基于單片機設(shè)計康復(fù)儀方法與應(yīng)用

1. 引言

人類的平衡能力是人能夠進行各種運動的基礎(chǔ)，人的站立、坐臥、行走都需要有平衡能力。一旦人的平衡能力有障礙，則人的行動能力就受制約，給學(xué)習(xí)、生活帶來極大的不便。在現(xiàn)代化的社會，人口老齡化問題突出，老年人因某種疾病而導(dǎo)致腦損傷引起平衡能力降低，行動能力受阻。因此，在臨床治療中,需要一種能對平衡功能檢驗的設(shè)備。我校在上海瑞金醫(yī)院的協(xié)作下，在分析了國際、國內(nèi)有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，應(yīng)用先進的計算機控制技術(shù)研制成功了多功能的人體平衡康復(fù)儀。使用該儀器可以客觀、定量地進行平衡功能的測試、分析和訓(xùn)練，可以地進行平衡能力的靜態(tài)測試和動態(tài)訓(xùn)練。為臨床研究提供了有效的手段。

2.儀器功能

·儀器的測量范圍：10---360kg

·重心位置：±1.0mm

·供電220V交流

·儀器可提供重心分布圖、位移圖、平衡雷達圖、重心譜圖，可以進行人體平衡能力的定量分析。

·儀器可實現(xiàn)靜態(tài)的睜眼和閉眼兩種狀態(tài)下的人體重心軌跡的測試。

·儀器可以供人體平衡能力的動態(tài)測試和訓(xùn)練。

3.平衡康復(fù)儀的設(shè)計原理

平衡康復(fù)儀是通過測量人體的重心運動軌跡圖，并對重心運動軌跡圖進行分析從而獲得人體平衡能力的一系列數(shù)據(jù)。一個物體的重心就是該物體的各部分重力的合力的作用點，而人體的重心則是人體的各部分重力的合力的作用點。人體站立時，會不可避免地存在著輕微的晃動和搖擺，而人體的各個部分的任何活動都會引起人體重心位置的變化，因此這些輕微的晃動和搖擺必然引起人體的重心位置的改變。這種重心位置的變化，反映了人體晃動和搖擺的程度和規(guī)律，是研究人體平衡功能狀態(tài)的重要依據(jù)。

因此，在平衡康復(fù)儀中，我們用重力應(yīng)變器和單片機構(gòu)成一個重力測試平臺，對人體站立時的重心運動軌跡進行實時測量，將測量得到的人體重心運動軌跡數(shù)據(jù)通過RS-232串行接口傳送到上位計算機，重力測試平臺每秒鐘測試30個人體重心運動軌跡數(shù)據(jù)。在上位計算機中，應(yīng)用VISUAL BASIC可視化語言編程，對重力測試平臺傳送的人體重心運動軌跡數(shù)據(jù)進行計算、分析后，畫出人體重心運動的動態(tài)軌跡圖、重心分布圖、位移圖、重心譜圖、平衡雷達圖和參數(shù)表，可以分睜眼和閉眼兩種方式測試人體的重心運動軌跡。臨床醫(yī)生通過對圖形和參數(shù)表的觀察、分析，能對病情進行判斷和治療。

為了幫助有平衡障礙的患者恢復(fù)平衡能力，需要對患者進行平衡能力的訓(xùn)練。在平衡康復(fù)儀中，我們應(yīng)用VISUAL BASIC可視化語言以及多媒體技術(shù)，設(shè)計了動態(tài)平衡能力訓(xùn)練程序。在該程序中，利用語言、音樂和動態(tài)圖形，使患者在愉快、輕松的虛擬環(huán)境中進行平衡能力的訓(xùn)練，并可以根據(jù)患者的平衡能力選擇適合自己的訓(xùn)練強度的方式進行平衡能力的康復(fù)訓(xùn)練。臨床醫(yī)生也可以選擇合適的方案，對患者進行平衡能力的康復(fù)訓(xùn)練和治療，或進行平衡能力的動態(tài)測試。

在平衡康復(fù)儀中，人體重心運動軌跡的測量是該儀器的關(guān)鍵所在。為了使測試平臺便于使用和校驗，我們使用單片機進行人體重心運動軌跡的實時測量，使用PC機進行數(shù)據(jù)處理和生成所需的圖形。
4. 康復(fù)儀的結(jié)構(gòu)

4.1 康復(fù)儀的結(jié)構(gòu)示意圖

康復(fù)儀的結(jié)構(gòu)示意圖

圖中，重力傳感器1-6是型號為NEA-60kg的重量傳感器，它們分別安裝在二個測試平臺的三個角上，用于測量人體重心的運動參數(shù)。重力傳感器的輸出信號與單片機相連接，由單片機按每秒30次的采樣速度測得人體重心運動的動態(tài)軌跡，并通過RS-232串行口把數(shù)據(jù)傳送到PC計算機。在計算機中對測量的數(shù)據(jù)進行處理，并生成相應(yīng)的圖像顯示，還可以通過打印機予以記錄。

