基于单片机设计康复仪的方法及其应用

　　1． 引言

　　人类的

是人能够进行各种运动的基础，人的站立、坐卧、行走都需要有。一旦人的有障碍，则人的行动能力就受制约，给学习、生活带来极大的不便。在现代化的社会，人口老龄化问题突出，老年人因某种疾病而导致脑损伤引起降低，行动能力受阻。因此，在临床治疗中,需要一种能对平衡功能检验的设备。我校在上海瑞金医院的协作下，在分析了国际、国内有关资料的基础上，应用先进的计算机控制技术研制成功了多功能的人体平衡。使用该仪器可以客观、定量地进行平衡功能的测试、分析和训练，可以地进行的和。为临床研究提供了有效的手段。

　　2．仪器功能

　　·仪器的测量范围：10---360kg
　　·重心位置：±1.0mm
　　·供电220V交流
　　·仪器可提供重心分布图、位移图、平衡雷达图、重心谱图，可以进行人体

的定量分析。
　　·仪器可实现静态的睁眼和闭眼两种状态下的人体的测试。
　　·仪器可以供人体的动态测试和训练。

　　3．衡

的设计原理

　　平衡

是通过测量人体的重心运动轨迹图，并对重心运动轨迹图进行分析从而获得人体的一系列数据。一个物体的重心就是该物体的各部分重力的合力的作用点，而人体的重心则是人体的各部分重力的合力的作用点。人体站立时，会不可避免地存在着轻微的晃动和摇摆，而人体的各个部分的任何活动都会引起人体重心位置的变化，因此这些轻微的晃动和摇摆必然引起人体的重心位置的改变。这种重心位置的变化，反映了人体晃动和摇摆的程度和规律，是研究人体平衡功能状态的重要依据。

　　因此，在平衡

中，我们用重力应变器和构成一个重力测试平台，对人体站立时的重心运动轨迹进行实时测量，将测量得到的人体重心运动轨迹数据通过RS-232串行接口传送到上位计算机，重力测试平台每秒钟测试30个人体重心运动轨迹数据。在上位计算机中，应用VISUAL  BASIC可视化语言编程，对重力测试平台传送的人体重心运动轨迹数据进行计算、分析后，画出人体重心运动的动态轨迹图、重心分布图、位移图、重心谱图、平衡雷达图和参数表，可以分睁眼和闭眼两种方式测试人体的重心运动轨迹。临床医生通过对图形和参数表的观察、分析，能对病情进行判断和治疗。

　　为了帮助有平衡障碍的患者恢复

，需要对患者进行的训练。在平衡中，我们应用VISUAL  BASIC可视化语言以及多媒体技术，设计了动态训练程序。在该程序中，利用语言、音乐和动态图形，使患者在愉快、轻松的虚拟环境中进行的训练，并可以根据患者的选择适合自己的训练强度的方式进行的康复训练。临床医生也可以选择合适的方案，对患者进行的康复训练和治疗，或进行的动态测试。

　　在平衡

中，人体重心运动轨迹的测量是该仪器的关键所在。为了使测试平台便于使用和校验，我们使用进行人体重心运动轨迹的实时测量，使用PC机进行数据处理和生成所需的图形。

　　4． 

的结构

　　4．1

的结构示意图

　　图中，重力传感器1-6是型号为NEA-60kg的重量传感器，它们分别安装在二个测试平台的三个角上，用于测量人体重心的运动参数。重力传感器的输出信号与

相连接，由按每秒30次的采样速度测得人体重心运动的动态轨迹，并通过RS-232串行口把数据传送到PC计算机。在计算机中对测量的数据进行处理，并生成相应的图像显示，还可以通过打印机予以记录。

　　4．2测试平台

　　测试平台共有两块，每块由45厘米等边三角形5mm厚的钢板和三个重力传感器构成。三个传感器均匀地分布在测试平台的三个顶角上，每个传感器的测量范围为0-60 Kg。一般人的体重在100Kg以下，考虑到人体站立上去的冲击力量，我们设计的测试平台负荷为0-180Kg，因此两个测试平台的总负荷为360Kg。经过测试，该测试平台完全能够承受，并且，在每个测试平台的重力传感器边上安装了防过载装置。

