智能膝關節(jié)運動檢測系統(tǒng)的設計

賴冬寅 吳琦 涂婷 陶金芳 茍燕

（四川工商職業(yè)技術學院 四川省都江堰市 611830）

1 智能膝關節(jié)運動檢測系統(tǒng)的設計背景及功能需求

1.1 智能膝關節(jié)運動檢測系統(tǒng)的設計背景

人口老齡化已經(jīng)成為我國重要的社會問題，老年人面臨很多疾病的威脅，其中，腦卒中是最常見的疾病之一，往往伴隨著患者半側肢體障礙、肢體麻木、失語以及偏癱等眾多的后遺癥，絕大部分的病患甚至會因偏癱造成殘疾[1]。隨著社會老齡化的加劇，由腦卒中、脊髓損傷、腦外傷等原因造成的殘障人口迅速增長。我國每年新增約200 萬腦卒中患者，至2030年，我國將有超過3000 萬腦卒中患者。另外，我國各類殘疾人總數(shù)超過8000 萬，其中肢體殘疾人口逾2400 萬。大量的患者、失能者和老年人需要康復和輔助器具,然而，我國現(xiàn)有康復醫(yī)療資源非常緊缺，國內(nèi)普遍采用的康復治療方法存在人員消耗大、康復周期長、效果有限等問題?？祻蜋C器人與智能輔助系統(tǒng)的研究和推廣應用有望有效緩解康復醫(yī)療資源供需矛盾，提高失能患者和老齡人群的生活質(zhì)量[2]。常見的康復訓練機器人一般包括步行矯正器、體重支撐系統(tǒng)（懸掛裝置）和步行臺，主要用于患者中期和后期的步態(tài)康復訓練[3]，但在康復過程中能采集膝關節(jié)運行數(shù)據(jù)并進行分析和輔助醫(yī)生更加準確制定和修改康復方案的產(chǎn)品，市場上還很少見。

1.2 智能膝關節(jié)運動檢測系統(tǒng)的功能需求

智能膝關節(jié)運動檢測系統(tǒng)主要是以輔助醫(yī)生能通過遠程方式更加全面的掌握與膝關節(jié)關聯(lián)的康復患者的康復過程為目標，要求能實現(xiàn)以下多個功能：

（1）能實時并較為全面地檢測膝關節(jié)在康復運動中的相關數(shù)據(jù)，包括：膝關節(jié)運動彎曲程度、彎曲頻率、運動位置等等；

（2）能實時將膝關節(jié)的運動數(shù)據(jù)通過無線的方式上傳至上位機或者云平臺，以便上位機或服務器能針對數(shù)據(jù)進行算法研究、數(shù)據(jù)計算和優(yōu)化；

（3）可穿戴性，能方便的穿戴在膝蓋周圍，而且能盡量滿足不同人的膝關節(jié)尺寸，都可穿戴，且能盡量保障數(shù)據(jù)的一致性；

（4）功耗低，能滿足小型理電池也可維持系統(tǒng)較長時間的工作，而且能方便更換電池、方便系統(tǒng)移動電源充電；

（5）具備離線記錄方式，當無法進行聯(lián)網(wǎng)時，能在短期內(nèi)記錄運動的數(shù)據(jù)并進行備份；

（6）上位機或云平臺能進行數(shù)據(jù)的記錄和梳理，能方便醫(yī)生遠程快速查看康復患者的運動過程數(shù)據(jù)，能支持醫(yī)生遠程監(jiān)督康復過程、制定和修改康復方案。

2 智能膝關節(jié)運動檢測系統(tǒng)的架構

智能膝關節(jié)運動檢測系統(tǒng)一共由“膝關節(jié)運動采集系統(tǒng)、膝關節(jié)數(shù)據(jù)管理平臺、膝關節(jié)護具”三大部分組成，每個部件都相對獨立；其中，膝關節(jié)運動采集系統(tǒng)是膝關節(jié)運動過程中數(shù)據(jù)來源的核心，主要實現(xiàn)測量和采集膝蓋運動加速度，角速度，運動角度等數(shù)據(jù)；膝關節(jié)護具是系統(tǒng)必要的配套載體，而膝關節(jié)數(shù)據(jù)管理平臺是系統(tǒng)價值的體現(xiàn)，主要實現(xiàn)膝關節(jié)運動數(shù)據(jù)的實時導入、數(shù)據(jù)計算和優(yōu)化等功能，可為醫(yī)生提供詳盡的數(shù)據(jù)報告，為醫(yī)生制定和修改康復方案做支撐。

