李宏恩，鞏 高，任占福，田 涵

(長治醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，山西 長治 046000)

目前對于骨關(guān)節(jié)疾病的診斷與功能評估大多基于醫(yī)生臨床查體、醫(yī)學(xué)影像成像技術(shù)，而對于治療后的骨關(guān)節(jié)康復(fù)評定則采用量角器測量方法(圖1)，整個(gè)過程以醫(yī)生的主觀經(jīng)驗(yàn)判斷與評價(jià)為基礎(chǔ)，而對病人客觀、準(zhǔn)確的功能參數(shù)分析比較缺乏。此外，現(xiàn)有醫(yī)學(xué)影像設(shè)備對患者有輻射不良影響且診療價(jià)格相對昂貴，不適合長期康復(fù)治療的效果評估與指導(dǎo)。

圖1 量角器測量關(guān)節(jié)活動度

因此，本文提出了一種基于傳感器技術(shù)的人體下肢康復(fù)評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)以激光測距傳感器模塊為基礎(chǔ)，為確保傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸與分析，采用51單片機(jī)對信號的采集以及數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行控制，最終將關(guān)節(jié)活動度指標(biāo)顯示在顯示模塊，從而實(shí)現(xiàn)對下肢骨關(guān)節(jié)患者康復(fù)狀態(tài)的準(zhǔn)確評估[1,2]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用可穿戴式結(jié)構(gòu)的信號采集系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)康復(fù)患者下肢骨關(guān)節(jié)活動度參數(shù)的采集和發(fā)送，硬件主要包括傳感器信號采集模塊、51單片機(jī)信號處理模塊、藍(lán)牙無線發(fā)送模塊、供電模塊；此外，為有效將系統(tǒng)固定在人體，采用符合人體工程學(xué)的綁帶，系統(tǒng)硬件總體框圖如圖2[3]。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體框圖

1.1 信號采集模塊

信號采集選用TW10S單點(diǎn)激光測距模塊，該模塊具有毫米級分辨率、溫度適應(yīng)能力強(qiáng)、材質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)及體積小，便于集成等優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)部集成模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換。通過在髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)三個(gè)部位安置傳感器，通過對激光相位差的檢測，感知目標(biāo)物距離，實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)對地間距的測量，并利用激光測距傳感器在預(yù)設(shè)位置建立二維平面，運(yùn)用余弦定理測算出關(guān)節(jié)活動度[4,5]。

圖3為TW10S引腳結(jié)構(gòu)，其中RX為接收端，TX為發(fā)送端。測量距離范圍可達(dá)到0.05 m～40 m，數(shù)據(jù)接口采用兩線串行接口，支持連續(xù)測量模式或外部觸發(fā)模式工作方式自動上報(bào)測量信息，便于實(shí)現(xiàn)與微控制器的連接。

圖3 TW10S引腳結(jié)構(gòu)

1.2 主控制器模塊

主控制器采用ATMEL公司的89S51單片機(jī)。89S51是89C51更新?lián)Q代的新型產(chǎn)品，其新增了ISP在線編程功能，這個(gè)功能的優(yōu)勢在于改寫單片機(jī)存儲器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離，從而實(shí)現(xiàn)在線編輯與糾錯能力；內(nèi)部集成看門狗計(jì)時(shí)器，不需要外接看門狗計(jì)時(shí)器單元電路；具有較強(qiáng)的兼容性。本系統(tǒng)將收集激光測距傳感器的信號，并進(jìn)行信號分析與處理，分析測算每個(gè)測距模塊的距離信息，并利用幾何法轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)活動度[6]，再通過P0、P2口把測量過程和結(jié)果送到數(shù)碼管顯示，還可以通過與藍(lán)牙模塊連接，實(shí)現(xiàn)對信號的無線傳輸?shù)街悄芙K端設(shè)備。

1.3 藍(lán)牙無線模塊

采用上海Modiatek公司研發(fā)的FBT06_LPDB插針式低功耗藍(lán)牙模塊，相比于FBT06，增加電源防反接、低功耗使能控制，輸入電壓范圍3.3～6V,采用Bluetooth2.1，輸出功率為Class2(15 m左右)，可與帶藍(lán)牙功能的筆記本與臺式電腦、智能手機(jī)良好通信。藍(lán)牙通信時(shí)只需要接3根杜邦線：GND、RXD、TXD，不需要接VCC；但藍(lán)牙芯片本身工作需要外部供給3.3V VCC電源。

