智能膝關節運動檢測系統的設計

賴冬寅 吳琦 涂婷 陶金芳 茍燕

（四川工商職業技術學院 四川省都江堰市 611830）

1 智能膝關節運動檢測系統的設計背景及功能需求

1.1 智能膝關節運動檢測系統的設計背景

人口老齡化已經成為我國重要的社會問題，老年人面臨很多疾病的威脅，其中，腦卒中是最常見的疾病之一，往往伴隨著患者半側肢體障礙、肢體麻木、失語以及偏癱等眾多的后遺癥，絕大部分的病患甚至會因偏癱造成殘疾[1]。隨著社會老齡化的加劇，由腦卒中、脊髓損傷、腦外傷等原因造成的殘障人口迅速增長。我國每年新增約200 萬腦卒中患者，至2030年，我國將有超過3000 萬腦卒中患者。另外，我國各類殘疾人總數超過8000 萬，其中肢體殘疾人口逾2400 萬。大量的患者、失能者和老年人需要康復和輔助器具,然而，我國現有康復醫療資源非常緊缺，國內普遍采用的康復治療方法存在人員消耗大、康復周期長、效果有限等問題。康復機器人與智能輔助系統的研究和推廣應用有望有效緩解康復醫療資源供需矛盾，提高失能患者和老齡人群的生活質量[2]。常見的康復訓練機器人一般包括步行矯正器、體重支撐系統（懸掛裝置）和步行臺，主要用于患者中期和后期的步態康復訓練[3]，但在康復過程中能采集膝關節運行數據并進行分析和輔助醫生更加準確制定和修改康復方案的產品，市場上還很少見。

1.2 智能膝關節運動檢測系統的功能需求

智能膝關節運動檢測系統主要是以輔助醫生能通過遠程方式更加全面的掌握與膝關節關聯的康復患者的康復過程為目標，要求能實現以下多個功能：

（1）能實時并較為全面地檢測膝關節在康復運動中的相關數據，包括：膝關節運動彎曲程度、彎曲頻率、運動位置等等；

（2）能實時將膝關節的運動數據通過無線的方式上傳至上位機或者云平臺，以便上位機或服務器能針對數據進行算法研究、數據計算和優化；

（3）可穿戴性，能方便的穿戴在膝蓋周圍，而且能盡量滿足不同人的膝關節尺寸，都可穿戴，且能盡量保障數據的一致性；

（4）功耗低，能滿足小型理電池也可維持系統較長時間的工作，而且能方便更換電池、方便系統移動電源充電；

（5）具備離線記錄方式，當無法進行聯網時，能在短期內記錄運動的數據并進行備份；

（6）上位機或云平臺能進行數據的記錄和梳理，能方便醫生遠程快速查看康復患者的運動過程數據，能支持醫生遠程監督康復過程、制定和修改康復方案。

2 智能膝關節運動檢測系統的架構

智能膝關節運動檢測系統一共由“膝關節運動采集系統、膝關節數據管理平臺、膝關節護具”三大部分組成，每個部件都相對獨立；其中，膝關節運動采集系統是膝關節運動過程中數據來源的核心，主要實現測量和采集膝蓋運動加速度，角速度，運動角度等數據；膝關節護具是系統必要的配套載體，而膝關節數據管理平臺是系統價值的體現，主要實現膝關節運動數據的實時導入、數據計算和優化等功能，可為醫生提供詳盡的數據報告，為醫生制定和修改康復方案做支撐。

2.1 智能膝關節護具的外形架構設計

智能膝關節護具的外形共由“外、中、內”3 層組成，按日常的成人比例進行尺寸設計，其中，外層和內層用于包裹系統和安裝，結構上均采用符合人體工程學的“綁帶式”設計，可增加適用人群的范圍，中層則主要用于裝載膝關節運動采集系統。智能膝關節護具外形如圖1所示。

圖1：智能膝關節護具外形結構圖

其中，外層在不同的部位設計有透氣孔，增加護具的透氣性，同時材質選用SBR 布料，使其手感細膩、柔軟、富有彈性，還具備防震、保溫等多項特點；內層材質采用的是可拆卸的設計，冬天可加載羊毛內膽，利用羊毛進行保暖作用，實現冬夏兩款同一體；中層則是智能膝關節無線檢測節點的安裝層，分別在膝蓋周圍布置有9 個檢測點和一個微型LCD 顯示屏，用于獲取膝關節在運動過程中的位置等數據，每個檢測點之間采用柔性排線進行連接通信和供電；整個系統為低功耗設計，電池采用紐扣或微型理電池，安裝在微型顯示屏部件內部。

2.2 智能膝關節運動采集系統的架構設計

智能膝關節運行采集系統主要由核心處理器、多個運動數據傳感器、無線通信模塊、數據存儲模塊、LCD 顯示屏以及供電電路等多個部分組成，如圖2所示。

圖2：智能膝關節運動采集系統架構圖

其中，系統采用MSP430 單片機作為中央處理單元，主板由電源電路提供3.3V～3.7V 供電，通過多個驅動接口電路實現MSP430對運動數據傳感器的數據實時采集；無線傳感器主要實現實時采集數據的實時上傳，數據存儲模塊用于運動數據傳感器采集數據的備份，微型LCD 屏對設計和調試人員而言，主要用于顯示調試和測試過程的各項數據，對使用者而言，主要用于顯示必要的系統運行狀態，例如：開、關、電量過低等信息。

