基於MEMS傳感器的肢體康複程度檢測係統
技術與應用
作者：陳俊江 李華 湯呈祥 梁銘鋒 宋曉祥
[摘 要] 一直以來，對於患者肢體康複程度的評估通常是依據醫生多年的臨床經驗進行判斷，診斷過程中偶爾會出現失誤。因此，文章設計基於MEMS傳感器的肢體康複程度檢測係統。在檢測時，被測者佩戴傳感器模塊進行指定運動，采集運動數據通過藍牙傳送到計算機終端，在計算機上利用MATLAB軟件設計算法處理並分析數據。康複度K是衡量康複程度的標準，推導出K的表達式，並設計實驗驗證了表達式的合理性。該肢體康複檢測係統能夠提供準確數據供醫生參考，並且為遠程醫療奠定技術基礎。
[關鍵詞] MEMS傳感器；肢體運動檢測；康複程度
[基金項目] 廣西教育廳重點項目：“基於北鬥衛星導航的嵌入式調度係統開發”，項目編號：ZD2014003；廣西大學2014年度“大學生創新創業訓練計劃”自治區級創新訓練立項資助項目：“基於MEMS傳感器的人體肢體運動檢測係統”
[作者簡介] 陳俊江，廣西大學計算機與電子信息學院工程師，研究方向：嵌入式應用開發，廣西 南寧，530004；李華，廣西大學計算機與電子信息學院本科生，廣西 南寧，530004；湯呈祥，廣西大學計算機與電子信息學院本科生，廣西 南寧，530004；梁銘鋒，廣西大學計算機與電子信息學院本科生，廣西 南寧，530004；宋曉祥，廣西大學計算機與電子信息學院本科生，廣西 南寧，530004
[中圖分類號] TP212 [文獻標識碼] A [文章編號] 1007-7723（2015）04-0028—0005
一、引言
（一）研究背景
運動功能障礙治療過程中較為重要的環節是康複程度檢測，但當前的康複程度檢測成本高、靈活性低、對器械和醫護人員的依賴性強，這些不足將影響病人的康複。針對於肢體康複程度的檢測，傳統醫學經常是通過醫生的常年臨床經驗進行判別，要求醫生有豐富的臨床經驗，但即使如此，診斷過程中往往因為不同的人的體質和營養水平不同也會偶然出現診斷的失誤。隨著現代醫學的發展，X線、CT或者核磁共振技術結合圖像顯示處理技術被廣泛應用於肢體康複醫療的診斷，但設備價格高昂以及需要專門操作人員，而且X射線對人體有一定輻射危害。根據當前醫療器械的需求和部分醫學工作者的反饋，研發一種廉價、易於操作並可以準確進行肢體康複程度檢測的設備是非常必要的。將MEMS傳感器應用於肢體康複程度的檢測是一個全新的可探究的發展方向。
近年來，MEMS傳感器技術逐漸興起，並廣泛應用於航空航天[1]、機械自動化12]、軍事武器研發[3]和醫學領域[4]。MEMS傳感器可以測出運動時的加速度和角速度，利用這一功能設計相關算法，實現了醫學的肢體康複程度檢測，可以有效解決當前康複檢測中醫療器械昂貴和醫生臨床判斷失誤的問題，彌補當前康複檢測的不足，是對未來醫學肢體康複檢測新道路的探索和開辟。
目前，世界各國的科研和醫療機構、團隊研發了許多先進的肢體康複檢測係統。美國專注於研製康複設備的Biodex公司研發了BiodexSystem康複係統。它可以實現康複訓練和康複程度的檢測評估，采集康複過程中的患者生理數據，是目前應用於實際醫療康複領域的最先進的設備。但該係統采用有線方式傳輸患者數據，限製了患者的實際行動能力，並且價格非常高昂。在國際上，一些專家和學者已經利用MEMS傳感器進行醫療和肢體檢測方麵的研究。例如來自電氣和電子工程師協會（IEEE，全稱是Institute of Electrical and Electronics Engineers）的一些學者利用MEMS傳感器進行了手勢識別的研究，並基於72個實驗結果驗證了手勢識別的準確性[5]，但他們所設計的算法非常複雜，具體推廣起來難以實現，短時間內無法應用於醫學領域。
在國內，基於MEMS傳感器肢體運動檢測係統的設計與開發也逐漸成為研究熱點。例如，清華大學基於MEMS傳感器對交通警察指揮手勢的識別[6]，沈陽工業大學基於加速度傳感器對步態信號的檢測[7]，電子科技大學基於MEMS傳感器和Zigbee網絡對人體動作的捕捉係統設計[8]等。本文提出的基於MEMS肢體運動檢測係統主要應用於醫療領域，能夠準確地向醫生提供患者的肢體運動信息。本文中不僅推導出評價患者康複度的係數K，並且通過實驗驗證了其合理性，使係統在實際應用中操作簡便。不僅如此，係統的成本較為低廉，易於推廣，可以廣泛地應用於日常的生活和醫療實踐。
二、係統平台搭建
肢體康複程度檢測係統主要包括數據采集模塊、數據傳輸模塊及數據處理模塊。數據采集模塊主要是基於MEMS傳感器MPU6050讀取角加速度值[9]，利用無線藍牙將數據傳送到PC端。數據處理模塊包括利用單片機對MPU6050采集到的原始數據進行卡爾曼濾波，以及在PC端利用MATLAB軟件接收到的數據進行處理。
三、模塊介紹
（一）MEMS傳感器MPU6050簡介
MEMS是集微型機構、傳感器信號處理、控製等功能於一體的、具有信息獲取、處理和執行等多功能的係統，屬於多學科交叉的新領域， 是融合微電子與精密機械加工的技術， 是毫米級下的可控製、可移動微型機電裝置。MEMS技術最初應用在汽車工業，後來在生物、國防、移動應用、消費電子和航空航天等不同領域得到廣泛的應用[10]。MPU6050是一款新型的MEMS傳感器，它集成了3軸MEMS陀螺儀、3軸MEMS加速度計以及一個可擴展的數字運動處理器DMP。
MPU6050對陀螺儀和加速度計分別用了三個16位的ADC，將其測量的模擬量轉化為可輸出的數字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運動，傳感器的測量範圍都是用戶可控的。
MPU6050的主要特點有：
（1）以數字輸出6軸或9軸的旋轉矩陣、四元數、歐拉角格式的融合演算數據。
（2）具有131LSBs/°/sec敏感度與全格感測範圍為±250、±500、±1000、±2000°/sec的3軸角速度感測器（陀螺儀）。