單片機(jī)的康復(fù)儀設(shè)計(jì)研究

1． 引言

人類的平衡能力是人能夠進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)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(dòng)能力就受制約，給學(xué)習(xí)、生活帶來(lái)極大的不便。在現(xiàn)代化的社會(huì)，人口老齡化問(wèn)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(dòng)能力受阻。因此，在臨床治療中,需要一種能對(duì)平衡功能檢驗(yàn)的設(shè)備。我校在上海瑞金醫(yī)院的協(xié)作下，在分析了國(guó)際、國(guó)內(nèi)有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)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(jìn)行平衡功能的測(cè)試、分析和訓(xùn)練，可以地進(jìn)行平衡能力的靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)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(cè)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(dá)圖、重心譜圖，可以進(jìn)行人體平衡能力的定量分析。
儀器可實(shí)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(cè)試。
儀器可以供人體平衡能力的動(dòng)態(tài)測(cè)試和訓(xùn)練。

3．衡康復(fù)儀的設(shè)計(jì)原理

平衡康復(fù)儀是通過(guò)測(cè)量人體的重心運(yùn)動(dòng)軌跡圖，并對(duì)重心運(yùn)動(dòng)軌跡圖進(jìn)行分析從而獲得人體平衡能力的一系列數(shù)據(jù)。一個(gè)物體的重心就是該物體的各部分重力的合力的作用點(diǎn)，而人體的重心則是人體的各部分重力的合力的作用點(diǎn)。人體站立時(shí)，會(huì)不可避免地存在著輕微的晃動(dòng)和搖擺，而人體的各個(gè)部分的任何活動(dòng)都會(huì)引起人體重心位置的變化，因此這些輕微的晃動(dòng)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(dòng)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(jī)構(gòu)成一個(gè)重力測(cè)試平臺(tái)，對(duì)人體站立時(shí)的重心運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，將測(cè)量得到的人體重心運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232串行接口傳送到上位計(jì)算機(jī)，重力測(cè)試平臺(tái)每秒鐘測(cè)試30個(gè)人體重心運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)。在上位計(jì)算機(jī)中，應(yīng)用VISUAL? BASIC可視化語(yǔ)言編程，對(duì)重力測(cè)試平臺(tái)傳送的人體重心運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析后，畫(huà)出人體重心運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)軌跡圖、重心分布圖、位移圖、重心譜圖、平衡雷達(dá)圖和參數(shù)表，可以分睜眼和閉眼兩種方式測(cè)試人體的重心運(yùn)動(dòng)軌跡。臨床醫(yī)生通過(guò)對(duì)圖形和參數(shù)表的觀察、分析，能對(duì)病情進(jìn)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(duì)患者進(jìn)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(yǔ)言以及多媒體技術(shù)，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)平衡能力訓(xùn)練程序。在該程序中，利用語(yǔ)言、音樂(lè)和動(dòng)態(tài)圖形，使患者在愉快、輕松的虛擬環(huán)境中進(jìn)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(qiáng)度的方式進(jìn)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(duì)患者進(jìn)行平衡能力的康復(fù)訓(xùn)練和治療，或進(jìn)行平衡能力的動(dòng)態(tài)測(cè)試。

在平衡康復(fù)儀中，人體重心運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量是該儀器的關(guān)鍵所在。為了使測(cè)試平臺(tái)便于使用和校驗(yàn)，我們使用單片機(jī)進(jìn)行人體重心運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)時(shí)測(cè)量，使用PC機(jī)進(jìn)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

圖中，重力傳感器1-6是型號(hào)為NEA-60kg的重量傳感器，它們分別安裝在二個(gè)測(cè)試平臺(tái)的三個(gè)角上，用于測(cè)量人體重心的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。重力傳感器的輸出信號(hào)與單片機(jī)相連接，由單片機(jī)按每秒30次的采樣速度測(cè)得人體重心運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)軌跡，并通過(guò)RS-232串行口把數(shù)據(jù)傳送到PC計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)中對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并生成相應(yīng)的圖像顯示，還可以通過(guò)打印機(jī)予以記錄。

4．2測(cè)試平臺(tái)

測(cè)試平臺(tái)共有兩塊，每塊由45厘米等邊三角形5mm厚的鋼板和三個(gè)重力傳感器構(gòu)成。三個(gè)傳感器均勻地分布在測(cè)試平臺(tái)的三個(gè)頂角上，每個(gè)傳感器的測(cè)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?cè)O(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)負(fù)荷為0-180Kg，因此兩個(gè)測(cè)試平臺(tái)的總負(fù)荷為360Kg。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該測(cè)試平臺(tái)完全能夠承受，并且，在每個(gè)測(cè)試平臺(tái)的重力傳感器邊上安裝了防過(guò)載裝置。

