一种便携式口唇力测量仪的研制

王伟光，尚振东，王伟鹏

(1.河南科技大学机电学院，河南 洛阳 471003;2.平顶山四联工贸有限责任公司，河南 平顶山 467200)

1 引 言

面部表情是人主观情绪和情感的外部表现，是人类心理行为的非语言表达[1]。面部肌肉的收缩牵动面部皮肤，产生喜怒哀乐等表情。面瘫是以面部表情肌功能丧失和肌肉组织营养障碍引起的，主要表现为患者双唇闭合不全、流涎、说话不清或一侧嘴角拉向对侧(嘴歪)等症状[2-3]，严重影响患者的生活质量。因此，对面瘫患者口唇部功能性恢复的检测及康复训练是面瘫治疗的重要内容之一。

在我国的临床医疗领域，医生在检查口唇部功能性恢复时，往往根据临床经验进行徒手肌力检查，这种检查手段具有一定的主观性，不能严格定量描述，缺乏准确的科学依据。为此，本研究应用当今成熟的微电子技术和仪器仪表技术，研制开发了一种操作方便、精度高、采用电池供电而又便于携带的新型口唇力测量仪器，这种仪器可以实时检测和锻炼患者的口唇部功能性恢复，可以对检测数据进行记录和存储，便于医护人员对历史数据及资料进行查询，从而使患者的康复治疗过程得到精确量化，且使医治更具科学性。

2 便携式口唇力检测装置的结构组成

便携式口唇力检测装置示意图见图1。口唇肌力检测装置包括依次电连接的拉力传感器、信号处理装置和显示装置。拉力传感器通过拉力绳连接衔口,显示装置设置在壳体上，显示装置优选为LCD显示器，LCD显示器与单片机的输出端电连接。在壳体上设置有按键和拉力传感器盒，拉力传感器设置在拉力传感器盒中。拉力传感器盒上还连通设置有穿线管，穿线管上固定设置有推力板，推力板的中部开设有一个通孔，拉力绳和引线均从穿线管中穿过。拉力传感器盒与壳体连通，拉力传感器设置在拉力传感器盒中。按键共有两个，分别是复位键和除皮键，均与单片机的输入端电连接，复位键用于控制检测装置的开启和关闭，同时在多次测量时用于复位清零以保证下一次测量的准确性。除皮键用于在安装后和测量前对拉力传感器进行置零。

图1便携式口唇力检测装置示意图

1. 壳体， 2. LCD显示器， 3. 复位键， 4. 除皮键， 5. 拉力传感器盒， 6. 穿线管， 7. 推力板， 8. 拉力绳， 9. 衔口， 13. 引线

Fig1Schematicdiagramofportabletestingdeviceforlipforce

3 硬件组成与工作原理

便携式口唇力测量仪采用模块化设计，主要由拉力传感器及信号调理电路、STM32单片机、人机接口电路[键盘、触摸屏]、通信模块组成。

3.1 传感器及信号调理电路

本研究选用了自带温度补偿的高精度JLBS-Ⅱ型拉力传感器，该传感器是将箔式应变片粘贴在弹性体(合金钢)上，承受拉压力均可。电路前级采用LM324运算放大器对传感器传入的生物弱电信号进行放大，其信噪比优于50 dB。采用ANALOG公司生产的高精度A/D转换芯片AD574，将采集到的模拟信号转换为数字信号进行处理。

3.2 单片机系统

本研究采用STM32F103为主控芯片，其主要负责采样过程的控制，数据处理、存储与通信等，STM32系列32位微控制器基于ARM Cortex.M3[4-5]内核的STM32F103C8T6，其工作频率为72 MHz，Cortex．M3增强了系统的结构，该内核具有高性能、低功耗、实时应用等优点[6-9]，其具有2.0～3.6 V的宽电压供电范围,单周期的乘法指令和硬件除法以及优先级可编程的中断系统，广泛应用于智能仪表 PLC、便携测试仪器、高端家电、血糖测量仪等方面。

STM32F103最小系统主要包括晶振电路、复位电路和调试接口电路[10-11]。晶振电路选用8 MHz有源晶振,通过22 pF的电容接地。复位电路采用简单的RC电路延时特性，利用一个10 KΩ电阻和10 μF的电容，时间延时大约为3.6 ms。调试接口电路选用JTAG进行在线调试。

3.3 掉电保护RAM

采用LG的GM76C256，32 K byte的容量，该部分可在掉电状态下保持RAM内的数据不受影响。

3.4 人机接口模块

采用LCD作为仪器的显示部件，对测量结果进行实时监测。配合“测量”、“复位”、“除皮”3 个按键，对大屏幕的LCD屏进行多级中文菜单设计，用户通过按键来控制仪器实现其预定功能。与其它的设计相比，按键数量减少了，节省了硬件资源，同时也提高了易用性。仪器配有USB接口，可以与PC机通信并将测量结果输出。

