基于传感器技术的下肢康复评价系统设计*

李宏恩，巩 高，任占福，田 涵

(长治医学院生物医学工程系，山西 长治 046000)

目前对于骨关节疾病的诊断与功能评估大多基于医生临床查体、医学影像成像技术，而对于治疗后的骨关节康复评定则采用量角器测量方法(图1)，整个过程以医生的主观经验判断与评价为基础，而对病人客观、准确的功能参数分析比较缺乏。此外，现有医学影像设备对患者有辐射不良影响且诊疗价格相对昂贵，不适合长期康复治疗的效果评估与指导。

图1 量角器测量关节活动度

因此，本文提出了一种基于传感器技术的人体下肢康复评估系统，该系统以激光测距传感器模块为基础，为确保传感器数据准确传输与分析，采用51单片机对信号的采集以及数据传输进行控制，最终将关节活动度指标显示在显示模块，从而实现对下肢骨关节患者康复状态的准确评估[1,2]。

1 系统硬件设计

本系统采用可穿戴式结构的信号采集系统，采用模块化设计，实现康复患者下肢骨关节活动度参数的采集和发送，硬件主要包括传感器信号采集模块、51单片机信号处理模块、蓝牙无线发送模块、供电模块；此外，为有效将系统固定在人体，采用符合人体工程学的绑带，系统硬件总体框图如图2[3]。

图2 系统硬件设计总体框图

1.1 信号采集模块

信号采集选用TW10S单点激光测距模块，该模块具有毫米级分辨率、温度适应能力强、材质适应性强及体积小，便于集成等优点，内部集成模拟数字信号转换。通过在髋关节、膝关节、踝关节三个部位安置传感器，通过对激光相位差的检测，感知目标物距离，实现三点对地间距的测量，并利用激光测距传感器在预设位置建立二维平面，运用余弦定理测算出关节活动度[4,5]。

图3为TW10S引脚结构，其中RX为接收端，TX为发送端。测量距离范围可达到0.05 m～40 m，数据接口采用两线串行接口，支持连续测量模式或外部触发模式工作方式自动上报测量信息，便于实现与微控制器的连接。

图3 TW10S引脚结构

1.2 主控制器模块

主控制器采用ATMEL公司的89S51单片机。89S51是89C51更新换代的新型产品，其新增了ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离，从而实现在线编辑与纠错能力；内部集成看门狗计时器，不需要外接看门狗计时器单元电路；具有较强的兼容性。本系统将收集激光测距传感器的信号，并进行信号分析与处理，分析测算每个测距模块的距离信息，并利用几何法转换为关节活动度[6]，再通过P0、P2口把测量过程和结果送到数码管显示，还可以通过与蓝牙模块连接，实现对信号的无线传输到智能终端设备。

1.3 蓝牙无线模块

采用上海Modiatek公司研发的FBT06_LPDB插针式低功耗蓝牙模块，相比于FBT06，增加电源防反接、低功耗使能控制，输入电压范围3.3～6V,采用Bluetooth2.1，输出功率为Class2(15 m左右)，可与带蓝牙功能的笔记本与台式电脑、智能手机良好通信。蓝牙通信时只需要接3根杜邦线：GND、RXD、TXD，不需要接VCC；但蓝牙芯片本身工作需要外部供给3.3V VCC电源。

1.4 电源模块

作为一款可穿戴式电子设备，除了提供需要的电压外，对模块大小、功耗、安全性也是有要求的。考虑到一般锂电池容量足以满足每次系统的使用，并不需要长时间携带外出，所以本系统测距传感器、微控制器(MCU)、蓝牙模块与显示模块由3.7V 200mAh锂电池供电，其重量只有6.2g，适合蓝牙产品、移动可穿戴产品、GPS等的供电。通过TI公司设计的超低静态电流降压转换器TPS62743实现蓝牙与单片机所需的3.3V电压。

图4 FBT06_LPDB与89S51通信连接示意图

2 软件设计

该系统软件设计包含距离数据测量与传输和角度计算及显示。数据传感模块通过TW10S单点激光测距模块获取测量到的数据，并传输到89S51单片机；再利用角度计算程序计算出关节实时的活动度，并将活动度值在单片机显示模块或通过蓝牙传输模块传输到智能终端显示；实现关节活动度的实时监测。

图5 系统软件设计流程图

3 系统测试及结果分析

3.1 测试原理

利用余弦定理，即已知三角形三条边长，求三内角度数，将其应用于测量关节活动度上，已知三角形AB、AC、BC的长度分别为a、b、c，要求出三角形任意角α的余弦值，cosα=(b2+c2-a2)/2bc，然后用反函数求得角的度数，即：α=arccosα[7,8]。

在实际应用中，用该关节最大伸展的角度减去最大收缩时的角度，即是该关节现状下的活动度。

3.2 测试方法

首先以被测量关节的轴心为原点，由原点沿构成该关节的两臂上各取一点，即构成一个三角形，再分别测量出任意二点间的距离，即三角形边长。应当说明的是:第一，不能用直尺或软尺测量，以减少不应有的误差或干扰；第二，三点的选择，应以骨性标志为准，以尽量减小误差。测出每两点间的长度后，即可运用余弦定理，计算出被测角的α值，再用该关节最大伸展时的α值减去最大收缩时的α值，即得该关节目前状态下的活动度，也即活动范围。在求该关节失能度时，先以以上方法测出腱侧关节的活动度，然后用“1”减去患侧关节活动度与腱侧正常平均活动度，再乘以100%后，被“1”减去，就可分别求出各自的失能度[9]。

3.3 测试结果及分析

利用激光测距传感器模块组进行距离的测量(测量前进行误差验证，保证精确度)。利用51单片机将传感器测量的数据接收并对其进行数据处理，即运用余弦定理程序计算关节活动度，将其输出显示在1602液晶显示屏，还可以通过蓝牙无线发送到智能终端。

我们针对下肢膝关节和髋关节关节活动度进行测试，选取8名大学生志愿者(包括两名男性超重者)，其中男女生比例相同，并事先演示每个动作的规范，测试数据如表1。

表1 关节活动度测试数据表

从以上测试数据表可以看出，测试数据比较准确，总体上被测试者均能达到正常ROM值，由于女生柔韧度普遍高于男生，所以关节活动度要稍大，而两名男性超重者由于体重和体型等原因，ROM值会比体型正常者稍小。以上测试结果基本符合临床研究数据，达到系统设计目的。

4 总结

本系统采用激光测距传感器实现数据采集，经主控制器分析和处理，实时显示关节活动度，经测试符合临床经验值，为医生对下肢患者的康复评价和进一步治疗提供了切实的依据，降低了病人对于以往测量方式的反感度，也解决传统测量方式中数据不精确、测量过程繁琐的问题。因此，该系统实现了康复训练效果评估功能，为患者的下一步康复治疗提供重要依据。