佩戴式帕金森病人運(yùn)動(dòng)信號(hào)無線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪豐 趙曉杰

【摘要】隨著老齡化的出現(xiàn)，帕金森病（PD）發(fā)病率正在升高。目前評(píng)判PD疾病的分期主要依靠相關(guān)評(píng)分量表，結(jié)果受患者的主觀感受和檢查者檢查手法的影響。為了客觀評(píng)價(jià)患者運(yùn)動(dòng)功能，指導(dǎo)康復(fù)過程，提出設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)。通過藍(lán)牙把運(yùn)動(dòng)信號(hào)上傳到上位機(jī)，為提取諸多評(píng)價(jià)PD患者運(yùn)動(dòng)功能的特征參量提供信號(hào)數(shù)據(jù)，從而達(dá)到客觀準(zhǔn)確地對(duì)PD進(jìn)行分期的目的。

【關(guān)鍵詞】佩戴式運(yùn)動(dòng)信號(hào)加速度無線采集

當(dāng)今世界，人口老齡化已經(jīng)日益嚴(yán)重，并且成為顯著的社會(huì)問題。資料顯示，帕金森病多發(fā)于老年人，平均發(fā)病年齡約為60歲，在我國65歲以上的PD發(fā)病率為1.7%。全球400萬患者中有將近一半在我國，而且這個(gè)數(shù)字仍然在以每年10萬以上的速度增加。PD征兆為顫抖、四肢僵硬、肌肉痙攣和動(dòng)作遲緩，而一旦患病，其臨床表現(xiàn)為靜止性震顫、動(dòng)作遲緩、肌肉強(qiáng)直和步態(tài)障礙等[1]。其運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)甚至分期和康復(fù)評(píng)價(jià)，目前都是依靠相關(guān)評(píng)分量表，這種傳統(tǒng)的方法對(duì)患者的主觀感受依賴性大，同時(shí)也會(huì)因?yàn)獒t(yī)生的主觀經(jīng)驗(yàn)受到較大的影響。

隨著加速度傳感器在步態(tài)和跌倒方面的研究，通過加速度信號(hào)對(duì)運(yùn)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域或頻域分析，可以獲得諸如平躺、坐、站、走和跑等運(yùn)動(dòng)的分類[2，3]。通過三軸加速度采集信號(hào)，結(jié)合臨床需求，分析諸如步頻、步幅、手部抖動(dòng)、軀干傾角、TUG時(shí)間、運(yùn)動(dòng)對(duì)稱性、協(xié)調(diào)性等PD患者敏感的特征參量，從而更客觀準(zhǔn)確的對(duì)PD患者運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

準(zhǔn)確的信號(hào)，是設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)算法的關(guān)鍵，更是研究PD患者運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)方法的依據(jù)，甚至可以為客觀準(zhǔn)確的前期診斷提供輔助手段。

一、設(shè)計(jì)方案

基于需求分析，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)佩戴式帕金森病人運(yùn)動(dòng)信號(hào)無線采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用超低功耗單片機(jī)MSP430FG4618作為控制中心，前端為LIS302DL三軸加速度傳感器，通過I2C把輸出的數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。經(jīng)過標(biāo)定和濾波后，一方面存儲(chǔ)到Nor Flash芯片MX25L1605D中，另一方面基于UART的藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)將信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)（PC）上。同時(shí)可以通過上位機(jī)命令控制采集功能。最后，可以通過藍(lán)牙上傳存儲(chǔ)在Nor Flash里的歷史數(shù)據(jù)，在上位機(jī)進(jìn)行特征參量計(jì)算。通過測(cè)試，該系統(tǒng)穩(wěn)定性好，抗干擾性強(qiáng)，可以為PD患者運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)時(shí)相關(guān)參量的提取提供準(zhǔn)確信號(hào)。

1.1硬件部分

系統(tǒng)硬件包括中心控制單片機(jī)模塊、藍(lán)牙模塊、加速度傳感器模塊、Nor Flash模塊和電源模塊，整個(gè)系統(tǒng)通訊連接如圖1所示。

1.1.1單片機(jī)MSP430

MSP430是TI公司近年來推出的專門針對(duì)便攜式醫(yī)療設(shè)備的MCU，具有超低功耗、處理能力強(qiáng)、資源豐富、工作穩(wěn)定和方便的開發(fā)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[4]。

其內(nèi)部有flash和RAM，兩個(gè)定時(shí)器，A/D&D/A轉(zhuǎn)換器，三個(gè)可以配置的運(yùn)放，一個(gè)USCI和一個(gè)USART。

1.1.2加速度傳感器

三軸加速度傳感器型號(hào)為LIS302D，輸出三軸數(shù)字信號(hào)。它的滿刻度量程為±2g/±8g，加速度數(shù)據(jù)的輸出速率為100Hz或400Hz，其功耗小于1mv，是一款尺寸小、低g線性產(chǎn)品。由于人體運(yùn)動(dòng)的加速度幅頻都比較低，考慮該系統(tǒng)使用的對(duì)象，該系統(tǒng)選擇滿量程±2g，實(shí)際輸出為±2.3g，信號(hào)輸出速率為400Hz，最終通過單片機(jī)控制定時(shí)器實(shí)現(xiàn)64Hz采樣率。

1.1.3藍(lán)牙模塊

信號(hào)采集終端和上位機(jī)的通訊通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)。一方面下行通訊，包括采樣頻率的選擇、開始/停止采集、即時(shí)上傳數(shù)據(jù)、上傳歷史數(shù)據(jù)等命令的發(fā)送；另一方面上行通訊，可以把數(shù)據(jù)即時(shí)上傳和歷史回調(diào)上傳到PC進(jìn)行保存和處理。

