手功能康復(fù)評估裝置設(shè)計(jì)

鄔海濤 于婷

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一款手功能康復(fù)評估的裝置，通過采集手部肌電信號和手指彎曲信號，并進(jìn)行信號處理，來獲得肌力等級和手指靈活度等級，可以為醫(yī)生提供診斷信息，有利于手功能康復(fù)評估和跟蹤觀察。

關(guān)鍵詞：手功能;康復(fù)評估;肌電;靈活度

手部對于人們?nèi)粘Ｉ钪陵P(guān)重要，需要它的配合來完成生活中非常多的動作。研究數(shù)據(jù)表明：我國肢體殘疾人口達(dá)到2000余萬人，大部分患者生活自理問題嚴(yán)重，尤其是在操作計(jì)算機(jī)及智能產(chǎn)品方面受到極大限制，給工作和生活極大不便[1]。因此，設(shè)計(jì)一款手功能康復(fù)評估裝置是十分必要的，一方面可以為患者提供準(zhǔn)確的康復(fù)訓(xùn)練指導(dǎo)[2]。另一方面，通過分析手部功能康復(fù)狀態(tài)，為醫(yī)生提供診斷信息，有利于后期的評估以及觀察治療。圖1為帕金森病人手部抖動情況示意圖，圖2為手功能評估手套。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文通過采集手部肌電信號和手指彎曲信號，來獲得肌力等級和主動活動度等級綜合評估手功能恢復(fù)情況。該裝置成本低、體積小，提高了患者日常活動使用的便攜性。而且，通過該裝置可以跟蹤使用者手部的彎曲信號和肌電信號，方便醫(yī)生了解患者恢復(fù)狀況，圖3為手功能康復(fù)評估系統(tǒng)的原理框圖。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號采集

本文采用一款專門用于肌電信號采集的MYO集成模塊作為信號采集前端[3]。MYO具有高度集成性，可以將傳感器信號進(jìn)行放大、濾波等模擬調(diào)制，同時內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器，直接將肌肉的活動量以數(shù)字信號輸出。工作電壓為3.3V到5V。MYO還內(nèi)置存儲芯片，具有數(shù)據(jù)儲存功能。MYO數(shù)據(jù)輸出形式多樣，包括原始肌電信、模擬調(diào)制后的脈沖肌電信號以及數(shù)字信號，而且信號比較理想，因而省去了后續(xù)的放大、整形、濾波、去噪及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。本文所設(shè)計(jì)裝置只需要將MYO輸出信號連到微處理器進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)通信即可。肌電采集模塊MYO如圖4所示：

2.2 信號傳輸

本文所設(shè)計(jì)裝置采用藍(lán)牙無線通訊形式與上位機(jī)保持?jǐn)?shù)據(jù)通信。藍(lán)牙模塊選擇主從一體的HC05-V11芯片，是一款應(yīng)用十分廣泛的藍(lán)牙模塊，支持波特率范圍寬（4800～1382400），電壓采用5V或3.3V，方便與肌電信號采集模塊MYO連接。微控制器通過兩根電源線以及兩根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙模塊的連接。其中，VCC和GND為供電電壓，TXD和RXD連接微控制器機(jī)的RXD和TXD。圖5為藍(lán)牙與微控制器接口連接圖。

2.3 微控制器模塊

本文所設(shè)計(jì)裝置的主控制器采用stm32芯片，完成肌電信號采集、處理、傳輸及存儲。stm32具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）外設(shè)接口豐富;（2）內(nèi)部寄存器多;（3）速度快;（4）效率高;（5）功耗低?？傊且豢钚詢r比很高的微處理器[4]。同時，stm32內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，不需要外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器，減少了信號的干擾，簡化了硬件電路。圖6為本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件電路圖。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1靈活度評估

本文采用常用的TAM（主動活動總度數(shù)）法進(jìn)行手指靈活度評估，首先采用彎曲傳感器進(jìn)行各關(guān)節(jié)彎曲信號的獲取，再結(jié)合TAMTAM等級表，得出其靈活度[5]。評定流程如圖7所示。

3.2 肌力評估

手部肌力測評采用Lovetter方法進(jìn)行上肢測量。采用肌電傳感器采集手部肌電信號，再將所測得的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，結(jié)合肌力評定標(biāo)準(zhǔn)表得出其肌力評估[6]。對照如右表所示：

4 結(jié)語

本文介紹了一款用于手功能康復(fù)程度評估的裝置，從總體設(shè)計(jì)、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析等方面進(jìn)行了闡述，分析了傳感器電路、主控制器電路、藍(lán)牙傳輸電路設(shè)計(jì)，介紹了肌力等級分析及靈活度分析。本文所設(shè)計(jì)裝置成本低、功耗低、體積小、易佩戴、性能好，滿足日常手功能康復(fù)評估的需求。

參考文獻(xiàn)：

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[6]趙裕沛.面向手部康復(fù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)手套技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2018.

作者簡介：鄔海濤（1979—），吉林長春人，博士，副主任醫(yī)師，主要研究方向：脊柱及神經(jīng)修復(fù)。