用于轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)康復(fù)器械的便攜式監(jiān)控設(shè)備

【作者】董梁，屈云

1 華南師范大學(xué) 數(shù)據(jù)科學(xué)與工程學(xué)院，汕尾市，516600

2 四川大學(xué)華西醫(yī)院 康復(fù)醫(yī)學(xué)科，成都市，610041

3 四川大學(xué)華西康復(fù)醫(yī)學(xué)院，成都市，610041

4 四川省康復(fù)醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都市，610041

0 引言

伴隨物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，形形色色具有自動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸功能的新型醫(yī)療器械進(jìn)入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。這些器械除具有與傳統(tǒng)設(shè)備相似的診斷、治療功能外，通常還增添了數(shù)據(jù)采集、傳輸和共享等特性[1-5]，某些智能化設(shè)備甚至可以通過模式識(shí)別或數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)診斷結(jié)果和治療方案提出建議[6-12]。與傳統(tǒng)器械相比，擁有物聯(lián)網(wǎng)功能的新型器械更加符合循證醫(yī)學(xué)、數(shù)字化醫(yī)療發(fā)展的潮流，減少了醫(yī)生的冗余工作，降低了出錯(cuò)的概率，提高了醫(yī)療行為的透明度。

在運(yùn)動(dòng)康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，具備物聯(lián)網(wǎng)功能的新器械卻發(fā)展緩慢，這主要與這一行業(yè)的價(jià)格定位有關(guān)。用于運(yùn)動(dòng)康復(fù)的器械往往結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，如阻力車、轉(zhuǎn)盤、拉伸訓(xùn)練器等，有的器械價(jià)格甚至在百元以內(nèi)，如果增加物聯(lián)網(wǎng)功能，將導(dǎo)致價(jià)格翻數(shù)倍，這對(duì)于習(xí)慣于使用傳統(tǒng)康復(fù)器械的醫(yī)院而言很難通過采購(gòu)預(yù)算。相反，對(duì)于昂貴的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備、生化分析設(shè)備、手術(shù)設(shè)備等，物聯(lián)網(wǎng)模塊所帶來的價(jià)格增幅幾乎可以忽略不計(jì)。

在不影響康復(fù)功能和價(jià)格的前提下，我們提出一種可適配多種傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)康復(fù)器械的物聯(lián)網(wǎng)外設(shè)，這一設(shè)備小巧輕便，可隨時(shí)裝配在多種器械上使用，在滿足患者訓(xùn)練的同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化康復(fù)。

1 硬件組成

設(shè)備的硬件部分主要是四川大學(xué)華西醫(yī)院康復(fù)科和百年旭康醫(yī)療器械有限公司共同研發(fā)的NH121傳感器[13]，這一傳感器在設(shè)計(jì)之初用于頸椎康復(fù)訓(xùn)練，其應(yīng)用場(chǎng)景，如圖1所示，使用者將傳感器粘貼在頭部的綁帶上，依照手機(jī)APP顯示的視頻進(jìn)行頸部運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，傳感器采集并發(fā)送頭部的姿態(tài)角，APP里實(shí)時(shí)顯示頭部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并對(duì)完成情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖1 用于頸椎康復(fù)訓(xùn)練的NH121傳感器及其使用場(chǎng)景Fig.1 NH121 sensor for cervical vertebra rehabilitation training and its application scenario

用于頸椎康復(fù)訓(xùn)練的NH121傳感器是一種微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器，集成有9軸MPU9250芯片和微處理器，以25 Hz頻率采集3個(gè)維度的加速度、角速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，經(jīng)卡爾曼濾波后[14]得到3個(gè)維度的姿態(tài)角并經(jīng)由藍(lán)牙發(fā)送至接收端。傳感器重量?jī)H為58 g，底部安裝有魔術(shù)貼鉤面，適合佩戴在肢體綁帶上，也可在不同的設(shè)備上固定使用。

2 使用場(chǎng)景

運(yùn)動(dòng)康復(fù)器械中大量采用了轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，如上肢訓(xùn)練轉(zhuǎn)盤、上肢拉伸訓(xùn)練器、功率自行車、跑步機(jī)、四肢力量訓(xùn)練器具等。轉(zhuǎn)軸通常作為動(dòng)力輸出點(diǎn)、調(diào)速或傳動(dòng)部件，用以驅(qū)動(dòng)或支撐使用者往復(fù)性周期運(yùn)動(dòng)。對(duì)此類設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，只需在轉(zhuǎn)軸處粘貼一片魔術(shù)貼毛面即可固定傳感器，如圖2所示。

圖2 NH121傳感器與上肢拉伸訓(xùn)練器（左）、上肢訓(xùn)練轉(zhuǎn)盤（右上）、功率自行車（右下）的固定方式Fig.2 The attachment of NH121 sensor on upper arm stretching device (left),upper arm training wheel (top-right) and cycle ergometer (bottom-right)

