等速肌張力測試系統的開發

劉 坤，王 訓，陳 煒，唐 正，許勝強，程 楠，王 振，楊先軍

1 中國科學院合肥智能機械研究所，合肥市，230031

2 中國科學技術大學自動化系，合肥市，230026

3 安徽中醫藥大學神經病學研究所附屬醫院，合肥市，230061

4 安徽省體育科學技術研究所，合肥市，230001

等速肌張力測試系統的開發

【作 者】劉 坤1,2，王 訓3，陳 煒4，唐 正1，許勝強1,2，程 楠1,3，王 振1，楊先軍1

1 中國科學院合肥智能機械研究所，合肥市，230031

2 中國科學技術大學自動化系，合肥市，230026

3 安徽中醫藥大學神經病學研究所附屬醫院，合肥市，230061

4 安徽省體育科學技術研究所，合肥市，230001

針對帕金森病患者的肌張力障礙，該文設計了一種新型等速肌張力測試系統。該系統包括機械裝置、數據采集單元和上位機數據處理分析軟件。其中機械裝置包括手臂支撐裝置、安全限位裝置、高度調節裝置等；數據采集單元由力矩傳感器模塊、電機控制模塊、數據通信模塊等組成，用于控制手臂進行等速運動并將傳感器的模擬信號轉換成數字信號實時傳輸到上位機；上位機數據處理分析軟件采用USB接口傳輸數據，基于VC++程序開發，完成數據處理、顯示、存儲及報表生成等功能。實驗結果表明：設計的等速肌張力測試系統安全可靠，不僅能夠較好地評估帕金森患者的肌張力異常程度，還能應用于輔助肌張力患者的康復訓練，具有較強的可擴展性。

帕金森病；肌張力障礙；等速測量；USB通信

0 引言

帕金森病(PD)又稱震顫麻痹，是發生于中老年人群的退行性神經系統變性疾病，其典型臨床表現為靜止性震顫、肌僵直、運動遲緩和姿勢反射障礙[1]，其中肌僵直的主要臨床表現形式為肌張力異常，對病人的生活質量造成嚴重影響，客觀準確地測量PD患者的肌張力狀態，尤其是根據治療PD藥物對肌張力的影響進行分析具有十分重要的臨床意義[2]。

當前評估PD患者肌張力狀態的方法主要有量表評估與儀器測量。其中量表評估多以ashworth(MaS)量表為依據[3]，由于是徒手評估，受醫生主觀影響較大，可信度較低。臨床上出現的測量儀器按手臂測試狀態主要有等長和等速兩種類型儀器。其中等長測試類有美國的Myotonometer[4]、徐秀林等[5]研制的等長肌力測試儀等，用于測量靜息狀態下的肌張力大小，操作簡單，但由于手臂處于靜止狀態不能獲取患者的運動性肌張力，而運動性肌張力才是保證肌肉運動連續、平滑（無顫抖、抽搐、痙攣）的重要因素，因此等長測試儀器不完全符合臨床要求。等速測試類主要有美國BIoDeX為代表的多關節等速肌力測試系統，能夠提供詳細的等速運動中各項肌肉功能參數以及清晰的力矩曲線，對肌張力狀態評估給出客觀準確的評價[6]，但該系統針對全身關節進行測試，存在體積龐大、造價過高等缺點，因此臨床應用較少。此外，Wright D等[7]研制的便攜式肌張力測試系統用于測量運動過程中患者的肌電信號，可以很好地區分正常人和帕金森病患者，但是對于肌張力異常程度缺乏可靠的評估。因此針對以上問題，本文研制了一種等速肌張力測試系統，它通過伺服電機配以安全裝置和相關傳感器驅動患者手臂進行等速測試，結構簡單、成本低、安全性高，可以直接測量帕金森病患者的動態肌張力大小，符合臨床應用要求。

