)，縱軸為加速度。三軸的原始信號如圖4，由于Y軸向下，所以在轉(zhuǎn)身時信號變換不明顯，而X和Z軸則有明顯特征。通過求平方和開放可得到合加速度SVW，時域特征明顯，通過橢圓濾波可以去除重力加速度g，之后得到SSb。對合加速度SSb進行三層小波重構(gòu)濾波后，通過硬閾值進行步行動作分類，可以達到100%的正確率。多次試驗結(jié)果非常理想。在平躺、躺到坐、坐到站、站、走、跑等多動作分類時，正確率有所下降，主要取決于算法，故系統(tǒng)測得信號的可靠性仍然非常理想，可以滿足PD患者運動功能評價所需參數(shù)的提取和計算。然后分別采集了固定在腕部的手抖動信號、雙腳踝的走動信號以及身體前傾時腰部信號，系統(tǒng)采集信號的準確性和可靠性得到驗證。

三、結(jié)語

佩戴式帕金森病人運動功能信號無線采集系統(tǒng)采用超低功耗的MCU和高效供電模塊實現(xiàn)長時間監(jiān)測，以其小巧的體積和無線傳輸?shù)姆绞綕M足帕金森病人對舒適的要求。通過對各個部位信號進行采集后分析，該系統(tǒng)采集到的信號準確可靠，并且系統(tǒng)工作穩(wěn)定性強。把加速度傳感器應(yīng)用到帕金森病人運動功能的評價領(lǐng)域，為帕金森病人的運動功能評價提供客觀準確的依據(jù)。

參考文獻

[1] Lowry，K.A， Smiley-Oyen， A.L， Carrel， A.J， et al. Walking stability using harmonic ration in Parkinsons disease[J]. Mov. Disord. 2009， 24， 261-267.

[2] Che-Chang Yang， Yeh-Liang Hsu， Kao-Shang Shih， et al. Real-Time Gait Cycle Parameter Recognition Using a Wearable Accelerometry System[J]. Sensors ， 2011， 11， 7314-7326.

[3]侯文生，戴加滿，鄭小林，等.基于加速度傳感器的前臂運動姿態(tài)檢測[J].傳感器與微系統(tǒng)， 2009， 28， 106-108.

[4] msp430x4xx family users guide. 2010.