王偉光，尚振東，王偉鵬

(1.河南科技大學機電學院，河南 洛陽 471003;2.平頂山四聯工貿有限責任公司，河南 平頂山 467200)

1 引 言

面部表情是人主觀情緒和情感的外部表現，是人類心理行為的非語言表達[1]。面部肌肉的收縮牽動面部皮膚，產生喜怒哀樂等表情。面癱是以面部表情肌功能喪失和肌肉組織營養(yǎng)障礙引起的，主要表現為患者雙唇閉合不全、流涎、說話不清或一側嘴角拉向對側(嘴歪)等癥狀[2-3]，嚴重影響患者的生活質量。因此，對面癱患者口唇部功能性恢復的檢測及康復訓練是面癱治療的重要內容之一。

在我國的臨床醫(yī)療領域，醫(yī)生在檢查口唇部功能性恢復時，往往根據臨床經驗進行徒手肌力檢查，這種檢查手段具有一定的主觀性，不能嚴格定量描述，缺乏準確的科學依據。為此，本研究應用當今成熟的微電子技術和儀器儀表技術，研制開發(fā)了一種操作方便、精度高、采用電池供電而又便于攜帶的新型口唇力測量儀器，這種儀器可以實時檢測和鍛煉患者的口唇部功能性恢復，可以對檢測數據進行記錄和存儲，便于醫(yī)護人員對歷史數據及資料進行查詢，從而使患者的康復治療過程得到精確量化，且使醫(yī)治更具科學性。

2 便攜式口唇力檢測裝置的結構組成

便攜式口唇力檢測裝置示意圖見圖1?？诖郊×z測裝置包括依次電連接的拉力傳感器、信號處理裝置和顯示裝置。拉力傳感器通過拉力繩連接銜口,顯示裝置設置在殼體上，顯示裝置優(yōu)選為LCD顯示器，LCD顯示器與單片機的輸出端電連接。在殼體上設置有按鍵和拉力傳感器盒，拉力傳感器設置在拉力傳感器盒中。拉力傳感器盒上還連通設置有穿線管，穿線管上固定設置有推力板，推力板的中部開設有一個通孔，拉力繩和引線均從穿線管中穿過。拉力傳感器盒與殼體連通，拉力傳感器設置在拉力傳感器盒中。按鍵共有兩個，分別是復位鍵和除皮鍵，均與單片機的輸入端電連接，復位鍵用于控制檢測裝置的開啟和關閉，同時在多次測量時用于復位清零以保證下一次測量的準確性。除皮鍵用于在安裝后和測量前對拉力傳感器進行置零。

圖1便攜式口唇力檢測裝置示意圖

1. 殼體， 2. LCD顯示器， 3. 復位鍵， 4. 除皮鍵， 5. 拉力傳感器盒， 6. 穿線管， 7. 推力板， 8. 拉力繩， 9. 銜口， 13. 引線

Fig1Schematicdiagramofportabletestingdeviceforlipforce

3 硬件組成與工作原理

便攜式口唇力測量儀采用模塊化設計，主要由拉力傳感器及信號調理電路、STM32單片機、人機接口電路[鍵盤、觸摸屏]、通信模塊組成。

3.1 傳感器及信號調理電路

本研究選用了自帶溫度補償的高精度JLBS-Ⅱ型拉力傳感器，該傳感器是將箔式應變片粘貼在彈性體(合金鋼)上，承受拉壓力均可。電路前級采用LM324運算放大器對傳感器傳入的生物弱電信號進行放大，其信噪比優(yōu)于50 dB。采用ANALOG公司生產的高精度A/D轉換芯片AD574，將采集到的模擬信號轉換為數字信號進行處理。

3.2 單片機系統(tǒng)

本研究采用STM32F103為主控芯片，其主要負責采樣過程的控制，數據處理、存儲與通信等，STM32系列32位微控制器基于ARM Cortex.M3[4-5]內核的STM32F103C8T6，其工作頻率為72 MHz，Cortex．M3增強了系統(tǒng)的結構，該內核具有高性能、低功耗、實時應用等優(yōu)點[6-9]，其具有2.0～3.6 V的寬電壓供電范圍,單周期的乘法指令和硬件除法以及優(yōu)先級可編程的中斷系統(tǒng)，廣泛應用于智能儀表 PLC、便攜測試儀器、高端家電、血糖測量儀等方面。

STM32F103最小系統(tǒng)主要包括晶振電路、復位電路和調試接口電路[10-11]。晶振電路選用8 MHz有源晶振,通過22 pF的電容接地。復位電路采用簡單的RC電路延時特性，利用一個10 KΩ電阻和10 μF的電容，時間延時大約為3.6 ms。調試接口電路選用JTAG進行在線調試。

3.3 掉電保護RAM

采用LG的GM76C256，32 K byte的容量，該部分可在掉電狀態(tài)下保持RAM內的數據不受影響。

3.4 人機接口模塊

采用LCD作為儀器的顯示部件，對測量結果進行實時監(jiān)測。配合“測量”、“復位”、“除皮”3 個按鍵，對大屏幕的LCD屏進行多級中文菜單設計，用戶通過按鍵來控制儀器實現其預定功能。與其它的設計相比，按鍵數量減少了，節(jié)省了硬件資源，同時也提高了易用性。儀器配有USB接口，可以與PC機通信并將測量結果輸出。