在此固定方式下，NH121傳感器與器械轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，這是一種單自由度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，比圖1所示頸椎康復(fù)的運(yùn)動(dòng)模式要簡(jiǎn)單很多（頸椎的運(yùn)動(dòng)涉及3個(gè)自由度）。在這種運(yùn)動(dòng)模式下，傳感器法向的順/逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度、速度和轉(zhuǎn)動(dòng)周數(shù)將作為后續(xù)軟件的主要處理對(duì)象。

3 設(shè)備監(jiān)控APP

原頸椎康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計(jì)開發(fā)了傳感器硬件、通信協(xié)議和卡爾曼濾波算法，在此基礎(chǔ)上結(jié)合以上使用場(chǎng)景進(jìn)行二次開發(fā)，目標(biāo)產(chǎn)品是一款名為設(shè)備監(jiān)控APP的軟件，主要用于表1所示的四類設(shè)備。不同的康復(fù)設(shè)備提供不同模式的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，其所需呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)大不相同。例如，對(duì)于圖2所示上肢訓(xùn)練轉(zhuǎn)盤，主要關(guān)注順、逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和次數(shù)；對(duì)于上肢拉伸訓(xùn)練器，主要是左右把手向上、向下滑動(dòng)的距離和速度。因此設(shè)備監(jiān)控APP需針對(duì)不同的設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，并將傳感器輸出的姿態(tài)角轉(zhuǎn)換為可解讀的參數(shù)。

表1 設(shè)備監(jiān)控APP適用的4類設(shè)備Tab.1 Four types of equipment applicable to the device monitoring APP

表1“特征”一欄說明肢體與傳感器之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，“輸入”一欄所示達(dá)標(biāo)角、達(dá)標(biāo)位移等表示只有超過此參數(shù)設(shè)定閾值才計(jì)為一次完成。以上肢訓(xùn)練轉(zhuǎn)盤為例（圖2右上），康復(fù)醫(yī)生關(guān)注的運(yùn)動(dòng)參數(shù)是患者手臂推動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，放置于轉(zhuǎn)軸處與轉(zhuǎn)盤同步轉(zhuǎn)動(dòng)的傳感器可直接輸出這一角度?！拜斎搿币粰谟葾PP提供交互頁(yè)面手動(dòng)設(shè)置閾值，例如設(shè)置逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度＞30°且順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度＜-30°方計(jì)為一次完成。在運(yùn)行過程中，APP以25 Hz實(shí)時(shí)讀取傳感器輸出值，并轉(zhuǎn)換為表1“輸出”一欄所示參數(shù)，再根據(jù)輸入的閾值計(jì)算或判斷完成情況。以功率自行車為例，APP將傳感器輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)角度轉(zhuǎn)換為當(dāng)前轉(zhuǎn)速，每次跨越達(dá)標(biāo)角度閾值（如150°）后運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)加1，每400 ms更新于圖3所示頁(yè)面。

圖3 設(shè)備監(jiān)控APP呈現(xiàn)的設(shè)備參數(shù)Fig.3 Parameters presented by the device monitoring APP

設(shè)備監(jiān)控APP也提供了賬號(hào)管理功能，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與患者關(guān)聯(lián)起來。為患者建立賬號(hào)后，就可以查詢此患者在指定時(shí)間使用某一設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練的詳細(xì)情況，如圖4所示。內(nèi)容包含總使用時(shí)間、完成次數(shù)及表征訓(xùn)練完成質(zhì)量的各項(xiàng)量化值。

圖4 根據(jù)患者ID、設(shè)備ID、時(shí)間獲取的查詢結(jié)果Fig.4 Query result for the specified patient,device and time duration

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研制設(shè)備在交付時(shí)采用深圳歐度利方科技有限公司的酷比魔方iPlay10 Pro平板電腦[15]作為設(shè)備監(jiān)控APP的載體，每臺(tái)平板與4個(gè)NH121傳感器連接，可同時(shí)監(jiān)控4臺(tái)運(yùn)動(dòng)康復(fù)器械，平板與傳感器的有效通信范圍在10 m以內(nèi)。2套設(shè)備部署在華西醫(yī)院康復(fù)科PT治療大廳，1套部署在康復(fù)科病房，在2個(gè)月的測(cè)試時(shí)間里，對(duì)30多臺(tái)康復(fù)器械（包括功率自行車、上肢訓(xùn)練轉(zhuǎn)盤、CPM機(jī)、拉伸訓(xùn)練器）進(jìn)行了監(jiān)控測(cè)試，總監(jiān)控時(shí)長(zhǎng)接近2000 h。

監(jiān)控對(duì)象中功率自行車自帶測(cè)速表盤，對(duì)比結(jié)果表明監(jiān)控設(shè)備對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)和一分鐘內(nèi)平均轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度接近100%，只在騎行起始和終末階段有少許不同，主要源于APP的算法與測(cè)速表盤對(duì)于轉(zhuǎn)周始末位置的設(shè)定有所差異。

所監(jiān)控的CPM機(jī)也自帶有角度顯示，將CPM機(jī)牽伸范圍中點(diǎn)設(shè)置為0°，在此位置校準(zhǔn)傳感器，設(shè)置CPM機(jī)依次屈30°返回0°再伸30°，經(jīng)100次重復(fù)屈伸實(shí)驗(yàn)后，對(duì)比結(jié)果顯示監(jiān)控設(shè)備對(duì)屈伸角度的實(shí)時(shí)測(cè)量值與CPM的顯示值平均誤差為2.5°。

