本文介紹利用單片機(jī)設(shè)計康復(fù)儀的方法和它的應(yīng)用。著重介紹了康復(fù)的醫(yī)學(xué)原理和人體平衡能力的測試方法,。該儀器可以應(yīng)用于臨床治療用,，也可以供臨床研究用，具有較寬的應(yīng)用面,。

1. 引言

人類的平衡能力是人能夠進(jìn)行各種運(yùn)動的基礎(chǔ),，人的站立、坐臥,、行走都需要有平衡能力,。一旦人的平衡能力有障礙，則人的行動能力就受制約,，給學(xué)習(xí),、生活帶來極大的不便。在現(xiàn)代化的社會,，人口老齡化問題突出,，老年人因某種疾病而導(dǎo)致腦損傷引起平衡能力降低，行動能力受阻,。因此,，在臨床治療中,需要一種能對平衡功能檢驗的設(shè)備。我校在上海瑞金醫(yī)院的協(xié)作下,，在分析了國際,、國內(nèi)有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，應(yīng)用先進(jìn)的計算機(jī)控制技術(shù)研制成功了多功能的人體平衡康復(fù)儀,。使用該儀器可以客觀,、定量地進(jìn)行平衡功能的測試、分析和訓(xùn)練,，可以地進(jìn)行平衡能力的靜態(tài)測試和動態(tài)訓(xùn)練,。為臨床研究提供了有效的手段。

2.儀器功能

·儀器的測量范圍：10---360kg

·重心位置：±1.0mm

·供電220V交流

·儀器可提供重心分布圖,、位移圖,、平衡雷達(dá)圖、重心譜圖,，可以進(jìn)行人體平衡能力的定量分析,。

·儀器可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)的睜眼和閉眼兩種狀態(tài)下的人體重心軌跡的測試。

·儀器可以供人體平衡能力的動態(tài)測試和訓(xùn)練,。

3.衡康復(fù)儀的設(shè)計原理

平衡康復(fù)儀是通過測量人體的重心運(yùn)動軌跡圖,，并對重心運(yùn)動軌跡圖進(jìn)行分析從而獲得人體平衡能力的一系列數(shù)據(jù)。一個物體的重心就是該物體的各部分重力的合力的作用點(diǎn),，而人體的重心則是人體的各部分重力的合力的作用點(diǎn),。人體站立時,，會不可避免地存在著輕微的晃動和搖擺，而人體的各個部分的任何活動都會引起人體重心位置的變化,，因此這些輕微的晃動和搖擺必然引起人體的重心位置的改變,。這種重心位置的變化，反映了人體晃動和搖擺的程度和規(guī)律,，是研究人體平衡功能狀態(tài)的重要依據(jù),。

因此，在平衡康復(fù)儀中,，我們用重力應(yīng)變器和單片機(jī)構(gòu)成一個重力測試平臺,，對人體站立時的重心運(yùn)動軌跡進(jìn)行實(shí)時測量，將測量得到的人體重心運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù)通過RS-232串行接口傳送到上位計算機(jī),，重力測試平臺每秒鐘測試30個人體重心運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù),。在上位計算機(jī)中，應(yīng)用VISUAL BASIC可視化語言編程,，對重力測試平臺傳送的人體重心運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、分析后,，畫出人體重心運(yùn)動的動態(tài)軌跡圖,、重心分布圖、位移圖,、重心譜圖,、平衡雷達(dá)圖和參數(shù)表，可以分睜眼和閉眼兩種方式測試人體的重心運(yùn)動軌跡,。臨床醫(yī)生通過對圖形和參數(shù)表的觀察,、分析，能對病情進(jìn)行判斷和治療,。

為了幫助有平衡障礙的患者恢復(fù)平衡能力,，需要對患者進(jìn)行平衡能力的訓(xùn)練。在平衡康復(fù)儀中,，我們應(yīng)用VISUAL BASIC可視化語言以及多媒體技術(shù),，設(shè)計了動態(tài)平衡能力訓(xùn)練程序。在該程序中,，利用語言,、音樂和動態(tài)圖形，使患者在愉快,、輕松的虛擬環(huán)境中進(jìn)行平衡能力的訓(xùn)練,，并可以根據(jù)患者的平衡能力選擇適合自己的訓(xùn)練強(qiáng)度的方式進(jìn)行平衡能力的康復(fù)訓(xùn)練。臨床醫(yī)生也可以選擇合適的方案,，對患者進(jìn)行平衡能力的康復(fù)訓(xùn)練和治療,，或進(jìn)行平衡能力的動態(tài)測試,。

在平衡康復(fù)儀中，人體重心運(yùn)動軌跡的測量是該儀器的關(guān)鍵所在,。為了使測試平臺便于使用和校驗,，我們使用單片機(jī)進(jìn)行人體重心運(yùn)動軌跡的實(shí)時測量，使用PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和生成所需的圖形,。

4. 康復(fù)儀的結(jié)構(gòu)

4.1 康復(fù)儀的結(jié)構(gòu)示意圖



康復(fù)儀的結(jié)構(gòu)示意圖
 
 

圖中,，重力傳感器1-6是型號為NEA-60kg的重量傳感器，它們分別安裝在二個測試平臺的三個角上,，用于測量人體重心的運(yùn)動參數(shù),。重力傳感器的輸出信號與單片機(jī)相連接，由單片機(jī)按每秒30次的采樣速度測得人體重心運(yùn)動的動態(tài)軌跡,，并通過RS-232串行口把數(shù)據(jù)傳送到PC計算機(jī),。在計算機(jī)中對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并生成相應(yīng)的圖像顯示,，還可以通過打印機(jī)予以記錄,。

