基于Android的腿矯正與傳輸監(jiān)測系統(tǒng)

潘勇強 候天宇 殷愛菡 成楠

摘 要：文中設(shè)計一款針對腿部康復(fù)自我訓(xùn)練的物聯(lián)網(wǎng)傳輸監(jiān)測系統(tǒng)，通過病人手機APP連接一套腿部矯形器，并發(fā)送指令控制矯形器，對腿部進行彎曲度與頻率的調(diào)節(jié)做康復(fù)運動。該系統(tǒng)可輔助病人進行腿部康復(fù)矯正，APP由Android部署，通過藍牙鏈路發(fā)送指令。Arduino UNO單片機是系統(tǒng)核心控制器，利用其接收指令，控制矯形器運動。Tiny Web DB是云空間，連接各類傳感器，記錄用戶運動數(shù)據(jù)，并實時將數(shù)據(jù)傳輸給醫(yī)師，方便醫(yī)師遠程監(jiān)測病人的數(shù)據(jù)信息與康復(fù)狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：腿矯正;康復(fù)訓(xùn)練;手機APP;Android;傳輸監(jiān)測;云空間

中圖分類號：TP273文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-00-04

0 引 言

截癱是脊髓受傷而引起下半身癱瘓的主要原因[1]。現(xiàn)階段，我國截癱患者約有3 069萬人，約占殘疾總?cè)丝诘?7%[2]。由于下半身失去知覺，患者會逐步喪失保持身體姿勢的能力，大多數(shù)截癱患者在患病后希望能夠進行腿部鍛煉以防止截癱并發(fā)癥的發(fā)生[3]。因此，對截癱患者進行常規(guī)的運動訓(xùn)練非常必要。國內(nèi)外現(xiàn)有資料顯示，當(dāng)今癱瘓康復(fù)性訓(xùn)練的主要方法是截斷性藥物介入，佩戴固定肢具并輔助以人工針灸作業(yè)理療。但在治療過程中，病人普遍出現(xiàn)了一定的藥物副作用反應(yīng)，且在醫(yī)師人工針灸理療過程中，極大地浪費了人力資源，不利于推廣[4-5]。針對國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，本文設(shè)計一款針對腿部康復(fù)自我訓(xùn)練的物聯(lián)網(wǎng)傳輸監(jiān)測系統(tǒng)[6]，即通過病人手機APP連接一套腿部矯形器，并發(fā)送指令控制矯形器，對腿部進行彎曲度與頻率的調(diào)節(jié)做康復(fù)運動。該系統(tǒng)采用機械輔助腿部運動的模式取代傳統(tǒng)人工作業(yè)理療模式，更為精確便利。在APP設(shè)計上，插入云空間模塊，允許用戶在數(shù)據(jù)庫中持久存儲運動數(shù)據(jù)，并反饋至網(wǎng)絡(luò)與專業(yè)醫(yī)師共享，方便醫(yī)師通過信息共享的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)了解病人理療狀態(tài)，并及時制定下一步運動計劃，可節(jié)約大量的人力資源。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文系統(tǒng)由硬件部分、軟件應(yīng)用程序及數(shù)據(jù)傳輸鏈路三部分組成。Arduino UNO單片機控制器與腿部矯形器是該系統(tǒng)的硬件，APP Inventor 開發(fā)組件與Tiny Web DB云端數(shù)據(jù)庫是該系統(tǒng)的軟件工具，藍牙傳輸模塊與脈搏傳感器組成了該系統(tǒng)的傳輸鏈路模塊。系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.1 硬件模塊

DF-Bluetooth V3藍牙模塊的作用是進行透明串行數(shù)據(jù)的傳輸，同時負責(zé)Android設(shè)備與Arduino 單片機之間的通信。藍牙模塊包含“STATE LINK”顯示連接狀態(tài)，以及2.4 G～2.48 GHz經(jīng)許可的ISM波段天線傳輸?shù)母哔|(zhì)量頻率信號與DIP開關(guān)設(shè)置狀態(tài)。此藍牙模塊與任何Android設(shè)備均能兼容。DF-Bluetooth V3藍牙模塊如圖2所示。

