單片機的康復儀設計研究

1． 引言

人類的平衡能力是人能夠進行各種運動的基礎，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，給學習、生活帶來極大的不便。在現代化的社會，人口老齡化問題突出，老年人因某種疾病而導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備。我校在上海瑞金醫院的協作下，在分析了國際、國內有關資料的基礎上，應用先進的計算機控制技術研制成功了多功能的人體平衡康復儀。使用該儀器可以客觀、定量地進行平衡功能的測試、分析和訓練，可以地進行平衡能力的靜態測試和動態訓練。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、平衡雷達圖、重心譜圖，可以進行人體平衡能力的定量分析。
儀器可實現靜態的睜眼和閉眼兩種狀態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測試和訓練。

3．衡康復儀的設計原理

平衡康復儀是通過測量人體的重心運動軌跡圖，并對重心運動軌跡圖進行分析從而獲得人體平衡能力的一系列數據。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，而人體的重心則是人體的各部分重力的合力的作用點。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律，是研究人體平衡功能狀態的重要依據。

因此，在平衡康復儀中，我們用重力應變器和單片機構成一個重力測試平臺，對人體站立時的重心運動軌跡進行實時測量，將測量得到的人體重心運動軌跡數據通過RS-232串行接口傳送到上位計算機，重力測試平臺每秒鐘測試30個人體重心運動軌跡數據。在上位計算機中，應用VISUAL? BASIC可視化語言編程，對重力測試平臺傳送的人體重心運動軌跡數據進行計算、分析后，畫出人體重心運動的動態軌跡圖、重心分布圖、位移圖、重心譜圖、平衡雷達圖和參數表，可以分睜眼和閉眼兩種方式測試人體的重心運動軌跡。臨床醫生通過對圖形和參數表的觀察、分析，能對病情進行判斷和治療。

為了幫助有平衡障礙的患者恢復平衡能力，需要對患者進行平衡能力的訓練。在平衡康復儀中，我們應用VISUAL? BASIC可視化語言以及多媒體技術，設計了動態平衡能力訓練程序。在該程序中，利用語言、音樂和動態圖形，使患者在愉快、輕松的虛擬環境中進行平衡能力的訓練，并可以根據患者的平衡能力選擇適合自己的訓練強度的方式進行平衡能力的康復訓練。臨床醫生也可以選擇合適的方案，對患者進行平衡能力的康復訓練和治療，或進行平衡能力的動態測試。

在平衡康復儀中，人體重心運動軌跡的測量是該儀器的關鍵所在。為了使測試平臺便于使用和校驗，我們使用單片機進行人體重心運動軌跡的實時測量，使用PC機進行數據處理和生成所需的圖形。

4． 康復儀的結構

4．1 康復儀的結構示意圖

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動參數。重力傳感器的輸出信號與單片機相連接，由單片機按每秒30次的采樣速度測得人體重心運動的動態軌跡，并通過RS-232串行口把數據傳送到PC計算機。在計算機中對測量的數據進行處理，并生成相應的圖像顯示，還可以通過打印機予以記錄。

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，我們設計的測試平臺負荷為0-180Kg，因此兩個測試平臺的總負荷為360Kg。經過測試，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人體重心運動軌跡測量儀

測量儀選用與MCS-51系列單片機兼容的AT89C52 CPU芯片，內帶8K字節的閃存可重復擦寫1000次，數據保存10年。該單片機功耗低，修改程序方便。負責數據的實時采集和傳送。傳感器傳送來的測量信號變換成頻率信號，通過AT89C52單片機的T0口輸入，測量精度高，便于光電隔離，抗干擾能力強。人體重心運動軌跡的采樣是通過力學中的力矩平衡原理來實施的。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。單片機不斷地 檢測傳感器輸出的信號，并通過力矩平衡原理進行力學計算，求出人體重心運動的軌跡，本項目測量精度為±0.1kg單片機采集處理后的人體重心運動軌跡數據，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機交換信息，完成人體重心運動軌跡的實時測量工作。

4．4數據處理與圖像生成系統

采用PC計算機，在Windows操作平臺下，利用Visual Basic的串行口編程功能讀取單片機傳送來的數據。數據進行處理后，形成重心分布圖、位移圖、平衡雷達圖、重心譜圖、參數表等四圖一表的信息。

在人機交互方面，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環境下的語言開發工具。在程序開發過程中，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，只要把預先建立的對象拖放到屏幕上的一點即可。在VB環境下，利用事件驅動的編程機制、新穎易用的可視化設

計工具，使用Windows內部的應用程序接口（API）函數，以及動態連接庫（DLL）、動態數據交換（DDE）、對象的鏈接與嵌入（OLE）開放式數據庫訪問（ODBC）等技術，可以高效、快速地開發出Windows環境下功能強大、圖形界面豐富的應用軟件系統。

5．項目應用前景

國際上已經有應用計算機進行人體平衡能力的測試和分析的研究，國內也有個別單位研制靜態平衡儀。我們這次研制的人體平衡康復儀，是在吸取了已有的平衡儀的優點的基礎上，充分了解了上海瑞金醫院的臨床診斷要求，研制出了具有靜態測試和動態訓練雙重功能的平衡康復儀。在靜態測試方面包含了較多的參數，在動態訓練方面，既有康復訓練的內容，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，具有較寬的應用面。

　隨著我國老齡人口的增長和生活現代化發展，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，也難以進行兩次開發。而我們自己研制的儀器，功能方面勝過進口的，價格僅十幾萬元，為進口儀器的三分之一到 四分之一，而且便于進行兩次開發。隨著醫保的普及和人們對健康的重視，對人體平衡康復儀這一類醫療設備的需求，將會有較大的發展，而且這種低價格的儀器比較容易進入社區醫院。我們相信平衡康復儀必將在臨床治療和臨床研究方面獲得廣泛的應用，為人類的健康作出貢獻，為提高人類的生活質量作出貢獻。

參考文獻

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