所監(jiān)控的拉伸訓(xùn)練器（如圖2左所示）沒有位移顯示功能，實(shí)驗(yàn)中采用手工測(cè)量的方法，左側(cè)手柄和右側(cè)手柄分別下拉移動(dòng)80.0 cm，并與監(jiān)控結(jié)果比較，經(jīng)50次比對(duì)統(tǒng)計(jì)后，兩者的平均誤差為6.3 cm，誤差為7.9%。

所監(jiān)控的上肢訓(xùn)練轉(zhuǎn)盤（如圖2右上所示）也沒有角度顯示功能，實(shí)驗(yàn)中也采用手工測(cè)量的方法，分別在轉(zhuǎn)盤上標(biāo)記0°、順時(shí)針-100°和逆時(shí)針100°位置，在0°處校準(zhǔn)傳感器，分別順、逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤至±100°處，與監(jiān)控顯示角度比對(duì)，經(jīng)50次實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)后得到平均誤差為3.7°。

以上實(shí)驗(yàn)中監(jiān)控設(shè)備對(duì)角度的測(cè)量精度均符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[16]所聲明的±5°以內(nèi)，拉伸訓(xùn)練器線位移的測(cè)量誤差主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)軸與手柄連線之間存在滑動(dòng)，且手柄連線有一定彈性。經(jīng)康復(fù)醫(yī)生評(píng)估，以上4種設(shè)備的監(jiān)控結(jié)果都滿足器械訓(xùn)練的精度要求。此外，當(dāng)一臺(tái)平板電腦連接4個(gè)NH121傳感器同時(shí)監(jiān)控4臺(tái)設(shè)備時(shí)，設(shè)備監(jiān)控APP頁(yè)面的數(shù)據(jù)延遲小于300 ms，實(shí)時(shí)性有很好的保障。

康復(fù)醫(yī)生和治療師對(duì)設(shè)備的使用評(píng)價(jià)也作為實(shí)驗(yàn)的一部分，在實(shí)驗(yàn)期間為使用華西醫(yī)院康復(fù)科設(shè)備的63名患者創(chuàng)建了病人賬號(hào)，康復(fù)醫(yī)生和治療師實(shí)地配置NH121傳感器，操作設(shè)備監(jiān)控APP查看監(jiān)控結(jié)果、查詢患者使用情況，他們的評(píng)價(jià)結(jié)論包括：①在設(shè)備轉(zhuǎn)軸處粘貼不干膠魔術(shù)貼毛面即可固定NH121傳感器，使用過程中極少出現(xiàn)傳感器脫落的情況；②設(shè)備監(jiān)控APP所顯示的實(shí)時(shí)參數(shù)與設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況同步，目測(cè)監(jiān)控準(zhǔn)確度很高；③即使NH121傳感器的固定位置和角度有一定誤差，也可以通過設(shè)備監(jiān)控APP校準(zhǔn)傳感器，對(duì)監(jiān)控結(jié)果的影響很??；傳感器較少出現(xiàn)連接中斷故障，如出現(xiàn)中斷，大多數(shù)情況都會(huì)很快自動(dòng)重新連接；④每一個(gè)患者使用不同設(shè)備進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的數(shù)值化結(jié)果都可以很方便地查詢，這些結(jié)果可以用來評(píng)價(jià)患者的運(yùn)動(dòng)功能，也可以作為制定康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃的依據(jù)；⑤不使用攝像頭，不侵犯患者隱私，患者本人和家屬?zèng)]有任何負(fù)面評(píng)價(jià)。

5 結(jié)論

本研究所提出的運(yùn)動(dòng)康復(fù)器械監(jiān)控設(shè)備是在已有傳感器基礎(chǔ)上的一個(gè)二次開發(fā)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了在不替換已有設(shè)備、不影響正常使用的情況下，將物聯(lián)網(wǎng)所監(jiān)控的對(duì)象擴(kuò)展到運(yùn)動(dòng)康復(fù)器械上。所使用的NH121傳感器成本在百元左右，非常廉價(jià)，適合在各個(gè)級(jí)別醫(yī)院康復(fù)科里推廣使用。在華西醫(yī)院康復(fù)科進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用證明了此監(jiān)控設(shè)備可以準(zhǔn)確地獲取患者借助器械完成康復(fù)訓(xùn)練的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，一方面可以幫助醫(yī)院管理人員掌握康復(fù)器械的性能和使用率，另一方面也可以為康復(fù)醫(yī)生和治療師提供康復(fù)患者訓(xùn)練的量化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化康復(fù)，是“物聯(lián)網(wǎng)+康復(fù)醫(yī)學(xué)”領(lǐng)域的一次有意義的探索。下一步工作集中在通信協(xié)議和算法的設(shè)計(jì)和開發(fā)上，將可監(jiān)控的范圍由院內(nèi)拓展到社區(qū)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用運(yùn)動(dòng)康復(fù)器械的遠(yuǎn)程監(jiān)控。