程 蔚，張洪杰，鄭洪慶

（閩南理工學(xué)院，福建 石獅362700）

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的康復(fù)訓(xùn)練主要用于幫助因疾病導(dǎo)致肌肉萎縮或者關(guān)節(jié)硬化的患者恢復(fù)肢體活動(dòng)能力[1-2]。現(xiàn)有技術(shù)中的康復(fù)訓(xùn)練方式通常依賴于理療師[3]。以上肢的康復(fù)訓(xùn)練為例，理療師需要在每次康復(fù)訓(xùn)練中幫助患者進(jìn)行上肢肢體規(guī)定動(dòng)作的反復(fù)訓(xùn)練，這對于理療師來說重復(fù)勞動(dòng)負(fù)擔(dān)過重，并且一個(gè)理療師在同一時(shí)間只能對應(yīng)負(fù)責(zé)一個(gè)患者的康復(fù)訓(xùn)練，無法實(shí)現(xiàn)醫(yī)生和患者一對多的訓(xùn)練模式，從而浪費(fèi)了人力成本，并且降低了訓(xùn)練效率[4]。此外，醫(yī)生不可能隨時(shí)隨地陪著骨折術(shù)后的病人做康復(fù)訓(xùn)練，極易造成病人沒有按照醫(yī)生的囑咐按時(shí)按量做訓(xùn)練，使病人的康復(fù)受到影響[5-6]。專利2016.10269317.4涉及一種基于嵌入式系統(tǒng)的醫(yī)用康復(fù)訓(xùn)練儀，通過受力檢測系統(tǒng)，采集病人訓(xùn)練時(shí)的應(yīng)力并與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行比較，如不匹配，則報(bào)警提醒病人，該系統(tǒng)適用于下肢骨折病人康復(fù)訓(xùn)練。綜上，設(shè)計(jì)一種適用于上肢骨折術(shù)后輔助康復(fù)訓(xùn)練監(jiān)控系統(tǒng)，具有重大意義。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)適用于上肢骨折康復(fù)，方便醫(yī)生設(shè)置訓(xùn)練計(jì)劃和監(jiān)控病人的康復(fù)訓(xùn)練情況。該監(jiān)控系統(tǒng)主要由stm32單片機(jī)、三軸加速度傳感器、藍(lán)牙模塊、OLED顯示模塊、wifi模塊、手機(jī)APP、其他輔助模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)組成方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案圖

系統(tǒng)工作流程如下：醫(yī)生終端先將訓(xùn)練計(jì)劃發(fā)送至云服務(wù)器，云服務(wù)器將該訓(xùn)練計(jì)劃發(fā)送給病人終端，病人根據(jù)接收的訓(xùn)練計(jì)劃進(jìn)行訓(xùn)練。當(dāng)醫(yī)生設(shè)定的訓(xùn)練時(shí)間到時(shí)，監(jiān)控裝置發(fā)出警報(bào)聲，提醒病人做手臂康復(fù)訓(xùn)練。裝置佩戴在人體手腕上，此時(shí)人體手臂擺動(dòng)時(shí)，加速度傳感器采集手臂擺動(dòng)速度，經(jīng)過處理器處理得到擺動(dòng)次數(shù)信息，顯示在OLED顯示屏，同時(shí)經(jīng)WIFI模塊發(fā)送給云服務(wù)器，云服務(wù)器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送給醫(yī)生接收終端顯示，則病患可根據(jù)LCD顯示屏顯示的內(nèi)容清晰地得知訓(xùn)練具體情況，同時(shí)醫(yī)生也能實(shí)時(shí)地掌控患者的訓(xùn)練情況，以便醫(yī)生及時(shí)調(diào)整訓(xùn)練計(jì)劃。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件主要由STM32處理模塊、MPU6050傳感器、OLED顯示模塊、無線收發(fā)模塊和其他輔助電路等組成。

2.1 S T M32處理模塊

主控制芯片采用低成本、低功耗、高性能的專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的STM32單片機(jī)。該單片機(jī)工作頻率高，最高可達(dá)72 MHz，具有13個(gè)通信接口，112個(gè)I/O端口等，豐富外設(shè)[7]。STM32單片機(jī)與MPU6050傳感器采用IIC接口連接，串口1、串口3分別與wifi模塊和藍(lán)牙模塊連接，PB口連接OLED顯示模塊。STM32處理模塊框圖如圖2所示。

圖2 S T M32處理模塊框圖

2.2 MP U6050采集電路設(shè)計(jì)

MPU6050是一款全球首例9軸運(yùn)動(dòng)處理低功耗傳感器，免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間。傳感器具有IIC和SPI接口，方便連接。用戶可通過配置相應(yīng)寄存器，設(shè)置傳感器的測量范圍，從而保證精確地跟蹤快速和慢速的運(yùn)動(dòng)[8-9]。本系統(tǒng)采用IIC接口與MPU6050的寄存器之間通信。MPU6050的引腳圖如圖3所示，STM32與MPU6050之間的電路接口如圖4所示。