4.2測試平臺

測試平臺共有兩塊，每塊由45厘米等邊三角形5mm厚的鋼板和三個重力傳感器構(gòu)成,。三個傳感器均勻地分布在測試平臺的三個頂角上,，每個傳感器的測量范圍為0-60 Kg。一般人的體重在100Kg以下,，考慮到人體站立上去的沖擊力量,，我們設(shè)計的測試平臺負(fù)荷為0-180Kg，因此兩個測試平臺的總負(fù)荷為360Kg,。經(jīng)過測試,，該測試平臺完全能夠承受，并且,，在每個測試平臺的重力傳感器邊上安裝了防過載裝置,。

4.3人體重心運(yùn)動軌跡測量儀

測量儀選用與MCS-51系列單片機(jī)兼容的AT89C52 CPU芯片，內(nèi)帶8K字節(jié)的閃存可重復(fù)擦寫1000次,，數(shù)據(jù)保存10年,。該單片機(jī)功耗低，修改程序方便,。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集和傳送,。傳感器傳送來的測量信號變換成頻率信號，通過AT89C52單片機(jī)的T0口輸入,，測量精度高,，便于光電隔離，抗干擾能力強(qiáng),。人體重心運(yùn)動軌跡的采樣是通過力學(xué)中的力矩平衡原理來實(shí)施的,。儀器在測量平臺的三個角上均勻分布了三個力傳感器,。人站在測量平臺上，人體的重心通過測量平臺傳遞到力傳感器上,。單片機(jī)不斷地檢測傳感器輸出的信號,，并通過力矩平衡原理進(jìn)行力學(xué)計算，求出人體重心運(yùn)動的軌跡,，本項目測量精度為±0.1kg單片機(jī)采集處理后的人體重心運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù),，通過RS-232串行口接到一塊MAX-232芯片上，并通過MAX-232芯片與PC機(jī)交換信息,，完成人體重心運(yùn)動軌跡的實(shí)時測量工作,。

4.4數(shù)據(jù)處理與圖像生成系統(tǒng)

采用PC計算機(jī)，在Windows操作平臺下,，利用Visual Basic的串行口編程功能讀取單片機(jī)傳送來的數(shù)據(jù),。數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，形成重心分布圖,、位移圖,、平衡雷達(dá)圖、重心譜圖,、參數(shù)表等四圖一表的信息,。

在人機(jī)交互方面，登錄測試者的信息,，包括姓名、門診編號,、身高,、體重、年齡,、性別等信息,，并有語言、音樂,、背景圖像等多媒體予以輔助,。

Visual Basic簡稱VB是一種可視化的語言，在Windows環(huán)境下的語言開發(fā)工具,。在程序開發(fā)過程中,，特別是圖形處理方面不必編寫代碼去描述界面元素的外觀和位置，只要把預(yù)先建立的對象拖放到屏幕上的一點(diǎn)即可,。在VB環(huán)境下,，利用事件驅(qū)動的編程機(jī)制、新穎易用的可視化設(shè)計工具,，使用Windows內(nèi)部的應(yīng)用程序接口(API)函數(shù),，以及動態(tài)連接庫(DLL),、動態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)、對象的鏈接與嵌入(OLE)開放式數(shù)據(jù)庫訪問(ODBC)等技術(shù),，可以高效,、快速地開發(fā)出Windows環(huán)境下功能強(qiáng)大、圖形界面豐富的應(yīng)用軟件系統(tǒng),。

5.項目應(yīng)用前景

國際上已經(jīng)有應(yīng)用計算機(jī)進(jìn)行人體平衡能力的測試和分析的研究,，國內(nèi)也有個別單位研制靜態(tài)平衡儀。我們這次研制的人體平衡康復(fù)儀,，是在吸取了已有的平衡儀的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,，充分了解了上海瑞金醫(yī)院的臨床診斷要求，研制出了具有靜態(tài)測試和動態(tài)訓(xùn)練雙重功能的平衡康復(fù)儀,。在靜態(tài)測試方面包含了較多的參數(shù),，在動態(tài)訓(xùn)練方面，既有康復(fù)訓(xùn)練的內(nèi)容,，還包括臨床研究部分,。該儀器既可以作為臨床治療用，也可以供臨床研究用,，具有較寬的應(yīng)用面,。

隨著我國老齡人口的增長和生活現(xiàn)代化發(fā)展，人體平衡能力方面的疾病不斷增多,，

開展這方面的研究和治療的需求也日益增加,。進(jìn)口的儀器價格昂貴，每臺儀器在幾十萬元左右,，并且沒有漢化功能,，使用很不方便，也難以進(jìn)行兩次開發(fā),。而我們自己研制的儀器,，功能方面勝過進(jìn)口的，價格僅十幾萬元,，為進(jìn)口儀器的三分之一到四分之一,，而且便于進(jìn)行兩次開發(fā)。隨著醫(yī)保的普及和人們對健康的重視,，對人體平衡康復(fù)儀這一類醫(yī)療設(shè)備的需求,，將會有較大的發(fā)展，而且這種低價格的儀器比較容易進(jìn)入社區(qū)醫(yī)院,。我們相信平衡康復(fù)儀必將在臨床治療和臨床研究方面獲得廣泛的應(yīng)用,，為人類的健康作出貢獻(xiàn)，為提高人類的生活質(zhì)量作出貢獻(xiàn)。

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