用于下肢骨折患者康復(fù)監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)

錢歡， 洪洋， 潘鋼

(1. 上海交通大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院， 上海 200030;2. 復(fù)旦大學(xué) 附屬上海市第五人民醫(yī)院， 上海 200240)

用于下肢骨折患者康復(fù)監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)

錢歡1， 洪洋2， 潘鋼1

(1. 上海交通大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院， 上海 200030;2. 復(fù)旦大學(xué) 附屬上海市第五人民醫(yī)院， 上海 200240)

從臨床實(shí)際需求出發(fā)，基于傳感器及單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了一款下肢骨折康復(fù)應(yīng)力監(jiān)護(hù)儀。通過在骨折病人患肢腳底部固定安放一組應(yīng)力貼片傳感器，使得患者在進(jìn)行康復(fù)鍛煉時(shí)，腳部的應(yīng)力信號(hào)經(jīng)采集、濾波處理、算法編程后由藍(lán)牙芯片傳輸至手機(jī)APP程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)患肢腳部壓力的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及異常事件提醒等功能，監(jiān)護(hù)患肢的骨折愈合過程。

下肢骨折; 康復(fù)監(jiān)護(hù); 應(yīng)力傳感器; 藍(lán)牙技術(shù)

0 引言

下肢長(zhǎng)干骨骨折病人術(shù)后有效的軸向加壓鍛煉可以改善和增加局部血液循環(huán)，增強(qiáng)肌肉力量，預(yù)防肌腱及關(guān)節(jié)囊粘連和攣縮，軟化瘢痕, 恢復(fù)肢體正常功能。但是很多骨折術(shù)后病人由于各種原因, 不能進(jìn)行有效的功能鍛煉，從而直接影響術(shù)后工作、生活。

康復(fù)鍛煉對(duì)下肢骨折患者至關(guān)重要，為了減少致殘率，幫助患者恢復(fù)肢體功能，提高患者的生活自理能力和生活質(zhì)量，我們?cè)O(shè)計(jì)一種下肢應(yīng)力監(jiān)護(hù)裝置，給骨折康復(fù)病人提供一個(gè)直觀量化的應(yīng)力數(shù)值，使病患在行走鍛煉時(shí)做到心中有數(shù)，防止腳部用力過猛或者不足而達(dá)不到應(yīng)有康復(fù)效果，幫助下肢骨折病人的康復(fù)。

1 設(shè)計(jì)思路

為了能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)患者的康復(fù)情況，我們?cè)诓』嫉淖愕坠潭ò卜乓唤M(3個(gè))應(yīng)力傳感器， 然后，我們通過固定在病患腳部的信號(hào)處理電路板， 由藍(lán)牙將壓力信號(hào)傳回指定的終端設(shè)備，醫(yī)生可以根據(jù)實(shí)際情況掌握這些信息，并指導(dǎo)病患合理地做好康復(fù)鍛煉。 如果必要還可以把這些信息按照時(shí)間的信號(hào)順序存儲(chǔ)起來。

1.1 傳感器的足底分布

人體在靜止站立或者動(dòng)態(tài)行走時(shí), 在自身重力的作用下, 足底在垂直方向上受到一個(gè)地面的反作用力，這個(gè)力就是足底軸向壓力[1]。正常人的足底壓力分布有一定的規(guī)律及模式，前足拓骨頭區(qū)和足跟受力負(fù)重最大，跖骨區(qū)中又以第一、第二跖骨頭區(qū)負(fù)重最大，外側(cè)三個(gè)拓骨頭區(qū)負(fù)重依次減小[2]。因此，將3片應(yīng)力傳感器固定于足跟區(qū)及第一、第二跖骨頭區(qū)具有顯著性反應(yīng)骨頭區(qū)負(fù)重情況的效果。

1.2 采集數(shù)據(jù)的讀取與應(yīng)用

主芯片中執(zhí)行的單個(gè)壓力采集程序流程，如圖1。

程序的主要作用就是在時(shí)鐘電路的支持下，循環(huán)地采集壓力傳感器的電壓值， 并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換， 然后將所得數(shù)據(jù)按照轉(zhuǎn)換曲線轉(zhuǎn)換為人的腳部所承受壓力的真實(shí)值。

