潘勇強(qiáng) 候天宇 殷愛菡 成楠

摘 要：文中設(shè)計(jì)一款針對(duì)腿部康復(fù)自我訓(xùn)練的物聯(lián)網(wǎng)傳輸監(jiān)測系統(tǒng)，通過病人手機(jī)APP連接一套腿部矯形器，并發(fā)送指令控制矯形器，對(duì)腿部進(jìn)行彎曲度與頻率的調(diào)節(jié)做康復(fù)運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)可輔助病人進(jìn)行腿部康復(fù)矯正，APP由Android部署，通過藍(lán)牙鏈路發(fā)送指令。Arduino UNO單片機(jī)是系統(tǒng)核心控制器，利用其接收指令，控制矯形器運(yùn)動(dòng)。Tiny Web DB是云空間，連接各類傳感器，記錄用戶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸給醫(yī)師，方便醫(yī)師遠(yuǎn)程監(jiān)測病人的數(shù)據(jù)信息與康復(fù)狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：腿矯正;康復(fù)訓(xùn)練;手機(jī)APP;Android;傳輸監(jiān)測;云空間

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）04-00-04

0 引 言

截癱是脊髓受傷而引起下半身癱瘓的主要原因[1]?，F(xiàn)階段，我國截癱患者約有3 069萬人，約占?xì)埣部側(cè)丝诘?7%[2]。由于下半身失去知覺，患者會(huì)逐步喪失保持身體姿勢的能力，大多數(shù)截癱患者在患病后希望能夠進(jìn)行腿部鍛煉以防止截癱并發(fā)癥的發(fā)生[3]。因此，對(duì)截癱患者進(jìn)行常規(guī)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練非常必要。國內(nèi)外現(xiàn)有資料顯示，當(dāng)今癱瘓康復(fù)性訓(xùn)練的主要方法是截?cái)嘈运幬锝槿?，佩戴固定肢具并輔助以人工針灸作業(yè)理療。但在治療過程中，病人普遍出現(xiàn)了一定的藥物副作用反應(yīng)，且在醫(yī)師人工針灸理療過程中，極大地浪費(fèi)了人力資源，不利于推廣[4-5]。針對(duì)國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)一款針對(duì)腿部康復(fù)自我訓(xùn)練的物聯(lián)網(wǎng)傳輸監(jiān)測系統(tǒng)[6]，即通過病人手機(jī)APP連接一套腿部矯形器，并發(fā)送指令控制矯形器，對(duì)腿部進(jìn)行彎曲度與頻率的調(diào)節(jié)做康復(fù)運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)采用機(jī)械輔助腿部運(yùn)動(dòng)的模式取代傳統(tǒng)人工作業(yè)理療模式，更為精確便利。在APP設(shè)計(jì)上，插入云空間模塊，允許用戶在數(shù)據(jù)庫中持久存儲(chǔ)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并反饋至網(wǎng)絡(luò)與專業(yè)醫(yī)師共享，方便醫(yī)師通過信息共享的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)了解病人理療狀態(tài)，并及時(shí)制定下一步運(yùn)動(dòng)計(jì)劃，可節(jié)約大量的人力資源。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)由硬件部分、軟件應(yīng)用程序及數(shù)據(jù)傳輸鏈路三部分組成。Arduino UNO單片機(jī)控制器與腿部矯形器是該系統(tǒng)的硬件，APP Inventor 開發(fā)組件與Tiny Web DB云端數(shù)據(jù)庫是該系統(tǒng)的軟件工具，藍(lán)牙傳輸模塊與脈搏傳感器組成了該系統(tǒng)的傳輸鏈路模塊。系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.1 硬件模塊

DF-Bluetooth V3藍(lán)牙模塊的作用是進(jìn)行透明串行數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)負(fù)責(zé)Android設(shè)備與Arduino 單片機(jī)之間的通信。藍(lán)牙模塊包含“STATE LINK”顯示連接狀態(tài)，以及2.4 G～2.48 GHz經(jīng)許可的ISM波段天線傳輸?shù)母哔|(zhì)量頻率信號(hào)與DIP開關(guān)設(shè)置狀態(tài)。此藍(lán)牙模塊與任何Android設(shè)備均能兼容。DF-Bluetooth V3藍(lán)牙模塊如圖2所示。

Arduino UNO R3單片機(jī)是腿部矯形器的微控制器，它有6個(gè)模擬引腳（引腳A0～A5）和14個(gè)數(shù)字輸入與輸出引腳（引腳0～13），數(shù)字端口的6個(gè)引腳可用作PWM輸出。本文系統(tǒng)中，脈博傳感器輸入連接到模擬引腳端口，藍(lán)牙模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接到數(shù)字引腳端口，其工作電壓一般為3.3～5 V。Arduino UNO R3單片機(jī)模塊如圖3所示。脈搏傳感器是一個(gè)即插即用的心率傳感器。本文系統(tǒng)中，脈搏傳感器經(jīng)過Arduino UNO R3控制器的傳輸在Android應(yīng)用程序上顯示患者脈搏數(shù)據(jù)及心率圖。脈搏傳感器模塊如本文系統(tǒng)中，腿部矯形器由金屬板架以及驅(qū)動(dòng)器組成，由12 V鉛酸可充電電池提供動(dòng)力，它由Arduino UNO控制，并以MD30C 30 A直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)矯形器工作。腿部矯形器模塊如圖5所示。