1 機械裝置設計

系統在測試之前需保持肘關節運動軸心與系統運動軸軸心基本一致，再用柔性繃帶固定上臂和腕部，通過數據采集單元的電機控制模塊驅動電機帶動患者手臂進行等速運動。由于不同患者的身高、臂長存在差異性，因此系統機械結構設計不僅要保證測試安全還必須針對不同個體具有可調性。根據上述特點，系統機械結構設計為整體高度可調以適應不同測試體位（坐姿、臥姿），腕部支撐結構和高度調節桿均長度可調，腕部支撐結構和上臂固定結構角度可調。為保證測試安全，除了軟件限位外，系統在減速機輸出軸與末端運動軸之間設有安全離合器，使減速機輸出軸和末端運動軸在電機輸出扭矩超過設定值時瞬間脫離，并且停止手臂運動。此外，系統在運動軸末端還配以相應的機械硬限位結構，具體設計為在一個環狀機械盤上加工24個螺孔，控制精度為15°，其中4個用于固定環狀機械盤。同時在運動軸末端徑向安裝一個長度為8 cm的限位柱，再配以兩個定位銷按照測試角度要求安裝在環狀機械盤上，將手臂撐桿限制在規定位置內。系統機械裝置整體設計框架如圖1所示，裝置示意圖如圖2所示。

圖1 機械裝置設計框架Fig.1 Mechanical device design frame

圖2 機械裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of mechanical device

2 數據采集單元設計

數據采集單元主要功能為等速運動控制、角度和力矩信號采集、數據實時傳輸、安全保護等，采用具有32位aRM cortexTM-M3內核的STM32F205ZeT6[8]作為處理器核心，主要包括電源模塊、USB通信模塊、電機控制模塊、力矩傳感器模塊、外圍電路等。由于系統存在伺服電機，電磁干擾比較大，因此在電路設計中需要注意減少來自伺服電機的電磁干擾。系統數據采集單元設計框架如圖3所示。

圖3 數據采集單元設計框架Fig.3 Data acquisition unit design framework

2.1 電源模塊

數據采集單元電路輸入電壓為24 V，采用VRB1205ZP-6WR2作為第一級電壓轉換芯片，將24 V電壓轉換為5 V電壓，給需要5 V電壓的模塊提供穩定電壓，然后再采用LM1117MP-3.3作為電壓轉換芯片將5 V電壓轉換為3.3 V電壓。其中由于伺服電機的電磁干擾比較強，電路供給伺服控制器的5 V電壓需要經過B0505S-2W電源模塊進行隔離。整個電源模塊為系統提供穩定電壓，抗干擾能力強。

2.2 數據通信模塊

數據采集單元設計中數據通信有串口通信、USB通信。其中USB用于和上位機Pc客戶端通信，進行數字信號傳輸，數據采樣頻率為500 Hz。串口用于和伺服控制器通信，發送控制命令信息，電路采用MaX232cSe作為電平轉換芯片。

2.3 電機控制模塊

由于測試過程中手臂位置和力矩不斷變化，為了保證等速測試，系統對電機控制采用閉環控制，在測試過程中加入光電碼盤實時采集運動過程中的手臂位置信號，中央處理器根據終端手臂位置變化量實時控制電機輸出，以保持整個測試過程中的等速運動，最終形成對電機的閉環控制。電機控制模塊對手臂運動范圍可以設置1°～10°的緩沖角度以保證測試安全及運動的平穩性。電機控制模塊對電機位置及速度的控制采用脈沖輸入控制模式，通過I/o口發送脈沖信號，控制手臂等速運動，信號傳輸電路采用集極開路(單相最高脈沖頻率200 kHz)方式，命令的形式為脈沖加方向。光電碼盤采用增量式旋轉編碼器作為系統終端速度檢測元件，得到aB相脈沖波經過LS7084芯片進行解碼后發送給中央處理器進行處理。光電碼盤信號處理電路圖如圖4所示。