藍(lán)牙技術(shù)在短距離通訊的全球開放性和低成本特點(diǎn)，故采用IDS-BM4A藍(lán)牙模塊進(jìn)行串口數(shù)據(jù)傳輸。通過接受引腳URXD、發(fā)送引腳UTXD和外設(shè)連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的UART模式。

1.1.4存儲(chǔ)模塊

為了將實(shí)現(xiàn)長時(shí)間和多部位的信號(hào)采集，加入存儲(chǔ)模塊。將不同部位的終端系統(tǒng)采集到的信號(hào)存入Flash，然后通過上位機(jī)發(fā)送命令分時(shí)上傳歷史數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行處理和保存。同時(shí)在單一部位采集時(shí)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)上傳和歷史上傳兩種方式。本系統(tǒng)選擇具有16M bit容量的MX25L1605D，理論上可以存儲(chǔ)3個(gè)小時(shí)的64Hz三軸加速度數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^上位機(jī)命令進(jìn)行擦除和上傳任意合法時(shí)間范圍內(nèi)數(shù)據(jù)。14s整片擦除時(shí)間和10萬次擦除編程。

1.2軟件部分

系統(tǒng)采用C語言編寫設(shè)計(jì)。分別實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊初始化、上位機(jī)命令中斷及解析、選擇采樣率、傳感器讀出、數(shù)據(jù)預(yù)處理、Flash讀寫、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳、數(shù)據(jù)上傳等。

1.2.1初始化

該部分主要是針對(duì)模塊進(jìn)行初始化，包括時(shí)鐘、引腳、TimerA、加速度傳感器、藍(lán)牙、SPI、I2C等。

1.2.2通訊

首先下行通訊。通過UART中斷可以獲得上位機(jī)通過藍(lán)牙發(fā)送的各種操作指令，通過解析如果是合法指令，則進(jìn)入主循環(huán)中的功能操作函數(shù)。

然后是從采集系統(tǒng)到PC的通訊。一方面通訊上傳采集到的信號(hào)，另一方面是上傳命令發(fā)送失敗信息。如果發(fā)送失敗，則上傳一組代表發(fā)送失敗的字符串。

1.2.3標(biāo)定

由于加速度傳感器本身的誤差，所以需要標(biāo)定。系統(tǒng)加速度芯片在靜止放置時(shí)會(huì)有1g重力加速度，通過重力加速度可以進(jìn)行1g標(biāo)定。同時(shí)，三個(gè)軸的標(biāo)定是以封裝好的系統(tǒng)X、Y、Z軸為準(zhǔn)，而非芯片三個(gè)方向。分別把采集系統(tǒng)三個(gè)方向靜止放置在水平面上，開始采集，這時(shí)會(huì)有其中一個(gè)軸為g，另兩個(gè)軸為0；然后轉(zhuǎn)換180°后變?yōu)樵撦S為-g，另兩軸仍為0，那么通過線性平均對(duì)全量程的信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定。該系統(tǒng)為8位輸出，最小精度為量程除以256，數(shù)據(jù)手冊(cè)提供值為18mg，通過多次標(biāo)定后，最終確定為19.2mg。原始信號(hào)的0到127表示正方向的0g到滿量程；255到128表示負(fù)方向的0g到滿量程，原始信號(hào)乘以最小精度值即可得到加速度信號(hào)大小，通過原始信號(hào)與128比較來區(qū)分方向。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

最終實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)物如圖3所示，可以滿足采集運(yùn)動(dòng)信號(hào)的需求。由于人運(yùn)動(dòng)的頻率范圍比較低，以下結(jié)果采樣率均為64Hz。首先將采集系統(tǒng)固定在腰部，Y軸豎直向下，采集走動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。走8步，轉(zhuǎn)身靜止，8步走回。橫軸為采樣點(diǎn)數(shù)，縱軸為加速度。三軸的原始信號(hào)如圖4，由于Y軸向下，所以在轉(zhuǎn)身時(shí)信號(hào)變換不明顯，而X和Z軸則有明顯特征。通過求平方和開放可得到合加速度SVW，時(shí)域特征明顯，通過橢圓濾波可以去除重力加速度g，之后得到SSb。對(duì)合加速度SSb進(jìn)行三層小波重構(gòu)濾波后，通過硬閾值進(jìn)行步行動(dòng)作分類，可以達(dá)到100%的正確率。多次試驗(yàn)結(jié)果非常理想。在平躺、躺到坐、坐到站、站、走、跑等多動(dòng)作分類時(shí)，正確率有所下降，主要取決于算法，故系統(tǒng)測(cè)得信號(hào)的可靠性仍然非常理想，可以滿足PD患者運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)所需參數(shù)的提取和計(jì)算。然后分別采集了固定在腕部的手抖動(dòng)信號(hào)、雙腳踝的走動(dòng)信號(hào)以及身體前傾時(shí)腰部信號(hào)，系統(tǒng)采集信號(hào)的準(zhǔn)確性和可靠性得到驗(yàn)證。

三、結(jié)語

佩戴式帕金森病人運(yùn)動(dòng)功能信號(hào)無線采集系統(tǒng)采用超低功耗的MCU和高效供電模塊實(shí)現(xiàn)長時(shí)間監(jiān)測(cè)，以其小巧的體積和無線傳輸?shù)姆绞綕M足帕金森病人對(duì)舒適的要求。通過對(duì)各個(gè)部位信號(hào)進(jìn)行采集后分析，該系統(tǒng)采集到的信號(hào)準(zhǔn)確可靠，并且系統(tǒng)工作穩(wěn)定性強(qiáng)。把加速度傳感器應(yīng)用到帕金森病人運(yùn)動(dòng)功能的評(píng)價(jià)領(lǐng)域，為帕金森病人的運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)提供客觀準(zhǔn)確的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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