基于Android的腿矯正與傳輸監測系統

潘勇強 候天宇 殷愛菡 成楠

摘 要：文中設計一款針對腿部康復自我訓練的物聯網傳輸監測系統，通過病人手機APP連接一套腿部矯形器，并發送指令控制矯形器，對腿部進行彎曲度與頻率的調節做康復運動。該系統可輔助病人進行腿部康復矯正，APP由Android部署，通過藍牙鏈路發送指令。Arduino UNO單片機是系統核心控制器，利用其接收指令，控制矯形器運動。Tiny Web DB是云空間，連接各類傳感器，記錄用戶運動數據，并實時將數據傳輸給醫師，方便醫師遠程監測病人的數據信息與康復狀態。

關鍵詞：腿矯正;康復訓練;手機APP;Android;傳輸監測;云空間

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-00-04

0 引 言

截癱是脊髓受傷而引起下半身癱瘓的主要原因[1]?，F階段，我國截癱患者約有3 069萬人，約占殘疾總人口的37%[2]。由于下半身失去知覺，患者會逐步喪失保持身體姿勢的能力，大多數截癱患者在患病后希望能夠進行腿部鍛煉以防止截癱并發癥的發生[3]。因此，對截癱患者進行常規的運動訓練非常必要。國內外現有資料顯示，當今癱瘓康復性訓練的主要方法是截斷性藥物介入，佩戴固定肢具并輔助以人工針灸作業理療。但在治療過程中，病人普遍出現了一定的藥物副作用反應，且在醫師人工針灸理療過程中，極大地浪費了人力資源，不利于推廣[4-5]。針對國內外的發展現狀，本文設計一款針對腿部康復自我訓練的物聯網傳輸監測系統[6]，即通過病人手機APP連接一套腿部矯形器，并發送指令控制矯形器，對腿部進行彎曲度與頻率的調節做康復運動。該系統采用機械輔助腿部運動的模式取代傳統人工作業理療模式，更為精確便利。在APP設計上，插入云空間模塊，允許用戶在數據庫中持久存儲運動數據，并反饋至網絡與專業醫師共享，方便醫師通過信息共享的物聯網系統了解病人理療狀態，并及時制定下一步運動計劃，可節約大量的人力資源。

1 結構設計

本文系統由硬件部分、軟件應用程序及數據傳輸鏈路三部分組成。Arduino UNO單片機控制器與腿部矯形器是該系統的硬件，APP Inventor 開發組件與Tiny Web DB云端數據庫是該系統的軟件工具，藍牙傳輸模塊與脈搏傳感器組成了該系統的傳輸鏈路模塊。系統組成如圖1所示。

1.1 硬件模塊

DF-Bluetooth V3藍牙模塊的作用是進行透明串行數據的傳輸，同時負責Android設備與Arduino 單片機之間的通信。藍牙模塊包含“STATE LINK”顯示連接狀態，以及2.4 G～2.48 GHz經許可的ISM波段天線傳輸的高質量頻率信號與DIP開關設置狀態。此藍牙模塊與任何Android設備均能兼容。DF-Bluetooth V3藍牙模塊如圖2所示。

Arduino UNO R3單片機是腿部矯形器的微控制器，它有6個模擬引腳（引腳A0～A5）和14個數字輸入與輸出引腳（引腳0～13），數字端口的6個引腳可用作PWM輸出。本文系統中，脈博傳感器輸入連接到模擬引腳端口，藍牙模塊和電機驅動器連接到數字引腳端口，其工作電壓一般為3.3～5 V。Arduino UNO R3單片機模塊如圖3所示。脈搏傳感器是一個即插即用的心率傳感器。本文系統中，脈搏傳感器經過Arduino UNO R3控制器的傳輸在Android應用程序上顯示患者脈搏數據及心率圖。脈搏傳感器模塊如本文系統中，腿部矯形器由金屬板架以及驅動器組成，由12 V鉛酸可充電電池提供動力，它由Arduino UNO控制，并以MD30C 30 A直流電機驅動器驅動矯形器工作。腿部矯形器模塊如圖5所示。

1.2 軟件系統

APP應用是系統程序基于網絡的部署，應用的開發程序[7]是MIT APP Inventor 2。APP Inventor是提供給Android的開源Web應用平臺，由美國麻省理工學院維護技術。麻省理工學院的APP Inventor 2（BETA）平臺由Google APP Server，APP Inventor Designer和塊編輯器組成，提供免費的基于云的服務，程序員可使用Web瀏覽器訪問。APP Inventor開發軟件如圖6所示。

1.3 BPM數據

BPM用于記錄腿部矯形器運動的開始與結束期間用戶捕獲及手動插入的每分鐘節拍數，也是整個系統的核心部分。用戶運動時，手機APP通過脈搏傳感器記錄用戶的脈搏跳動頻率，并將其轉化為可顯示的心率圖與數值進行實時顯示。與此同時，APP中的數值計算模塊記錄腿部矯形器單次運動的時間，將其乘以運動速度可得出腿部矯形器在該頻率內的運動弧度ω，其與BPM數據一同反饋給醫師，構成病人運動狀況的主要參考數據。在APP上，用戶可選擇單擊“檢查脈沖率”按鈕讀取BPM數據與運動弧度值，此時出現一個新窗口，顯示脈搏傳感器記錄的數據。用戶也可單擊顯示屏上的“平均BPM”按鈕，用于計算BPM讀數的平均值。BPM數據記錄如圖8所示。