其硬件电路模块见图2。

图2 硬件结构框图

Fig2Hardwarestructurediagram

4 软件设计

为了能更好的协调控制整个测量过程，设计一个与硬件电路相匹配的软件来充分的利用和管理硬件设备。程序运用C语言在Keil uVision4软件中进行编写，开发工具采用JTAG调试。采用由上而下的模块化设计来提高软件的可移植性，应用程序主要包括系统自检模块、触摸按键扫描模块、数据采集及处理、康复训练模块和串口通信模块。程序设计流程见图3。

系统的初始化主要是对时钟、串口、中断、AD芯片以及LCD屏进行初始化配置。为了保证系统精度和稳定性，本系统采用外部8 MHz时钟源，通过软件进行倍频和分频，然后配置到各个外设时钟。我们对每个外设都配备了外设时钟开关，当不需要某个外设时，只要把与其相匹配的外设时钟关闭即可，这样可使STM32的整体功耗降低很多。中断配置主要是配合LCD屏使用，只有LCD屏受到触控才会向串口发送指令，其余时间都处于休眠状态，进而实现低功耗。

本设计通过算数平均滤波法对一些随机干扰信号进行滤波，提高信号的真实性，即取采集50次数据的平均值。同时，在系统中设计了5 V电源电压下，输出1.25 V的基准电压，且在4～6 V电源电压范围内，室温下基准电压的变化为0.3 mV。因此，电源的温度漂移、稳定性及重复性误差均可忽略不计。

图3 程序流程框图

Fig3Programflowchart

5 便携式口唇力检测装置的操作流程设计

本研究所述的便携式口唇力检测装置，具体操作步骤如下(参照图1)。

(1)闭唇肌力检测装置的检测方法，具体步骤为：

步骤一、由被检测者将衔口放置在牙齿与嘴唇之间，使衔口的凹面贴合牙齿并抱紧嘴唇，使拉力绳从双唇之间伸出且不压迫双唇；

步骤二、由被检测者通过嘴唇用力拉动衔口，使拉力绳绷紧；

步骤三、由信号处理装置实时监测并记录拉力传感器输出的拉力值；

步骤四、随着拉力的逐渐增大，当被检测者嘴唇无法合拢的时候，记录此时的拉力值；

步骤五、结束检测。

(2)圆唇肌力检测装置的检测方法，具体步骤为：

步骤一、由被检测者将衔口放置在牙齿内侧，使衔口的凸面贴合牙齿，使拉力绳从双唇之间伸出且不压迫双唇；

步骤二、由被检测者做圆唇动作，用力推动推力板，使拉力绳绷紧；

步骤三、由信号处理装置实时监测并记录拉力传感器输出的拉力值；

步骤四、当拉力值不再增大的时候，记录最后的拉力值；

步骤五、结束检测。

口唇力检测实验操作见图4。

图4 口唇力检测试验

Fig4Lipstickforcetest

6 实验测试及结果分析

6.1 系统标定

分别使用精密推拉力计和便携式口唇力测量仪对e=10 d，d=0.1 g电子天平称量砝码进行测量形成对照测试，测量得到有效数据32组。对采集到的数据进行线性回归分析比较，其分析比较曲线见图5。

可以看出采用所研制的便携式口唇力测量仪测量得到的拉力值与精密推拉力计测量得到的拉力值基本完全相关，并且横轴0～18 N之间的回归曲线与测量曲线近似完全重合，其中最大测量误差不超过0.06 N。基本满足临床对面瘫患者恢复情况评价的要求。

图5 测力对照曲线图

Fig5Comparisonchartofforcemeasurement

6.2 实验结果

测试对象为洛阳正骨医院收治的面瘫患者120例，分别于患者治疗前1 d和治疗后第7 d进行House-Brackmann面神经瘫痪分级( H-B分级)[12]和口唇力测量仪检测。采用 SPSS 17. 0统计软件进行数据分析，以P<0.05为差异有统计学意义。治疗前后，H-B 分级与本测量仪对面瘫分级的评估结果比较，差异无统计学意义 (P>0.05，见表1)。

表1H-B分级与口唇力测量仪检测对面瘫分级的评估结果比较(例)

Table1ComparisonoftheresultsoftheH-Bclassificationandthelipforcemeterfortheclassificationoffacialparalysis

方法例数治疗前正常轻度中度中重度重度治疗后正常轻度中度中重度重度口唇力测量仪1200185137141360221510H-B分级120016543911195824118P值 0.879 0.693

7 结论

本设计研制了用于口唇力检测的专用仪器，该测量仪器提高了口唇力度检测的精确性，最大误差<0.06 N。此外，本测量仪无需计算机控制和显示，实现了便携。

实验分别采用H-B分级和口唇力测量仪对120例面瘫患者治疗前后面瘫分级进行评估，并比较两种方法的评估结果，结果显示无论是治疗前还是治疗后，两种方法的评估结果均无明显差异，表明口唇力测量仪与 H-B分级对面瘫患者面瘫分级的评估结果一致，而本测量仪操作简单、无创、安全，实用性强，可用于指导精确治疗的用药量或者治疗强度，可以广泛应用于临床治疗和疗效动态评估。