一種用于骨折術后輔助康復訓練監(jiān)控系統(tǒng)的設計

程 蔚，張洪杰，鄭洪慶

（閩南理工學院，福建 石獅362700）

醫(yī)學領域中的康復訓練主要用于幫助因疾病導致肌肉萎縮或者關節(jié)硬化的患者恢復肢體活動能力[1-2]。現有技術中的康復訓練方式通常依賴于理療師[3]。以上肢的康復訓練為例，理療師需要在每次康復訓練中幫助患者進行上肢肢體規(guī)定動作的反復訓練，這對于理療師來說重復勞動負擔過重，并且一個理療師在同一時間只能對應負責一個患者的康復訓練，無法實現醫(yī)生和患者一對多的訓練模式，從而浪費了人力成本，并且降低了訓練效率[4]。此外，醫(yī)生不可能隨時隨地陪著骨折術后的病人做康復訓練，極易造成病人沒有按照醫(yī)生的囑咐按時按量做訓練，使病人的康復受到影響[5-6]。專利2016.10269317.4涉及一種基于嵌入式系統(tǒng)的醫(yī)用康復訓練儀，通過受力檢測系統(tǒng)，采集病人訓練時的應力并與系統(tǒng)設定值進行比較，如不匹配，則報警提醒病人，該系統(tǒng)適用于下肢骨折病人康復訓練。綜上，設計一種適用于上肢骨折術后輔助康復訓練監(jiān)控系統(tǒng)，具有重大意義。

1 系統(tǒng)總體方案設計

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

圖1 系統(tǒng)總體設計方案圖

系統(tǒng)工作流程如下：醫(yī)生終端先將訓練計劃發(fā)送至云服務器，云服務器將該訓練計劃發(fā)送給病人終端，病人根據接收的訓練計劃進行訓練。當醫(yī)生設定的訓練時間到時，監(jiān)控裝置發(fā)出警報聲，提醒病人做手臂康復訓練。裝置佩戴在人體手腕上，此時人體手臂擺動時，加速度傳感器采集手臂擺動速度，經過處理器處理得到擺動次數信息，顯示在OLED顯示屏，同時經WIFI模塊發(fā)送給云服務器，云服務器根據網絡協(xié)議發(fā)送給醫(yī)生接收終端顯示，則病患可根據LCD顯示屏顯示的內容清晰地得知訓練具體情況，同時醫(yī)生也能實時地掌控患者的訓練情況，以便醫(yī)生及時調整訓練計劃。

2 硬件電路設計

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用設計的STM32單片機。該單片機工作頻率高，最高可達72 MHz，具有13個通信接口，112個I/O端口等，豐富外設[7]。STM32單片機與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采集電路設計

MPU6050是一款全球首例9軸運動處理低功耗傳感器，免除了組合陀螺儀與加速器時間軸之差的問題，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寄存器，設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動[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通訊獲取數據，經過數字濾波等處理得到加速度和角度等數據，再經過算法處理得到手臂擺動次數。

2.3 wifi無線通訊電路設計

本設計wifi模塊采用ESP8266芯片。ESP8266是一個完整且自成體系的Wifi網絡解決方案，能夠獨立運行。該芯片內置一個超低功耗32位RISC處理器，具有強大的片上處理和存儲能力。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藍牙無線模塊

HC05模塊，是一款高性能主從一體的藍牙串口模塊，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顯示電路設計

本裝置需配戴在患者的手腕上，在尺寸上要求嚴格，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 軟件設計

3.1 主程序設計

系統(tǒng)啟動后，先獲取存儲的訓練計劃，通過比較當前系統(tǒng)時間與訓練時間是否一致，如果一致，系統(tǒng)發(fā)出振動警報，通知患者開始訓練?；颊唛_始訓練后，系統(tǒng)主控模塊采集MPU6050傳感器的數據，做算法處理，得到手臂擺動的次數，通過wifi模塊和藍牙模塊分別將擺動次數發(fā)送到云服務平臺和病人手機，同時跟存儲的訓練次數進行比較，如果一致，振動報警，告知患者訓練結束。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數據采集程序設計

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，并轉化成x/y/z對應的角加速度[10]。陀螺儀數據輸出寄存器如表1所示，加速度傳感器數據輸出寄存器如表2所示。

圖9 MP U6050采集程序流程圖

表1 陀螺儀數據輸出寄存器

表2 加速度傳感器數據輸出寄存器

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，與數字低通濾波器（DLPF）的設置有關，DLPF_CFG不同配置對應的過濾情況如表3所示，當DLPF_CFG=0、7時輸出是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，如果設置采樣率為100 Hz，那么帶寬設置為50 Hz，取近似值44 Hz，就應該設置DLPF_CFG=011.

表3 D L P F_C F G不同配置對應的過濾情況

3.3 無線通信程序設計

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

4 實驗調試

本裝置的云平臺采用機智云平臺，醫(yī)生端手機APP如圖10所示，康復監(jiān)控裝置如圖11所示。

圖10 醫(yī)生端手機A PP

圖11 康復監(jiān)控裝置實物圖

模擬實驗結果如圖12所示。

圖12 模擬實驗結果

5 結論

本文介紹了一種用于骨折術后輔助康復訓練監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件裝置由STM32單片機、MPU6050傳感器、無線收發(fā)模塊等構成。通過簡單的算法處理得到擺動次數，并將數據發(fā)送到云服務平臺，供醫(yī)生查看。通過實驗測試表明，該裝置達到預期的效果，但從角度和加速度數據算出擺動次數的算法還需要進一步完善。