基于Android平臺的超聲骨折愈合治療系統的設計

崔寒冰，趙曙光，方志慶

(東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620)

基于Android平臺的超聲骨折愈合治療系統的設計

崔寒冰，趙曙光，方志慶

(東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620)

針對骨折病人群體龐大并呈總體上升趨勢，且骨折治療周期漫長這一現象，結合醫療領域中低強度超聲波可以促進骨折愈合這一醫學原理，設計出一套醫用骨折愈合治療系統。該系統客戶端基于Android平臺開發，具有管理病人信息和控制硬件治療模塊等功能，硬件模塊利用STM32作為主控芯片生成指定強度的PWM波，經過變壓器升壓后驅動超聲波發生模塊生成可用于促進骨折愈合的低強度超聲波。

Android；STM32；藍牙4.0；超聲波

0 引言

隨著工業、交通及建筑事業的高速發展,隨之而來的工業意外事故、交通事故、自然災害的發生也隨之增加,骨科創傷的患者也大量增加,尤以重癥患者增長率為高。人口老齡化更是帶來了大量由骨質疏松引起的老年骨折病人。近年來通過對低強度超聲波在治療骨折方面的研究，發現骨形態發生蛋白(Bone Morphogenetic Protein,BMP)作為一種重要的具有很強誘骨活因子，能夠有效刺激間充質細胞誘導分化成軟骨細胞、骨細胞，進而形成軟骨及骨組織，而低強度超聲波促進BMP-2的表達，從而加速骨折愈合。這種清潔、環保、安全、無電離輻射的治療方式，被國內外醫學界和學術界高度重視[1-6]。

本文設計的超聲骨折愈合治療系統其軟件是基于Android平臺開發，具有病人信息錄入、治療方案選擇等功能，通過Android自帶藍牙4.0完成與下位機數據傳輸,下位機收到控制命令和數據后產生PWM波，PWM波經過處理后驅動探頭產生可用于治療骨折的低強度超聲波。

1 系統總設計與實現

本系統主要分3個部分，分別是PC端、Android客戶端、硬件模塊，系統結構總方案如圖1所示。PC端主要用于更新治療方案和查詢病人治療狀況；Android客戶端主要用于病人信息的錄入、存儲、管理，負責與硬件模塊通信，對硬件模塊發送控制命令，實時顯示治療的動態數據等；硬件模塊主要負責接收來自Android客戶端的病人信息、治療方案、控制命令，根據治療方案產生對應頻率和占空比的PWM波，然后經過變壓器模塊的信號放大驅動探頭產生超聲波。

圖1 系統結構總方案

1.1 軟件設計

圖3 硬件原理示意圖

超聲骨折愈合治療系統軟件部分是基于Android平臺開發，以Android客戶端作為超聲骨折愈合治療系統中BLE通信的主控端。UI層可實現輸入病人個人信息以及治療信息、選擇或生成治療方案顯示實時治療狀態、查看病人治療狀況等功能。Android客戶端生成的病人個人信息和治療方案會保存至本地數據庫以及本地Excel表中，醫生可通過操作客戶端來發送控制命令、病人信息以及詳細治療方案。最后治療信息會通過藍牙實時回傳顯示并存儲到數據庫以及本地Excel表格。軟件模塊設計結構圖如圖2所示。

