復健輔助關節檢測儀

謝丹 呂慧婷 段煜

(重慶大學光電工程學院,重慶 400044)

復健輔助關節檢測儀

謝丹 呂慧婷 段煜

(重慶大學光電工程學院,重慶 400044)

介紹一款復健輔助關節檢測儀。該儀器通過測量和顯示肩關節轉過角度的變化,較為精確地反映人體肩關節受傷康復情況。為使其結構小巧,易于固定,儀器內部采用集成貼片式芯片且PCB板雙面焊接。通過傳感器采集,AD芯片的模數轉換和單片機的計算得到最終角度的變化。

復健 檢測 角度 數據采集 模數轉化

目前在醫學領域中,復健醫學的發展隨著科技的進步,殘障照顧的重視等,逐漸受到重視與推展,在復健醫療需求的逐漸增加之下,目前在全世界大多數的先進國家都設有復健醫療機構。復健醫學已逐漸成為另一種醫療的模式。國內外已有很多幫助患者康復的醫學儀器,但用于檢測患者康復情況的儀器卻并沒有廣泛應用。本項目復健輔助關節檢測儀是一款用于測量患者關節運動所改變的角度的測量儀器。

此系統主要由以下四部分構成:(1)信號采集部分(由雙軸傾角傳感器采集關節運動信號,輸出模擬電壓信號);(2)信號轉換部分,模數轉換芯片PCF8591T將傳感器采集到的模擬電壓信號轉變為數字信號,送入單片機STC90C516RD,通過對單片機編程進行信號處理;(3)數據顯示部分,由所選顯示屏LCD1602顯示變化度數。(4)儀器成型裝殼,將所設計的最終電路裝殼制成儀器。

1 系統總體設計

1.1 總體設計思路

總體設計圖如圖1所示。

將雙軸傾角傳感器固定于上臂,當肩關節抬起并轉動一定角度后,傳感器將采集到的信號轉換為模擬電信號輸出,經調理電路和濾波器處理后,進入模數轉換芯片進行模數轉換,輸出的數字信號傳入單片機,下載好所編程序的單片機將數字電壓信號轉換為所對應的角度,并由LCD顯示屏顯示。

圖1

圖2

1.2 信號采集部分

信號采集部分主要由雙軸傾角傳感器構成。本傳感器采用的是SCA60C傾斜檢測模塊。此傳感器主要芯片是LM393和傾斜感應探頭,工作在DC為5V的電壓下,傾角信號模擬電壓輸出0-180°對應0.5-4.5V;輸出有效信號低電平指示燈亮;左/上傾斜時輸出左傾報警信號綠燈亮,右/下傾斜時輸出右傾斜報警信號黃燈亮;左右-上下傾斜角度報警范圍分別為0-90°和90-180°,且全范圍可調,調整精度為±1°;電路板傾斜信號為TTL高低電平,可直接接單片機IO口;帶安裝孔,方便固定安裝。

圖3

圖4 軟件設計流程

1.3 信號轉換部分

信號轉換部分主要由單片機和模數轉換芯片組成。本檢測儀所用的PCF8591T模數轉換芯片的引腳圖見圖2。

PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數據獲取器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數據信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。PCF8591的功能包括多路模擬輸入、內置跟蹤保持、8-bit模數轉換和8-bit數模轉換。這里我們使用其8-bit模數轉換功能。PCF8591的操作電壓范圍是2.5V-6V,與所選傳感器相匹配。我們選擇其兩路模擬信號輸入端AIN1和AIN3。將I2C總線的數據線、時鐘線SDA、SCL分別接入單片機P2.0、P2.1口,所選單片機型號為STC90C516RD,是一款強抗干擾/高速/低功耗單片機,指令代碼完全兼容傳統8051單片機,12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇,內部集成MAX810專用復位電路,時鐘頻率在12MHz以下時,復位腳可直接接地。

1.4 數據顯示部分

LCD1602可以顯示兩行,每行16個字符液晶模塊(顯示字符和數字)。兩行分別顯示肩關節于兩方向的角度變化數據。將顯示屏引腳DB0-DB7與單片機P0.0-P0.7相連、綜上整個系統完成后接通電源,轉動傳感器便可顯示相應角度度數。