4．3人體重心運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量?jī)x

測(cè)量?jī)x選用與MCS-51系列單片機(jī)兼容的AT89C52 CPU芯片，內(nèi)帶8K字節(jié)的閃存可重復(fù)擦寫(xiě)1000次，數(shù)據(jù)保存10年。該單片機(jī)功耗低，修改程序方便。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳送。傳感器傳送來(lái)的測(cè)量信號(hào)變換成頻率信號(hào)，通過(guò)AT89C52單片機(jī)的T0口輸入，測(cè)量精度高，便于光電隔離，抗干擾能力強(qiáng)。人體重心運(yùn)動(dòng)軌跡的采樣是通過(guò)力學(xué)中的力矩平衡原理來(lái)實(shí)施的。儀器在測(cè)量平臺(tái)的三個(gè)角上均勻分布了三個(gè)力傳感器。人站在測(cè)量平臺(tái)上，人體的重心通過(guò)測(cè)量平臺(tái)傳遞到力傳感器上。單片機(jī)不斷地 檢測(cè)傳感器輸出的信號(hào)，并通過(guò)力矩平衡原理進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，求出人體重心運(yùn)動(dòng)的軌跡，本項(xiàng)目測(cè)量精度為±0.1kg單片機(jī)采集處理后的人體重心運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)，通過(guò)RS-232串行口接到一塊MAX-232芯片上，并通過(guò)MAX-232芯片與PC機(jī)交換信息，完成人體重心運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)時(shí)測(cè)量工作。

4．4數(shù)據(jù)處理與圖像生成系統(tǒng)

采用PC計(jì)算機(jī)，在Windows操作平臺(tái)下，利用Visual Basic的串行口編程功能讀取單片機(jī)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，形成重心分布圖、位移圖、平衡雷達(dá)圖、重心譜圖、參數(shù)表等四圖一表的信息。

在人機(jī)交互方面，登錄測(cè)試者的信息，包括姓名、門(mén)診編號(hào)、身高、體重、年齡、性別等信息，并有語(yǔ)言、音樂(lè)、背景圖像等多媒體予以輔助。

Visual Basic簡(jiǎn)稱VB是一種可視化的語(yǔ)言，在Windows環(huán)境下的語(yǔ)言開(kāi)發(fā)工具。在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，特別是圖形處理方面不必編寫(xiě)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(duì)象拖放到屏幕上的一點(diǎn)即可。在VB環(huán)境下，利用事件驅(qū)動(dòng)的編程機(jī)制、新穎易用的可視化設(shè)

計(jì)工具，使用Windows內(nèi)部的應(yīng)用程序接口（API）函數(shù)，以及動(dòng)態(tài)連接庫(kù)（DLL）、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）、對(duì)象的鏈接與嵌入（OLE）開(kāi)放式數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)（ODBC）等技術(shù)，可以高效、快速地開(kāi)發(fā)出Windows環(huán)境下功能強(qiáng)大、圖形界面豐富的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。

5．項(xiàng)目應(yīng)用前景

國(guó)際上已經(jīng)有應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行人體平衡能力的測(cè)試和分析的研究，國(guó)內(nèi)也有個(gè)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(diǎn)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(cè)試和動(dòng)態(tài)訓(xùn)練雙重功能的平衡康復(fù)儀。在靜態(tài)測(cè)試方面包含了較多的參數(shù)，在動(dòng)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(guó)老齡人口的增長(zhǎng)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(kāi)展這方面的研究和治療的需求也日益增加。進(jìn)口的儀器價(jià)格昂貴，每臺(tái)儀器在幾十萬(wàn)元左右，并且沒(méi)有漢化功能，使用很不方便，也難以進(jìn)行兩次開(kāi)發(fā)。而我們自己研制的儀器，功能方面勝過(guò)進(jìn)口的，價(jià)格僅十幾萬(wàn)元，為進(jìn)口儀器的三分之一到 四分之一，而且便于進(jìn)行兩次開(kāi)發(fā)。隨著醫(yī)保的普及和人們對(duì)健康的重視，對(duì)人體平衡康復(fù)儀這一類醫(yī)療設(shè)備的需求，將會(huì)有較大的發(fā)展，而且這種低價(jià)格的儀器比較容易進(jìn)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(xiàn)，為提高人類的生活質(zhì)量作出貢獻(xiàn)。

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