康復(fù)理療云平臺系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張立 顧瑞潔 吳響 趙強

摘 要： 為了對患者進行遠程康復(fù)監(jiān)督與精準(zhǔn)的康復(fù)理療指導(dǎo)，設(shè)計康復(fù)理療云平臺系統(tǒng)。以STM32為主處理器，根據(jù)康復(fù)理療設(shè)備的信號特點，設(shè)計理療終端驅(qū)動電路。在GPRS和3G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，設(shè)計康復(fù)理療儀系統(tǒng)軟件。利用軟件設(shè)計技術(shù)，設(shè)計遠程監(jiān)控端和數(shù)據(jù)服務(wù)中心。該系統(tǒng)在為病患進行康復(fù)理療的同時能夠?qū)崟r獲取和轉(zhuǎn)發(fā)理療參數(shù)，通過康復(fù)理療云平臺，醫(yī)生能夠在線監(jiān)測病患理療過程并為病患提供康復(fù)意見和制定理療計劃，實現(xiàn)精準(zhǔn)康復(fù)理療。經(jīng)測試，理療儀效果優(yōu)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力強，能夠滿足應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞： 理療儀； 云平臺； 實時監(jiān)督； 在線指導(dǎo)； 康復(fù)理療； GPRS

中圖分類號： TN99?34； TP212； TP391 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）18?0150?04

Design and implementation of rehabilitation physiotherapy cloud platform system

ZHANG Li， GU Ruijie， WU Xiang， ZHAO Qiang

（School of Medical Information， Xuzhou Medical University， Xuzhou 221000， China）

Abstract： A rehabilitation physiotherapy cloud platform system is designed to conduct remote rehabilitation monitoring and accurate rehabilitation physiotherapy guidance for patients. Taking the STM32 as the main processor， the physiotherapy terminal drive circuit is designed according to signal characteristics of the rehabilitation physiotherapy equipment. The software of the rehabilitation physiotherapy instrument system is designed based on the GPRS and 3G network. The remote monitoring terminal and data service center are designed by using the software design technology. The system can obtain and transmit physiotherapy parameters in real time while performing rehabilitation physiotherapy for patients. On the rehabilitation physiotherapy cloud platform， doctors can monitor the patients physiotherapy process online， provide rehabilitation advice， and make physiotherapy plan for patients， so as to realize accurate rehabilitation physiotherapy. The test results show that the physiotherapy instrument has an excellent effect， and the system has a strong data forwarding capability， which can meet application requirements.

Keywords： physiotherapy instrument； cloud platform； real?time monitoring； online guidance； rehabilitation physiotherapy； GPRS

0 引 言

近年，我國老年人口比重不斷增加，越來越多的中老年人重視對慢性病、退化性疾病的康復(fù)理療。此外，醫(yī)療研究表明：術(shù)后科學(xué)的康復(fù)過程對身體的恢復(fù)程度起到了至關(guān)重要的作用；與此同時，快節(jié)奏的工作與不健康生活方式導(dǎo)致許多青壯年處于亞健康狀態(tài)，這使得人們對康復(fù)理療的需求逐年增加[1?3]?？祻?fù)理療主要是結(jié)合物理方法，利用醫(yī)療器械進行理療的一種綜合性治療方法?？茖W(xué)的康復(fù)理療方式能對人體產(chǎn)生積極的作用，由于醫(yī)生與病房資源緊張、病患經(jīng)濟狀況不一、醫(yī)患溝通不便等諸多因素的限制，大多數(shù)人無法在康復(fù)醫(yī)生的監(jiān)督與指導(dǎo)下進行精確的康復(fù)理療，這極大降低了康復(fù)理療的效果，甚至?xí)沟貌∏榧又豙4?5]。隨著微處理器技術(shù)、芯片技術(shù)、軟件工程和無線通信技術(shù)的發(fā)展，以及片上系統(tǒng)SoC（System on Chip）的出現(xiàn)，為在線康復(fù)理療問題提供了解決方案。本文結(jié)合無線通信技術(shù)、信號處理技術(shù)及軟件設(shè)計技術(shù)，設(shè)計并開發(fā)了能夠?qū)崟r監(jiān)督病患康復(fù)理療過程、在線推送康復(fù)指導(dǎo)建議、記錄病患康復(fù)全過程數(shù)據(jù)、搭建病患與康復(fù)醫(yī)生之間溝通平臺的“康復(fù)理療云平臺系統(tǒng)”[6?8]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)主要由康復(fù)理療病患遠程端、數(shù)據(jù)服務(wù)器、消息服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、康復(fù)理療云平臺服務(wù)端等部分構(gòu)成，系統(tǒng)整體框架如圖1所示。選用3G網(wǎng)絡(luò)作為本系統(tǒng)的無線通信方式，結(jié)合現(xiàn)有的以太網(wǎng)，構(gòu)成本系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。首先，病患在使用康復(fù)理療儀進行康復(fù)治療時，康復(fù)理療儀通過3G網(wǎng)絡(luò)將實時理療參數(shù)（波形、理療時間、電壓、電流等）轉(zhuǎn)發(fā)到云平臺數(shù)據(jù)服務(wù)器，醫(yī)生通過康復(fù)理療云平臺服務(wù)端在線監(jiān)督病人的理療情況。如果，病患沒有按照醫(yī)生的理療方案定時定量進行治療，醫(yī)生會通過康復(fù)理療云服務(wù)端，利用消息服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)警示信息到病人的手持移動服務(wù)端；此外，通過康復(fù)理療云平臺服務(wù)端的專業(yè)醫(yī)生對病患康復(fù)理療數(shù)據(jù)的抽取、分析、融合等，以及與病患在溝通過程中對病患理療效果的跟蹤，系統(tǒng)將為每病患提供符合其體質(zhì)狀況的康復(fù)理療意見，實現(xiàn)精準(zhǔn)的康復(fù)理療。

