基于89C52 的腕關(guān)節(jié)康復(fù)評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮利軍，陶大錦 ，冉康康

(溫州醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，浙江 溫州325035)

康復(fù)評(píng)估是康復(fù)醫(yī)學(xué)中的重要組成部分，由此可制定出合適的康復(fù)治療方案，并評(píng)估其治療效果。腕關(guān)節(jié)損傷的康復(fù)評(píng)估，最重要的測(cè)量指標(biāo)是關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍，常以度數(shù)表示，亦稱關(guān)節(jié)活動(dòng)度。目前關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍的主要測(cè)量工具為通用量角器和方盤量角器，測(cè)量時(shí)需要注意參考點(diǎn)的選取，因此專業(yè)人員必須掌握一定的技能，否則測(cè)量誤差會(huì)比較大。若采取電子化測(cè)量關(guān)節(jié)活動(dòng)度，能比較準(zhǔn)確地測(cè)定關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角度范圍。并通過計(jì)算機(jī)軟件的識(shí)別分析，將能很好地解決量角器測(cè)量帶來的參考點(diǎn)誤差問題，而且將減少檢查者的主觀因素，以客觀、準(zhǔn)確地圖像再現(xiàn)病人腕關(guān)節(jié)康復(fù)的情況。同時(shí)，可以將病人的關(guān)節(jié)圖像進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣能方便臨床醫(yī)生隨時(shí)調(diào)閱病人的信息。

本系統(tǒng)即是基于光敏二極管等簡(jiǎn)單電子元件與微機(jī)相結(jié)合的腕關(guān)節(jié)康復(fù)評(píng)估系統(tǒng)，對(duì)腕關(guān)節(jié)骨折病人的康復(fù)情況進(jìn)行周期性評(píng)估，將病人腕關(guān)節(jié)的活動(dòng)情況直觀地顯示于屏幕上，利于醫(yī)護(hù)人員更好地對(duì)病人情況進(jìn)行分析、診斷與護(hù)理，使病人對(duì)自己的康復(fù)情況有更直觀和全面的了解。

1 總體設(shè)計(jì)思路

康復(fù)評(píng)估系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)由5 部分組成:采集系統(tǒng)電路、單片機(jī)控制單元、串行通信模塊、穩(wěn)壓電源電路、接收顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)的總框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

采集系統(tǒng)的最小組成部分是光敏二極管。通過病人手腕的移動(dòng)改變其手腕下部的光敏二極管對(duì)于光照的接收，并將光敏二極管接收到的信號(hào)先輸入到單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)數(shù)據(jù)首先進(jìn)行內(nèi)部的存儲(chǔ)，然后通過串行通信系統(tǒng)發(fā)送到上位機(jī)，最終由上位機(jī)接受并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，并通過軟件的編寫，顯示圖像，并計(jì)算出最終的角度。

2 下位機(jī)硬件構(gòu)成

2.1 單片機(jī)控制單元

單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)信號(hào)采集、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)前期處理、與上位機(jī)通訊等主要工作，是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，也是測(cè)量裝置智能化的重要體現(xiàn)。選用STC89C52RC 型號(hào)單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051 單片機(jī)，工作電壓3.3 V ～5.5 V，工作頻率范圍0 ～40 MHz，時(shí)鐘電路和復(fù)位電路如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)時(shí)鐘和復(fù)位電路

2.2 采集系統(tǒng)電路

采集系統(tǒng)由3 個(gè)模塊組成:64 個(gè)光敏二極管、4個(gè)模擬開關(guān)CD4067 和1 個(gè)四集成運(yùn)放LM324，如圖3 所示。信號(hào)由光敏二極管采集，通過單片機(jī)控制選通模擬開關(guān)，然后經(jīng)過運(yùn)算放大器將結(jié)果輸入單片機(jī)。