由于運動日期與時間都需要及時由醫師記錄，因此BPM數據必須存儲在基于Web的數據庫中。Tiny Web DB是一個APP Inventor組件，允許用戶將數據持久存儲在可用的數據庫網絡中[8]。因此本文系統使用Tiny Web DB數據庫，用于搭建腿部矯形器的數據庫。這是一個臨時網站，存儲平均BPM、運動日期與時間等用戶數據。啟動時，APP應用程序確定用戶標簽以登錄系統，標簽是唯一的ID號，每位截癱病人將有不同的標簽號碼。醫師也可使用病人的標簽號登錄以便實時掌握病人的康復狀態，方便進一步診療。Tiny Web DB數據庫如圖9所示。

2 系統流程

整個系統各模塊間的聯通如圖10所示。由手機終端APP向控制器發送運動指令信號，同時手機終端自動登錄云端數據庫賬號，數據庫接收數據，控制器將運動命令通過藍牙鏈路傳輸至腿部矯形器，腿部矯形器進行輔助運動，控制器將記錄用戶運動數據的命令發送至脈搏傳感器。當脈搏傳感器記錄了用戶信息后，便將用戶數據信息傳輸至控制器，控制器將賬號數據信息存儲在Tiny Web DB數據庫中，方便醫師參考。

應用程序布局如圖11所示。用戶選擇APP應用程序，打開Android設備的藍牙連接，點擊“連接”按鈕，彈出一個新窗口。在新窗口中可檢測到各種可用的藍牙連接，找到適當的藍牙連接并連接到DF-Bluetooth V3。此時，應用程序即可控制運動腿部矯形器。列表選擇器用于顯示藍牙與Android設備配對是否連接成功，若藍牙連接與DF-Bluetooth V3成功配對，則選擇器中的綠色文本將通知“LOE 進入”;若藍牙連接未成功配對就使用DF-Bluetooth V3，則選擇器中的紅色文本將通知“LOE禁用”。

連接成功進入APP界面后，單擊每個按鈕，可顯示對應的應用窗口，此功能的日期、時間與Android相符，用戶需驗證日期與時間。主界面上有停止、前進與后退三個主要控制按鈕，用以控制腿部矯形器運動。若單擊“停止”按鈕，則腿部矯形器停止移動;若單擊“前進”按鈕，則腿部矯形器向上移動;若單擊“后退”按鈕，則腿部矯形器向下移動。用戶也可通過單擊不同的按鈕繼續鍛煉。

3 測試結果

對整個系統進行測試，APP工作狀態及各按鈕功能顯示界面如圖12所示。

藍牙連接：用戶需在Android設備上激活藍牙功能，圖12中的按鈕顯示了藍牙連接的功能。若未連接成功，則STATE的LED將一直閃爍，GUI以紅色文本通知“LOE禁用”;若連接成功處于link狀態，則LED亮起，GUI以綠色文本通知“LOE進入”。

模式選擇：用戶需發送“停止”“前進”或“后退”信號，用于控制腿部矯形器，選擇“停止”，腿部矯形器停止移動;選擇“前進”，腿部矯形器向前移動;選擇“后退”，腿部矯形器反向移動。

檢查脈沖頻率：用戶可單擊“檢查脈沖頻率”按鈕檢查其當前脈沖讀數，單擊按鈕后，脈沖頻率屏幕顯示當前運動的脈搏值。

平均BPM：用戶需輸入練習開始與結束時的脈搏值，通過單擊“平均BPM”按鈕確定平均脈率讀數。

微小的Web數據庫：用戶將提交的脈沖頻率數據上傳至網絡數據庫，提交的數據可在網上查看與分析，用戶或醫師可通過插入標簽獲取數據。

4 結 語

本文開發了基于Android的腿矯正與傳輸監測系統，該系統能夠幫助醫師在病人康復過程中檢測病人控制使用矯形器的過程及數據信息。同時，Tiny Web DB，APP Inventor界面與Android平臺能夠很好地幫助用戶管理系統。目前，該系統處于初步開發階段，亟需改善，后期可對整個系統進行更復雜的控制與升級。

參 考 文 獻

[1] IBRAHIM K，LEE Y，KANOO L L，et al.脊髓的流行病學[Z].吉隆坡醫院脊髓損傷，2013.

[2]陳三軍，周律，陳功.中國肢體殘疾人口生存率現狀分析[J].殘疾人研究，2011（2）：39-43.

[3]李澤輝，劉曉華，趙世芬.外傷性截癱患者對延續護理的需求及實施效果分析[J].世界中醫藥，2015，10（A01）：337-338.

[4]王懷權.益氣活血湯加減聯合針灸治療脊髓損傷性截癱效果觀察[J].現代中西醫結合雜志，2018（28）：3165-3167.

[5] MENDES M A，SZECEL D，HANS G A ， et al.Delayed paraplegia after endovascular treatment of a thoracoabdominal aortic aneurysm successfully managed using cerebrospinal fluid drainage[J].Journal of cardiothoracic and vascular anesthesia，2016，30（5）：1358-1360.

[6]張景龍，熊曉明.基于云平臺的病人信息傳遞系統[J].電子器件，2018（5）：1334-1340.

[7]李文川，曾玉.APP Inventor 2的項目應用及教學策略[J].電子技術與軟件工程，2018（11）：55-56.

[8]趙海梅.基于Web數據庫的動態網頁模板的設計與開發[J].數字通信世界，2018（2）：57.

[9]楊三偉.基于Android系統的健康信息遠程采集系統的設計與實現[D].北京：北京工業大學，2017.

[10]崔會民，吳相思.胸段脊髓損傷不完全截癱使用截癱步行矯形器對下肢運動功能的影響[J].國際醫藥衛生導報，2018（7）：1021-1023.