4.2測試平臺

測試平臺共有兩塊，每塊由45厘米等邊三角形5mm厚的鋼板和三個重力傳感器構(gòu)成。三個傳感器均勻地分布在測試平臺的三個頂角上，每個傳感器的測量范圍為0-60 Kg。一般人的體重在100Kg以下，考慮到人體站立上去的沖擊力量，我們設(shè)計的測試平臺負(fù)荷為0-180Kg，因此兩個測試平臺的總負(fù)荷為360Kg。經(jīng)過測試，該測試平臺完全能夠承受，并且，在每個測試平臺的重力傳感器邊上安裝了防過載裝置。

4.3人體重心運動軌跡測量儀

測量儀選用與MCS-51系列單片機兼容的AT89C52 CPU芯片，內(nèi)帶8K字節(jié)的閃存可重復(fù)擦寫1000次，數(shù)據(jù)保存10年。該單片機功耗低，修改程序方便。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的實時采集和傳送。傳感器傳送來的測量信號變換成頻率信號，通過AT89C52單片機的T0口輸入，測量精度高，便于光電隔離，抗干擾能力強。人體重心運動軌跡的采樣是通過力學(xué)中的力矩平衡原理來實施的。儀器在測量平臺的三個角上均勻分布了三個力傳感器。人站在測量平臺上，人體的重心通過測量平臺傳遞到力傳感器上。單片機不斷地檢測傳感器輸出的信號，并通過力矩平衡原理進行力學(xué)計算，求出人體重心運動的軌跡，本項目測量精度為±0.1kg單片機采集處理后的人體重心運動軌跡數(shù)據(jù)，通過RS-232串行口接到一塊MAX-232芯片上，并通過MAX-232芯片與PC機交換信息，完成人體重心運動軌跡的實時測量工作。

4.4數(shù)據(jù)處理與圖像生成系統(tǒng)

采用PC計算機，在Windows操作平臺下，利用Visual Basic的串行口編程功能讀取單片機傳送來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)進行處理后，形成重心分布圖、位移圖、平衡雷達圖、重心譜圖、參數(shù)表等四圖一表的信息。

在人機交互方面，登錄測試者的信息，包括姓名、門診編號、身高、體重、年齡、性別等信息，并有語言、音樂、背景圖像等多媒體予以輔助。

Visual Basic簡稱VB是一種可視化的語言，在Windows環(huán)境下的語言開發(fā)工具。在程序開發(fā)過程中，特別是圖形處理方面不必編寫代碼去描述界面元素的外觀和位置，只要把預(yù)先建立的對象拖放到屏幕上的一點即可。在VB環(huán)境下，利用事件驅(qū)動的編程機制、新穎易用的可視化設(shè)計工具，使用Windows內(nèi)部的應(yīng)用程序接口(API)函數(shù)，以及動態(tài)連接庫(DLL)、動態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)、對象的鏈接與嵌入(OLE)開放式數(shù)據(jù)庫訪問(ODBC)等技術(shù)，可以高效、快速地開發(fā)出Windows環(huán)境下功能強大、圖形界面豐富的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。

5.項目應(yīng)用前景

國際上已經(jīng)有應(yīng)用計算機進行人體平衡能力的測試和分析的研究，國內(nèi)也有個別單位研制靜態(tài)平衡儀。我們這次研制的人體平衡康復(fù)儀，是在吸取了已有的平衡儀的優(yōu)點的基礎(chǔ)上，充分了解了上海瑞金醫(yī)院的臨床診斷要求，研制出了具有靜態(tài)測試和動態(tài)訓(xùn)練雙重功能的平衡康復(fù)儀。在靜態(tài)測試方面包含了較多的參數(shù)，在動態(tài)訓(xùn)練方面，既有康復(fù)訓(xùn)練的內(nèi)容，還包括臨床研究部分。該儀器既可以作為臨床治療用，也可以供臨床研究用，具有較寬的應(yīng)用面。

隨著我國老齡人口的增長和生活現(xiàn)代化發(fā)展，人體平衡能力方面的疾病不斷增多，

開展這方面的研究和治療的需求也日益增加。進口的儀器價格昂貴，每臺儀器在幾十萬元左右，并且沒有漢化功能，使用很不方便，也難以進行兩次開發(fā)。而我們自己研制的儀器，功能方面勝過進口的，價格僅十幾萬元，為進口儀器的三分之一到四分之一，而且便于進行兩次開發(fā)。隨著醫(yī)保的普及和人們對健康的重視，對人體平衡康復(fù)儀這一類醫(yī)療設(shè)備的需求，將會有較大的發(fā)展，而且這種低價格的儀器比較容易進入社區(qū)醫(yī)院。我們相信平衡康復(fù)儀必將在臨床治療和臨床研究方面獲得廣泛的應(yīng)用，為人類的健康作出貢獻，為提高人類的生活質(zhì)量作出貢獻。

參考文獻

1. 全國電腦型人體平衡檢測儀應(yīng)用研討會資料匯編上海市康復(fù)醫(yī)學(xué)會神經(jīng)康復(fù)專業(yè)委員會 1997年

2. 范逸之 Visual Basic與RS232串行通信控制中國青年出版社 2000,8

3. 常健生等檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)機械工業(yè)出版社 2002,3

4 曹柏榮等單片機原理及應(yīng)用技術(shù)中國民航出版社 2003,7

5. 馬西秦等自動檢測技術(shù)機械工業(yè)出版社 2000,5

6. 李朝青 PC機及單片機數(shù)據(jù)通信技術(shù)空航天大學(xué)出版社 2000,12