醫(yī)用平衡測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文介紹醫(yī)用平衡測(cè)量?jī)x的組成、電路設(shè)計(jì)原理，ARM單片機(jī)與PC機(jī)的通信協(xié)議，ARM單片機(jī)的主要軟件模塊設(shè)計(jì)，PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，從五個(gè)方面全面系統(tǒng)地的介紹了醫(yī)用平衡測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

關(guān)鍵詞：醫(yī)用平衡測(cè)量?jī)x；測(cè)試平臺(tái)；信息采集；終端控制

引言

醫(yī)用平衡測(cè)量?jī)x主要用于對(duì)某些有平衡障礙的病人進(jìn)行平衡功能的評(píng)價(jià)，根據(jù)不同檢測(cè)結(jié)果，判斷出被測(cè)者的病變部位，臨床上做到有的放矢。

醫(yī)用平衡測(cè)量?jī)x的組成

該醫(yī)用平衡測(cè)量?jī)x主要由四部分組成，如圖1所示。

測(cè)試平臺(tái)

通過(guò)傳感器采集各個(gè)傳感器的信息，并將采集列的信息，傳到信息采集模塊。

信息采集

主要將傳感器傳來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并按照一定的格式將信息傳到終端控制模塊。

終端控制

終端控制模塊分析接受到的各種信息，按照協(xié)議規(guī)定控制各個(gè)模塊執(zhí)行相應(yīng)的上作，要完成的工作包括：接受信息采集模塊的信息，并把信息發(fā)送列PC機(jī)上；接受PC機(jī)傳來(lái)的控制信息，將控制信息按規(guī)定協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試平臺(tái)的控制，使測(cè)試平臺(tái)傾斜一定的角度。

PC機(jī)

處理、顯示信息，直觀、明確地反映出被測(cè)者的身體平衡情況。

電路設(shè)計(jì)

測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

測(cè)試平臺(tái)傳感器選擇NS—TH4系列傳感器，該系列傳感器采用懸臂剪切結(jié)構(gòu)，具有精度高、防塵好、安裝容易、使用方便等特點(diǎn)。技術(shù)指標(biāo)為：

·額定載荷選擇50千克，允許過(guò)載150％F．S；

·測(cè)試平臺(tái)上有六個(gè)傳感器，根據(jù)測(cè)試對(duì)象，考慮使用該額定載荷的足夠；

·拱橋電壓10V，額定輸出1．5MV，通過(guò)放大電路可設(shè)計(jì)成0-5V信號(hào)輸出，滿足信息采集模塊的設(shè)計(jì)要求；

·測(cè)量精度不小于％0．03，即15g，滿足測(cè)量精度要求。

傳感器型號(hào)選擇好之后，下一步最重要的是放大電路的設(shè)計(jì)。其原理部分如圖2所示。

E為10V的外部電源供電，R1-R4是稱重傳感器的4個(gè)電阻應(yīng)變片，R5、R6與w1組成零點(diǎn)調(diào)整電路。當(dāng)載荷為零時(shí)，調(diào)節(jié)模擬信號(hào)輸出為零。A1，A2為雙運(yùn)放集成電路LM358中的兩個(gè)單元電路，組成了一個(gè)對(duì)稱的同相放大器。其他機(jī)械方面設(shè)計(jì)，在此不作介紹。

信息收集終端控制模塊設(shè)計(jì)

完成的功能包括信息收集、處理、傳輸。其中最主要是處理器選擇，處理器完成六路A／D轉(zhuǎn)換，傳輸頻率40Hz以上，測(cè)量精度要求±20g，電路盡可能簡(jiǎn)單，信息傳輸接受采用串口與PC機(jī)通信，接受PC機(jī)控制信息，使測(cè)試平臺(tái)產(chǎn)生傾斜或轉(zhuǎn)動(dòng)。

根據(jù)處理器要完成的工作，在此選擇LPC2132處理器，該處理器特點(diǎn)為：

①帶有一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM7TDMI—s CPU，處理速度最快為0．9MIPS／MHz。方便編寫(xiě)程序和調(diào)試，很好滿足傳輸速度的要求。

②較小的封裝和極低的功耗使其理想的用于小型系統(tǒng)中，寬范圍的串行通信接口。

③1個(gè)10位DAC通道，很好完成A／D轉(zhuǎn)換和精度要求。

設(shè)計(jì)好的原理圖如圖3所示。

PC機(jī)完成的工作

PC機(jī)完成的工作主要有：接受終端控制傳來(lái)的測(cè)試平臺(tái)各個(gè)傳感器的數(shù)字信號(hào)，按照相應(yīng)的算法得到重心座標(biāo)值，將不同測(cè)試平臺(tái)狀態(tài)下，重心座標(biāo)值分別存儲(chǔ)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測(cè)量，得到一組重心座標(biāo)值，進(jìn)行相應(yīng)比較，輸出要求值；另一方面PC機(jī)發(fā)信息給控制終端，控制測(cè)試平臺(tái)狀態(tài)。最后PC機(jī)綜合分析不同狀態(tài)下重心座標(biāo)值，給出被測(cè)者平衡情況的綜合評(píng)價(jià)。

ARM單片機(jī)與PC機(jī)通信協(xié)議

1初始化串口時(shí)。設(shè)置為8位數(shù)據(jù)位，l位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，波特率為9600。

2 A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，十位精度要求，11個(gè)A／D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘。

3轉(zhuǎn)換結(jié)果是一個(gè)十位的：二進(jìn)制數(shù)，按照十次取平均值的算法實(shí)現(xiàn)。存放在兩字節(jié)中，發(fā)送時(shí)按照，低字節(jié)位先發(fā)，高字節(jié)位后發(fā)的原則，發(fā)送轉(zhuǎn)換結(jié)果。

