崔寒冰，趙曙光，方志慶

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

基于Android平臺(tái)的超聲骨折愈合治療系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

崔寒冰，趙曙光，方志慶

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

針對(duì)骨折病人群體龐大并呈總體上升趨勢(shì)，且骨折治療周期漫長(zhǎng)這一現(xiàn)象，結(jié)合醫(yī)療領(lǐng)域中低強(qiáng)度超聲波可以促進(jìn)骨折愈合這一醫(yī)學(xué)原理，設(shè)計(jì)出一套醫(yī)用骨折愈合治療系統(tǒng)。該系統(tǒng)客戶端基于Android平臺(tái)開發(fā)，具有管理病人信息和控制硬件治療模塊等功能，硬件模塊利用STM32作為主控芯片生成指定強(qiáng)度的PWM波，經(jīng)過變壓器升壓后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生模塊生成可用于促進(jìn)骨折愈合的低強(qiáng)度超聲波。

Android；STM32；藍(lán)牙4.0；超聲波

0 引言

隨著工業(yè)、交通及建筑事業(yè)的高速發(fā)展,隨之而來的工業(yè)意外事故、交通事故、自然災(zāi)害的發(fā)生也隨之增加,骨科創(chuàng)傷的患者也大量增加,尤以重癥患者增長(zhǎng)率為高。人口老齡化更是帶來了大量由骨質(zhì)疏松引起的老年骨折病人。近年來通過對(duì)低強(qiáng)度超聲波在治療骨折方面的研究，發(fā)現(xiàn)骨形態(tài)發(fā)生蛋白(Bone Morphogenetic Protein,BMP)作為一種重要的具有很強(qiáng)誘骨活因子，能夠有效刺激間充質(zhì)細(xì)胞誘導(dǎo)分化成軟骨細(xì)胞、骨細(xì)胞，進(jìn)而形成軟骨及骨組織，而低強(qiáng)度超聲波促進(jìn)BMP-2的表達(dá)，從而加速骨折愈合。這種清潔、環(huán)保、安全、無電離輻射的治療方式，被國(guó)內(nèi)外醫(yī)學(xué)界和學(xué)術(shù)界高度重視[1-6]。

本文設(shè)計(jì)的超聲骨折愈合治療系統(tǒng)其軟件是基于Android平臺(tái)開發(fā)，具有病人信息錄入、治療方案選擇等功能，通過Android自帶藍(lán)牙4.0完成與下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸,下位機(jī)收到控制命令和數(shù)據(jù)后產(chǎn)生PWM波，PWM波經(jīng)過處理后驅(qū)動(dòng)探頭產(chǎn)生可用于治療骨折的低強(qiáng)度超聲波。

1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)主要分3個(gè)部分，分別是PC端、Android客戶端、硬件模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總方案如圖1所示。PC端主要用于更新治療方案和查詢病人治療狀況；Android客戶端主要用于病人信息的錄入、存儲(chǔ)、管理，負(fù)責(zé)與硬件模塊通信，對(duì)硬件模塊發(fā)送控制命令，實(shí)時(shí)顯示治療的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)等；硬件模塊主要負(fù)責(zé)接收來自Android客戶端的病人信息、治療方案、控制命令，根據(jù)治療方案產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率和占空比的PWM波，然后經(jīng)過變壓器模塊的信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總方案

1.1 軟件設(shè)計(jì)

圖3 硬件原理示意圖

超聲骨折愈合治療系統(tǒng)軟件部分是基于Android平臺(tái)開發(fā)，以Android客戶端作為超聲骨折愈合治療系統(tǒng)中BLE通信的主控端。UI層可實(shí)現(xiàn)輸入病人個(gè)人信息以及治療信息、選擇或生成治療方案顯示實(shí)時(shí)治療狀態(tài)、查看病人治療狀況等功能。Android客戶端生成的病人個(gè)人信息和治療方案會(huì)保存至本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)以及本地Excel表中，醫(yī)生可通過操作客戶端來發(fā)送控制命令、病人信息以及詳細(xì)治療方案。最后治療信息會(huì)通過藍(lán)牙實(shí)時(shí)回傳顯示并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)以及本地Excel表格。軟件模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 軟件模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

1.2 硬件設(shè)計(jì)

