復健輔助關節(jié)檢測儀

謝丹 呂慧婷 段煜

(重慶大學光電工程學院,重慶 400044)

復健輔助關節(jié)檢測儀

謝丹 呂慧婷 段煜

(重慶大學光電工程學院,重慶 400044)

介紹一款復健輔助關節(jié)檢測儀。該儀器通過測量和顯示肩關節(jié)轉(zhuǎn)過角度的變化,較為精確地反映人體肩關節(jié)受傷康復情況。為使其結(jié)構小巧,易于固定,儀器內(nèi)部采用集成貼片式芯片且PCB板雙面焊接。通過傳感器采集,AD芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換和單片機的計算得到最終角度的變化。

復健 檢測 角度 數(shù)據(jù)采集 模數(shù)轉(zhuǎn)化

目前在醫(yī)學領域中,復健醫(yī)學的發(fā)展隨著科技的進步,殘障照顧的重視等,逐漸受到重視與推展,在復健醫(yī)療需求的逐漸增加之下,目前在全世界大多數(shù)的先進國家都設有復健醫(yī)療機構。復健醫(yī)學已逐漸成為另一種醫(yī)療的模式。國內(nèi)外已有很多幫助患者康復的醫(yī)學儀器,但用于檢測患者康復情況的儀器卻并沒有廣泛應用。本項目復健輔助關節(jié)檢測儀是一款用于測量患者關節(jié)運動所改變的角度的測量儀器。

此系統(tǒng)主要由以下四部分構成:(1)信號采集部分(由雙軸傾角傳感器采集關節(jié)運動信號,輸出模擬電壓信號);(2)信號轉(zhuǎn)換部分,模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片PCF8591T將傳感器采集到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號,送入單片機STC90C516RD,通過對單片機編程進行信號處理;(3)數(shù)據(jù)顯示部分,由所選顯示屏LCD1602顯示變化度數(shù)。(4)儀器成型裝殼,將所設計的最終電路裝殼制成儀器。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 總體設計思路

總體設計圖如圖1所示。

將雙軸傾角傳感器固定于上臂,當肩關節(jié)抬起并轉(zhuǎn)動一定角度后,傳感器將采集到的信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號輸出,經(jīng)調(diào)理電路和濾波器處理后,進入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,輸出的數(shù)字信號傳入單片機,下載好所編程序的單片機將數(shù)字電壓信號轉(zhuǎn)換為所對應的角度,并由LCD顯示屏顯示。

圖1

圖2

1.2 信號采集部分

信號采集部分主要由雙軸傾角傳感器構成。本傳感器采用的是SCA60C傾斜檢測模塊。此傳感器主要芯片是LM393和傾斜感應探頭,工作在DC為5V的電壓下,傾角信號模擬電壓輸出0-180°對應0.5-4.5V;輸出有效信號低電平指示燈亮;左/上傾斜時輸出左傾報警信號綠燈亮,右/下傾斜時輸出右傾斜報警信號黃燈亮;左右-上下傾斜角度報警范圍分別為0-90°和90-180°,且全范圍可調(diào),調(diào)整精度為±1°;電路板傾斜信號為TTL高低電平,可直接接單片機IO口;帶安裝孔,方便固定安裝。

圖3

圖4 軟件設計流程

1.3 信號轉(zhuǎn)換部分

信號轉(zhuǎn)換部分主要由單片機和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片組成。本檢測儀所用的PCF8591T模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的引腳圖見圖2。

PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。PCF8591的功能包括多路模擬輸入、內(nèi)置跟蹤保持、8-bit模數(shù)轉(zhuǎn)換和8-bit數(shù)模轉(zhuǎn)換。這里我們使用其8-bit模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。PCF8591的操作電壓范圍是2.5V-6V,與所選傳感器相匹配。我們選擇其兩路模擬信號輸入端AIN1和AIN3。將I2C總線的數(shù)據(jù)線、時鐘線SDA、SCL分別接入單片機P2.0、P2.1口,所選單片機型號為STC90C516RD,是一款強抗干擾/高速/低功耗單片機,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機,12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇,內(nèi)部集成MAX810專用復位電路,時鐘頻率在12MHz以下時,復位腳可直接接地。

1.4 數(shù)據(jù)顯示部分

LCD1602可以顯示兩行,每行16個字符液晶模塊(顯示字符和數(shù)字)。兩行分別顯示肩關節(jié)于兩方向的角度變化數(shù)據(jù)。將顯示屏引腳DB0-DB7與單片機P0.0-P0.7相連、綜上整個系統(tǒng)完成后接通電源,轉(zhuǎn)動傳感器便可顯示相應角度度數(shù)。