4發(fā)送格式是：先發(fā)送55H、66H、77H，三個(gè)驗(yàn)證碼，然后緊接著發(fā)送轉(zhuǎn)換結(jié)果，按照傳感器轉(zhuǎn)編號(hào)A、B、C、D、E、F的順序，將轉(zhuǎn)換結(jié)果按協(xié)議第三條，依次連續(xù)發(fā)送到PC機(jī)串口。

5利用定時(shí)器定時(shí)，每間隔40ms發(fā)送一組數(shù)據(jù)，PC機(jī)每間隔40ms采集一次轉(zhuǎn)換結(jié)果。

6終端控制模塊，接收到開(kāi)始數(shù)據(jù)為55H、66H、77H時(shí)，將數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)；接收到開(kāi)始數(shù)據(jù)為55H、66H、88H時(shí)，控制采集信息模塊開(kāi)始采集測(cè)試平臺(tái)信息；接收到開(kāi)始數(shù)據(jù)為55H、66H、99H時(shí)，結(jié)束信息采集；當(dāng)接收到開(kāi)始數(shù)據(jù)為55H、66H、44H時(shí)，控制測(cè)試平臺(tái)按照指令偏轉(zhuǎn)傾斜。

ARM單片機(jī)的主要軟件模塊設(shè)計(jì)

將操作系統(tǒng)移植到LPC2132，基于操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，編寫(xiě)各個(gè)功能模塊程序，主要軟件模塊包括以下幾個(gè)：

模塊一移植：操作系統(tǒng)是一個(gè)基礎(chǔ)軟件平臺(tái)建立軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)首先需要選擇合適的操作系統(tǒng)，在這里作者將uC／OS II移植到LPC2132作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

模塊二信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換：分析AD轉(zhuǎn)換過(guò)程中，要完成幾項(xiàng)工作，將AD轉(zhuǎn)換分成以下幾個(gè)任務(wù)快去供操作系統(tǒng)調(diào)用，首先應(yīng)啟動(dòng)定時(shí)器，并將它的任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)最高，在做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作后，首先調(diào)用定時(shí)器人物模塊，啟動(dòng)定時(shí)，設(shè)置間隔40ms，間隔時(shí)間到，則發(fā)送一次轉(zhuǎn)換結(jié)果。其次是，在啟動(dòng)定時(shí)器后，立即進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換模塊。最后在定時(shí)器時(shí)間到后，轉(zhuǎn)入發(fā)送模式，將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)串口發(fā)送到終端控制塊。

模塊三終端控制塊的實(shí)現(xiàn)：終端控制塊，也可以分成以下幾個(gè)任務(wù)，由操作系統(tǒng)平臺(tái)去調(diào)用。第一，同上定時(shí)器模塊應(yīng)設(shè)置最高優(yōu)先級(jí)，確保PC機(jī)能實(shí)時(shí)采集到測(cè)試平臺(tái)的結(jié)果，并將他們存儲(chǔ)起來(lái)，進(jìn)行下一步處理。第二，接收到PC機(jī)傳來(lái)的控制命令后，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)思想及實(shí)現(xiàn)

PC機(jī)設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)通過(guò)以下四步實(shí)現(xiàn)：

第一步，通過(guò)后臺(tái)程序運(yùn)行，按照固定的測(cè)量平臺(tái)實(shí)現(xiàn)原理算法，即作用力的合力矩任測(cè)試平臺(tái)上為零，這樣可以建立作用力失衡性公式，在橫軸(x)和縱軸(Y)上，力矩和為零，各個(gè)傳感器所受力和等于被測(cè)者重力G：

對(duì)X軸取力矩：

a*Fa+b*Ffc*Fd c*Fc+y*G=O(1)

對(duì)Y軸取力矩

a*Fa+b*Fb+a*Fc a*Ff b*Fe a*Fd+X*G=0

(2)

合力為G：

Fa+Fb+Fc+Fd+Fe+Ff=G

(3)

由此得到重心在X---Y平面上的投影位置為：

X=(a*Ff+b*Fe+a*Fd a* Fab*Fba*Fc)／G

Y＝(c*Fd+c*Fca*Fab*Ff)／G

由此方程組及可求出某一時(shí)刻被測(cè)者的重心坐標(biāo)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測(cè)量，求出一組坐標(biāo)值，將這組坐標(biāo)值進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，在特定的顯示屏上，顯示要得到的信息。

第二步，利用VB編寫(xiě)應(yīng)用界面，顯示信息。主要包括地顯示信息有：1、重心搬動(dòng)軌跡。通過(guò)與存儲(chǔ)的資料進(jìn)行比較，判斷出被測(cè)者的病變部位。2、軌跡外周面積、動(dòng)搖中心偏離(x軸和Y軸)、單位面積軌跡長(zhǎng)。

第三步，在微機(jī)中存儲(chǔ)一些資料，一些國(guó)際精神學(xué)及神經(jīng)科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，一些專家的研究資料和研究成果，以此作為對(duì)比參考值，來(lái)最終評(píng)判被測(cè)者各方面的情況，給出評(píng)判，結(jié)果顯示在界面上。

第四步，建立病人檔案數(shù)據(jù)庫(kù)，跟蹤治療。

PC機(jī)總體顯示部分綜合信息框圖界面如圖4所示。

結(jié)語(yǔ)

此款平衡測(cè)量?jī)x是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和人體生物力學(xué)的完美結(jié)合，快速分析檢查結(jié)果。適用于神經(jīng)內(nèi)科、耳鼻喉科、康復(fù)醫(yī)藥科、骨科等多科室用，能在很短時(shí)間內(nèi)回收投資。因此研究開(kāi)發(fā)次平衡測(cè)量?jī)x，具很大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益、發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值。

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