　　4．3人体重心运动轨迹测量仪

　　测量仪选用与MCS-51系列

兼容的AT89C52 CPU芯片，内带8K字节的闪存可重复擦写1000次，数据保存10年。该功耗低，修改程序方便。负责数据的实时采集和传送。传感器传送来的测量信号变换成频率信号，通过AT89C52的T0口输入，测量精度高，便于光电隔离，抗干扰能力强。人体重心运动轨迹的采样是通过力学中的力矩平衡原理来实施的。仪器在测量平台的三个角上均匀分布了三个力传感器。人站在测量平台上，人体的重心通过测量平台传递到力传感器上。不断地检测传感器输出的信号，并通过力矩平衡原理进行力学计算，求出人体重心运动的轨迹，本项目测量精度为±0.1kg采集处理后的人体重心运动轨迹数据，通过RS-232串行口接到一块MAX-232芯片上，并通过MAX-232芯片与PC机交换信息，完成人体重心运动轨迹的实时测量工作。

　　4．4数据处理与图像生成系统

　　采用PC计算机，在Windows操作平台下，利用Visual Basic的串行口编程功能读取

传送来的数据。数据进行处理后，形成重心分布图、位移图、平衡雷达图、重心谱图、参数表等四图一表的信息。

　　在人机交互方面，登录测试者的信息，包括姓名、门诊编号、身高、体重、年龄、性别等信息，并有语言、音乐、背景图像等多媒体予以辅助。

　　Visual Basic简称VB是一种可视化的语言，在Windows环境下的语言开发工具。在程序开发过程中，特别是图形处理方面不必编写代码去描述界面元素的外观和位置，只要把预先建立的对象拖放到屏幕上的一点即可。在VB环境下，利用事件驱动的编程机制、新颖易用的可视化设计工具，使用Windows内部的应用程序接口（API）函数，以及动态连接库（DLL）、动态数据交换（DDE）、对象的链接与嵌入（OLE）开放式数据库访问（ODBC）等技术，可以高效、快速地开发出Windows环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统。

　　5．项目应用前景

　　国际上已经有应用计算机进行人体

的测试和分析的研究，国内也有个别单位研制静态平衡仪。我们这次研制的人体平衡，是在吸取了已有的平衡仪的优点的基础上，充分了解了上海瑞金医院的临床诊断要求，研制出了具有和双重功能的平衡。在方面包含了较多的参数，在方面，既有康复训练的内容，还包括临床研究部分。该仪器既可以作为临床治疗用，也可以供临床研究用，具有较宽的应用面。

　　随着我国老龄人口的增长和生活现代化发展，人体

方面的疾病不断增多，

　　开展这方面的研究和治疗的需求也日益增加。进口的仪器价格昂贵，每台仪器在几十万元左右，并且没有汉化功能，使用很不方便，也难以进行两次开发。而我们自己研制的仪器，功能方面胜过进口的，价格仅十几万元，为进口仪器的三分之一到 四分之一，而且便于进行两次开发。随着医保的普及和人们对健康的重视，对人体平衡

这一类医疗设备的需求，将会有较大的发展，而且这种低价格的仪器比较容易进入社区医院。我们相信平衡必将在临床治疗和临床研究方面获得广泛的应用，为人类的健康作出贡献，为提高人类的生活质量作出贡献。

　　参考文献

　　1． 全国电脑型人体平衡检测仪应用研讨会资料汇编 
　　上海市康复医学会神经康复专业委员会    1997年
　　2. 范逸之      Visual Basic与RS232串行通信控制    中国青年出版社   2000,8
　　3. 常健生 等   检测与转换技术                      机械工业出版社   2002,3
　　4  曹柏荣 等  

原理及应用技术                中国民航出版社   2003,7
　　5. 马西秦 等   自动检测技术                      机械工业出版社     2000,5
　　6. 李朝青     PC机及数据通信技术          空航天大学出版社   2000,12