用于下肢骨折患者康复监护仪的设计

钱欢， 洪洋， 潘钢

(1. 上海交通大学 生物医学工程学院， 上海 200030;2. 复旦大学 附属上海市第五人民医院， 上海 200240)

用于下肢骨折患者康复监护仪的设计

钱欢1， 洪洋2， 潘钢1

(1. 上海交通大学 生物医学工程学院， 上海 200030;2. 复旦大学 附属上海市第五人民医院， 上海 200240)

从临床实际需求出发，基于传感器及单片机技术设计了一款下肢骨折康复应力监护仪。通过在骨折病人患肢脚底部固定安放一组应力贴片传感器，使得患者在进行康复锻炼时，脚部的应力信号经采集、滤波处理、算法编程后由蓝牙芯片传输至手机APP程序，从而实现对患肢脚部压力的动态监测及异常事件提醒等功能，监护患肢的骨折愈合过程。

下肢骨折; 康复监护; 应力传感器; 蓝牙技术

0 引言

下肢长干骨骨折病人术后有效的轴向加压锻炼可以改善和增加局部血液循环，增强肌肉力量，预防肌腱及关节囊粘连和挛缩，软化瘢痕, 恢复肢体正常功能。但是很多骨折术后病人由于各种原因, 不能进行有效的功能锻炼，从而直接影响术后工作、生活。

康复锻炼对下肢骨折患者至关重要，为了减少致残率，帮助患者恢复肢体功能，提高患者的生活自理能力和生活质量，我们设计一种下肢应力监护装置，给骨折康复病人提供一个直观量化的应力数值，使病患在行走锻炼时做到心中有数，防止脚部用力过猛或者不足而达不到应有康复效果，帮助下肢骨折病人的康复。

1 设计思路

为了能够实时地监测患者的康复情况，我们在病患的足底固定安放一组(3个)应力传感器， 然后，我们通过固定在病患脚部的信号处理电路板， 由蓝牙将压力信号传回指定的终端设备，医生可以根据实际情况掌握这些信息，并指导病患合理地做好康复锻炼。 如果必要还可以把这些信息按照时间的信号顺序存储起来。

1.1 传感器的足底分布

人体在静止站立或者动态行走时, 在自身重力的作用下, 足底在垂直方向上受到一个地面的反作用力，这个力就是足底轴向压力[1]。正常人的足底压力分布有一定的规律及模式，前足拓骨头区和足跟受力负重最大，跖骨区中又以第一、第二跖骨头区负重最大，外侧三个拓骨头区负重依次减小[2]。因此，将3片应力传感器固定于足跟区及第一、第二跖骨头区具有显著性反应骨头区负重情况的效果。

1.2 采集数据的读取与应用

主芯片中执行的单个压力采集程序流程，如图1。

程序的主要作用就是在时钟电路的支持下，循环地采集压力传感器的电压值， 并经过A/D转换， 然后将所得数据按照转换曲线转换为人的脚部所承受压力的真实值。

1.3 算法

拟将3路压力信号数据同时读取后，由单片机进行算法的编程。假设3点压力符合线性分布，设定“合力”Y=Ya+Yb+Yc，Ya为a点受力压力，Ya=K1W；Yb为b点受力压力，Yb=K2W；Yc为c点受力压力Yc=K3W。其中设定Ya、Yb为第一、第二跖骨头区的峰压力读数，Yc为足跟区的峰压力读数，K1、K2、K3分别为3个压力区读数的权数；W为各康复阶段医嘱负重值。考虑到病患在康复锻炼时的实际情况及计算的简便，设定3个受力点同时着地，无时间差，并忽略其它不显著受力点。患者体重80公斤，胫骨横行骨折，举例应用推算如表1所示。

图1 工作流程图

1.4 系统运行图

举例显示如图2所示。

2 硬件架构

硬件总体的设计包括：供电模块、 单片机电路、 串口-蓝牙模块、 压力采集模块、AD滤波模块等，如图3所示。

2.1 单片机

表1 举例推算表

图3 总体框图

我们所设计的智能系统使用AT-MEGA 16单片机，ATmega16是一个基于增强地AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其具有先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，所以ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS /MHZ ，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。

本芯片是以Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash 允许程序存储器通过ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR 内核之中的引导程序进行编程。通过将8 位RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案[5]。

2.1.1 时钟电路

ATmega16已经内置RC振荡线路，可以产生1M、2M、4M、8M的振荡频率。不过，内置的毕竟是RC振荡，在一些要求较高的场合，比如要与串口通信需要比较精确的波特率时需要外部晶振本电路使用的7.3728晶振是为了和蓝牙模块通讯提供精准的波特率不会使输出数据乱码，如图4所示。