Arduino UNO R3單片機是腿部矯形器的微控制器，它有6個模擬引腳（引腳A0～A5）和14個數(shù)字輸入與輸出引腳（引腳0～13），數(shù)字端口的6個引腳可用作PWM輸出。本文系統(tǒng)中，脈博傳感器輸入連接到模擬引腳端口，藍牙模塊和電機驅(qū)動器連接到數(shù)字引腳端口，其工作電壓一般為3.3～5 V。Arduino UNO R3單片機模塊如圖3所示。脈搏傳感器是一個即插即用的心率傳感器。本文系統(tǒng)中，脈搏傳感器經(jīng)過Arduino UNO R3控制器的傳輸在Android應(yīng)用程序上顯示患者脈搏數(shù)據(jù)及心率圖。脈搏傳感器模塊如本文系統(tǒng)中，腿部矯形器由金屬板架以及驅(qū)動器組成，由12 V鉛酸可充電電池提供動力，它由Arduino UNO控制，并以MD30C 30 A直流電機驅(qū)動器驅(qū)動矯形器工作。腿部矯形器模塊如圖5所示。

1.2 軟件系統(tǒng)

APP應(yīng)用是系統(tǒng)程序基于網(wǎng)絡(luò)的部署，應(yīng)用的開發(fā)程序[7]是MIT APP Inventor 2。APP Inventor是提供給Android的開源Web應(yīng)用平臺，由美國麻省理工學(xué)院維護技術(shù)。麻省理工學(xué)院的APP Inventor 2（BETA）平臺由Google APP Server，APP Inventor Designer和塊編輯器組成，提供免費的基于云的服務(wù)，程序員可使用Web瀏覽器訪問。APP Inventor開發(fā)軟件如圖6所示。

1.3 BPM數(shù)據(jù)

BPM用于記錄腿部矯形器運動的開始與結(jié)束期間用戶捕獲及手動插入的每分鐘節(jié)拍數(shù)，也是整個系統(tǒng)的核心部分。用戶運動時，手機APP通過脈搏傳感器記錄用戶的脈搏跳動頻率，并將其轉(zhuǎn)化為可顯示的心率圖與數(shù)值進行實時顯示。與此同時，APP中的數(shù)值計算模塊記錄腿部矯形器單次運動的時間，將其乘以運動速度可得出腿部矯形器在該頻率內(nèi)的運動弧度ω，其與BPM數(shù)據(jù)一同反饋給醫(yī)師，構(gòu)成病人運動狀況的主要參考數(shù)據(jù)。在APP上，用戶可選擇單擊“檢查脈沖率”按鈕讀取BPM數(shù)據(jù)與運動弧度值，此時出現(xiàn)一個新窗口，顯示脈搏傳感器記錄的數(shù)據(jù)。用戶也可單擊顯示屏上的“平均BPM”按鈕，用于計算BPM讀數(shù)的平均值。BPM數(shù)據(jù)記錄如圖8所示。

由于運動日期與時間都需要及時由醫(yī)師記錄，因此BPM數(shù)據(jù)必須存儲在基于Web的數(shù)據(jù)庫中。Tiny Web DB是一個APP Inventor組件，允許用戶將數(shù)據(jù)持久存儲在可用的數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)中[8]。因此本文系統(tǒng)使用Tiny Web DB數(shù)據(jù)庫，用于搭建腿部矯形器的數(shù)據(jù)庫。這是一個臨時網(wǎng)站，存儲平均BPM、運動日期與時間等用戶數(shù)據(jù)。啟動時，APP應(yīng)用程序確定用戶標(biāo)簽以登錄系統(tǒng)，標(biāo)簽是唯一的ID號，每位截癱病人將有不同的標(biāo)簽號碼。醫(yī)師也可使用病人的標(biāo)簽號登錄以便實時掌握病人的康復(fù)狀態(tài)，方便進一步診療。Tiny Web DB數(shù)據(jù)庫如圖9所示。