2.3 膝關節數據管理平臺的架構設計

膝關節數據管理平臺采用B/S 架構設計（即：瀏覽器/服務器體系結構），實現信息的分布式處理，不僅大幅簡化客服端，而且可減少平臺的開發和維護成本。平臺除了主要實現與智能膝關節運動采集系統的數據實時交互、數據存儲、數據算法實現之外，還主要用于醫生與康復患者的數據對接，實現醫生遠程快速瀏覽康復患者的膝關節運作狀態的歷史詳細數據和優化報告，并在線向對應的康復患者發布下一階段針對性康復方案，不僅大幅減少康復患者頻繁往返醫院而花費的經濟和時間成本，也方便醫生在線監督患者的康復過程，方便醫生快速查閱和記錄康復數據。

3 智能膝關節運動采集系統的主要元器件選型分析

3.1 系統核心處理器的選型分析

本系統的核心處理芯片既需要快速能與運動檢測傳感器進行實時數據的采集和通信，又需要通過無線方式高速地將數據向平臺進行發送，而且由于是穿戴性產品，還需要能在低功耗模式下運行，以便進一步減少電量損耗。市場上主流的處理芯片以單片機、ARM為例，有很多廠家、很多類型的芯片，例如：ST 公司的STM32 系列、宏晶公司的STC 單片機系列、TI 公司的MSP430 系列、Microchip公司的PIC 系列和AVR 系列等；本系統結合價格因素，主要考慮系統既需要滿足能低功耗模式運行，又需要滿足數據處理量較大、數據處理較快，因此選用TI 公司的MSP430 系列的MSP430F5529芯片。

MSP430F5529 芯片，在TI 公司的推薦應用范圍就是用于模擬和數字傳感器系統，或用于數據記錄器。該芯片為低電源電壓供電，供電范圍從3.6V 起可低至1.8V，而且電源電壓可監視、監控甚至臨時限電，具備超低功耗模式，以3.0V 供電條件為例，自身功耗可低至1.4μA 甚至0.18μA，能滿足本系統的低功耗運行需求。同時，該芯片采用16 位精簡指令集計算機(RISC)架構，系統時鐘速度可達到25MHz，并且具備硬件乘法器能快速支持32 位的運算，能滿足本系統數據處理的需求。

3.2 系統的運動數據傳感器的選型分析

本系統的運動數據傳感器主要用于采集膝關節的運動數據，包括了X、Y、Z 三個軸的加速度、三個軸的角速度以及三個軸的角度，而且還需要具備較快的通信接口，能實時檢測數據并進行通信。市場上的運動數據傳感器相對于處理器芯片而言，類型和品種較少，目前常見的有MUP6050、ICM-42605 等芯片。本系統綜合考慮價格、檢測范圍、響應速度等多項因素，運動傳感器選用TDK 公司的ICM-42605 芯片。

ICM-42605 芯片是一款6 軸運動跟蹤設備，它將一個3 軸陀螺儀和一個3 軸加速計進行組合封裝，該芯片的供電范圍與核心處理芯片基本一致，從3.6V 起可低至1.71V，也具備低功耗工作模式，既能滿足本系統的低功耗運行需求，又能減少電源電路的開發，實現供電一致性。同時，芯片的陀螺儀可支持從±15.625dps到±2000dps 的八個可編程滿標度范圍設置，加速計可支持從±2g到±16g 的四個可編程滿標度范圍設置，能滿足本系統對檢測數據要求的精度和響應速度。而且，該芯片還具有多種通信接口，包括I3CSM、I2C 和SPI 串行接口，能為系統提供多種數據的通信交互方式的選擇。

3.3 系統其他主要元器件的選型分析

本系統的無線通信模塊選用了Wi-Fi 和LoRa 兩種不同的無線通信方式，分別用于不同的應用場景，其中，LoRa 模塊選用的是億佰特公司的E22-400T22S 模塊，該模塊采用SX1268 射頻芯片，無線通信距離能達到5km，空中傳輸速率可達到62.5kbps，功耗較低，供電范圍從2.3V 至5.5V，與系統主要芯片供電范圍有重疊區域，也可保證供電電路的一致性。本系統的數據存儲芯片采用W25Q256 芯片，該芯片是一種串行通信的Flash Rom，存儲空間為256Mbit，擦寫周期多達10 萬次，最高時鐘頻率可達 104MHz，具有20年的數據保存期限，能滿足本系統運動過程實時數據的備份存儲要求。

4 智能膝關節運動采集系統的軟件設計

MSP430 單片機的開發環境主要有CCSTUDIO-MSP 和IAR Embedded Workbench 等，本系統開發選用IAR Embedded Workbench 作為開發環境，軟件主要包括運動檢測數據的實時采集、運動檢測數據的無線通信、運動檢測數據的備份、電源能耗管理等多個部分，本文僅介紹實時檢測數據采集的軟件設計思路。

智能膝關節運動采集系統的實時檢測數據采集軟件主要實現逐次對分布在膝關節周圍的9 個檢測點進行三軸加速度、角速度以及角度的采集，主要流程為：與第一個檢測點建立握手通信→向傳感器下發數據獲取指令→等待并接收傳感器反饋的數據→按以上流程，依次向其他8 個檢測點進行握手通信、下發指令、接收數據→9 個檢測點的數據全部獲取后，調用無線通信函數進行數據的上傳發送→調用本地備份函數進行數據的備份存儲→判斷重復采集標志位，啟動下一輪的數據采集。

5 結束語

系統應用結果顯示可實現膝關節運動數據的實時采集，但還需要進一步對數據進行清理和優化，進一步提升數據的實用性。