圖3 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2.1 光敏二極管

光敏二極管在無光照時(shí)，反向電阻接近于無窮大;有光照時(shí)，反向電阻隨光照強(qiáng)度增加而減小，阻值為幾十到幾百歐?？蓪⒐饷舳O管與1 MΩ 電阻串聯(lián)，然后接入5 V 電源，如圖4 所示。在無光照時(shí)，光敏二極管電阻很大，L1端輸出高電平，電壓接近4.2 V;有光照時(shí)，光敏二極管電阻減小，L1端輸出低電平，電壓接近0 V。

承德市20世紀(jì)50年代糧食總產(chǎn)量為493萬t，到2010年達(dá)到932萬t。糧食產(chǎn)量的提高與農(nóng)田水利建設(shè)是分不開的。隨著科技發(fā)展和農(nóng)田節(jié)水措施實(shí)施，糧食單產(chǎn)用水量逐步減少。20世紀(jì)80年代，農(nóng)業(yè)全年用水量16.8億m3左右，糧食總產(chǎn)量在101萬t左右，2010年農(nóng)業(yè)用水量5.2億m3，糧食總產(chǎn)量達(dá)到130萬t。節(jié)水型農(nóng)業(yè)的發(fā)展，使得農(nóng)業(yè)用水量大大降低，單方水的糧食產(chǎn)量由90年代的1.4kg提高到2010年的2.5kg，效益顯著。

考慮到手腕的實(shí)際大小，橫向縱向分別選取8 個(gè)光敏二極管，構(gòu)成8×8 的矩陣，實(shí)際電路如圖5 所示。各光敏二極管之間為等間距排布，間距約為2 cm。

圖4 光敏二極管與CD4067 連接電路圖

圖5 光敏二極管實(shí)際電路

2.2.2 模擬開關(guān)

89C52 單片機(jī)輸入/輸出口是有限的，因此如果將64 個(gè)光敏二極管直接接入是難以實(shí)現(xiàn)的，因此采取先接入芯片CD4067，即16 選1 路模擬開關(guān)，共需4 片。模擬開關(guān)是一種三穩(wěn)態(tài)電路，它可以根據(jù)選通端的電平，決定輸出端的狀態(tài)。

將每16 個(gè)光敏二極管的輸出編為1 組接入到CD4067，即左上角16 個(gè)接入到第1 塊模擬開關(guān)，左下角16 個(gè)接入第2 塊，其它依次類推。每塊CD4067 的第1 個(gè)引腳為輸出端，A、B、C、D 4 個(gè)引腳分別接到單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3 口，如圖4 所示。通過單片機(jī)這4 個(gè)引腳，控制模擬開關(guān)的輸出口狀態(tài)，每次選通1 個(gè)通道讀入，依次循環(huán)，直到64 個(gè)數(shù)據(jù)全部讀入到單片機(jī)內(nèi)部。

2.2.3 放大模塊

光敏二極管輸出的信號(hào)非常微弱，單片機(jī)無法直接讀取其信號(hào)。因此先將模擬開關(guān)的輸出通過電壓跟隨器，然后再接到單片機(jī)。電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是輸入阻抗高而輸出阻抗低，同時(shí)可以保證輸出電壓與輸入電壓相等，它能夠有效地提高電路帶負(fù)載的能力。電壓跟隨器采用四運(yùn)放集成芯片LM324 實(shí)現(xiàn)，單個(gè)電壓跟隨器接法如圖6 所示。

圖6 電壓跟隨器

2.3 串行通信模塊

為了能讓單片機(jī)與上位機(jī)通信，采用RS232 構(gòu)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通信的電路。電路如圖7 所示，圖中芯片11、12 腳分別與單片機(jī)TXD、RXD 相連，13、14 腳分別與上位機(jī)TXD、RXD 相連。