其硬件電路模塊見圖2。

圖2 硬件結構框圖

Fig2Hardwarestructurediagram

4 軟件設計

為了能更好的協(xié)調控制整個測量過程，設計一個與硬件電路相匹配的軟件來充分的利用和管理硬件設備。程序運用C語言在Keil uVision4軟件中進行編寫，開發(fā)工具采用JTAG調試。采用由上而下的模塊化設計來提高軟件的可移植性，應用程序主要包括系統(tǒng)自檢模塊、觸摸按鍵掃描模塊、數據采集及處理、康復訓練模塊和串口通信模塊。程序設計流程見圖3。

系統(tǒng)的初始化主要是對時鐘、串口、中斷、AD芯片以及LCD屏進行初始化配置。為了保證系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用外部8 MHz時鐘源，通過軟件進行倍頻和分頻，然后配置到各個外設時鐘。我們對每個外設都配備了外設時鐘開關，當不需要某個外設時，只要把與其相匹配的外設時鐘關閉即可，這樣可使STM32的整體功耗降低很多。中斷配置主要是配合LCD屏使用，只有LCD屏受到觸控才會向串口發(fā)送指令，其余時間都處于休眠狀態(tài)，進而實現低功耗。

本設計通過算數平均濾波法對一些隨機干擾信號進行濾波，提高信號的真實性，即取采集50次數據的平均值。同時，在系統(tǒng)中設計了5 V電源電壓下，輸出1.25 V的基準電壓，且在4～6 V電源電壓范圍內，室溫下基準電壓的變化為0.3 mV。因此，電源的溫度漂移、穩(wěn)定性及重復性誤差均可忽略不計。

圖3 程序流程框圖

Fig3Programflowchart

5 便攜式口唇力檢測裝置的操作流程設計

本研究所述的便攜式口唇力檢測裝置，具體操作步驟如下(參照圖1)。

(1)閉唇肌力檢測裝置的檢測方法，具體步驟為：

步驟一、由被檢測者將銜口放置在牙齒與嘴唇之間，使銜口的凹面貼合牙齒并抱緊嘴唇，使拉力繩從雙唇之間伸出且不壓迫雙唇；

步驟二、由被檢測者通過嘴唇用力拉動銜口，使拉力繩繃緊；

步驟三、由信號處理裝置實時監(jiān)測并記錄拉力傳感器輸出的拉力值；

步驟四、隨著拉力的逐漸增大，當被檢測者嘴唇無法合攏的時候，記錄此時的拉力值；

步驟五、結束檢測。

(2)圓唇肌力檢測裝置的檢測方法，具體步驟為：

步驟一、由被檢測者將銜口放置在牙齒內側，使銜口的凸面貼合牙齒，使拉力繩從雙唇之間伸出且不壓迫雙唇；

步驟二、由被檢測者做圓唇動作，用力推動推力板，使拉力繩繃緊；

步驟三、由信號處理裝置實時監(jiān)測并記錄拉力傳感器輸出的拉力值；

步驟四、當拉力值不再增大的時候，記錄最后的拉力值；

步驟五、結束檢測。

口唇力檢測實驗操作見圖4。

圖4 口唇力檢測試驗

Fig4Lipstickforcetest

6 實驗測試及結果分析

6.1 系統(tǒng)標定

分別使用精密推拉力計和便攜式口唇力測量儀對e=10 d，d=0.1 g電子天平稱量砝碼進行測量形成對照測試，測量得到有效數據32組。對采集到的數據進行線性回歸分析比較，其分析比較曲線見圖5。

可以看出采用所研制的便攜式口唇力測量儀測量得到的拉力值與精密推拉力計測量得到的拉力值基本完全相關，并且橫軸0～18 N之間的回歸曲線與測量曲線近似完全重合，其中最大測量誤差不超過0.06 N?；緷M足臨床對面癱患者恢復情況評價的要求。

圖5 測力對照曲線圖

Fig5Comparisonchartofforcemeasurement

6.2 實驗結果

測試對象為洛陽正骨醫(yī)院收治的面癱患者120例，分別于患者治療前1 d和治療后第7 d進行House-Brackmann面神經癱瘓分級( H-B分級)[12]和口唇力測量儀檢測。采用 SPSS 17. 0統(tǒng)計軟件進行數據分析，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。治療前后，H-B 分級與本測量儀對面癱分級的評估結果比較，差異無統(tǒng)計學意義 (P>0.05，見表1)。

表1H-B分級與口唇力測量儀檢測對面癱分級的評估結果比較(例)

Table1ComparisonoftheresultsoftheH-Bclassificationandthelipforcemeterfortheclassificationoffacialparalysis

方法例數治療前正常輕度中度中重度重度治療后正常輕度中度中重度重度口唇力測量儀1200185137141360221510H-B分級120016543911195824118P值 0.879 0.693

7 結論

本設計研制了用于口唇力檢測的專用儀器，該測量儀器提高了口唇力度檢測的精確性，最大誤差<0.06 N。此外，本測量儀無需計算機控制和顯示，實現了便攜。

實驗分別采用H-B分級和口唇力測量儀對120例面癱患者治療前后面癱分級進行評估，并比較兩種方法的評估結果，結果顯示無論是治療前還是治療后，兩種方法的評估結果均無明顯差異，表明口唇力測量儀與 H-B分級對面癱患者面癱分級的評估結果一致，而本測量儀操作簡單、無創(chuàng)、安全，實用性強，可用于指導精確治療的用藥量或者治療強度，可以廣泛應用于臨床治療和療效動態(tài)評估。