2.1 智能膝關節(jié)護具的外形架構設計

智能膝關節(jié)護具的外形共由“外、中、內(nèi)”3 層組成，按日常的成人比例進行尺寸設計，其中，外層和內(nèi)層用于包裹系統(tǒng)和安裝，結構上均采用符合人體工程學的“綁帶式”設計，可增加適用人群的范圍，中層則主要用于裝載膝關節(jié)運動采集系統(tǒng)。智能膝關節(jié)護具外形如圖1所示。

圖1：智能膝關節(jié)護具外形結構圖

其中，外層在不同的部位設計有透氣孔，增加護具的透氣性，同時材質(zhì)選用SBR 布料，使其手感細膩、柔軟、富有彈性，還具備防震、保溫等多項特點；內(nèi)層材質(zhì)采用的是可拆卸的設計，冬天可加載羊毛內(nèi)膽，利用羊毛進行保暖作用，實現(xiàn)冬夏兩款同一體；中層則是智能膝關節(jié)無線檢測節(jié)點的安裝層，分別在膝蓋周圍布置有9 個檢測點和一個微型LCD 顯示屏，用于獲取膝關節(jié)在運動過程中的位置等數(shù)據(jù)，每個檢測點之間采用柔性排線進行連接通信和供電；整個系統(tǒng)為低功耗設計，電池采用紐扣或微型理電池，安裝在微型顯示屏部件內(nèi)部。

2.2 智能膝關節(jié)運動采集系統(tǒng)的架構設計

智能膝關節(jié)運行采集系統(tǒng)主要由核心處理器、多個運動數(shù)據(jù)傳感器、無線通信模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、LCD 顯示屏以及供電電路等多個部分組成，如圖2所示。

圖2：智能膝關節(jié)運動采集系統(tǒng)架構圖

其中，系統(tǒng)采用MSP430 單片機作為中央處理單元，主板由電源電路提供3.3V～3.7V 供電，通過多個驅(qū)動接口電路實現(xiàn)MSP430對運動數(shù)據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)實時采集；無線傳感器主要實現(xiàn)實時采集數(shù)據(jù)的實時上傳，數(shù)據(jù)存儲模塊用于運動數(shù)據(jù)傳感器采集數(shù)據(jù)的備份，微型LCD 屏對設計和調(diào)試人員而言，主要用于顯示調(diào)試和測試過程的各項數(shù)據(jù)，對使用者而言，主要用于顯示必要的系統(tǒng)運行狀態(tài)，例如：開、關、電量過低等信息。

2.3 膝關節(jié)數(shù)據(jù)管理平臺的架構設計

膝關節(jié)數(shù)據(jù)管理平臺采用B/S 架構設計（即：瀏覽器/服務器體系結構），實現(xiàn)信息的分布式處理，不僅大幅簡化客服端，而且可減少平臺的開發(fā)和維護成本。平臺除了主要實現(xiàn)與智能膝關節(jié)運動采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實時交互、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)算法實現(xiàn)之外，還主要用于醫(yī)生與康復患者的數(shù)據(jù)對接，實現(xiàn)醫(yī)生遠程快速瀏覽康復患者的膝關節(jié)運作狀態(tài)的歷史詳細數(shù)據(jù)和優(yōu)化報告，并在線向?qū)目祻突颊甙l(fā)布下一階段針對性康復方案，不僅大幅減少康復患者頻繁往返醫(yī)院而花費的經(jīng)濟和時間成本，也方便醫(yī)生在線監(jiān)督患者的康復過程，方便醫(yī)生快速查閱和記錄康復數(shù)據(jù)。

3 智能膝關節(jié)運動采集系統(tǒng)的主要元器件選型分析

3.1 系統(tǒng)核心處理器的選型分析

本系統(tǒng)的核心處理芯片既需要快速能與運動檢測傳感器進行實時數(shù)據(jù)的采集和通信，又需要通過無線方式高速地將數(shù)據(jù)向平臺進行發(fā)送，而且由于是穿戴性產(chǎn)品，還需要能在低功耗模式下運行，以便進一步減少電量損耗。市場上主流的處理芯片以單片機、ARM為例，有很多廠家、很多類型的芯片，例如：ST 公司的STM32 系列、宏晶公司的STC 單片機系列、TI 公司的MSP430 系列、Microchip公司的PIC 系列和AVR 系列等；本系統(tǒng)結合價格因素，主要考慮系統(tǒng)既需要滿足能低功耗模式運行，又需要滿足數(shù)據(jù)處理量較大、數(shù)據(jù)處理較快，因此選用TI 公司的MSP430 系列的MSP430F5529芯片。