2 系統(tǒng)流程

整個系統(tǒng)各模塊間的聯(lián)通如圖10所示。由手機終端APP向控制器發(fā)送運動指令信號，同時手機終端自動登錄云端數(shù)據(jù)庫賬號，數(shù)據(jù)庫接收數(shù)據(jù)，控制器將運動命令通過藍牙鏈路傳輸至腿部矯形器，腿部矯形器進行輔助運動，控制器將記錄用戶運動數(shù)據(jù)的命令發(fā)送至脈搏傳感器。當(dāng)脈搏傳感器記錄了用戶信息后，便將用戶數(shù)據(jù)信息傳輸至控制器，控制器將賬號數(shù)據(jù)信息存儲在Tiny Web DB數(shù)據(jù)庫中，方便醫(yī)師參考。

應(yīng)用程序布局如圖11所示。用戶選擇APP應(yīng)用程序，打開Android設(shè)備的藍牙連接，點擊“連接”按鈕，彈出一個新窗口。在新窗口中可檢測到各種可用的藍牙連接，找到適當(dāng)?shù)乃{牙連接并連接到DF-Bluetooth V3。此時，應(yīng)用程序即可控制運動腿部矯形器。列表選擇器用于顯示藍牙與Android設(shè)備配對是否連接成功，若藍牙連接與DF-Bluetooth V3成功配對，則選擇器中的綠色文本將通知“LOE 進入”;若藍牙連接未成功配對就使用DF-Bluetooth V3，則選擇器中的紅色文本將通知“LOE禁用”。

連接成功進入APP界面后，單擊每個按鈕，可顯示對應(yīng)的應(yīng)用窗口，此功能的日期、時間與Android相符，用戶需驗證日期與時間。主界面上有停止、前進與后退三個主要控制按鈕，用以控制腿部矯形器運動。若單擊“停止”按鈕，則腿部矯形器停止移動;若單擊“前進”按鈕，則腿部矯形器向上移動;若單擊“后退”按鈕，則腿部矯形器向下移動。用戶也可通過單擊不同的按鈕繼續(xù)鍛煉。

3 測試結(jié)果

對整個系統(tǒng)進行測試，APP工作狀態(tài)及各按鈕功能顯示界面如圖12所示。

藍牙連接：用戶需在Android設(shè)備上激活藍牙功能，圖12中的按鈕顯示了藍牙連接的功能。若未連接成功，則STATE的LED將一直閃爍，GUI以紅色文本通知“LOE禁用”;若連接成功處于link狀態(tài)，則LED亮起，GUI以綠色文本通知“LOE進入”。

模式選擇：用戶需發(fā)送“停止”“前進”或“后退”信號，用于控制腿部矯形器，選擇“停止”，腿部矯形器停止移動;選擇“前進”，腿部矯形器向前移動;選擇“后退”，腿部矯形器反向移動。

檢查脈沖頻率：用戶可單擊“檢查脈沖頻率”按鈕檢查其當(dāng)前脈沖讀數(shù)，單擊按鈕后，脈沖頻率屏幕顯示當(dāng)前運動的脈搏值。

平均BPM：用戶需輸入練習(xí)開始與結(jié)束時的脈搏值，通過單擊“平均BPM”按鈕確定平均脈率讀數(shù)。

微小的Web數(shù)據(jù)庫：用戶將提交的脈沖頻率數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，提交的數(shù)據(jù)可在網(wǎng)上查看與分析，用戶或醫(yī)師可通過插入標(biāo)簽獲取數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

本文開發(fā)了基于Android的腿矯正與傳輸監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠幫助醫(yī)師在病人康復(fù)過程中檢測病人控制使用矯形器的過程及數(shù)據(jù)信息。同時，Tiny Web DB，APP Inventor界面與Android平臺能夠很好地幫助用戶管理系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)處于初步開發(fā)階段，亟需改善，后期可對整個系統(tǒng)進行更復(fù)雜的控制與升級。

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