基于Android平台的超声骨折愈合治疗系统的设计

崔寒冰，赵曙光，方志庆

(东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620)

基于Android平台的超声骨折愈合治疗系统的设计

崔寒冰，赵曙光，方志庆

(东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620)

针对骨折病人群体庞大并呈总体上升趋势，且骨折治疗周期漫长这一现象，结合医疗领域中低强度超声波可以促进骨折愈合这一医学原理，设计出一套医用骨折愈合治疗系统。该系统客户端基于Android平台开发，具有管理病人信息和控制硬件治疗模块等功能，硬件模块利用STM32作为主控芯片生成指定强度的PWM波，经过变压器升压后驱动超声波发生模块生成可用于促进骨折愈合的低强度超声波。

Android；STM32；蓝牙4.0；超声波

0 引言

随着工业、交通及建筑事业的高速发展,随之而来的工业意外事故、交通事故、自然灾害的发生也随之增加,骨科创伤的患者也大量增加,尤以重症患者增长率为高。人口老龄化更是带来了大量由骨质疏松引起的老年骨折病人。近年来通过对低强度超声波在治疗骨折方面的研究，发现骨形态发生蛋白(Bone Morphogenetic Protein,BMP)作为一种重要的具有很强诱骨活因子，能够有效刺激间充质细胞诱导分化成软骨细胞、骨细胞，进而形成软骨及骨组织，而低强度超声波促进BMP-2的表达，从而加速骨折愈合。这种清洁、环保、安全、无电离辐射的治疗方式，被国内外医学界和学术界高度重视[1-6]。

本文设计的超声骨折愈合治疗系统其软件是基于Android平台开发，具有病人信息录入、治疗方案选择等功能，通过Android自带蓝牙4.0完成与下位机数据传输,下位机收到控制命令和数据后产生PWM波，PWM波经过处理后驱动探头产生可用于治疗骨折的低强度超声波。

1 系统总设计与实现

本系统主要分3个部分，分别是PC端、Android客户端、硬件模块，系统结构总方案如图1所示。PC端主要用于更新治疗方案和查询病人治疗状况；Android客户端主要用于病人信息的录入、存储、管理，负责与硬件模块通信，对硬件模块发送控制命令，实时显示治疗的动态数据等；硬件模块主要负责接收来自Android客户端的病人信息、治疗方案、控制命令，根据治疗方案产生对应频率和占空比的PWM波，然后经过变压器模块的信号放大驱动探头产生超声波。

图1 系统结构总方案

1.1 软件设计

图3 硬件原理示意图

超声骨折愈合治疗系统软件部分是基于Android平台开发，以Android客户端作为超声骨折愈合治疗系统中BLE通信的主控端。UI层可实现输入病人个人信息以及治疗信息、选择或生成治疗方案显示实时治疗状态、查看病人治疗状况等功能。Android客户端生成的病人个人信息和治疗方案会保存至本地数据库以及本地Excel表中，医生可通过操作客户端来发送控制命令、病人信息以及详细治疗方案。最后治疗信息会通过蓝牙实时回传显示并存储到数据库以及本地Excel表格。软件模块设计结构图如图2所示。

