用于下肢骨折患者康復監護儀的設計

錢歡， 洪洋， 潘鋼

(1. 上海交通大學 生物醫學工程學院， 上海 200030;2. 復旦大學 附屬上海市第五人民醫院， 上海 200240)

用于下肢骨折患者康復監護儀的設計

錢歡1， 洪洋2， 潘鋼1

(1. 上海交通大學 生物醫學工程學院， 上海 200030;2. 復旦大學 附屬上海市第五人民醫院， 上海 200240)

從臨床實際需求出發，基于傳感器及單片機技術設計了一款下肢骨折康復應力監護儀。通過在骨折病人患肢腳底部固定安放一組應力貼片傳感器，使得患者在進行康復鍛煉時，腳部的應力信號經采集、濾波處理、算法編程后由藍牙芯片傳輸至手機APP程序，從而實現對患肢腳部壓力的動態監測及異常事件提醒等功能，監護患肢的骨折愈合過程。

下肢骨折; 康復監護; 應力傳感器; 藍牙技術

0 引言

下肢長干骨骨折病人術后有效的軸向加壓鍛煉可以改善和增加局部血液循環，增強肌肉力量，預防肌腱及關節囊粘連和攣縮，軟化瘢痕, 恢復肢體正常功能。但是很多骨折術后病人由于各種原因, 不能進行有效的功能鍛煉，從而直接影響術后工作、生活。

康復鍛煉對下肢骨折患者至關重要，為了減少致殘率，幫助患者恢復肢體功能，提高患者的生活自理能力和生活質量，我們設計一種下肢應力監護裝置，給骨折康復病人提供一個直觀量化的應力數值，使病患在行走鍛煉時做到心中有數，防止腳部用力過猛或者不足而達不到應有康復效果，幫助下肢骨折病人的康復。

1 設計思路

為了能夠實時地監測患者的康復情況，我們在病患的足底固定安放一組(3個)應力傳感器， 然后，我們通過固定在病患腳部的信號處理電路板， 由藍牙將壓力信號傳回指定的終端設備，醫生可以根據實際情況掌握這些信息，并指導病患合理地做好康復鍛煉。 如果必要還可以把這些信息按照時間的信號順序存儲起來。

1.1 傳感器的足底分布

人體在靜止站立或者動態行走時, 在自身重力的作用下, 足底在垂直方向上受到一個地面的反作用力，這個力就是足底軸向壓力[1]。正常人的足底壓力分布有一定的規律及模式，前足拓骨頭區和足跟受力負重最大，跖骨區中又以第一、第二跖骨頭區負重最大，外側三個拓骨頭區負重依次減小[2]。因此，將3片應力傳感器固定于足跟區及第一、第二跖骨頭區具有顯著性反應骨頭區負重情況的效果。

1.2 采集數據的讀取與應用

主芯片中執行的單個壓力采集程序流程，如圖1。

程序的主要作用就是在時鐘電路的支持下，循環地采集壓力傳感器的電壓值， 并經過A/D轉換， 然后將所得數據按照轉換曲線轉換為人的腳部所承受壓力的真實值。

1.3 算法

擬將3路壓力信號數據同時讀取后，由單片機進行算法的編程。假設3點壓力符合線性分布，設定“合力”Y=Ya+Yb+Yc，Ya為a點受力壓力，Ya=K1W；Yb為b點受力壓力，Yb=K2W；Yc為c點受力壓力Yc=K3W。其中設定Ya、Yb為第一、第二跖骨頭區的峰壓力讀數，Yc為足跟區的峰壓力讀數，K1、K2、K3分別為3個壓力區讀數的權數；W為各康復階段醫囑負重值。考慮到病患在康復鍛煉時的實際情況及計算的簡便，設定3個受力點同時著地，無時間差，并忽略其它不顯著受力點。患者體重80公斤，脛骨橫行骨折，舉例應用推算如表1所示。

圖1 工作流程圖

1.4 系統運行圖

舉例顯示如圖2所示。

2 硬件架構

硬件總體的設計包括：供電模塊、 單片機電路、 串口-藍牙模塊、 壓力采集模塊、AD濾波模塊等，如圖3所示。

2.1 單片機

表1 舉例推算表

圖3 總體框圖

我們所設計的智能系統使用AT-MEGA 16單片機，ATmega16是一個基于增強地AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其具有先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，所以ATmega16 的數據吞吐率高達1 MIPS /MHZ ，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。

AVR 內核具有豐富的指令集和32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的數據吞吐率。

本芯片是以Atmel 高密度非易失性存儲器技術生產的。片內ISP Flash 允許程序存儲器通過ISP 串行接口，或者通用編程器進行編程，也可以通過運行于AVR 內核之中的引導程序進行編程。通過將8 位RISC CPU 與系統內可編程的Flash 集成在一個芯片內， ATmega16 成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案[5]。

