耳石癥治療系統(tǒng)模型設計與制作

熊威，喻亞云，孟令權(quán)，武泱光，何浩洋，胡安正

（湖北文理學院 物理與電子工程學院，湖北襄陽，441053）

0 引言

如今隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，智能化器械已經(jīng)進入了醫(yī)療領域之中，各種技術(shù)在治療關于眩暈癥狀的疾病得到了廣泛地應用。良性陣發(fā)性位置性眩暈（BPPV）也叫耳石癥，它是一種眩暈性疾病[1]。耳石癥是因患者頭部迅速轉(zhuǎn)動進而激發(fā)短暫陣發(fā)性眩暈、眼震等癥狀，該種疾病是臨床常見眩暈疾病，其主要表現(xiàn)為短暫眩暈、眼震等，同時易引發(fā)耳部疾病的發(fā)生，出現(xiàn)內(nèi)耳供血不足、老年性退行 性改變等并發(fā)癥，致使患者正常社會生活受到極大影響[2]。

耳石癥最根本、最有效的療法是，讓自動脫落的耳石“復位”。一般治療耳石癥的復位方法有兩種，一種是醫(yī)生使用診斷手法復位，另一種是使用儀器輸入指令進行自動復位。人工手法復位作為傳統(tǒng)的復位方法，雖然對一些簡單的耳石癥患者可以獲得較好的復位效果，但也存在諸多弊端。手法復位治療更多地依靠復位醫(yī)生的經(jīng)驗和判斷，復位效果與經(jīng)驗有很大關系；人工手法復位在治療過程中對患者眼球震顫的觀察主要依賴醫(yī)生肉眼觀察。相比之下，耳石復位儀可帶動人進行旋轉(zhuǎn)，進而使耳石位置角度的控制更加準確，并且也提高了復位的效率；無需過度耗費醫(yī)生體力。

對此，本文擬設計出一款高智能、功能全、易操作的智能化眩暈診療一體機，該機設置有多功能可選擇式的操控面板和友好交互的可視顯示屏，可以實現(xiàn)一鍵自動診療任務。該儀器一旦推廣應用必然會惠及一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)級醫(yī)院和廣大的耳石癥患者，繼而也會帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。

1 智能化眩暈診療一體機總體設計思路

本文實施方案的內(nèi)容主要是治療儀變位方案。用戶在主控制器的控制界面可以手動選擇診斷模式、治療模式和傻瓜式一鍵操作自動選擇模式。在治療儀的變位裝置之中設計角度采集裝置，并將角度信息發(fā)送給主控制器。系統(tǒng)治療儀變位方案框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)治療儀變位方案框圖

2 總體系統(tǒng)的器件選用及結(jié)構(gòu)搭建

■2.1 主控端MCU 芯片

智能眩暈診療系統(tǒng)的主控MCU 采用了語法較為簡單、開發(fā)難度低的STM32 芯片，該芯片不僅降低了開發(fā)成本，還具有查詢速度快、容量大等優(yōu)點，解決了大多數(shù)生產(chǎn)者兩者不能兼顧的問題。STM32 系列微控制器還提供了豐富的外設資源，包括模擬輸入輸出、數(shù)字輸入輸出、通信接口、定時器、中斷控制器等，可以滿足各種應用的需求。

■2.2 角度采集端MCU 芯片

該系統(tǒng)的角度采集端主控選用的是由宏晶公司（STC）推出的STC8A，該芯片擁有豐富的外設，包括多個定時器/計數(shù)器、多通道的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、UART（串行通信接口）、SPI（串行外設接口）等。考慮到角度采集端的數(shù)據(jù)處理量沒有主控的大，這些外設足以完成該系統(tǒng)對于姿態(tài)信息的采集與解算，并且可以與主控端進行數(shù)據(jù)的傳輸與通訊。故而使用該款芯片作為角度采集端的主控芯片。

■2.3 驅(qū)動模塊

本次項目使用A4988 驅(qū)動模塊來控制該系統(tǒng)的電機，如圖2 所示。本系統(tǒng)變位裝置中的電機選用步進電機，其角位移量(或直線位移量)與電脈沖數(shù)成正比，步進電機所承受的負載能力，不會根據(jù)電機的電壓擾動及環(huán)境條件所影響[3]，選用A4988 模塊用于步進電機的驅(qū)動，主要考慮到了以下幾個優(yōu)點：它采用直流電動機驅(qū)動技術(shù)，在精密步進電機驅(qū)動方面得到了大量的應用，具有多種控制方式，全橋式恒流電路和智能步進控制，可以滿足不同精度要求的電機控制需求。芯片具有低功耗，高功率，低噪音，高精度等特點，可以在體積小的條件下實現(xiàn)高精度的控制和穩(wěn)定的輸出。

圖2 A4988模塊

■2.4 無線模塊

本次項目使用NRF24L01無線模塊用于本系統(tǒng)主控制端與角度信息采集端電路之間的信息傳輸。NRF24L01 是一種在2.4GHz～2.5GHz 頻帶中具有良好傳輸性能的無線發(fā)射或接收設備。它配備了頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊。輸出功率和通信信道可以通過程序進行配置，無線模塊如圖3 所示。