1.3 算法

擬將3路壓力信號(hào)數(shù)據(jù)同時(shí)讀取后，由單片機(jī)進(jìn)行算法的編程。假設(shè)3點(diǎn)壓力符合線性分布，設(shè)定“合力”Y=Ya+Yb+Yc，Ya為a點(diǎn)受力壓力，Ya=K1W；Yb為b點(diǎn)受力壓力，Yb=K2W；Yc為c點(diǎn)受力壓力Yc=K3W。其中設(shè)定Ya、Yb為第一、第二跖骨頭區(qū)的峰壓力讀數(shù)，Yc為足跟區(qū)的峰壓力讀數(shù)，K1、K2、K3分別為3個(gè)壓力區(qū)讀數(shù)的權(quán)數(shù)；W為各康復(fù)階段醫(yī)囑負(fù)重值?？紤]到病患在康復(fù)鍛煉時(shí)的實(shí)際情況及計(jì)算的簡(jiǎn)便，設(shè)定3個(gè)受力點(diǎn)同時(shí)著地，無時(shí)間差，并忽略其它不顯著受力點(diǎn)?；颊唧w重80公斤，脛骨橫行骨折，舉例應(yīng)用推算如表1所示。

圖1 工作流程圖

1.4 系統(tǒng)運(yùn)行圖

舉例顯示如圖2所示。

2 硬件架構(gòu)

硬件總體的設(shè)計(jì)包括：供電模塊、 單片機(jī)電路、 串口-藍(lán)牙模塊、 壓力采集模塊、AD濾波模塊等，如圖3所示。

2.1 單片機(jī)

表1 舉例推算表

圖3 總體框圖

我們所設(shè)計(jì)的智能系統(tǒng)使用AT-MEGA 16單片機(jī)，ATmega16是一個(gè)基于增強(qiáng)地AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其具有先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，所以ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS /MHZ ，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。

本芯片是以Atmel 高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISP Flash 允許程序存儲(chǔ)器通過ISP 串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過運(yùn)行于AVR 內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。通過將8 位RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash 集成在一個(gè)芯片內(nèi)， ATmega16 成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案[5]。

2.1.1 時(shí)鐘電路

ATmega16已經(jīng)內(nèi)置RC振蕩線路，可以產(chǎn)生1M、2M、4M、8M的振蕩頻率。不過，內(nèi)置的畢竟是RC振蕩，在一些要求較高的場(chǎng)合，比如要與串口通信需要比較精確的波特率時(shí)需要外部晶振本電路使用的7.3728晶振是為了和藍(lán)牙模塊通訊提供精準(zhǔn)的波特率不會(huì)使輸出數(shù)據(jù)亂碼，如圖4所示。

圖4 時(shí)鐘電路圖

2.1.2 AD濾波電路

由于本設(shè)計(jì)使用了ATmega16內(nèi)嵌ADC，由引腳功能說明可知：使用內(nèi)嵌ADC時(shí)AVCC腳應(yīng)通過一個(gè)低通濾波器與VCC連接。此低通濾波器具體設(shè)計(jì)如下：為減小AD轉(zhuǎn)換的電源干擾，Mega16芯片有獨(dú)立的AD電源供電。官方文檔推薦在VCC串上一只10uH的電感(L1)，然后接一只0.1uF的電容到地，如圖5所示。

圖5 AD濾波電路圖

2.2 壓力采集電路

應(yīng)力壓力傳感器我們采用了原裝進(jìn)口的FSR400系列壓力傳感器。FSR是一種隨著有效表面上壓力增大而輸出阻值減小的高分子薄膜，是一款靈敏度較高的傳感器。根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊(cè)，輸出電壓和輸入壓力電阻關(guān)系：VOUT=VREF X-(RG/RFSR)，采用典型電路4.7 K電阻輸入 對(duì)應(yīng)0到5 V輸出， 輸出加一級(jí)跟隨電路提高AD輸入阻抗，如圖6所示。