圖4 光電碼盤電路圖Fig.4 Photoelectric encoder diagram

2.4 力矩傳感器模塊

系統力矩信息的獲取采用應變片扭矩傳感器[9]，通過將電阻應變片粘貼在儀器運動軸表面相應位置，在測試過程中軸受到手臂力矩作用產生應變，致使電阻應變片的電阻發生變化，通過惠斯頓電橋和測量電路把應變轉換成電信號傳輸給數據采集單元中的力矩傳感器模塊進行處理，最終得到力矩值。

力矩傳感器模塊的信號調理采用TI公司的單電源自動歸零傳感器放大器PGa308芯片，支持可編程增益與偏置，可放大傳感器信號，并實現歸零(偏置)與擴展(增益)的數字校準，同時采用LM324四運算放大器構成Sallen-key低通濾波器，對力矩信號進行濾波處理，電路圖如圖5所示。

圖5 力矩傳感器模塊電路圖Fig.5 circuit diagram of torque sensor module

3 數據處理分析軟件設計

數據處理分析軟件選用VS2010開發環境，基于MFc應用程序框架設計和實現，主要功能有：數據采集顯示（包括力矩、角度等），數據分析與報表生成，數據存儲（病人、醫生信息及測量數據的存儲[10]）以及歷史回放（根據存儲數據回放運動過程）等。數據處理分析軟件與數據采集單元通過USB接口實現數據通信，USB驅動程序基于NI-VISa進行開發，NI-VISa(Virtual Instrument Software architecture)是美國國家儀器公司(National Instrument)開發的一種用來與各種儀器總線進行通信的高級應用編程接口，提供了非常強大的儀器控制與資源管理功能，極大地提高了軟件的開發效率[11]。

軟件界面和軟件操作流程圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 軟件運行界面Fig.6 Software running interface

圖7 軟件操作流程Fig.7 Software operation process

3.1 NI-VISA驅動設計

NI-VISa自3.0版起，支持USB通信，有2種類型的VISa資源參與支持：USB INSTR和USB RaW。符合“USB測試和測量類型(USBTMc)”協議的USB設備為USB INSTR，不符合的為USB RaW設備。USB INSTR無需配置即可實現與USBTMc設備的通信，而USB RaW則需要通過配置NI-VISa才能控制USB設備。數據采集單元軟件設計時的規范并不參照USB INSTR，因此需要NI-VISa配置驅動程序，可以分為以下三個步驟，如圖8所示。

圖8 NI-VISa配置步驟Fig.8 confguration steps of NI-VISa

在USB驅動開發中，儀器的制造商代碼和產品代碼分別是：0x0483和0x2015，儀器描述符為USB0::0 x0483::0x2015::0000000000001::RaW。儀器USB驅動利用了2類USB實現通信，分別為控制端點和批量端點，用于發送命令和傳輸數據。Pc端識別底層設備之后，上位機軟件與USB設備通信采用DLL動態鏈接庫調用來實現。由于NI公司公開了NI-VISa常用的所有aPI函數的接口定義和源代碼，我們只需要把庫函數封裝成DLL動態鏈接庫文件，上位機軟件開發時對其進行簡單的輸入、輸出調用即可，極大地提高了開發效率[12]。

3.2 特征參數提取的軟件實現

Pc端接收到數據采集單元提供的數據為時間戳、力矩和角度信號，通過均值平滑濾波算法對數據進行濾波處理，最后進行相關特征參數提取。測試結果包括原始數據和相關特征參數，可以通過報表或csv文本文件形式顯示和保存。對肌張力評價有重要意義的特征參數主要有[13]：(1)峰力矩PT，代表了肌肉收縮產生的最大肌力，具有較高重復性和準確性，為黃金指標和參照值；(2)力矩加速能Tae；(3)平均功率aP；(4)峰力矩體重比(PT/BW)；(5)平均關節活動度(aRoM)等。現階段除了峰力矩用于被動測試，后面參數均為病人做主動等速運動時的特征參數，被動測試中的其他參數提取有待后期進一步研究。特征參數提取處理過程具體如圖9所示。