2 測量角度與誤差分析

2.1 測角度原理

所選雙軸傾角傳感器SCA60C引腳圖見圖3。

其中Vcc接+5V(±0.5V)的工作電壓;Gnd接地;Vo1為x方向模擬輸出0.5V-4.5V;Vo2為y方向模擬輸出0.5V-4.5V;Do1輸出高低電平,若輸出高電平則表示Right方向傾斜;Do2輸出高低電平,若輸出高電平則表示Left方向傾斜;Do3輸出高低電平,若輸出高電平則表示Down方向傾斜;Do4輸出高低電平,若輸出高電平則表示Up方向傾斜。

假設關節(jié)活動的角度為α,則α可由傳感器輸出的模擬電壓信號Vo1和Vo2表達:

式中αx,αy表示肩關節(jié)在xoz平面,yoz平面兩方向活動角度;Vo1,Vo2為對應兩方向輸出電壓值。

通過①②兩式把模擬電壓值轉(zhuǎn)換成為關節(jié)角度變化值,即可實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。

2.2 角度測量程序設計

單片機的主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化,設置顯示器并給顯示端口清零。然后調(diào)用寫控制命令子程序發(fā)送傾角傳感器電壓轉(zhuǎn)換命令,發(fā)送顯示坐標,之后調(diào)用功能為讀取轉(zhuǎn)換值的子程序讀取電位器轉(zhuǎn)換結(jié)果。按式①②計算即可測得傳感器所轉(zhuǎn)過的角度值,測出角度后結(jié)果將送到LED,然后再轉(zhuǎn)動雙軸傾角傳感器重復上述測量過程。主程序框圖如圖4所示。

2.3 系統(tǒng)誤差分析

(1)失調(diào)誤差的影響;雙軸解決方案不會具有完美的靈敏度,在X軸上存在失調(diào)。故由X軸讀數(shù),Y軸讀數(shù)計算得出的角度會造成一定的誤差。失調(diào)引起的誤差可能不僅大于系統(tǒng)所需的精度,而且還會發(fā)生變化,使簡單地通過校準消除誤差角變得困難。當多個軸上都存在失調(diào)時,這將會變得更為復雜。(2)靈敏度失配誤差的影響;在雙軸傾斜檢測應用中,主要誤差成分是目標軸之間的靈敏度差異。由于使用的是X和Y軸的比值,因此如果兩者靈敏度相同,則可以消除大多數(shù)誤差。但雙軸解決方案不具有完美的失調(diào)調(diào)整功能,X軸Y軸分別具有的一定數(shù)值靈敏度。故存在誤差。與失調(diào)誤差類似,靈敏度失配引起的誤差會在整個旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)不斷變化,使在計算出傾斜角后進行誤差補償變得困難。(3)PCB布局影響;在任何注重精度的電路中,必須仔細考慮電路板上的電源和接地回路布局。PCB應盡可能隔離數(shù)字部分和模擬部分。電源走線應盡可能寬,以提供低阻抗路徑,并減小電源線路上的毛刺效應。

3 結(jié)語

本項目是一款復健輔助關節(jié)檢測儀。意在讓肩關節(jié)受傷的患者進行長期跟蹤康復情況,為患者及治療師提供動力,為醫(yī)學復健治療帶來了極大的方便。結(jié)構較為簡單,過程不很復雜,但是測量精度會受到一定限度,以后應著力提高該實驗的精度。需要說明的是,此儀器為創(chuàng)新型項目,有許多不足之處,目前關節(jié)活動的測量工具主要是量角器,需要專業(yè)人士在旁輔助才能測量。而本項目則可實現(xiàn)對患處關節(jié)運動的自動檢測,為初步實現(xiàn)電子檢測,后續(xù)還要更加完善。

[1]顧建安,主編.康復醫(yī)學(第2版)[M].科學出版社,2008(7).

[2]程德福,王君,凌振寶,王言章編.傳感器原理及應用[M].機械工業(yè)出版社,2007(12).

[3]費業(yè)泰,主編.誤差理論與數(shù)據(jù)處理(第6版)[M].合肥工業(yè)大學,機械工業(yè)出版社,2010(5).

[4]張迎新,等編著.單片機(微控制器)原理及應用[M].高等教育出版社,2009(6).

謝丹(1992—),女,重慶大學光電工程學院本科在讀。

呂慧婷(1993—),女,重慶大學光電工程學院本科在讀。

段煜(1993—),女,重慶大學光電工程學院本科在讀。