運動損傷康復體能訓練軌跡監控系統的設計及其功能測試

摘要：為實現對運動員受傷后康復訓練過程中的遠程監控，利用微控制器STM32和無線通信模塊，設計了一個康復訓練監控系統.將6名實驗室工作人員確定為實驗對象，在正常條件下測量其血氧飽和度（SpO2）和脈搏率.然后使用實驗室開發的上下肢康復訓練機器人對實驗對象分別進行15、30、45 min的低、中、高三檔康復訓練，低、中、高檔各重復測量6次.該系統測得的數據與魚躍YX301指壓式脈搏血氧儀測得的數據一致，因此該設計符合要求，可以實時監測和記錄實驗對象的血氧飽和度和脈搏率等生理參數.

關鍵詞：運動損傷；康復體能訓練；監控系統；血氧飽和度

中圖分類號：G804.53"" 文獻標志碼：A" 文章編號：2095-6991（2025）01-0122-07

Design of Track Monitoring Systemfor Rehabilitation Physical Fitness Training of Sports Injury

CHEN Jin-e， SONG Shu-lei， SUN Ke*

（Anhui Medical College， Hefei 230601， China）

Abstract：In order to realize the remote monitoring design of athletes’ rehabilitation training after injury， a rehabilitation training system is designed by using computer technology， microcontroller STM32 and wireless communication module. The system can monitor and record the physiological parameters such as blood oxygen saturation and pulse rate in real time. In this paper， six laboratory workers were selected as experimental subjects， and their blood oxygen saturation （SpO2） and pulse rate were measured under normal conditions. Then the subjects were asked to use the upper and lower limb rehabilitation training robot developed in the laboratory for 15， 30 and 45 minutes of rehabilitation training. After the training stopped， the above measurements were repeated for 6 times each. The measured data of the system is consistent with that of Yuyue YX301 finger pressure pulse oximeter， and the design meets the requirements， which can monitor and record the physiological parameters of the experimental subjects such as blood oxygen saturation and pulse rate in real time.

Key words：sports injury; rehabilitation physical training; monitoring system; blood oxygen saturation

0 引言

運動損傷康復的首要和基本目標是幫助運動員回到運動巔峰，保持競技狀態，尤其是要縮短運動員受傷后康復的時間.一旦運動員在訓練或比賽中受傷，首先應迅速、正確、有效地對損傷進行處理^[1].

目前，國內移動醫療系統仍處于研究和探索階段，而我國政府一直對遠程醫療持非常支持的態度，這就為遠程醫療的發展創造了一個良好的環境^[2].工業和信息化部發布的物聯網“十二五”規劃中，遠程醫療被列為需要發展的九大重要任務之一^[3].近年來，國內科研機構、高校、企業都在積極、廣泛地研究智能手機的運動監測與診斷系統，并取得了良好的成果^[4-5].在國外，運動損傷康復監測系統采取了先進的傳感器驅動集成結構連接網絡組件，可以實時獲取運動損傷等信息^[6-7].先進的信號處理方法可以提供運動損傷的特征參數，并且能識別結構狀態，控制結構中的不安全因素，消除安全隱患，實現運動組織的自我診斷、自我修復和結構保障^[8].而傳統的監測系統存在一些問題，如損傷模式數據監測的精度低，電阻信號波形差異大，無法滿足精確定位和評估運動損傷的需求^[9].

針對上述問題和需求，本文提出了一種基于無線傳感器網絡的運動損傷康復監測系統.本系統的總體設計目標是實現對運動員康復訓練生理參數的遠程監控.

1 研究方法

本系統的設計主要分為數據采集、信號處理和無線通信3大模塊，系統總體設計如圖1所示.

數據采集模塊包括血氧心率脈搏檢測模塊和血壓檢測模塊.其中，血氧心率脈搏檢測采用MAX30102模塊，主要用于實時檢測人體血氧飽和度、心率和脈搏率等相關參數；血壓檢測模塊采用MSP20壓力傳感器，用于實時監測人體血壓生理參數.這些數據收集模塊與微控制器連接，將收集到的人體數據傳輸到微控制器模塊中進行分析處理.信號處理在微控制器模塊中實現，信號通過微控制器中放大電路進行預增益，再通過濾波電路實現濾波，最后進入STM32單片機的ADC模塊進行模數轉換.無線通信模塊采用新一代的嵌入式UART-WiFi模塊產品，可以將微處理器[HJ49x]處理后的生理參數信號通過WiFi無線網絡發送到遠端監控中心.