1.2 軟件系統(tǒng)

APP應(yīng)用是系統(tǒng)程序基于網(wǎng)絡(luò)的部署，應(yīng)用的開發(fā)程序[7]是MIT APP Inventor 2。APP Inventor是提供給Android的開源Web應(yīng)用平臺(tái)，由美國麻省理工學(xué)院維護(hù)技術(shù)。麻省理工學(xué)院的APP Inventor 2（BETA）平臺(tái)由Google APP Server，APP Inventor Designer和塊編輯器組成，提供免費(fèi)的基于云的服務(wù)，程序員可使用Web瀏覽器訪問。APP Inventor開發(fā)軟件如圖6所示。

1.3 BPM數(shù)據(jù)

BPM用于記錄腿部矯形器運(yùn)動(dòng)的開始與結(jié)束期間用戶捕獲及手動(dòng)插入的每分鐘節(jié)拍數(shù)，也是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。用戶運(yùn)動(dòng)時(shí)，手機(jī)APP通過脈搏傳感器記錄用戶的脈搏跳動(dòng)頻率，并將其轉(zhuǎn)化為可顯示的心率圖與數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。與此同時(shí)，APP中的數(shù)值計(jì)算模塊記錄腿部矯形器單次運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，將其乘以運(yùn)動(dòng)速度可得出腿部矯形器在該頻率內(nèi)的運(yùn)動(dòng)弧度ω，其與BPM數(shù)據(jù)一同反饋給醫(yī)師，構(gòu)成病人運(yùn)動(dòng)狀況的主要參考數(shù)據(jù)。在APP上，用戶可選擇單擊“檢查脈沖率”按鈕讀取BPM數(shù)據(jù)與運(yùn)動(dòng)弧度值，此時(shí)出現(xiàn)一個(gè)新窗口，顯示脈搏傳感器記錄的數(shù)據(jù)。用戶也可單擊顯示屏上的“平均BPM”按鈕，用于計(jì)算BPM讀數(shù)的平均值。BPM數(shù)據(jù)記錄如圖8所示。

由于運(yùn)動(dòng)日期與時(shí)間都需要及時(shí)由醫(yī)師記錄，因此BPM數(shù)據(jù)必須存儲(chǔ)在基于Web的數(shù)據(jù)庫中。Tiny Web DB是一個(gè)APP Inventor組件，允許用戶將數(shù)據(jù)持久存儲(chǔ)在可用的數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)中[8]。因此本文系統(tǒng)使用Tiny Web DB數(shù)據(jù)庫，用于搭建腿部矯形器的數(shù)據(jù)庫。這是一個(gè)臨時(shí)網(wǎng)站，存儲(chǔ)平均BPM、運(yùn)動(dòng)日期與時(shí)間等用戶數(shù)據(jù)。啟動(dòng)時(shí)，APP應(yīng)用程序確定用戶標(biāo)簽以登錄系統(tǒng)，標(biāo)簽是唯一的ID號(hào)，每位截癱病人將有不同的標(biāo)簽號(hào)碼。醫(yī)師也可使用病人的標(biāo)簽號(hào)登錄以便實(shí)時(shí)掌握病人的康復(fù)狀態(tài)，方便進(jìn)一步診療。Tiny Web DB數(shù)據(jù)庫如圖9所示。

2 系統(tǒng)流程

整個(gè)系統(tǒng)各模塊間的聯(lián)通如圖10所示。由手機(jī)終端APP向控制器發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令信號(hào)，同時(shí)手機(jī)終端自動(dòng)登錄云端數(shù)據(jù)庫賬號(hào)，數(shù)據(jù)庫接收數(shù)據(jù)，控制器將運(yùn)動(dòng)命令通過藍(lán)牙鏈路傳輸至腿部矯形器，腿部矯形器進(jìn)行輔助運(yùn)動(dòng)，控制器將記錄用戶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的命令發(fā)送至脈搏傳感器。當(dāng)脈搏傳感器記錄了用戶信息后，便將用戶數(shù)據(jù)信息傳輸至控制器，控制器將賬號(hào)數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在Tiny Web DB數(shù)據(jù)庫中，方便醫(yī)師參考。