2 康復(fù)理療儀硬件設(shè)計

2.1 硬件整體設(shè)計

康復(fù)理療儀節(jié)點由橋式整流、濾波、穩(wěn)壓、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、功率放大等信號調(diào)理電路，以及液晶驅(qū)動電路、SIM808芯片、主處理器等部分組成。節(jié)點的硬件框架如圖2所示，康復(fù)理療儀終端選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103VET6作為主處理器，該款芯片具有資源豐富、數(shù)據(jù)處理能力強、低功耗等特點。利用降壓變壓器，通過橋式整流、濾波、穩(wěn)壓電路將交流信號調(diào)理為康復(fù)理療基準(zhǔn)信號，與此同時，得到的直流電壓作為康復(fù)理療終端的供電電壓；升壓變壓器利用經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換與功率放大電路處理的電信號得到最終供給醫(yī)用電極板的治療信號，將電極板緊貼于治療部位即可進行康復(fù)理療；電極板加熱控制電路可以調(diào)節(jié)電極板溫度，以適用不同病患；利用SIM808模塊，通過3G無線網(wǎng)絡(luò)將實時理療參數(shù)（波形、理療時間、電壓、電流等）發(fā)送到康復(fù)理療云服務(wù)器；也可以響應(yīng)按鍵事件，進行實時理療參數(shù)的本息顯示。

2.2 整流濾波與穩(wěn)壓電路設(shè)計

康復(fù)理療儀電源管理部分由整流濾波和穩(wěn)壓電路組成。圖3a）為整流濾波電路的原理圖，此電路包括2個KBPC1010整流橋、2個4 700 μF的電容，將經(jīng)過變壓器得到的12 V和11.5 V的交流電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定輸出的直流電壓[9?10]；圖3b）為終端穩(wěn)壓電路，該電路由4個二極管、2個大功率3.3 V穩(wěn)壓管、3個阻值不等的電阻、2個220 μF的極性電容和2個大功率三極管構(gòu)成，其中三極管MJE3055T為NPN型，三極管MJE2955T為PNP型。該電路將整流濾波得到的直流電壓轉(zhuǎn)換成5 V直流電壓，為主處理器及終端各元器件供電[11?12]。

2.3 數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

圖4為數(shù)/模轉(zhuǎn)換部分驅(qū)動電路。此電路選用TLC7528作為數(shù)/模轉(zhuǎn)換處理芯片，TLC7528工作電壓為5～15 V，功耗小于15 mW，是雙路數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，在每個A/D轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)具有單調(diào)性，具有單獨的片內(nèi)數(shù)據(jù)鎖存器。根據(jù)主處理器的指令，通過TLC7528實現(xiàn)對終端輸出頻率、電壓和波形的控制。

2.4 信號放大電路設(shè)計

信號放大電路由運算放大電路和功率放大電路組成。圖5a）為LM324四運算放大器驅(qū)動電路，LM324工作電壓為3～32 V，低輸入偏置電流為100 nA，能實現(xiàn)內(nèi)部補償和短路保護輸出，具有4路運算放大器，輸入端的ESD鉗位提高了可靠性，實現(xiàn)了真正的差分輸入級。圖5b）為功率放大電路，該電路由4個三極管、2個二極管、2個100 pF電容及1個電阻組成，其中，三極管BD438和S8050與三極管BD437和S8550構(gòu)成對稱結(jié)構(gòu)；通過運算放大電路與功率放大電路的結(jié)合，可以將數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的信號放大，從而得到可供下一級電路利用的信號。

