基于单片机的康复仪研究

1. 引言

　　人类的平衡能力是人能够进行各种运动的基础，人的站立、坐卧、行走都需要有平衡能力。一旦人的平衡能力有障碍，则人的行动能力就受制约，给学习、生活带来极大的不便。在现代化的社会，人口老龄化问题突出，老年人因某种疾病而导致脑损伤引起平衡能力降低，行动能力受阻。因此，在临床治疗中,需要一种能对平衡功能检验的设备。我校在上海瑞金医院的协作下，在分析了国际、国内有关资料的基础上，应用先进的计算机控制技术研制成功了多功能的人体平衡康复仪。使用该仪器可以客观、定量地进行平衡功能的测试、分析和训练，可以地进行平衡能力的静态测试和动态训练。为临床研究提供了有效的手段。
2.仪器功能
　　·仪器的测量范围：10---360kg
　　·重心位置：±1.0mm
　　·供电220V交流
　　·仪器可提供重心分布图、位移图、平衡雷达图、重心谱图，可以进行人体平衡能力的定量分析。
　　·仪器可实现静态的睁眼和闭眼两种状态下的人体重心轨迹的测试。
　　·仪器可以供人体平衡能力的动态测试和训练。
3.衡康复仪的设计原理
　　平衡康复仪是通过测量人体的重心运动轨迹图，并对重心运动轨迹图进行分析从而获得人体平衡能力的一系列数据。一个物体的重心就是该物体的各部分重力的合力的作用点，而人体的重心则是人体的各部分重力的合力的作用点。人体站立时，会不可避免地存在着轻微的晃动和摇摆，而人体的各个部分的任何活动都会引起人体重心位置的变化，因此这些轻微的晃动和摇摆必然引起人体的重心位置的改变。这种重心位置的变化，反映了人体晃动和摇摆的程度和规律，是研究人体平衡功能状态的重要依据。
　　因此，在平衡康复仪中，我们用重力应变器和单片机构成一个重力测试平台，对人体站立时的重心运动轨迹进行实时测量，将测量得到的人体重心运动轨迹数据通过RS-232串行接口传送到上位计算机，重力测试平台每秒钟测试30个人体重心运动轨迹数据。在上位计算机中，应用VISUAL BASIC可视化语言编程，对重力测试平台传送的人体重心运动轨迹数据进行计算、分析后，画出人体重心运动的动态轨迹图、重心分布图、位移图、重心谱图、平衡雷达图和参数表，可以分睁眼和闭眼两种方式测试人体的重心运动轨迹。临床医生通过对图形和参数表的观察、分析，能对病情进行判断和治疗。
　　为了帮助有平衡障碍的患者恢复平衡能力，需要对患者进行平衡能力的训练。在平衡康复仪中，我们应用VISUAL BASIC可视化语言以及多媒体技术，设计了动态平衡能力训练程序。在该程序中，利用语言、音乐和动态图形，使患者在愉快、轻松的虚拟环境中进行平衡能力的训练，并可以根据患者的平衡能力选择适合自己的训练强度的方式进行平衡能力的康复训练。临床医生也可以选择合适的方案，对患者进行平衡能力的康复训练和治疗，或进行平衡能力的动态测试。
　　在平衡康复仪中，人体重心运动轨迹的测量是该仪器的关键所在。为了使测试平台便于使用和校验，我们使用单片机进行人体重心运动轨迹的实时测量，使用PC机进行数据处理和生成所需的图形。
　　4. 康复仪的结构
　　4.1 康复仪的结构示意图

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图中，重力传感器1-6是型号为NEA-60kg的重量传感器，它们分别安装在二个测试平台的三个角上，用于测量人体重心的运动参数。重力传感器的输出信号与单片机相连接，由单片机按每秒30次的采样速度测得人体重心运动的动态轨迹，并通过RS-232串行口把数据传送到PC计算机。在计算机中对测量的数据进行处理，并生成相应的图像显示，还可以通过打印机予以记录。