2.1.1 時鐘電路

ATmega16已經內置RC振蕩線路，可以產生1M、2M、4M、8M的振蕩頻率。不過，內置的畢竟是RC振蕩，在一些要求較高的場合，比如要與串口通信需要比較精確的波特率時需要外部晶振本電路使用的7.3728晶振是為了和藍牙模塊通訊提供精準的波特率不會使輸出數據亂碼，如圖4所示。

圖4 時鐘電路圖

2.1.2 AD濾波電路

由于本設計使用了ATmega16內嵌ADC，由引腳功能說明可知：使用內嵌ADC時AVCC腳應通過一個低通濾波器與VCC連接。此低通濾波器具體設計如下：為減小AD轉換的電源干擾，Mega16芯片有獨立的AD電源供電。官方文檔推薦在VCC串上一只10uH的電感(L1)，然后接一只0.1uF的電容到地，如圖5所示。

圖5 AD濾波電路圖

2.2 壓力采集電路

應力壓力傳感器我們采用了原裝進口的FSR400系列壓力傳感器。FSR是一種隨著有效表面上壓力增大而輸出阻值減小的高分子薄膜，是一款靈敏度較高的傳感器。根據其數據手冊，輸出電壓和輸入壓力電阻關系：VOUT=VREF X-(RG/RFSR)，采用典型電路4.7 K電阻輸入 對應0到5 V輸出， 輸出加一級跟隨電路提高AD輸入阻抗，如圖6所示。

圖6 壓力轉換電路

2.3 藍牙通訊

為了將 iPhone 手機與DX-BT05 4.0建立通信實驗，我們從 APP Store 里下載安裝了 LightBlue 程序。

選用的DX-BT05 4.0藍牙模塊采用美國TI公司CC2541芯片，配置 256Kb 空間，遵循V4.0 BLE藍牙規范。支持AT 指令，用戶可根據需要更改串口波特率、設備名稱、配對密碼等參數，使用靈活。本模塊支持UART接口，并支持SPP藍牙串口協議，具有成本低、體積小、功耗低、收發靈敏性高等優點，只需配備少許的外圍元件就能實現其強大功能。

3 實驗

使用樣機對一名78歲男性脛骨骨折術后的病患進行實驗，實驗方法：病患由原地踏步康復逐步向步行康復鍛煉過度。骨科及康復醫學科醫師制定康復方案，并且全程跟蹤了該病患的整個康復過程以便隨時更改醫囑，如表2所示。

表2 實驗結果表

經對該病患的試驗調研，醫生認為該患者不僅術后康復情況良好，而且與同類“謹慎小心”型的病患相比，康復痊愈時間提前1至2周。

4 總結

經對全院下肢骨折病患的心理調研，主要有兩大現象。一是謹慎小心，怕痛和出現意外而不敢活動， 擔心活動后致手術失敗；二是急于求成, 有較強的恢復肢體功能的欲望，不注意鍛煉方法而過早活動及負重, 鍛煉過度, 超前并隨意活動。這些都不利于康復措施的實施并易導致肌肉萎縮、關節僵硬、骨折延遲愈合或再骨折等并發癥。

目前此應力監護儀處于研發階段，試制的原型樣機仍有許多問題和不足(精度不夠、傳感器量程需定做、藍牙傳輸程序不完善)。但國內尚無相同的醫學研究項目，沒有一種量化的應用于下肢骨折病人的監護儀器。作為下肢康復性監護儀器，此裝置具有一定的實用性、新穎性及可研究性。

[1] 湯榮光.正常人足底靜態和動態壓力分布的測定[J].中國生物醫學工程學報，1994,13(2)：175-177.

[2] 洪水淙.外翻病理足及其手術方案的生物力學探討[J].中國生物力學醫學工程學報，1988,7(2)：86.

[3] 陸廷仁.骨科康復學[M]. 北京：人民衛生出版社，2007.

[4] 陳忠平.基于Proteus的AVR單片機C語言程序設計與仿真[M]. 北京：電子工業出版社，2011.

[5] [EB/OL].http://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Pressure/fsrguide.pdf

Design of a Monitor for the Rehabilitation of Patients with Lower Limb Fracture

Qian Huan1， Hong Yang2， Pan Gang1

(1.School of Biomedical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China;2. Shanghai Fifth People's Hospital Affiliated to Fudan University, Fudan University, Shanghai 200240, China)

This paper from the actual clinical needs uses sensor and MCU technology to design a monitor based on stress fracture of lower limb rehabilitation. The limbs and feet are fixed and installed a set of stress sensors. When a patient is in the rehabilitation exercise, stress signals of foot are collected, filtered, and processed, are then transmitted by Bluetooth chip to the mobile phone APP program, so as to realize the dynamic monitoring of limb foot pressure. It can reminder abnormal case, and monitor limb fracture healing process.

Lower limb fracture; Rehabilitation monitoring; Stress sensor; Bluetooth

錢歡(1982-)，男，工程碩士研究生，研究方向：醫療儀器設計。 洪洋(1972-)，男，主任醫師，研究方向：骨科醫學。 潘鋼(1956-)，男，高級工程師，研究方向：醫學儀器。

1007-757X(2017)06-0042-03

TP311

A

2016.03.16)