图2 软件模块设计结构图

1.2 硬件设计

通过对系统需求分析，设计出硬件电路，硬件原理示意图如图3所示。硬件结构主要分为4大部分：主控芯片和外围电路部分、PWM驱动电路部分(PWM调压电路、阻抗匹配和反馈电路)、显示部分和通信部分。主控模块采用STM32F103系列VBT6作为主控芯片，因为其具有强大的片内外设和方便编程的外设函数库，并且定时器功能非常强大，可以方便地产生不同类型的PWM[7]。通信方式选择蓝牙4.0，蓝牙模块BLEM-201，该款蓝牙4.0芯片具有串口数据透传功能及多种驱动外设的硬件接口，可通过UART和MCU通信，广泛应用在医疗行业中。显示部分采用带字库的12864液晶显示屏，相比1602液晶显示屏来说可显示的内容更多，并且不需要自己建字库。PWM驱动部分需要调压模块、阻抗匹配模块和反馈模块。额外增加调压模块的作用是为了针对不同病人的骨骼情况和体质情况，定制不同强度超声波的康复方案。本系统采用LT1380B作为调压模块提供可变电压输出给PWM驱动电路，并把电压反馈接入STM32的ADC采样引脚，形成闭环控制提高精度。采用MOS管和变压器电路对LT1380B的电压进行进一步放大处理输出到探头，同样通过运放把驱动电压的输出反馈接入STM32的ADC引脚，形成闭环提高控制精度。最后通过STM32控制74HC4053芯片输出属于病人治疗所用的超声波[8-9]。系统工作大致流程为：当BLEM-201蓝牙模块接收到Android端的数据时，蓝牙模块通过串口将数据传给STM32，经STM32主控芯片对数据进行处理后，产生对应的PWM波，经调压模块作用后，电压输出给变压器和MOS管进行进一步放大，最后通过探头输出病人所需的超声波。同时治疗结束后，主控芯片将病人治疗后的数据(治疗阶段数、时间等)通过BLEM-201回传到Android端。

2 系统的实现

系统数据从客户端的生成到中间层的处理，再到数据的传递其过程如图4所示。客户端治疗界面如图5所示，医生可以查看动态治疗信息，并可以随时停止治疗。医生也可以通过密码登录客户端来查看、管理病人信息，病人信息管理界面如图6所示。为满足需求该系统采用多种方案存储系统数据。病人个人信息、治疗方案及治疗动态数据用Android自带的SQLite数据库存储，SQLite能够快速对数据进行增删查改，通过第三方软件查看数据库表，如图7所示[10-11]。默认治疗方案Excel表如图8存储在Android本地，可以由PC端生成并通过FTP传入客户端。病人信息统计表主要用于存储病人的治疗方案、治愈时间等信息，方便进行后期数据分析，以便医生可以针对不同情况的病人制定更合理的治疗方案，同样PC端可以通过FTP查询病人信息统计表[12-13]。

图4 系统数据流向图

图5 客户端治疗界面

图6 病人信息管理界面

图7 客户端数据库

图8 默认治疗方案Excel表

3 结论

本文从当前医疗的需求和低强度超声波可以促进骨折愈合这一医学原理出发，介绍了一种利用Android平台、STM32、BLE等模块设计出的可以用于促进骨折愈合的系统，旨在实现一种可行的系统方案，可以为医疗研发人员或其他研究人员提供一定的借鉴参考作用。本系统实现的是无网络化数据存储方案，即数据存储到Android本地。系统可以在客户端增加网络传输功能，将数据同步到后台服务器实现数据网络化存储。

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The design of ultrasonic fracture healing treatment system based on Android platform

Cui Hanbing, Zhao Shuguang, Fang Zhiqing

(College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Nowadays, there is large number of patients with fracture and the number is still on the rise accompanying with the phenomenon that fracture treatment cycle is long. Basing on the medical principle in the medical field that low-intensity ultrasonic can promote the healing of fracture，this paper designed a medical fracture healing treatment system. The client of this system is based on Android platform, and has the functions of managing patient information and controlling hardware treatment module. The hardware module uses STM32 as the master chip to generate the specified intensity of the PWM wave. After a step-up transformer, the ultrasonic generating module can be motivated to generate low-intensity ultrasonic waves that can be used to promote fracture healing.

Android; STM32; bluetooth 4.0; ultrasonic

TP311.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.15.026

崔寒冰，赵曙光，方志庆.基于Android平台的超声骨折愈合治疗系统的设计[J].微型机与应用，2017,36(15)：91-93,102.

2017-03-14)

崔寒冰(1992-)，男，硕士，主要研究方向：Android、智能控制。

赵曙光(1965-)，男，博士，教授，主要研究方向：可进化硬件(EHW)、智能信息处理、智能仪器与系统、电子系统设计自动化(EDA & ESL)。

方志庆(1966-)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向：嵌入式设备、便携插件式多参数监护仪等。