1.4 電源模塊

作為一款可穿戴式電子設(shè)備，除了提供需要的電壓外，對模塊大小、功耗、安全性也是有要求的?？紤]到一般鋰電池容量足以滿足每次系統(tǒng)的使用，并不需要長時(shí)間攜帶外出，所以本系統(tǒng)測距傳感器、微控制器(MCU)、藍(lán)牙模塊與顯示模塊由3.7V 200mAh鋰電池供電，其重量只有6.2g，適合藍(lán)牙產(chǎn)品、移動可穿戴產(chǎn)品、GPS等的供電。通過TI公司設(shè)計(jì)的超低靜態(tài)電流降壓轉(zhuǎn)換器TPS62743實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙與單片機(jī)所需的3.3V電壓。

圖4 FBT06_LPDB與89S51通信連接示意圖

2 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含距離數(shù)據(jù)測量與傳輸和角度計(jì)算及顯示。數(shù)據(jù)傳感模塊通過TW10S單點(diǎn)激光測距模塊獲取測量到的數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)?9S51單片機(jī)；再利用角度計(jì)算程序計(jì)算出關(guān)節(jié)實(shí)時(shí)的活動度，并將活動度值在單片機(jī)顯示模塊或通過藍(lán)牙傳輸模塊傳輸?shù)街悄芙K端顯示；實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)活動度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

3 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

3.1 測試原理

利用余弦定理，即已知三角形三條邊長，求三內(nèi)角度數(shù)，將其應(yīng)用于測量關(guān)節(jié)活動度上，已知三角形AB、AC、BC的長度分別為a、b、c，要求出三角形任意角α的余弦值，cosα=(b2+c2-a2)/2bc，然后用反函數(shù)求得角的度數(shù)，即：α=arccosα[7,8]。

在實(shí)際應(yīng)用中，用該關(guān)節(jié)最大伸展的角度減去最大收縮時(shí)的角度，即是該關(guān)節(jié)現(xiàn)狀下的活動度。

3.2 測試方法

首先以被測量關(guān)節(jié)的軸心為原點(diǎn)，由原點(diǎn)沿構(gòu)成該關(guān)節(jié)的兩臂上各取一點(diǎn)，即構(gòu)成一個(gè)三角形，再分別測量出任意二點(diǎn)間的距離，即三角形邊長。應(yīng)當(dāng)說明的是:第一，不能用直尺或軟尺測量，以減少不應(yīng)有的誤差或干擾；第二，三點(diǎn)的選擇，應(yīng)以骨性標(biāo)志為準(zhǔn)，以盡量減小誤差。測出每兩點(diǎn)間的長度后，即可運(yùn)用余弦定理，計(jì)算出被測角的α值，再用該關(guān)節(jié)最大伸展時(shí)的α值減去最大收縮時(shí)的α值，即得該關(guān)節(jié)目前狀態(tài)下的活動度，也即活動范圍。在求該關(guān)節(jié)失能度時(shí)，先以以上方法測出腱側(cè)關(guān)節(jié)的活動度，然后用“1”減去患側(cè)關(guān)節(jié)活動度與腱側(cè)正常平均活動度，再乘以100%后，被“1”減去，就可分別求出各自的失能度[9]。

3.3 測試結(jié)果及分析

利用激光測距傳感器模塊組進(jìn)行距離的測量(測量前進(jìn)行誤差驗(yàn)證，保證精確度)。利用51單片機(jī)將傳感器測量的數(shù)據(jù)接收并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即運(yùn)用余弦定理程序計(jì)算關(guān)節(jié)活動度，將其輸出顯示在1602液晶顯示屏，還可以通過藍(lán)牙無線發(fā)送到智能終端。

我們針對下肢膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)活動度進(jìn)行測試，選取8名大學(xué)生志愿者(包括兩名男性超重者)，其中男女生比例相同，并事先演示每個(gè)動作的規(guī)范，測試數(shù)據(jù)如表1。

表1 關(guān)節(jié)活動度測試數(shù)據(jù)表

從以上測試數(shù)據(jù)表可以看出，測試數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，總體上被測試者均能達(dá)到正常ROM值，由于女生柔韌度普遍高于男生，所以關(guān)節(jié)活動度要稍大，而兩名男性超重者由于體重和體型等原因，ROM值會比體型正常者稍小。以上測試結(jié)果基本符合臨床研究數(shù)據(jù)，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)采用激光測距傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，經(jīng)主控制器分析和處理，實(shí)時(shí)顯示關(guān)節(jié)活動度，經(jīng)測試符合臨床經(jīng)驗(yàn)值，為醫(yī)生對下肢患者的康復(fù)評價(jià)和進(jìn)一步治療提供了切實(shí)的依據(jù)，降低了病人對于以往測量方式的反感度，也解決傳統(tǒng)測量方式中數(shù)據(jù)不精確、測量過程繁瑣的問題。因此，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了康復(fù)訓(xùn)練效果評估功能，為患者的下一步康復(fù)治療提供重要依據(jù)。