圖2 軟件模塊設計結構圖

1.2 硬件設計

通過對系統需求分析，設計出硬件電路，硬件原理示意圖如圖3所示。硬件結構主要分為4大部分：主控芯片和外圍電路部分、PWM驅動電路部分(PWM調壓電路、阻抗匹配和反饋電路)、顯示部分和通信部分。主控模塊采用STM32F103系列VBT6作為主控芯片，因為其具有強大的片內外設和方便編程的外設函數庫，并且定時器功能非常強大，可以方便地產生不同類型的PWM[7]。通信方式選擇藍牙4.0，藍牙模塊BLEM-201，該款藍牙4.0芯片具有串口數據透傳功能及多種驅動外設的硬件接口，可通過UART和MCU通信，廣泛應用在醫療行業中。顯示部分采用帶字庫的12864液晶顯示屏，相比1602液晶顯示屏來說可顯示的內容更多，并且不需要自己建字庫。PWM驅動部分需要調壓模塊、阻抗匹配模塊和反饋模塊。額外增加調壓模塊的作用是為了針對不同病人的骨骼情況和體質情況，定制不同強度超聲波的康復方案。本系統采用LT1380B作為調壓模塊提供可變電壓輸出給PWM驅動電路，并把電壓反饋接入STM32的ADC采樣引腳，形成閉環控制提高精度。采用MOS管和變壓器電路對LT1380B的電壓進行進一步放大處理輸出到探頭，同樣通過運放把驅動電壓的輸出反饋接入STM32的ADC引腳，形成閉環提高控制精度。最后通過STM32控制74HC4053芯片輸出屬于病人治療所用的超聲波[8-9]。系統工作大致流程為：當BLEM-201藍牙模塊接收到Android端的數據時，藍牙模塊通過串口將數據傳給STM32，經STM32主控芯片對數據進行處理后，產生對應的PWM波，經調壓模塊作用后，電壓輸出給變壓器和MOS管進行進一步放大，最后通過探頭輸出病人所需的超聲波。同時治療結束后，主控芯片將病人治療后的數據(治療階段數、時間等)通過BLEM-201回傳到Android端。

2 系統的實現

系統數據從客戶端的生成到中間層的處理，再到數據的傳遞其過程如圖4所示。客戶端治療界面如圖5所示，醫生可以查看動態治療信息，并可以隨時停止治療。醫生也可以通過密碼登錄客戶端來查看、管理病人信息，病人信息管理界面如圖6所示。為滿足需求該系統采用多種方案存儲系統數據。病人個人信息、治療方案及治療動態數據用Android自帶的SQLite數據庫存儲，SQLite能夠快速對數據進行增刪查改，通過第三方軟件查看數據庫表，如圖7所示[10-11]。默認治療方案Excel表如圖8存儲在Android本地，可以由PC端生成并通過FTP傳入客戶端。病人信息統計表主要用于存儲病人的治療方案、治愈時間等信息，方便進行后期數據分析，以便醫生可以針對不同情況的病人制定更合理的治療方案，同樣PC端可以通過FTP查詢病人信息統計表[12-13]。

圖4 系統數據流向圖

圖5 客戶端治療界面

圖6 病人信息管理界面

圖7 客戶端數據庫

圖8 默認治療方案Excel表

3 結論

本文從當前醫療的需求和低強度超聲波可以促進骨折愈合這一醫學原理出發，介紹了一種利用Android平臺、STM32、BLE等模塊設計出的可以用于促進骨折愈合的系統，旨在實現一種可行的系統方案，可以為醫療研發人員或其他研究人員提供一定的借鑒參考作用。本系統實現的是無網絡化數據存儲方案，即數據存儲到Android本地。系統可以在客戶端增加網絡傳輸功能，將數據同步到后臺服務器實現數據網絡化存儲。

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The design of ultrasonic fracture healing treatment system based on Android platform

Cui Hanbing, Zhao Shuguang, Fang Zhiqing

(College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Nowadays, there is large number of patients with fracture and the number is still on the rise accompanying with the phenomenon that fracture treatment cycle is long. Basing on the medical principle in the medical field that low-intensity ultrasonic can promote the healing of fracture，this paper designed a medical fracture healing treatment system. The client of this system is based on Android platform, and has the functions of managing patient information and controlling hardware treatment module. The hardware module uses STM32 as the master chip to generate the specified intensity of the PWM wave. After a step-up transformer, the ultrasonic generating module can be motivated to generate low-intensity ultrasonic waves that can be used to promote fracture healing.

Android; STM32; bluetooth 4.0; ultrasonic

TP311.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.15.026

崔寒冰，趙曙光，方志慶.基于Android平臺的超聲骨折愈合治療系統的設計[J].微型機與應用，2017,36(15)：91-93,102.

2017-03-14)

崔寒冰(1992-)，男，碩士，主要研究方向：Android、智能控制。

趙曙光(1965-)，男，博士，教授，主要研究方向：可進化硬件(EHW)、智能信息處理、智能儀器與系統、電子系統設計自動化(EDA & ESL)。

方志慶(1966-)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向：嵌入式設備、便攜插件式多參數監護儀等。