一種便攜式口唇力測量儀的研制

王偉光，尚振東，王偉鵬

(1.河南科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院，河南 洛陽 471003;2.平頂山四聯(lián)工貿(mào)有限責(zé)任公司，河南 平頂山 467200)

1 引 言

面部表情是人主觀情緒和情感的外部表現(xiàn)，是人類心理行為的非語言表達(dá)[1]。面部肌肉的收縮牽動(dòng)面部皮膚，產(chǎn)生喜怒哀樂等表情。面癱是以面部表情肌功能喪失和肌肉組織營養(yǎng)障礙引起的，主要表現(xiàn)為患者雙唇閉合不全、流涎、說話不清或一側(cè)嘴角拉向?qū)?cè)(嘴歪)等癥狀[2-3]，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。因此，對(duì)面癱患者口唇部功能性恢復(fù)的檢測及康復(fù)訓(xùn)練是面癱治療的重要內(nèi)容之一。

在我國的臨床醫(yī)療領(lǐng)域，醫(yī)生在檢查口唇部功能性恢復(fù)時(shí)，往往根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行徒手肌力檢查，這種檢查手段具有一定的主觀性，不能嚴(yán)格定量描述，缺乏準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。為此，本研究應(yīng)用當(dāng)今成熟的微電子技術(shù)和儀器儀表技術(shù)，研制開發(fā)了一種操作方便、精度高、采用電池供電而又便于攜帶的新型口唇力測量儀器，這種儀器可以實(shí)時(shí)檢測和鍛煉患者的口唇部功能性恢復(fù)，可以對(duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)，便于醫(yī)護(hù)人員對(duì)歷史數(shù)據(jù)及資料進(jìn)行查詢，從而使患者的康復(fù)治療過程得到精確量化，且使醫(yī)治更具科學(xué)性。

2 便攜式口唇力檢測裝置的結(jié)構(gòu)組成

便攜式口唇力檢測裝置示意圖見圖1?？诖郊×z測裝置包括依次電連接的拉力傳感器、信號(hào)處理裝置和顯示裝置。拉力傳感器通過拉力繩連接銜口,顯示裝置設(shè)置在殼體上，顯示裝置優(yōu)選為LCD顯示器，LCD顯示器與單片機(jī)的輸出端電連接。在殼體上設(shè)置有按鍵和拉力傳感器盒，拉力傳感器設(shè)置在拉力傳感器盒中。拉力傳感器盒上還連通設(shè)置有穿線管，穿線管上固定設(shè)置有推力板，推力板的中部開設(shè)有一個(gè)通孔，拉力繩和引線均從穿線管中穿過。拉力傳感器盒與殼體連通，拉力傳感器設(shè)置在拉力傳感器盒中。按鍵共有兩個(gè)，分別是復(fù)位鍵和除皮鍵，均與單片機(jī)的輸入端電連接，復(fù)位鍵用于控制檢測裝置的開啟和關(guān)閉，同時(shí)在多次測量時(shí)用于復(fù)位清零以保證下一次測量的準(zhǔn)確性。除皮鍵用于在安裝后和測量前對(duì)拉力傳感器進(jìn)行置零。

圖1便攜式口唇力檢測裝置示意圖

1. 殼體， 2. LCD顯示器， 3. 復(fù)位鍵， 4. 除皮鍵， 5. 拉力傳感器盒， 6. 穿線管， 7. 推力板， 8. 拉力繩， 9. 銜口， 13. 引線

Fig1Schematicdiagramofportabletestingdeviceforlipforce

3 硬件組成與工作原理

便攜式口唇力測量儀采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由拉力傳感器及信號(hào)調(diào)理電路、STM32單片機(jī)、人機(jī)接口電路[鍵盤、觸摸屏]、通信模塊組成。

3.1 傳感器及信號(hào)調(diào)理電路

本研究選用了自帶溫度補(bǔ)償?shù)母呔菾LBS-Ⅱ型拉力傳感器，該傳感器是將箔式應(yīng)變片粘貼在彈性體(合金鋼)上，承受拉壓力均可。電路前級(jí)采用LM324運(yùn)算放大器對(duì)傳感器傳入的生物弱電信號(hào)進(jìn)行放大，其信噪比優(yōu)于50 dB。采用ANALOG公司生產(chǎn)的高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片AD574，將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。

3.2 單片機(jī)系統(tǒng)