圖9 特征參數提取過程圖Fig.9 Feature extraction procedure

4 系統精度驗證

對等速肌張力測試系統精度進行實驗驗證，首先根據力與力矩之間的正比例關系對系統進行力矩標定，數據處理分析軟件獲取到的力矩信號為aD值，標定公式如式(1)和式(2)，式中k、F、L、TAD、TAD0、T分別表示實際力矩與力矩aD值的比例系數、受力大小、測試點距離運動軸中心線距離、力矩信號AD值、力矩信號零點AD值、實際力矩：

對系統靜態條件下進行精度驗證，在手臂支撐桿距離運動軸中心線距離為0.4 m處分別加上50 N、100 N、150 N砝碼進行連續三次測試，測試數據如表1。

從表1數據可以看出，系統靜態測試誤差在1 N·m以內，具有較好的測試精度；在系統動態測試精度驗證中，我們選取沒有任何相關疾病的年輕受試者進行測試，針對受試者的峰力矩測試數據結果顯示：系統重復性存在一定誤差，約為±1.15 N·m。根據以上測試精度，在臨床應用中，對于肌張力增高類型的患者具有較好的區分度，但對于肌張力過低的患者系統目前不能較好的進行區分。造成誤差的原因：(1)減速機的回程間隙導致系統在運動的起點和終點處產生抖動干擾；(2)溫度、濕度等環境因素導致實驗結果受到干擾；(3)受測者主觀原因，測試過程中不自覺發力，沒有保證全程的被動測試。解決辦法：(1)采用回程間隙更小、精度更高的減速機以及安全離合器來減小轉動干擾；(2)在數據采集單元中加入消除溫度漂移的電路模塊等；(3)告知受測者完整的測試步驟，讓其保持充分放松狀態。

表1 靜態測試數據Tab.1 Test data of static

5 總結

本文設計了一種新型等速肌張力測試系統，不僅能夠測量帕金森病患者的肌張力，還能實現肌張力測量數據中的峰力矩等特征參數的提取，實現了患者肌張力異常程度的評價，可為臨床醫師對患者的診療評估提供重要參考依據。該系統成本低、結構簡單、安全性高。

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Development of Isokinetic Muscle Tone Testing System

【 Writers 】LIU Kun1,2, WANG Xun3, CHEN Wei4, TANG Zheng1, XU Shengqiang1,2, CHENG Nan1,3, WANG Zhen1, YANG Xianjun1
1 Institute of Intelligent Machines, Chinese Academy of Sciences, Hefei, 230031
2 Department of Automation, University of Science and Technology of China, Hefei, 230026
3 Institute of Neurology, Affliated Hospital, Anhui University of Chinese Medicine, Hefei, 230061

4 Sports Science and Technology Research Institute of Anhui Province, Hefei, 230001

【 Abstract 】A new type of isokinetic muscle tone testing system was designed for the Parkinson’s patients with dysmyotonia. The system consists of a mechanical device, a data acquisition unit, and a data processing and analyzing software. The mechanical device comprises an arm supporting device, a safety limiting device and a height adjusting device. Data acquisition unit, composed of a torque sensor module, a motor control module, a data communication module, and so on, is used to control the arm at constant speed and convert the sensor's analog signal into digital signal, then the signal is transmitted to the computer in real-time by USB interface. The data processing and analyzing software, developed by VC++, has fnished the data processing, display, storage, generated the reports, et al. The experimental results show that this system is reliable and safe, not only can evaluate the degree of abnormal muscle tone in Parkinson’s patients, but also can be used in the rehabilitation training of patients with dysmyotonia, which has strong expansibility.

Parkinson, dysmyotonia, isokinetic testing, USB communication

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.03.001

1671-7104(2016)03-0157-04

2015-12-10

國家科技支撐計劃(2013BaH14F01)；安徽省科技攻關計劃課題(1301042215,1501021042)

劉坤，e-mail: kunlaw@mail.ustc.edu.cn

楊先軍，e-mail: xjyang@iim.ac.cn