2 測量角度與誤差分析

2.1 測角度原理

所選雙軸傾角傳感器SCA60C引腳圖見圖3。

其中Vcc接+5V(±0.5V)的工作電壓;Gnd接地;Vo1為x方向模擬輸出0.5V-4.5V;Vo2為y方向模擬輸出0.5V-4.5V;Do1輸出高低電平,若輸出高電平則表示Right方向傾斜;Do2輸出高低電平,若輸出高電平則表示Left方向傾斜;Do3輸出高低電平,若輸出高電平則表示Down方向傾斜;Do4輸出高低電平,若輸出高電平則表示Up方向傾斜。

假設關節活動的角度為α,則α可由傳感器輸出的模擬電壓信號Vo1和Vo2表達:

式中αx,αy表示肩關節在xoz平面,yoz平面兩方向活動角度;Vo1,Vo2為對應兩方向輸出電壓值。

通過①②兩式把模擬電壓值轉換成為關節角度變化值,即可實現模數轉換。

2.2 角度測量程序設計

單片機的主程序首先對系統環境初始化,設置顯示器并給顯示端口清零。然后調用寫控制命令子程序發送傾角傳感器電壓轉換命令,發送顯示坐標,之后調用功能為讀取轉換值的子程序讀取電位器轉換結果。按式①②計算即可測得傳感器所轉過的角度值,測出角度后結果將送到LED,然后再轉動雙軸傾角傳感器重復上述測量過程。主程序框圖如圖4所示。

2.3 系統誤差分析

(1)失調誤差的影響;雙軸解決方案不會具有完美的靈敏度,在X軸上存在失調。故由X軸讀數,Y軸讀數計算得出的角度會造成一定的誤差。失調引起的誤差可能不僅大于系統所需的精度,而且還會發生變化,使簡單地通過校準消除誤差角變得困難。當多個軸上都存在失調時,這將會變得更為復雜。(2)靈敏度失配誤差的影響;在雙軸傾斜檢測應用中,主要誤差成分是目標軸之間的靈敏度差異。由于使用的是X和Y軸的比值,因此如果兩者靈敏度相同,則可以消除大多數誤差。但雙軸解決方案不具有完美的失調調整功能,X軸Y軸分別具有的一定數值靈敏度。故存在誤差。與失調誤差類似,靈敏度失配引起的誤差會在整個旋轉范圍內不斷變化,使在計算出傾斜角后進行誤差補償變得困難。(3)PCB布局影響;在任何注重精度的電路中,必須仔細考慮電路板上的電源和接地回路布局。PCB應盡可能隔離數字部分和模擬部分。電源走線應盡可能寬,以提供低阻抗路徑,并減小電源線路上的毛刺效應。

3 結語

本項目是一款復健輔助關節檢測儀。意在讓肩關節受傷的患者進行長期跟蹤康復情況,為患者及治療師提供動力,為醫學復健治療帶來了極大的方便。結構較為簡單,過程不很復雜,但是測量精度會受到一定限度,以后應著力提高該實驗的精度。需要說明的是,此儀器為創新型項目,有許多不足之處,目前關節活動的測量工具主要是量角器,需要專業人士在旁輔助才能測量。而本項目則可實現對患處關節運動的自動檢測,為初步實現電子檢測,后續還要更加完善。

[1]顧建安,主編.康復醫學(第2版)[M].科學出版社,2008(7).

[2]程德福,王君,凌振寶,王言章編.傳感器原理及應用[M].機械工業出版社,2007(12).

[3]費業泰,主編.誤差理論與數據處理(第6版)[M].合肥工業大學,機械工業出版社,2010(5).

[4]張迎新,等編著.單片機(微控制器)原理及應用[M].高等教育出版社,2009(6).

謝丹(1992—),女,重慶大學光電工程學院本科在讀。

呂慧婷(1993—),女,重慶大學光電工程學院本科在讀。

段煜(1993—),女,重慶大學光電工程學院本科在讀。