一種用于骨折術后輔助康復訓練監控系統的設計

程 蔚，張洪杰，鄭洪慶

（閩南理工學院，福建 石獅362700）

醫學領域中的康復訓練主要用于幫助因疾病導致肌肉萎縮或者關節硬化的患者恢復肢體活動能力[1-2]。現有技術中的康復訓練方式通常依賴于理療師[3]。以上肢的康復訓練為例，理療師需要在每次康復訓練中幫助患者進行上肢肢體規定動作的反復訓練，這對于理療師來說重復勞動負擔過重，并且一個理療師在同一時間只能對應負責一個患者的康復訓練，無法實現醫生和患者一對多的訓練模式，從而浪費了人力成本，并且降低了訓練效率[4]。此外，醫生不可能隨時隨地陪著骨折術后的病人做康復訓練，極易造成病人沒有按照醫生的囑咐按時按量做訓練，使病人的康復受到影響[5-6]。專利2016.10269317.4涉及一種基于嵌入式系統的醫用康復訓練儀，通過受力檢測系統，采集病人訓練時的應力并與系統設定值進行比較，如不匹配，則報警提醒病人，該系統適用于下肢骨折病人康復訓練。綜上，設計一種適用于上肢骨折術后輔助康復訓練監控系統，具有重大意義。

1 系統總體方案設計

本系統適用于上肢骨折康復，方便醫生設置訓練計劃和監控病人的康復訓練情況。該監控系統主要由stm32單片機、三軸加速度傳感器、藍牙模塊、OLED顯示模塊、wifi模塊、手機APP、其他輔助模塊等構成。系統組成方案如圖1所示。

圖1 系統總體設計方案圖

系統工作流程如下：醫生終端先將訓練計劃發送至云服務器，云服務器將該訓練計劃發送給病人終端，病人根據接收的訓練計劃進行訓練。當醫生設定的訓練時間到時，監控裝置發出警報聲，提醒病人做手臂康復訓練。裝置佩戴在人體手腕上，此時人體手臂擺動時，加速度傳感器采集手臂擺動速度，經過處理器處理得到擺動次數信息，顯示在OLED顯示屏，同時經WIFI模塊發送給云服務器，云服務器根據網絡協議發送給醫生接收終端顯示，則病患可根據LCD顯示屏顯示的內容清晰地得知訓練具體情況，同時醫生也能實時地掌控患者的訓練情況，以便醫生及時調整訓練計劃。

2 硬件電路設計

該系統的硬件主要由STM32處理模塊、MPU6050傳感器、OLED顯示模塊、無線收發模塊和其他輔助電路等組成。

2.1 S T M32處理模塊

主控制芯片采用低成本、低功耗、高性能的專為嵌入式應用設計的STM32單片機。該單片機工作頻率高，最高可達72 MHz，具有13個通信接口，112個I/O端口等，豐富外設[7]。STM32單片機與MPU6050傳感器采用IIC接口連接，串口1、串口3分別與wifi模塊和藍牙模塊連接，PB口連接OLED顯示模塊。STM32處理模塊框圖如圖2所示。

圖2 S T M32處理模塊框圖

2.2 MP U6050采集電路設計

MPU6050是一款全球首例9軸運動處理低功耗傳感器，免除了組合陀螺儀與加速器時間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間。傳感器具有IIC和SPI接口，方便連接。用戶可通過配置相應寄存器，設置傳感器的測量范圍，從而保證精確地跟蹤快速和慢速的運動[8-9]。本系統采用IIC接口與MPU6050的寄存器之間通信。MPU6050的引腳圖如圖3所示，STM32與MPU6050之間的電路接口如圖4所示。