圖3 無線模塊

■2.5 主控制端電路

主控制端采用STM32 進行系統(tǒng)控制，該電路外設主要有下載電路、電源電路、電機驅(qū)動模塊、LCD 屏、無線模塊組成。主控制端電路實物圖如圖4 所示，電路圖如圖5 所示。STM32 系列微控制器采用了ARM Cortex-M 內(nèi)核，提供了高速處理能力和豐富的外設資源，可以滿足各種應用的需求。對于下載電路來講，是通過STM32 芯片固有的下載引腳使用ST-LINK 下載程序。當BOOT0 為1，而BOOT1為0 時STM32 進入下載模式，該電路在程序下載時，會使BOOT0 拉高并進入下載模式，程序下載完成后，BOOT0 拉低進入程序運行模式。對于電源電路的設計，診療系統(tǒng)的電源芯片選用LM2596-5V 芯片和LMS1117-3V3 芯片，它們分別是5V 開關電源穩(wěn)壓芯片和3V3 線性穩(wěn)壓芯片。

圖4 主控制端電路實物圖

圖5 主控制端電路圖

■2.6 角度信息采集端電路

角度信息采集端電路采用STC8A 芯片進行角度信號采集。角度信息采集電路實物圖如圖6 所示，電路圖如圖7 所示。該電路主要包括MPU6050 模塊、無線模塊等。MPU6050 模塊可以將機械旋轉(zhuǎn)或傾斜轉(zhuǎn)化為電信號輸出。信號放大器用于放大傳感器輸出的微弱信號，增強信號的穩(wěn)定性和可靠性。數(shù)據(jù)處理器則用于對放大后的信號進行數(shù)字化處理，將角度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸出[4]。將該模塊放置在變位裝置的中心角度，即可監(jiān)測變位裝置的旋轉(zhuǎn)角度。

圖6 角度信息采集電路實物圖

圖7 角度信息采集電路圖

3 系統(tǒng)的軟件部分設計

■3.1 本章概述

智能眩暈診療系統(tǒng)軟件設計的介紹：首先從界面設計分析了三種模式對應的功能。其次，需要根據(jù)角度信息的反饋從而控制步進電機的轉(zhuǎn)動。軟件設計結(jié)構(gòu)圖如圖8 所示。

圖8 整體軟件設計圖

■3.2 控制系統(tǒng)的界面顯示

控制系統(tǒng)的界面顯示是使用LCD液晶顯示屏進行顯示。本系統(tǒng)在液晶屏中設置三個選項“診斷”“復位”和“診療”。這三種模式避免過多的文字和圖標，方便用戶快速定位和使用。對于“診斷”和“復位”選項可由專業(yè)醫(yī)生依據(jù)患者癥狀初步判斷耳石癥類型，并進行耳石癥復位。而“診療”選項為“一鍵傻瓜式”自動診療，無需專業(yè)醫(yī)生進行操作。系統(tǒng)界面顯示如圖9 示。

圖9 系統(tǒng)界面顯

■3.3 步進電機旋轉(zhuǎn)控制算法

本系統(tǒng)使用的是PID 算法來控制步進電機的旋轉(zhuǎn)。步進電機是一種將電能轉(zhuǎn)化為機械能的電機，其轉(zhuǎn)動角度由輸入的電脈沖數(shù)量決定。由于步進電機本身的慣性及其承載的負載，電機在運行過程中無法立即啟動和停止，而是在啟動過程中會出現(xiàn)階躍損失，在關閉過程中會發(fā)生階躍[5]。因此，為了準確控制電機的旋轉(zhuǎn)角度，需要一個角度信息的反饋，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制的效果。PID 算法是控制類最廣泛的算法之一。在涉及閉環(huán)系統(tǒng)的控制中，它可以對輸出的結(jié)果進行自動準確的校正[6]，所以本系統(tǒng)使用PID 控制算法來控制步進電機的旋轉(zhuǎn)。

■3.4 角度姿態(tài)解算

本文采用卡爾曼濾波算法，卡爾曼姿態(tài)解算結(jié)構(gòu)圖如圖10 所示。使用RT-Thread 國產(chǎn)操作系統(tǒng)，利用env 工具進行串口、模擬I2C 環(huán)境配置，使用10ms 的線程進行卡爾曼濾波解算。因為MPU6050 沒有包含磁力計，故無法對yaw軸運用卡爾曼濾波算法。利用MPU6050 中加速度傳感器采集到的xyz 軸的加速度和陀螺儀采集到的xyz 軸的角速度，進行進一步處理，得到pitch 軸和roll 軸的原始角度，利用原始角度和角速度進行卡爾曼濾波處理，最終得到濾波后的角度數(shù)據(jù)。

圖10 卡爾曼姿態(tài)解算結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語

智能化眩暈診療一體機是一種集診斷、治療和康復于一體的醫(yī)療設備。它可以通過多種傳感器和算法對患者的眩暈癥狀進行評估和診斷，并提供個性化的治療和康復方案。本文采用了步進電機、無線模塊、MPU6050 模塊、微處理器等模塊設計出一款低成本、高智能、功能全、標準化、易操作的智能化眩暈診療一體機。但是由于時間和目前能力的有限，針對1:1 實物模型制造難度較大，只能制作小模型進行演示。智能眩暈診療系統(tǒng)的研究和應用已經(jīng)逐漸復現(xiàn)在人們的眼前，這些醫(yī)療系統(tǒng)的設計需要具備足夠的應變能力。相信隨著醫(yī)療技術(shù)和電子控制技術(shù)的不斷發(fā)展，智能眩暈診療系統(tǒng)在未來能發(fā)揮更大的作用。