通過對(duì)系統(tǒng)需求分析，設(shè)計(jì)出硬件電路，硬件原理示意圖如圖3所示。硬件結(jié)構(gòu)主要分為4大部分：主控芯片和外圍電路部分、PWM驅(qū)動(dòng)電路部分(PWM調(diào)壓電路、阻抗匹配和反饋電路)、顯示部分和通信部分。主控模塊采用STM32F103系列VBT6作為主控芯片，因?yàn)槠渚哂袕?qiáng)大的片內(nèi)外設(shè)和方便編程的外設(shè)函數(shù)庫(kù)，并且定時(shí)器功能非常強(qiáng)大，可以方便地產(chǎn)生不同類型的PWM[7]。通信方式選擇藍(lán)牙4.0，藍(lán)牙模塊BLEM-201，該款藍(lán)牙4.0芯片具有串口數(shù)據(jù)透?jìng)鞴δ芗岸喾N驅(qū)動(dòng)外設(shè)的硬件接口，可通過UART和MCU通信，廣泛應(yīng)用在醫(yī)療行業(yè)中。顯示部分采用帶字庫(kù)的12864液晶顯示屏，相比1602液晶顯示屏來說可顯示的內(nèi)容更多，并且不需要自己建字庫(kù)。PWM驅(qū)動(dòng)部分需要調(diào)壓模塊、阻抗匹配模塊和反饋模塊。額外增加調(diào)壓模塊的作用是為了針對(duì)不同病人的骨骼情況和體質(zhì)情況，定制不同強(qiáng)度超聲波的康復(fù)方案。本系統(tǒng)采用LT1380B作為調(diào)壓模塊提供可變電壓輸出給PWM驅(qū)動(dòng)電路，并把電壓反饋接入STM32的ADC采樣引腳，形成閉環(huán)控制提高精度。采用MOS管和變壓器電路對(duì)LT1380B的電壓進(jìn)行進(jìn)一步放大處理輸出到探頭，同樣通過運(yùn)放把驅(qū)動(dòng)電壓的輸出反饋接入STM32的ADC引腳，形成閉環(huán)提高控制精度。最后通過STM32控制74HC4053芯片輸出屬于病人治療所用的超聲波[8-9]。系統(tǒng)工作大致流程為：當(dāng)BLEM-201藍(lán)牙模塊接收到Android端的數(shù)據(jù)時(shí)，藍(lán)牙模塊通過串口將數(shù)據(jù)傳給STM32，經(jīng)STM32主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的PWM波，經(jīng)調(diào)壓模塊作用后，電壓輸出給變壓器和MOS管進(jìn)行進(jìn)一步放大，最后通過探頭輸出病人所需的超聲波。同時(shí)治療結(jié)束后，主控芯片將病人治療后的數(shù)據(jù)(治療階段數(shù)、時(shí)間等)通過BLEM-201回傳到Android端。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)從客戶端的生成到中間層的處理，再到數(shù)據(jù)的傳遞其過程如圖4所示。客戶端治療界面如圖5所示，醫(yī)生可以查看動(dòng)態(tài)治療信息，并可以隨時(shí)停止治療。醫(yī)生也可以通過密碼登錄客戶端來查看、管理病人信息，病人信息管理界面如圖6所示。為滿足需求該系統(tǒng)采用多種方案存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。病人個(gè)人信息、治療方案及治療動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)用Android自帶的SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，SQLite能夠快速對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪查改，通過第三方軟件查看數(shù)據(jù)庫(kù)表，如圖7所示[10-11]。默認(rèn)治療方案Excel表如圖8存儲(chǔ)在Android本地，可以由PC端生成并通過FTP傳入客戶端。病人信息統(tǒng)計(jì)表主要用于存儲(chǔ)病人的治療方案、治愈時(shí)間等信息，方便進(jìn)行后期數(shù)據(jù)分析，以便醫(yī)生可以針對(duì)不同情況的病人制定更合理的治療方案，同樣PC端可以通過FTP查詢病人信息統(tǒng)計(jì)表[12-13]。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向圖

圖5 客戶端治療界面

圖6 病人信息管理界面

圖7 客戶端數(shù)據(jù)庫(kù)

圖8 默認(rèn)治療方案Excel表

3 結(jié)論

本文從當(dāng)前醫(yī)療的需求和低強(qiáng)度超聲波可以促進(jìn)骨折愈合這一醫(yī)學(xué)原理出發(fā)，介紹了一種利用Android平臺(tái)、STM32、BLE等模塊設(shè)計(jì)出的可以用于促進(jìn)骨折愈合的系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)一種可行的系統(tǒng)方案，可以為醫(yī)療研發(fā)人員或其他研究人員提供一定的借鑒參考作用。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是無網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Android本地。系統(tǒng)可以在客戶端增加網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，將數(shù)據(jù)同步到后臺(tái)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化存儲(chǔ)。

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The design of ultrasonic fracture healing treatment system based on Android platform

Cui Hanbing, Zhao Shuguang, Fang Zhiqing

(College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Nowadays, there is large number of patients with fracture and the number is still on the rise accompanying with the phenomenon that fracture treatment cycle is long. Basing on the medical principle in the medical field that low-intensity ultrasonic can promote the healing of fracture，this paper designed a medical fracture healing treatment system. The client of this system is based on Android platform, and has the functions of managing patient information and controlling hardware treatment module. The hardware module uses STM32 as the master chip to generate the specified intensity of the PWM wave. After a step-up transformer, the ultrasonic generating module can be motivated to generate low-intensity ultrasonic waves that can be used to promote fracture healing.

Android; STM32; bluetooth 4.0; ultrasonic

TP311.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.15.026

崔寒冰，趙曙光，方志慶.基于Android平臺(tái)的超聲骨折愈合治療系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(15)：91-93,102.

2017-03-14)

崔寒冰(1992-)，男，碩士，主要研究方向：Android、智能控制。

趙曙光(1965-)，男，博士，教授，主要研究方向：可進(jìn)化硬件(EHW)、智能信息處理、智能儀器與系統(tǒng)、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA & ESL)。

方志慶(1966-)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：嵌入式設(shè)備、便攜插件式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀等。