2.5 無線傳輸模塊設(shè)計

康復(fù)理療儀終端無線信號傳輸采用SIM808處理器。SIM808有兩種工作模式，模式一供電電壓為4.8～5.2 V，模式二供電電壓為3.6～4.2 V，工作電流保證在1 A及以上，工作溫度為-40～80 ℃。SIM808為四頻模塊（850/900/1 800/1 900 MHz），TTL電平接口兼容5 V/3.3 V/2.85 V系統(tǒng)，SIM808具有全球定位系統(tǒng)，能實現(xiàn)發(fā)短信、打電話等功能，支持GPRS，3G網(wǎng)絡(luò)，全球可用。

SIM808有3個LED指示燈端口：RING指示燈、網(wǎng)絡(luò)指示燈和PPS指示燈。開機后，等待約2 s，首先RING指示燈常亮，然后網(wǎng)絡(luò)指示燈快閃（1 s滅，1 s亮），當(dāng)模塊注冊到網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)指示燈慢閃（1 s亮，3 s滅）。當(dāng)GPS定位后，PPS燈會閃爍（1 s亮，1 s滅）。

3 康復(fù)理療儀軟件設(shè)計

選用STM32F103增強型系列作為康復(fù)理療儀的處理器，擁有ARM Cortex?M3內(nèi)核的STM32是意法半導(dǎo)體的一款專門面向嵌入式應(yīng)用的處理器[13?14]，具有高性能、低成本、低功耗的特點。在STM32增強型處理器的基礎(chǔ)上，完成病患康復(fù)理療過程，并通過3G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)理療數(shù)據(jù)實時的傳輸。康復(fù)理療儀的工作流程如圖6所示。首先執(zhí)行硬件的初始化，實現(xiàn)A/D、定時器、液晶等模塊的初始化，然后通過SIM808模塊尋找到數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)，并執(zhí)行相關(guān)入口函數(shù)及硬件配置函數(shù)，加入到現(xiàn)有的3G無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行病患理療方案程序。為了降低節(jié)點的能耗，康復(fù)理療儀定時地將理療參數(shù)發(fā)送到云平臺，然后進入休眠狀態(tài)。與此同時，康復(fù)理療儀定時檢測是否完成理療過程，若沒完成，通過3G網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)將相關(guān)理療數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云平臺，否則，結(jié)束本次理療，等待執(zhí)行新的理療過程。

4 實 驗

在實驗環(huán)境中分別對康復(fù)理療儀治療波形、康復(fù)理療儀無線傳輸模塊的性能進行測試。首先對康復(fù)理療儀治療波形進行測試。測試工具為研制的康復(fù)理療儀終端1臺、數(shù)字示波器1臺、醫(yī)用電極板1套，先將醫(yī)用電極板插到康復(fù)理療儀終端上，然后將數(shù)字示波器與電極板連接，啟動康復(fù)理療儀，在1～12個理療方案中，任意選擇其一。經(jīng)過反復(fù)實驗，發(fā)現(xiàn)任意理療方案中的方波、三角波、正弦波、指數(shù)波如圖7所示，波形完整，沒有失真現(xiàn)象，保證了康復(fù)治療儀的理療效果。

其次，對康復(fù)理療儀終端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能進行測試。通過調(diào)整康復(fù)理療儀終端的程序，人為設(shè)定終端1 min內(nèi)發(fā)送12個數(shù)據(jù)包，連續(xù)發(fā)送1 h。反復(fù)進行實驗，通過對云平臺服務(wù)器單位時間內(nèi)收到的數(shù)據(jù)包計數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，其每分鐘收到的數(shù)據(jù)包的個數(shù)在10～12之間，1 h內(nèi)共計收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)在710～720之間，并且每一包數(shù)據(jù)都可靠，丟包率在2%以下，從而說明該系統(tǒng)具有較強的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力。

5 結(jié) 語

通過對系統(tǒng)的整體測試發(fā)現(xiàn)康復(fù)理療儀理療波形完整，具有較優(yōu)的理療效果，終端在無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方面具備較高的準(zhǔn)確性，丟包率在合理范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)對患者進行遠程康復(fù)監(jiān)督與精確的康復(fù)理療指導(dǎo)，滿足實際需求。下一步對如何提高康復(fù)理療儀治療效果，增強系統(tǒng)的易用性及降低節(jié)點功耗做進一步研究；同時將結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等技術(shù)，研究如何根據(jù)采集到的海量康復(fù)理療數(shù)據(jù)，為患者制定更加合理的理療方案，以及對被監(jiān)測患者的身體健康狀態(tài)進行分析和預(yù)測。

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