本研究采用STM32F103為主控芯片，其主要負(fù)責(zé)采樣過程的控制，數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)與通信等，STM32系列32位微控制器基于ARM Cortex.M3[4-5]內(nèi)核的STM32F103C8T6，其工作頻率為72 MHz，Cortex．M3增強(qiáng)了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，該內(nèi)核具有高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)[6-9]，其具有2.0～3.6 V的寬電壓供電范圍,單周期的乘法指令和硬件除法以及優(yōu)先級(jí)可編程的中斷系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于智能儀表 PLC、便攜測試儀器、高端家電、血糖測量儀等方面。

STM32F103最小系統(tǒng)主要包括晶振電路、復(fù)位電路和調(diào)試接口電路[10-11]。晶振電路選用8 MHz有源晶振,通過22 pF的電容接地。復(fù)位電路采用簡單的RC電路延時(shí)特性，利用一個(gè)10 KΩ電阻和10 μF的電容，時(shí)間延時(shí)大約為3.6 ms。調(diào)試接口電路選用JTAG進(jìn)行在線調(diào)試。

3.3 掉電保護(hù)RAM

采用LG的GM76C256，32 K byte的容量，該部分可在掉電狀態(tài)下保持RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)不受影響。

3.4 人機(jī)接口模塊

采用LCD作為儀器的顯示部件，對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。配合“測量”、“復(fù)位”、“除皮”3 個(gè)按鍵，對(duì)大屏幕的LCD屏進(jìn)行多級(jí)中文菜單設(shè)計(jì)，用戶通過按鍵來控制儀器實(shí)現(xiàn)其預(yù)定功能。與其它的設(shè)計(jì)相比，按鍵數(shù)量減少了，節(jié)省了硬件資源，同時(shí)也提高了易用性。儀器配有USB接口，可以與PC機(jī)通信并將測量結(jié)果輸出。

其硬件電路模塊見圖2。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

Fig2Hardwarestructurediagram

4 軟件設(shè)計(jì)

為了能更好的協(xié)調(diào)控制整個(gè)測量過程，設(shè)計(jì)一個(gè)與硬件電路相匹配的軟件來充分的利用和管理硬件設(shè)備。程序運(yùn)用C語言在Keil uVision4軟件中進(jìn)行編寫，開發(fā)工具采用JTAG調(diào)試。采用由上而下的模塊化設(shè)計(jì)來提高軟件的可移植性，應(yīng)用程序主要包括系統(tǒng)自檢模塊、觸摸按鍵掃描模塊、數(shù)據(jù)采集及處理、康復(fù)訓(xùn)練模塊和串口通信模塊。程序設(shè)計(jì)流程見圖3。

系統(tǒng)的初始化主要是對(duì)時(shí)鐘、串口、中斷、AD芯片以及LCD屏進(jìn)行初始化配置。為了保證系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用外部8 MHz時(shí)鐘源，通過軟件進(jìn)行倍頻和分頻，然后配置到各個(gè)外設(shè)時(shí)鐘。我們對(duì)每個(gè)外設(shè)都配備了外設(shè)時(shí)鐘開關(guān)，當(dāng)不需要某個(gè)外設(shè)時(shí)，只要把與其相匹配的外設(shè)時(shí)鐘關(guān)閉即可，這樣可使STM32的整體功耗降低很多。中斷配置主要是配合LCD屏使用，只有LCD屏受到觸控才會(huì)向串口發(fā)送指令，其余時(shí)間都處于休眠狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低功耗。

本設(shè)計(jì)通過算數(shù)平均濾波法對(duì)一些隨機(jī)干擾信號(hào)進(jìn)行濾波，提高信號(hào)的真實(shí)性，即取采集50次數(shù)據(jù)的平均值。同時(shí)，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了5 V電源電壓下，輸出1.25 V的基準(zhǔn)電壓，且在4～6 V電源電壓范圍內(nèi)，室溫下基準(zhǔn)電壓的變化為0.3 mV。因此，電源的溫度漂移、穩(wěn)定性及重復(fù)性誤差均可忽略不計(jì)。

圖3 程序流程框圖

Fig3Programflowchart

5 便攜式口唇力檢測裝置的操作流程設(shè)計(jì)