图4 时钟电路图

2.1.2 AD滤波电路

由于本设计使用了ATmega16内嵌ADC，由引脚功能说明可知：使用内嵌ADC时AVCC脚应通过一个低通滤波器与VCC连接。此低通滤波器具体设计如下：为减小AD转换的电源干扰，Mega16芯片有独立的AD电源供电。官方文档推荐在VCC串上一只10uH的电感(L1)，然后接一只0.1uF的电容到地，如图5所示。

图5 AD滤波电路图

2.2 压力采集电路

应力压力传感器我们采用了原装进口的FSR400系列压力传感器。FSR是一种随着有效表面上压力增大而输出阻值减小的高分子薄膜，是一款灵敏度较高的传感器。根据其数据手册，输出电压和输入压力电阻关系：VOUT=VREF X-(RG/RFSR)，采用典型电路4.7 K电阻输入 对应0到5 V输出， 输出加一级跟随电路提高AD输入阻抗，如图6所示。

图6 压力转换电路

2.3 蓝牙通讯

为了将 iPhone 手机与DX-BT05 4.0建立通信实验，我们从 APP Store 里下载安装了 LightBlue 程序。

选用的DX-BT05 4.0蓝牙模块采用美国TI公司CC2541芯片，配置 256Kb 空间，遵循V4.0 BLE蓝牙规范。支持AT 指令，用户可根据需要更改串口波特率、设备名称、配对密码等参数，使用灵活。本模块支持UART接口，并支持SPP蓝牙串口协议，具有成本低、体积小、功耗低、收发灵敏性高等优点，只需配备少许的外围元件就能实现其强大功能。

3 实验

使用样机对一名78岁男性胫骨骨折术后的病患进行实验，实验方法：病患由原地踏步康复逐步向步行康复锻炼过度。骨科及康复医学科医师制定康复方案，并且全程跟踪了该病患的整个康复过程以便随时更改医嘱，如表2所示。

表2 实验结果表

经对该病患的试验调研，医生认为该患者不仅术后康复情况良好，而且与同类“谨慎小心”型的病患相比，康复痊愈时间提前1至2周。

4 总结

经对全院下肢骨折病患的心理调研，主要有两大现象。一是谨慎小心，怕痛和出现意外而不敢活动， 担心活动后致手术失败；二是急于求成, 有较强的恢复肢体功能的欲望，不注意锻炼方法而过早活动及负重, 锻炼过度, 超前并随意活动。这些都不利于康复措施的实施并易导致肌肉萎缩、关节僵硬、骨折延迟愈合或再骨折等并发症。

目前此应力监护仪处于研发阶段，试制的原型样机仍有许多问题和不足(精度不够、传感器量程需定做、蓝牙传输程序不完善)。但国内尚无相同的医学研究项目，没有一种量化的应用于下肢骨折病人的监护仪器。作为下肢康复性监护仪器，此装置具有一定的实用性、新颖性及可研究性。

[1] 汤荣光.正常人足底静态和动态压力分布的测定[J].中国生物医学工程学报，1994,13(2)：175-177.

[2] 洪水淙.外翻病理足及其手术方案的生物力学探讨[J].中国生物力学医学工程学报，1988,7(2)：86.

[3] 陆廷仁.骨科康复学[M]. 北京：人民卫生出版社，2007.

[4] 陈忠平.基于Proteus的AVR单片机C语言程序设计与仿真[M]. 北京：电子工业出版社，2011.

[5] [EB/OL].http://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Pressure/fsrguide.pdf

Design of a Monitor for the Rehabilitation of Patients with Lower Limb Fracture

Qian Huan1， Hong Yang2， Pan Gang1

(1.School of Biomedical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China;2. Shanghai Fifth People's Hospital Affiliated to Fudan University, Fudan University, Shanghai 200240, China)

This paper from the actual clinical needs uses sensor and MCU technology to design a monitor based on stress fracture of lower limb rehabilitation. The limbs and feet are fixed and installed a set of stress sensors. When a patient is in the rehabilitation exercise, stress signals of foot are collected, filtered, and processed, are then transmitted by Bluetooth chip to the mobile phone APP program, so as to realize the dynamic monitoring of limb foot pressure. It can reminder abnormal case, and monitor limb fracture healing process.

Lower limb fracture; Rehabilitation monitoring; Stress sensor; Bluetooth

钱欢(1982-)，男，工程硕士研究生，研究方向：医疗仪器设计。 洪洋(1972-)，男，主任医师，研究方向：骨科医学。 潘钢(1956-)，男，高级工程师，研究方向：医学仪器。

1007-757X(2017)06-0042-03

TP311

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2016.03.16)