圖6 壓力轉(zhuǎn)換電路

2.3 藍(lán)牙通訊

為了將 iPhone 手機(jī)與DX-BT05 4.0建立通信實(shí)驗(yàn)，我們從 APP Store 里下載安裝了 LightBlue 程序。

選用的DX-BT05 4.0藍(lán)牙模塊采用美國TI公司CC2541芯片，配置 256Kb 空間，遵循V4.0 BLE藍(lán)牙規(guī)范。支持AT 指令，用戶可根據(jù)需要更改串口波特率、設(shè)備名稱、配對(duì)密碼等參數(shù)，使用靈活。本模塊支持UART接口，并支持SPP藍(lán)牙串口協(xié)議，具有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點(diǎn)，只需配備少許的外圍元件就能實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)大功能。

3 實(shí)驗(yàn)

使用樣機(jī)對(duì)一名78歲男性脛骨骨折術(shù)后的病患進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法：病患由原地踏步康復(fù)逐步向步行康復(fù)鍛煉過度。骨科及康復(fù)醫(yī)學(xué)科醫(yī)師制定康復(fù)方案，并且全程跟蹤了該病患的整個(gè)康復(fù)過程以便隨時(shí)更改醫(yī)囑，如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

經(jīng)對(duì)該病患的試驗(yàn)調(diào)研，醫(yī)生認(rèn)為該患者不僅術(shù)后康復(fù)情況良好，而且與同類“謹(jǐn)慎小心”型的病患相比，康復(fù)痊愈時(shí)間提前1至2周。

4 總結(jié)

經(jīng)對(duì)全院下肢骨折病患的心理調(diào)研，主要有兩大現(xiàn)象。一是謹(jǐn)慎小心，怕痛和出現(xiàn)意外而不敢活動(dòng)， 擔(dān)心活動(dòng)后致手術(shù)失?。欢羌庇谇蟪? 有較強(qiáng)的恢復(fù)肢體功能的欲望，不注意鍛煉方法而過早活動(dòng)及負(fù)重, 鍛煉過度, 超前并隨意活動(dòng)。這些都不利于康復(fù)措施的實(shí)施并易導(dǎo)致肌肉萎縮、關(guān)節(jié)僵硬、骨折延遲愈合或再骨折等并發(fā)癥。

目前此應(yīng)力監(jiān)護(hù)儀處于研發(fā)階段，試制的原型樣機(jī)仍有許多問題和不足(精度不夠、傳感器量程需定做、藍(lán)牙傳輸程序不完善)。但國內(nèi)尚無相同的醫(yī)學(xué)研究項(xiàng)目，沒有一種量化的應(yīng)用于下肢骨折病人的監(jiān)護(hù)儀器。作為下肢康復(fù)性監(jiān)護(hù)儀器，此裝置具有一定的實(shí)用性、新穎性及可研究性。

[1] 湯榮光.正常人足底靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力分布的測(cè)定[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，1994,13(2)：175-177.

[2] 洪水淙.外翻病理足及其手術(shù)方案的生物力學(xué)探討[J].中國生物力學(xué)醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，1988,7(2)：86.

[3] 陸廷仁.骨科康復(fù)學(xué)[M]. 北京：人民衛(wèi)生出版社，2007.

[4] 陳忠平.基于Proteus的AVR單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)與仿真[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[5] [EB/OL].http://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Pressure/fsrguide.pdf

Design of a Monitor for the Rehabilitation of Patients with Lower Limb Fracture

Qian Huan1， Hong Yang2， Pan Gang1

(1.School of Biomedical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China;2. Shanghai Fifth People's Hospital Affiliated to Fudan University, Fudan University, Shanghai 200240, China)

This paper from the actual clinical needs uses sensor and MCU technology to design a monitor based on stress fracture of lower limb rehabilitation. The limbs and feet are fixed and installed a set of stress sensors. When a patient is in the rehabilitation exercise, stress signals of foot are collected, filtered, and processed, are then transmitted by Bluetooth chip to the mobile phone APP program, so as to realize the dynamic monitoring of limb foot pressure. It can reminder abnormal case, and monitor limb fracture healing process.

Lower limb fracture; Rehabilitation monitoring; Stress sensor; Bluetooth

錢歡(1982-)，男，工程碩士研究生，研究方向：醫(yī)療儀器設(shè)計(jì)。 洪洋(1972-)，男，主任醫(yī)師，研究方向：骨科醫(yī)學(xué)。 潘鋼(1956-)，男，高級(jí)工程師，研究方向：醫(yī)學(xué)儀器。

1007-757X(2017)06-0042-03

TP311

A

2016.03.16)