本研究所述的便攜式口唇力檢測裝置，具體操作步驟如下(參照?qǐng)D1)。

(1)閉唇肌力檢測裝置的檢測方法，具體步驟為：

步驟一、由被檢測者將銜口放置在牙齒與嘴唇之間，使銜口的凹面貼合牙齒并抱緊嘴唇，使拉力繩從雙唇之間伸出且不壓迫雙唇；

步驟二、由被檢測者通過嘴唇用力拉動(dòng)銜口，使拉力繩繃緊；

步驟三、由信號(hào)處理裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測并記錄拉力傳感器輸出的拉力值；

步驟四、隨著拉力的逐漸增大，當(dāng)被檢測者嘴唇無法合攏的時(shí)候，記錄此時(shí)的拉力值；

步驟五、結(jié)束檢測。

(2)圓唇肌力檢測裝置的檢測方法，具體步驟為：

步驟一、由被檢測者將銜口放置在牙齒內(nèi)側(cè)，使銜口的凸面貼合牙齒，使拉力繩從雙唇之間伸出且不壓迫雙唇；

步驟二、由被檢測者做圓唇動(dòng)作，用力推動(dòng)推力板，使拉力繩繃緊；

步驟三、由信號(hào)處理裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測并記錄拉力傳感器輸出的拉力值；

步驟四、當(dāng)拉力值不再增大的時(shí)候，記錄最后的拉力值；

步驟五、結(jié)束檢測。

口唇力檢測實(shí)驗(yàn)操作見圖4。

圖4 口唇力檢測試驗(yàn)

Fig4Lipstickforcetest

6 實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果分析

6.1 系統(tǒng)標(biāo)定

分別使用精密推拉力計(jì)和便攜式口唇力測量儀對(duì)e=10 d，d=0.1 g電子天平稱量砝碼進(jìn)行測量形成對(duì)照測試，測量得到有效數(shù)據(jù)32組。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析比較，其分析比較曲線見圖5。

可以看出采用所研制的便攜式口唇力測量儀測量得到的拉力值與精密推拉力計(jì)測量得到的拉力值基本完全相關(guān)，并且橫軸0～18 N之間的回歸曲線與測量曲線近似完全重合，其中最大測量誤差不超過0.06 N?；緷M足臨床對(duì)面癱患者恢復(fù)情況評(píng)價(jià)的要求。

圖5 測力對(duì)照曲線圖

Fig5Comparisonchartofforcemeasurement

6.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測試對(duì)象為洛陽正骨醫(yī)院收治的面癱患者120例，分別于患者治療前1 d和治療后第7 d進(jìn)行House-Brackmann面神經(jīng)癱瘓分級(jí)( H-B分級(jí))[12]和口唇力測量儀檢測。采用 SPSS 17. 0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。治療前后，H-B 分級(jí)與本測量儀對(duì)面癱分級(jí)的評(píng)估結(jié)果比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P>0.05，見表1)。

表1H-B分級(jí)與口唇力測量儀檢測對(duì)面癱分級(jí)的評(píng)估結(jié)果比較(例)

Table1ComparisonoftheresultsoftheH-Bclassificationandthelipforcemeterfortheclassificationoffacialparalysis

方法例數(shù)治療前正常輕度中度中重度重度治療后正常輕度中度中重度重度口唇力測量儀1200185137141360221510H-B分級(jí)120016543911195824118P值 0.879 0.693

7 結(jié)論

本設(shè)計(jì)研制了用于口唇力檢測的專用儀器，該測量儀器提高了口唇力度檢測的精確性，最大誤差<0.06 N。此外，本測量儀無需計(jì)算機(jī)控制和顯示，實(shí)現(xiàn)了便攜。

實(shí)驗(yàn)分別采用H-B分級(jí)和口唇力測量儀對(duì)120例面癱患者治療前后面癱分級(jí)進(jìn)行評(píng)估，并比較兩種方法的評(píng)估結(jié)果，結(jié)果顯示無論是治療前還是治療后，兩種方法的評(píng)估結(jié)果均無明顯差異，表明口唇力測量儀與 H-B分級(jí)對(duì)面癱患者面癱分級(jí)的評(píng)估結(jié)果一致，而本測量儀操作簡單、無創(chuàng)、安全，實(shí)用性強(qiáng)，可用于指導(dǎo)精確治療的用藥量或者治療強(qiáng)度，可以廣泛應(yīng)用于臨床治療和療效動(dòng)態(tài)評(píng)估。