數據采集采用可穿戴傳感器收集生理信息，在STM32微控制器中實現對數據的處理，無線通信模塊將數據通過WiFi網絡發送至遠程監控中心，該系統注重便攜性、實時性和穩定性.數據采集系統的詳細流程如圖2所示.

隨隊醫生負責收集受傷運動員的身體檢查數據，因此可以將檢查分為4大類：體能采集檢查、生化指標采集、運動員膳食營養采集和運動員康復綜合評價^[10].體能采集主要通過B超檢查、心率測量、肺活量檢測等來檢查運動員的損傷情況.生化指標檢查主要是血液檢測，血液檢測指標應包括血紅蛋白（HB）、紅細胞壓積（HCT）、紅細胞（RBC）、紅細胞寬度變化（RDW-CV）和其他反映紅細胞形態、鐵代謝和鐵儲備的指標.根據以上檢查結果可以判斷機體的造血功能、血液的攜氧能力和蛋白質的營養狀況.同時測定肌肉狀態和蛋白質代謝的相關指標如血尿素氮（BUN）、肌酸激酶（CK）、乳酸脫氫酶（LDH）、尿蛋白、尿潛血、尿膽紅素和尿3-甲基組氨酸（3-MH），可以反映肌肉蛋白質的分解和合成代謝、肌肉細胞在劇烈收縮后的損傷和恢復情況.膳食營養檢測主要是由隨隊醫生受傷運動員的膳食營養狀況進行跟蹤調查，以便及時給其補充營養，促進其身體恢復^[11].

在康復訓練中，血氧飽和度和脈搏率都是非常重要的參數.由于電源質量直接影響信號采集的質量，因此穩定可靠的電源是運動損傷康復監測系統正常工作的保證.該系統要采集血氧飽和度信號和脈搏信號，但是血氧、脈搏信號是一種易受外界噪聲干擾的微弱信號，如果信號處理不當，有用的信號就會被淹沒在電源的各種噪聲中，因此電源的設計至關重要.

表1列出了該系統中每個模塊所需的電源，系統需要3 V、3.3 V、5 V 3種電源，不同的模塊對電源有不同的要求.例如，3 V被用作微控制器模塊A/D轉換的標準參考電源，要求電源具有較高的穩定性和準確性.

1.1 微控制器模塊

STM32系列的32位微控制器采用ARM Cortex-M3內核系統.Cortex-M3內核就是為了滿足嵌入式領域的低功耗、商用性、實時性和有競爭力的價格發展而設計的.增強的系統架構使STM32系列控制器更豐富、更強大.內核配備了一個緊湊的嵌套向量中斷控制器，可以實現更快的中斷.STM32系列微控制器的主要優點如下：

①使用ARM最新的高級架構Cortex-M3內核；

②卓越創新的外圍設備；

③卓越的功耗控制；

④最大積分；

⑤易于開發，可使產品快速進入市場；

⑥應用廣泛.

STM32系列微控制器應用于許多通用系統升級中，同時也符合低功耗的要求.嵌入式微處理器的強大功能使其應用非常普遍，特別是在一些需要低功耗技能的領域，如中風檢測、溫度檢測器、電表電源和其他重要領域的應用.具體的電源裝置如圖3所示.根據系統要求，本項目的微控制器采用STM32F103微控制器.

STM32單片機有3個ADC，每個ADC可以獨立或同時工作，以提高采樣率.STM32微控制器中的ADC是一個12位逐次逼近的模數轉換器.每個ADC有6個通道、16個外部信號和2個可測量的內部信號.每個通道中的模數轉換可以單獨、連續或間歇工作.模數轉換信號的輸出可以左對齊或右對齊，并存儲在數據寄存器中.數據寄存器為16位，其中模擬轉換器由特性許可程序監控，以檢測電壓是否超過設定的最小值.

STM32F103微處理器包含3個ADC通道.ADC1通道1用于血氧信號的A/D轉換，ADC1通道5和6用于血壓和脈搏信號的A/D轉換.由于ADC1通道的A/D轉換類似，因此以下僅描述ADC1通道1的A/D轉換設置步驟.

第1步：STM32微控制器ADC1的通道1位于PA1上，應首先初始化A1的時鐘，然后將PA1設置為模擬輸入.