圖3 MP U6050引腳圖

圖4 S T M32與MP U6050電路連接圖

STM32通過IIC通訊獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)字濾波等處理得到加速度和角度等數(shù)據(jù)，再經(jīng)過算法處理得到手臂擺動(dòng)次數(shù)。

2.3 wifi無線通訊電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)wifi模塊采用ESP8266芯片。ESP8266是一個(gè)完整且自成體系的Wifi網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠獨(dú)立運(yùn)行。該芯片內(nèi)置一個(gè)超低功耗32位RISC處理器，具有強(qiáng)大的片上處理和存儲(chǔ)能力。ESP8266模組需要的較少的外圍器件就可以工作，連接簡單方便。STM32與ESP8266的連接電路圖如圖5所示，該電路外圍電路簡單。

圖5 S T M32與E SP8266的連接電路圖

2.4 H C05藍(lán)牙無線模塊

HC05模塊，是一款高性能主從一體的藍(lán)牙串口模塊，使用范圍廣，可以與眾多智能終端配對，具有寬的波特率范圍：4 800～1 382 400 bps.與其它單片兼容，方便連接，使用方便。HC05電路圖如圖6所示。

圖6 H C05電路圖

2.5 O L E D顯示電路設(shè)計(jì)

本裝置需配戴在患者的手腕上，在尺寸上要求嚴(yán)格，本文采用0.96寸OLED顯示屏。OLED屏較傳統(tǒng)LCD屏，在尺寸有一定的優(yōu)勢。OLED顯示屏與STM32處理器間的連接圖如圖7所示。

圖7 O L E D顯示屏與S T M32處理器間的連接圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)后，先獲取存儲(chǔ)的訓(xùn)練計(jì)劃，通過比較當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間與訓(xùn)練時(shí)間是否一致，如果一致，系統(tǒng)發(fā)出振動(dòng)警報(bào)，通知患者開始訓(xùn)練?；颊唛_始訓(xùn)練后，系統(tǒng)主控模塊采集MPU6050傳感器的數(shù)據(jù)，做算法處理，得到手臂擺動(dòng)的次數(shù)，通過wifi模塊和藍(lán)牙模塊分別將擺動(dòng)次數(shù)發(fā)送到云服務(wù)平臺(tái)和病人手機(jī)，同時(shí)跟存儲(chǔ)的訓(xùn)練次數(shù)進(jìn)行比較，如果一致，振動(dòng)報(bào)警，告知患者訓(xùn)練結(jié)束。系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

3.2 MP U6050數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

MPU6050與STM32之間采用IIC接口，即Inter-Integrated Circuit（集成電路總線），MPU6050采集程序流程如圖9所示。STM32通過IIC協(xié)議配置MPU6050的寄存器，獲取陀螺儀x/y/z軸的值，并轉(zhuǎn)化成x/y/z的角度值；讀到加速度傳感器x/y/z軸的值，并轉(zhuǎn)化成x/y/z對應(yīng)的角加速度[10]。陀螺儀數(shù)據(jù)輸出寄存器如表1所示，加速度傳感器數(shù)據(jù)輸出寄存器如表2所示。

圖9 MP U6050采集程序流程圖

表1 陀螺儀數(shù)據(jù)輸出寄存器

表2 加速度傳感器數(shù)據(jù)輸出寄存器

采樣過程中，加速度傳感器，輸出速率（Fs）固定是1 kHz，而陀螺儀的輸出頻率是1 kHz或者8 kHz，與數(shù)字低通濾波器（DLPF）的設(shè)置有關(guān)，DLPF_CFG不同配置對應(yīng)的過濾情況如表3所示，當(dāng)DLPF_CFG=0、7時(shí)輸出是8 kHz，其他輸出是1 kHz.一般情況下角速度傳感器的帶寬為其采樣率的一半，如果設(shè)置采樣率為100 Hz，那么帶寬設(shè)置為50 Hz，取近似值44 Hz，就應(yīng)該設(shè)置DLPF_CFG=011.

表3 D L P F_C F G不同配置對應(yīng)的過濾情況

3.3 無線通信程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的HC05藍(lán)牙和wifi模塊均采用串口通信，得到的數(shù)據(jù)通過串口通信傳輸，具體程序如下所示。

4 實(shí)驗(yàn)調(diào)試

本裝置的云平臺(tái)采用機(jī)智云平臺(tái)，醫(yī)生端手機(jī)APP如圖10所示，康復(fù)監(jiān)控裝置如圖11所示。

圖10 醫(yī)生端手機(jī)A PP

圖11 康復(fù)監(jiān)控裝置實(shí)物圖

模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

本文介紹了一種用于骨折術(shù)后輔助康復(fù)訓(xùn)練監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件裝置由STM32單片機(jī)、MPU6050傳感器、無線收發(fā)模塊等構(gòu)成。通過簡單的算法處理得到擺動(dòng)次數(shù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)平臺(tái)，供醫(yī)生查看。通過實(shí)驗(yàn)測試表明，該裝置達(dá)到預(yù)期的效果，但從角度和加速度數(shù)據(jù)算出擺動(dòng)次數(shù)的算法還需要進(jìn)一步完善。