應(yīng)用程序布局如圖11所示。用戶選擇APP應(yīng)用程序，打開Android設(shè)備的藍(lán)牙連接，點(diǎn)擊“連接”按鈕，彈出一個(gè)新窗口。在新窗口中可檢測到各種可用的藍(lán)牙連接，找到適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙連接并連接到DF-Bluetooth V3。此時(shí)，應(yīng)用程序即可控制運(yùn)動(dòng)腿部矯形器。列表選擇器用于顯示藍(lán)牙與Android設(shè)備配對(duì)是否連接成功，若藍(lán)牙連接與DF-Bluetooth V3成功配對(duì)，則選擇器中的綠色文本將通知“LOE 進(jìn)入”;若藍(lán)牙連接未成功配對(duì)就使用DF-Bluetooth V3，則選擇器中的紅色文本將通知“LOE禁用”。

連接成功進(jìn)入APP界面后，單擊每個(gè)按鈕，可顯示對(duì)應(yīng)的應(yīng)用窗口，此功能的日期、時(shí)間與Android相符，用戶需驗(yàn)證日期與時(shí)間。主界面上有停止、前進(jìn)與后退三個(gè)主要控制按鈕，用以控制腿部矯形器運(yùn)動(dòng)。若單擊“停止”按鈕，則腿部矯形器停止移動(dòng);若單擊“前進(jìn)”按鈕，則腿部矯形器向上移動(dòng);若單擊“后退”按鈕，則腿部矯形器向下移動(dòng)。用戶也可通過單擊不同的按鈕繼續(xù)鍛煉。

3 測試結(jié)果

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測試，APP工作狀態(tài)及各按鈕功能顯示界面如圖12所示。

藍(lán)牙連接：用戶需在Android設(shè)備上激活藍(lán)牙功能，圖12中的按鈕顯示了藍(lán)牙連接的功能。若未連接成功，則STATE的LED將一直閃爍，GUI以紅色文本通知“LOE禁用”;若連接成功處于link狀態(tài)，則LED亮起，GUI以綠色文本通知“LOE進(jìn)入”。

模式選擇：用戶需發(fā)送“停止”“前進(jìn)”或“后退”信號(hào)，用于控制腿部矯形器，選擇“停止”，腿部矯形器停止移動(dòng);選擇“前進(jìn)”，腿部矯形器向前移動(dòng);選擇“后退”，腿部矯形器反向移動(dòng)。

檢查脈沖頻率：用戶可單擊“檢查脈沖頻率”按鈕檢查其當(dāng)前脈沖讀數(shù)，單擊按鈕后，脈沖頻率屏幕顯示當(dāng)前運(yùn)動(dòng)的脈搏值。

平均BPM：用戶需輸入練習(xí)開始與結(jié)束時(shí)的脈搏值，通過單擊“平均BPM”按鈕確定平均脈率讀數(shù)。

微小的Web數(shù)據(jù)庫：用戶將提交的脈沖頻率數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，提交的數(shù)據(jù)可在網(wǎng)上查看與分析，用戶或醫(yī)師可通過插入標(biāo)簽獲取數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

本文開發(fā)了基于Android的腿矯正與傳輸監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠幫助醫(yī)師在病人康復(fù)過程中檢測病人控制使用矯形器的過程及數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，Tiny Web DB，APP Inventor界面與Android平臺(tái)能夠很好地幫助用戶管理系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)處于初步開發(fā)階段，亟需改善，后期可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行更復(fù)雜的控制與升級(jí)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] IBRAHIM K，LEE Y，KANOO L L，et al.脊髓的流行病學(xué)[Z].吉隆坡醫(yī)院脊髓損傷，2013.

[2]陳三軍，周律，陳功.中國肢體殘疾人口生存率現(xiàn)狀分析[J].殘疾人研究，2011（2）：39-43.

[3]李澤輝，劉曉華，趙世芬.外傷性截癱患者對(duì)延續(xù)護(hù)理的需求及實(shí)施效果分析[J].世界中醫(yī)藥，2015，10（A01）：337-338.

[4]王懷權(quán).益氣活血湯加減聯(lián)合針灸治療脊髓損傷性截癱效果觀察[J].現(xiàn)代中西醫(yī)結(jié)合雜志，2018（28）：3165-3167.

[5] MENDES M A，SZECEL D，HANS G A ， et al.Delayed paraplegia after endovascular treatment of a thoracoabdominal aortic aneurysm successfully managed using cerebrospinal fluid drainage[J].Journal of cardiothoracic and vascular anesthesia，2016，30（5）：1358-1360.

[6]張景龍，熊曉明.基于云平臺(tái)的病人信息傳遞系統(tǒng)[J].電子器件，2018（5）：1334-1340.

[7]李文川，曾玉.APP Inventor 2的項(xiàng)目應(yīng)用及教學(xué)策略[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（11）：55-56.

[8]趙海梅.基于Web數(shù)據(jù)庫的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁模板的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].數(shù)字通信世界，2018（2）：57.

[9]楊三偉.基于Android系統(tǒng)的健康信息遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2017.

[10]崔會(huì)民，吳相思.胸段脊髓損傷不完全截癱使用截癱步行矯形器對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)功能的影響[J].國際醫(yī)藥衛(wèi)生導(dǎo)報(bào)，2018（7）：1021-1023.