第2步：初始化ADC1通道1中的時鐘，然后重置，設置通道1的分頻因數.將通道1的時鐘頻率設置為14 MHz.最后使用1.5個ADC采樣周期將數模轉換率計算為IMHZ，并按原樣獲得轉換時間.

第3步：將ADC1中通道1的工作模式設置為單轉換工作模式，并將其序列中的通道數設置為通道1.

第4步：啟動模數轉換器進行復位校準和模數校準.如果不執行此步驟，可能會導致結果出錯.

第5步：完成上一步后，啟動ADC進行模數轉換.轉換完成后，微控制器讀取ADC1通道1中的寄存器數據.為了使轉換更準確，在該系統中快速讀取10次轉換后的值，刪除最大值和最小值，并計算其余8個的平均值，作為最終結果.

第6步：為了便于與上位機進行數據通信，系統將模數轉換結果除以256，得到的商和余數分別存儲在一個字節中.

1.2 血氧心率脈搏檢測模塊

MAX30102是一個集成的脈搏血氧儀和心率監測儀生物傳感器的模塊，它集成了一個紅光LED和一個紅外光LED、光電檢測器、光器件，以及帶環境光抑制的低噪聲電子電路.其工作原理是通過LED和光電二極管監測皮膚下的血液流動情況，并據此計算心率和血氧飽和度.具體來說，紅外LED通過皮膚照射到血液中，待不同波長的光線被捕獲后，通過對比計算可以得到血液中的脈動頻率及其所攜帶的血氧飽和度信息.它可應用于穿戴設備進行心率和血氧采集檢測，佩戴于手指、耳垂和手腕等處，標準的12C通信接口將采集到的數值傳輸給控制器進行心率和血氧計算.此外，該芯片還可通過軟件關斷模塊，使待機電流接近于零，從而實現電源始終保持供電狀態.MAX30102 的電路接線說明如表2所列.

1.3 血壓檢測模塊

XGZP是一款壓阻式壓力傳感器，專為對空間非常敏感而設計，它的核心是硅，采用MEMS技術設計和制造壓阻式壓力傳感模具.由一個彈簧膜片和4個集成在隔膜的壓電電阻器建立一個惠斯通電橋結構.彈性膜片受到壓力時，惠斯通電橋會產生一個線性電壓信號（mV）輸出，單片機根據采集電壓即可轉換成壓力值，利用MSP20傳感器可以通過測量血管的血壓來間接測量血壓.

MSP20壓力傳感器接線說明如表3所列.

1.4 無線通信模塊

新一代的嵌入式UART-WiFi模塊產品——SSC-WiFi-06無線模塊由上海迅展電子科技有限公司推出，該模塊體積小，易于集成在控制板上.UART-WiFi基于UART接口，符合UART-WiFi無線網絡標準嵌入式模塊，內置無線網絡協議Stiff ee802.u協議和TCP/IP協議，用于查找和實現用戶串口數據到無線網絡之間的轉換.通過UART-WiFi模塊，傳統的串行端口設備可以輕松訪問無線網絡.WiFi模塊具有性能穩定、信號強、可擴展和工作性能良好的特征.以下是本模塊的一些功能：

①無線標準為802.11 b/G/N，頻率范圍為2.412～2.484 GHz；

②操作模式為透明傳輸模式、串行命令模式；

③天線用外部I-PEX微帶天線;

④數據接口UART速率為300 bps～460 800 bps，以太網速率為100 Mbps以太網；

⑤網絡協議為TCP/UDP/ARP、ICMP/DHCP/DNS/HTTP；

⑥工作電壓為3.3 V（+/5%）；工作電流為170～300 mA.

WiFi模塊的引腳說明如表4所列.

2 測試結果及分析

為確保參數的準確性，首先采集15名身體健康的實驗室學生的數據作為樣本數據，來校準SpO2參數.校準SpO2參數的機理主要是基于對血氧波形的測量和分析，血氧波形是由血液中的氧氣和血紅蛋白對光吸收的差異所產生的，校準過程需要使用已知SpO2值的樣本數據，通過測量和分析這些數據，可以確定血氧波形與SpO2值之間的對應關系，并將這種關系應用于測量得到的血氧波形，從而得到準確的SpO2值.SpO2值由魚躍公司生產的YX301指壓式脈搏血氧儀測量，校準數據如表5所列.