圖7 串行通信電路

2.4 穩(wěn)壓電源電路

通過直流電源供12 V 左右的電壓，經(jīng)過7805 穩(wěn)壓后供單片機(jī)及其它芯片工作，如圖8 所示，二極管D2 是防止電源接頭反接而設(shè)置的，電容C10、C13、C11、C14分別為電源電路輸入輸出端的濾波電容。R13為發(fā)光二極管的限流電阻，發(fā)光二極管作為電源指示燈，當(dāng)電源電路正常工作時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。

圖8 電源電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)程序

圖9 下位機(jī)程序流程圖

系統(tǒng)使用C 語言編寫單片機(jī)程序，總體可分為兩大塊，一是讀入，二是發(fā)送，程序流程如圖9 所示。關(guān)于讀入模塊，主要采用循環(huán)來實(shí)現(xiàn)。64 個(gè)光敏二極管的信號(hào)送入單片機(jī)P1.0 口～P1.3 口，然后由P2.0 口～P2.3 口選通輸入信號(hào)。通過控制模擬開關(guān)的ABCD 4 個(gè)引腳，每次選通一路數(shù)據(jù)讀入。由于四塊模擬開關(guān)的ABCD 4 個(gè)引腳都是連在一起的，因此每次選通，都可以讀入4 個(gè)數(shù)據(jù)，這樣總共循環(huán)16 次，剛好可將64 個(gè)數(shù)據(jù)讀入單片機(jī)。

對(duì)于發(fā)送模塊，將單片機(jī)的設(shè)置成串口1 工作方式，波特率設(shè)置為4 800。通過循環(huán)，將64 個(gè)在單片機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)送到緩沖器SBUF，SBUF 緩沖器自動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。

3.2 上位機(jī)程序

上位機(jī)處理程序采用VB 編寫。程序功能包括:

(1)用戶登陸，可添加、刪除用戶，修改密碼等。

(2)接收下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)。

(3)用Access 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存并作處理，得到評(píng)價(jià)結(jié)果。

(4)病人基本信息錄入。

(5)將病人腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)情況、評(píng)價(jià)結(jié)果以圖片形式保存。

(6)醫(yī)生診斷結(jié)果錄入。

其主程序流程如圖10 所示。

圖10 上位機(jī)主程序流程圖

4 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

系統(tǒng)運(yùn)行界面的功能可分為3 部分:圖像顯示及評(píng)價(jià)功能、病人信息錄入和診斷、醫(yī)囑錄入功能。測(cè)量前圖像為患者手腕轉(zhuǎn)動(dòng)前的圖像輪廓，測(cè)量后圖像為患者手腕轉(zhuǎn)動(dòng)后的圖像輪廓，提取2 副圖像的主干，并對(duì)比二者的偏離角度，即可進(jìn)行手腕康復(fù)情況的評(píng)價(jià)。

限于實(shí)驗(yàn)條件所限，光源的問題難以解決。若將腕關(guān)節(jié)直接放置上去，由于手部是立體的，因此光照到手部會(huì)產(chǎn)生陰影投射到光敏二極管上，影響實(shí)驗(yàn)的精確性。因此本文采取剪裁一個(gè)手腕部模型，采用平面的硬紙板代替手腕，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11 所示。

圖11 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)主要包括三大模塊:信號(hào)的采集、信號(hào)的傳輸、信號(hào)的顯示。采集部分主要器件為光敏二極管。通過病人手腕的移動(dòng)改變光敏二極管對(duì)于光照的接收，并將光敏二極管接收到的信號(hào)通過單片機(jī)串行口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由VB 編寫的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和讀取并最終顯示，同時(shí)通過軟件的編寫，計(jì)算出關(guān)節(jié)活動(dòng)的角度，最終達(dá)到測(cè)量腕關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍。

本系統(tǒng)不足之處在于手腕部位的圖形存在一定的失真度，其原因主要為調(diào)試中所使用的燈源不理想。實(shí)際臨床應(yīng)用時(shí)，可以使用醫(yī)用無影燈來減小影像方面的干擾。另外，光敏二極管矩陣密度不夠大，如欲提高精確度，可以考慮采用16×16 或者更高密度的矩陣。

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