圖3 MP U6050引腳圖

圖4 S T M32與MP U6050電路連接圖

STM32通過IIC通訊獲取數據，經過數字濾波等處理得到加速度和角度等數據，再經過算法處理得到手臂擺動次數。

2.3 wifi無線通訊電路設計

本設計wifi模塊采用ESP8266芯片。ESP8266是一個完整且自成體系的Wifi網絡解決方案，能夠獨立運行。該芯片內置一個超低功耗32位RISC處理器，具有強大的片上處理和存儲能力。ESP8266模組需要的較少的外圍器件就可以工作，連接簡單方便。STM32與ESP8266的連接電路圖如圖5所示，該電路外圍電路簡單。

圖5 S T M32與E SP8266的連接電路圖

2.4 H C05藍牙無線模塊

HC05模塊，是一款高性能主從一體的藍牙串口模塊，使用范圍廣，可以與眾多智能終端配對，具有寬的波特率范圍：4 800～1 382 400 bps.與其它單片兼容，方便連接，使用方便。HC05電路圖如圖6所示。

圖6 H C05電路圖

2.5 O L E D顯示電路設計

本裝置需配戴在患者的手腕上，在尺寸上要求嚴格，本文采用0.96寸OLED顯示屏。OLED屏較傳統LCD屏，在尺寸有一定的優勢。OLED顯示屏與STM32處理器間的連接圖如圖7所示。

圖7 O L E D顯示屏與S T M32處理器間的連接圖

3 軟件設計

3.1 主程序設計

系統啟動后，先獲取存儲的訓練計劃，通過比較當前系統時間與訓練時間是否一致，如果一致，系統發出振動警報，通知患者開始訓練。患者開始訓練后，系統主控模塊采集MPU6050傳感器的數據，做算法處理，得到手臂擺動的次數，通過wifi模塊和藍牙模塊分別將擺動次數發送到云服務平臺和病人手機，同時跟存儲的訓練次數進行比較，如果一致，振動報警，告知患者訓練結束。系統主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

3.2 MP U6050數據采集程序設計

MPU6050與STM32之間采用IIC接口，即Inter-Integrated Circuit（集成電路總線），MPU6050采集程序流程如圖9所示。STM32通過IIC協議配置MPU6050的寄存器，獲取陀螺儀x/y/z軸的值，并轉化成x/y/z的角度值；讀到加速度傳感器x/y/z軸的值，并轉化成x/y/z對應的角加速度[10]。陀螺儀數據輸出寄存器如表1所示，加速度傳感器數據輸出寄存器如表2所示。

圖9 MP U6050采集程序流程圖

表1 陀螺儀數據輸出寄存器

表2 加速度傳感器數據輸出寄存器

采樣過程中，加速度傳感器，輸出速率（Fs）固定是1 kHz，而陀螺儀的輸出頻率是1 kHz或者8 kHz，與數字低通濾波器（DLPF）的設置有關，DLPF_CFG不同配置對應的過濾情況如表3所示，當DLPF_CFG=0、7時輸出是8 kHz，其他輸出是1 kHz.一般情況下角速度傳感器的帶寬為其采樣率的一半，如果設置采樣率為100 Hz，那么帶寬設置為50 Hz，取近似值44 Hz，就應該設置DLPF_CFG=011.

表3 D L P F_C F G不同配置對應的過濾情況

3.3 無線通信程序設計

本系統采用的HC05藍牙和wifi模塊均采用串口通信，得到的數據通過串口通信傳輸，具體程序如下所示。

4 實驗調試

本裝置的云平臺采用機智云平臺，醫生端手機APP如圖10所示，康復監控裝置如圖11所示。

圖10 醫生端手機A PP

圖11 康復監控裝置實物圖

模擬實驗結果如圖12所示。

圖12 模擬實驗結果

5 結論

本文介紹了一種用于骨折術后輔助康復訓練監控系統，該系統硬件裝置由STM32單片機、MPU6050傳感器、無線收發模塊等構成。通過簡單的算法處理得到擺動次數，并將數據發送到云服務平臺，供醫生查看。通過實驗測試表明，該裝置達到預期的效果，但從角度和加速度數據算出擺動次數的算法還需要進一步完善。