從表5可以看出，每個受試者的血氧波形振幅和SpO2值都有所不同.波的振幅與個人身體素質和被測者手指溫度有關，手指溫度高比手指溫度低的振幅大.這些數據表明，血氧波形受到多種因素的影響，包括個體差異、手指溫度等.通過對這些樣本數據的分析，可以確定每個受試者的血氧波形與SpO2值之間的對應關系，即K值/SpO2.這些K值可以用于將測量得到的血氧波形轉化為SpO2值，從而實現對SpO2參數的校準.

本系統用于測量人體康復訓練前后血氧含量和測得的數據脈搏變化，并與YX301血氧飽和度檢測儀進行對比.以另外6名實驗室工作人員為實驗對象，在正常狀態下測量受試者的SpO2值和脈搏率.然后，利用實驗室研制的上肢、下肢康復訓練機器人進行15、30、45 min的低、中、高三檔難度的康復訓練.訓練停止后，重復上述測量.

15 min低、中、高三檔康復訓練的實驗結果見表6，通過對比實驗前后每個人的血氧參數變化情況，可以看出康復訓練對血氧飽和度的影響較小，在15 min低、中、高三檔康復訓練下，實驗對象的血氧飽和度在95%以上，基本在相同的范圍內，符合正常人的血氧參數標準；但對脈搏率有一定影響，在低、中、高檔康復訓練下，實驗對象的心率上升范圍分別在5～10次、10～20次、20～25次，這是因為在康復訓練過程中，隨著運動強度的增加，心臟需要更頻繁地跳動以泵送更多的血液到身體的各個部位，導致脈搏率增加.此外，本系統的測量數據與YX301血氧飽和度檢測儀的測量數據基本一致.

30 min低、中、高三檔康復訓練的實驗結果見表7，通過對比實驗前后每個人的血氧參數變化情況，可以看出康復訓練對血氧飽和度的影響較小，實驗對象的血氧飽和度在95%以上，心率上升范圍分別在5～10次、10～20次、20～30次.與15 min三檔康復訓練的血氧飽和度范圍和脈搏率上升范圍基本一致，本系統的測量數據與YX301血氧飽和度檢測儀的測量數據也基本一致.

45 min低、中、高三檔康復訓練的實驗結果見表8，通過對比實驗前后每個人的血氧飽和度、脈搏率參數變化情況，可以看出與15、30 min三檔康復訓練的血氧飽和度范圍基本一致，脈搏率的數值要高一些，本系統的測量數據與YX301血氧飽和度檢測儀的測量數據也基本一致.

用本系統和YX301測得的血氧飽和度和脈搏率結果基本一致，說明本系統具有很好的準確性和可靠性，滿足設計要求.

3 結論

本研究設計了一種基于計算機技術、微控制器STM32和無線通信模塊的運動損傷康復體能訓練軌跡監控系統.該系統可以實時監測和記錄實驗對象的血氧飽和度和脈搏率等生理參數，為運動員受傷后康復訓練過程中的遠程監控提供了方便.實驗結果表明，該系統測得的數據與魚躍YX301血氧飽和度儀測得的數據一致，由此說明本設計符合要求.

隨著科技的不斷進步和人們對運動損傷康復的重視程度不斷提高，本文所設計的運動損傷康復體能訓練軌跡監控系統未來可以與更多的生理參數監測設備進行集成，從而實現對運動員康復過程中全方位的監測.利用人工智能和大數據技術進行分析和處理，通過對監測數據的分析和比對，可以為運動員提供更加個性化、精準化的康復訓練建議.同時，通過大數據的積累和分析，可以為運動員康復訓練提供更加科學、有效的指導.未來通過技術的不斷創新和應用拓展，本系統可以為運動員提供更加高效、安全、便捷的康復訓練服務.

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［責任編輯：紀彩虹］

基金項目：２０２3年安徽省高校質量工程項目（2023ahyzjyxm12）;２０２３年度安徽省高校哲學社會科學研究重點項目（２０２３AH０５２５７７）；2024年度安徽省高校科研一般項目（ZR2024B001）

作者簡介：陳金娥（1979-），女，安徽太湖人，碩士，講師，研究方向為軟件工程.E-mail：chenjine@ahyz.edu.cn.

*通信作者：孫珂（1981-），女，安徽合肥人，碩士，副教授，研究方向為體育教育.E-mail：391543730@qq.com.