一种用于骨折术后辅助康复训练监控系统的设计

程 蔚，张洪杰，郑洪庆

（闽南理工学院，福建 石狮362700）

医学领域中的康复训练主要用于帮助因疾病导致肌肉萎缩或者关节硬化的患者恢复肢体活动能力[1-2]。现有技术中的康复训练方式通常依赖于理疗师[3]。以上肢的康复训练为例，理疗师需要在每次康复训练中帮助患者进行上肢肢体规定动作的反复训练，这对于理疗师来说重复劳动负担过重，并且一个理疗师在同一时间只能对应负责一个患者的康复训练，无法实现医生和患者一对多的训练模式，从而浪费了人力成本，并且降低了训练效率[4]。此外，医生不可能随时随地陪着骨折术后的病人做康复训练，极易造成病人没有按照医生的嘱咐按时按量做训练，使病人的康复受到影响[5-6]。专利2016.10269317.4涉及一种基于嵌入式系统的医用康复训练仪，通过受力检测系统，采集病人训练时的应力并与系统设定值进行比较，如不匹配，则报警提醒病人，该系统适用于下肢骨折病人康复训练。综上，设计一种适用于上肢骨折术后辅助康复训练监控系统，具有重大意义。

1 系统总体方案设计

本系统适用于上肢骨折康复，方便医生设置训练计划和监控病人的康复训练情况。该监控系统主要由stm32单片机、三轴加速度传感器、蓝牙模块、OLED显示模块、wifi模块、手机APP、其他辅助模块等构成。系统组成方案如图1所示。

图1 系统总体设计方案图

系统工作流程如下：医生终端先将训练计划发送至云服务器，云服务器将该训练计划发送给病人终端，病人根据接收的训练计划进行训练。当医生设定的训练时间到时，监控装置发出警报声，提醒病人做手臂康复训练。装置佩戴在人体手腕上，此时人体手臂摆动时，加速度传感器采集手臂摆动速度，经过处理器处理得到摆动次数信息，显示在OLED显示屏，同时经WIFI模块发送给云服务器，云服务器根据网络协议发送给医生接收终端显示，则病患可根据LCD显示屏显示的内容清晰地得知训练具体情况，同时医生也能实时地掌控患者的训练情况，以便医生及时调整训练计划。

2 硬件电路设计

该系统的硬件主要由STM32处理模块、MPU6050传感器、OLED显示模块、无线收发模块和其他辅助电路等组成。

2.1 S T M32处理模块

主控制芯片采用低成本、低功耗、高性能的专为嵌入式应用设计的STM32单片机。该单片机工作频率高，最高可达72 MHz，具有13个通信接口，112个I/O端口等，丰富外设[7]。STM32单片机与MPU6050传感器采用IIC接口连接，串口1、串口3分别与wifi模块和蓝牙模块连接，PB口连接OLED显示模块。STM32处理模块框图如图2所示。

图2 S T M32处理模块框图

2.2 MP U6050采集电路设计

MPU6050是一款全球首例9轴运动处理低功耗传感器，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。传感器具有IIC和SPI接口，方便连接。用户可通过配置相应寄存器，设置传感器的测量范围，从而保证精确地跟踪快速和慢速的运动[8-9]。本系统采用IIC接口与MPU6050的寄存器之间通信。MPU6050的引脚图如图3所示，STM32与MPU6050之间的电路接口如图4所示。

图3 MP U6050引脚图

图4 S T M32与MP U6050电路连接图

STM32通过IIC通讯获取数据，经过数字滤波等处理得到加速度和角度等数据，再经过算法处理得到手臂摆动次数。

2.3 wifi无线通讯电路设计

本设计wifi模块采用ESP8266芯片。ESP8266是一个完整且自成体系的Wifi网络解决方案，能够独立运行。该芯片内置一个超低功耗32位RISC处理器，具有强大的片上处理和存储能力。ESP8266模组需要的较少的外围器件就可以工作，连接简单方便。STM32与ESP8266的连接电路图如图5所示，该电路外围电路简单。

图5 S T M32与E SP8266的连接电路图

2.4 H C05蓝牙无线模块

HC05模块，是一款高性能主从一体的蓝牙串口模块，使用范围广，可以与众多智能终端配对，具有宽的波特率范围：4 800～1 382 400 bps.与其它单片兼容，方便连接，使用方便。HC05电路图如图6所示。

图6 H C05电路图

2.5 O L E D显示电路设计

本装置需配戴在患者的手腕上，在尺寸上要求严格，本文采用0.96寸OLED显示屏。OLED屏较传统LCD屏，在尺寸有一定的优势。OLED显示屏与STM32处理器间的连接图如图7所示。

图7 O L E D显示屏与S T M32处理器间的连接图

3 软件设计

3.1 主程序设计

系统启动后，先获取存储的训练计划，通过比较当前系统时间与训练时间是否一致，如果一致，系统发出振动警报，通知患者开始训练。患者开始训练后，系统主控模块采集MPU6050传感器的数据，做算法处理，得到手臂摆动的次数，通过wifi模块和蓝牙模块分别将摆动次数发送到云服务平台和病人手机，同时跟存储的训练次数进行比较，如果一致，振动报警，告知患者训练结束。系统主程序流程图如图8所示。

图8 主程序流程图

3.2 MP U6050数据采集程序设计

MPU6050与STM32之间采用IIC接口，即Inter-Integrated Circuit（集成电路总线），MPU6050采集程序流程如图9所示。STM32通过IIC协议配置MPU6050的寄存器，获取陀螺仪x/y/z轴的值，并转化成x/y/z的角度值；读到加速度传感器x/y/z轴的值，并转化成x/y/z对应的角加速度[10]。陀螺仪数据输出寄存器如表1所示，加速度传感器数据输出寄存器如表2所示。

图9 MP U6050采集程序流程图

表1 陀螺仪数据输出寄存器

表2 加速度传感器数据输出寄存器

采样过程中，加速度传感器，输出速率（Fs）固定是1 kHz，而陀螺仪的输出频率是1 kHz或者8 kHz，与数字低通滤波器（DLPF）的设置有关，DLPF_CFG不同配置对应的过滤情况如表3所示，当DLPF_CFG=0、7时输出是8 kHz，其他输出是1 kHz.一般情况下角速度传感器的带宽为其采样率的一半，如果设置采样率为100 Hz，那么带宽设置为50 Hz，取近似值44 Hz，就应该设置DLPF_CFG=011.

表3 D L P F_C F G不同配置对应的过滤情况

3.3 无线通信程序设计

本系统采用的HC05蓝牙和wifi模块均采用串口通信，得到的数据通过串口通信传输，具体程序如下所示。

4 实验调试

本装置的云平台采用机智云平台，医生端手机APP如图10所示，康复监控装置如图11所示。

图10 医生端手机A PP

图11 康复监控装置实物图

模拟实验结果如图12所示。

图12 模拟实验结果

5 结论

本文介绍了一种用于骨折术后辅助康复训练监控系统，该系统硬件装置由STM32单片机、MPU6050传感器、无线收发模块等构成。通过简单的算法处理得到摆动次数，并将数据发送到云服务平台，供医生查看。通过实验测试表明，该装置达到预期的效果，但从角度和加速度数据算出摆动次数的算法还需要进一步完善。