MSP430F5529 芯片，在TI 公司的推薦應用范圍就是用于模擬和數(shù)字傳感器系統(tǒng)，或用于數(shù)據(jù)記錄器。該芯片為低電源電壓供電，供電范圍從3.6V 起可低至1.8V，而且電源電壓可監(jiān)視、監(jiān)控甚至臨時限電，具備超低功耗模式，以3.0V 供電條件為例，自身功耗可低至1.4μA 甚至0.18μA，能滿足本系統(tǒng)的低功耗運行需求。同時，該芯片采用16 位精簡指令集計算機(RISC)架構，系統(tǒng)時鐘速度可達到25MHz，并且具備硬件乘法器能快速支持32 位的運算，能滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的需求。

3.2 系統(tǒng)的運動數(shù)據(jù)傳感器的選型分析

本系統(tǒng)的運動數(shù)據(jù)傳感器主要用于采集膝關節(jié)的運動數(shù)據(jù)，包括了X、Y、Z 三個軸的加速度、三個軸的角速度以及三個軸的角度，而且還需要具備較快的通信接口，能實時檢測數(shù)據(jù)并進行通信。市場上的運動數(shù)據(jù)傳感器相對于處理器芯片而言，類型和品種較少，目前常見的有MUP6050、ICM-42605 等芯片。本系統(tǒng)綜合考慮價格、檢測范圍、響應速度等多項因素，運動傳感器選用TDK 公司的ICM-42605 芯片。

ICM-42605 芯片是一款6 軸運動跟蹤設備，它將一個3 軸陀螺儀和一個3 軸加速計進行組合封裝，該芯片的供電范圍與核心處理芯片基本一致，從3.6V 起可低至1.71V，也具備低功耗工作模式，既能滿足本系統(tǒng)的低功耗運行需求，又能減少電源電路的開發(fā)，實現(xiàn)供電一致性。同時，芯片的陀螺儀可支持從±15.625dps到±2000dps 的八個可編程滿標度范圍設置，加速計可支持從±2g到±16g 的四個可編程滿標度范圍設置，能滿足本系統(tǒng)對檢測數(shù)據(jù)要求的精度和響應速度。而且，該芯片還具有多種通信接口，包括I3CSM、I2C 和SPI 串行接口，能為系統(tǒng)提供多種數(shù)據(jù)的通信交互方式的選擇。

3.3 系統(tǒng)其他主要元器件的選型分析

本系統(tǒng)的無線通信模塊選用了Wi-Fi 和LoRa 兩種不同的無線通信方式，分別用于不同的應用場景，其中，LoRa 模塊選用的是億佰特公司的E22-400T22S 模塊，該模塊采用SX1268 射頻芯片，無線通信距離能達到5km，空中傳輸速率可達到62.5kbps，功耗較低，供電范圍從2.3V 至5.5V，與系統(tǒng)主要芯片供電范圍有重疊區(qū)域，也可保證供電電路的一致性。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲芯片采用W25Q256 芯片，該芯片是一種串行通信的Flash Rom，存儲空間為256Mbit，擦寫周期多達10 萬次，最高時鐘頻率可達 104MHz，具有20年的數(shù)據(jù)保存期限，能滿足本系統(tǒng)運動過程實時數(shù)據(jù)的備份存儲要求。

4 智能膝關節(jié)運動采集系統(tǒng)的軟件設計

MSP430 單片機的開發(fā)環(huán)境主要有CCSTUDIO-MSP 和IAR Embedded Workbench 等，本系統(tǒng)開發(fā)選用IAR Embedded Workbench 作為開發(fā)環(huán)境，軟件主要包括運動檢測數(shù)據(jù)的實時采集、運動檢測數(shù)據(jù)的無線通信、運動檢測數(shù)據(jù)的備份、電源能耗管理等多個部分，本文僅介紹實時檢測數(shù)據(jù)采集的軟件設計思路。

智能膝關節(jié)運動采集系統(tǒng)的實時檢測數(shù)據(jù)采集軟件主要實現(xiàn)逐次對分布在膝關節(jié)周圍的9 個檢測點進行三軸加速度、角速度以及角度的采集，主要流程為：與第一個檢測點建立握手通信→向傳感器下發(fā)數(shù)據(jù)獲取指令→等待并接收傳感器反饋的數(shù)據(jù)→按以上流程，依次向其他8 個檢測點進行握手通信、下發(fā)指令、接收數(shù)據(jù)→9 個檢測點的數(shù)據(jù)全部獲取后，調(diào)用無線通信函數(shù)進行數(shù)據(jù)的上傳發(fā)送→調(diào)用本地備份函數(shù)進行數(shù)據(jù)的備份存儲→判斷重復采集標志位，啟動下一輪的數(shù)據(jù)采集。

5 結束語

系統(tǒng)應用結果顯示可實現(xiàn)膝關節(jié)運動數(shù)據(jù)的實時采集，但還需要進一步對數(shù)據(jù)進行清理和優(yōu)化，進一步提升數(shù)據(jù)的實用性。