　　4.2测试平台
　　测试平台共有两块，每块由45厘米等边三角形5mm厚的钢板和三个重力传感器构成。三个传感器均匀地分布在测试平台的三个顶角上，每个传感器的测量范围为0-60 Kg。一般人的体重在100Kg以下，考虑到人体站立上去的冲击力量，我们设计的测试平台负荷为0-180Kg，因此两个测试平台的总负荷为360Kg。经过测试，该测试平台完全能够承受，并且，在每个测试平台的重力传感器边上安装了防过载装置。
　　4.3人体重心运动轨迹测量仪
　　测量仪选用与MCS-51系列单片机兼容的AT89C52 CPU芯片，内带8K字节的闪存可重复擦写1000次，数据保存10年。该单片机功耗低，修改程序方便。负责数据的实时采集和传送。传感器传送来的测量信号变换成频率信号，通过AT89C52单片机的T0口输入，测量精度高，便于光电隔离，抗干扰能力强。人体重心运动轨迹的采样是通过力学中的力矩平衡原理来实施的。仪器在测量平台的三个角上均匀分布了三个力传感器。人站在测量平台上，人体的重心通过测量平台传递到力传感器上。单片机不断地检测传感器输出的信号，并通过力矩平衡原理进行力学计算，求出人体重心运动的轨迹，本项目测量精度为±0.1kg单片机采集处理后的人体重心运动轨迹数据，通过RS-232串行口接到一块MAX-232芯片上，并通过MAX-232芯片与PC机交换信息，完成人体重心运动轨迹的实时测量工作。
　　4.4数据处理与图像生成系统
　　采用PC计算机，在Windows操作平台下，利用Visual Basic的串行口编程功能读取单片机传送来的数据。数据进行处理后，形成重心分布图、位移图、平衡雷达图、重心谱图、参数表等四图一表的信息。
　　在人机交互方面，登录测试者的信息，包括姓名、门诊编号、身高、体重、年龄、性别等信息，并有语言、音乐、背景图像等多媒体予以辅助。
　　Visual Basic简称VB是一种可视化的语言，在Windows环境下的语言开发工具。在程序开发过程中，特别是图形处理方面不必编写代码去描述界面元素的外观和位置，只要把预先建立的对象拖放到屏幕上的一点即可。在VB环境下，利用事件驱动的编程机制、新颖易用的可视化设计工具，使用Windows内部的应用程序接口（API）函数，以及动态连接库（DLL）、动态数据交换（DDE）、对象的链接与嵌入（OLE）开放式数据库访问（ODBC）等技术，可以高效、快速地开发出Windows环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统。
　　5.项目应用前景
　　国际上已经有应用计算机进行人体平衡能力的测试和分析的研究，国内也有个别单位研制静态平衡仪。我们这次研制的人体平衡康复仪，是在吸取了已有的平衡仪的优点的基础上，充分了解了上海瑞金医院的临床诊断要求，研制出了具有静态测试和动态训练双重功能的平衡康复仪。在静态测试方面包含了较多的参数，在动态训练方面，既有康复训练的内容，还包括临床研究部分。该仪器既可以作为临床治疗用，也可以供临床研究用，具有较宽的应用面。
　　随着我国老龄人口的增长和生活现代化发展，人体平衡能力方面的疾病不断增多，
　　开展这方面的研究和治疗的需求也日益增加。进口的仪器价格昂贵，每台仪器在几十万元左右，并且没有汉化功能，使用很不方便，也难以进行两次开发。而我们自己研制的仪器，功能方面胜过进口的，价格仅十几万元，为进口仪器的三分之一到 四分之一，而且便于进行两次开发。随着医保的普及和人们对健康的重视，对人体平衡康复仪这一类医疗设备的需求，将会有较大的发展，而且这种低价格的仪器比较容易进入社区医院。我们相信平衡康复仪必将在临床治疗和临床研究方面获得广泛的应用，为人类的健康作出贡献，为提高人类的生活质量作出贡献。