某膝關節(jié)可穿戴診療設備的方案設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u5216某膝關節(jié)可穿戴診療設備的方案設計案例 1300671.1膝關節(jié)阻抗測量模塊 1102501.1.1生物阻抗 1135081.1.2膝關節(jié)生物阻抗測量方法 2284921.2膝關節(jié)關節(jié)音測量模塊 3294391.2.1關節(jié)音產生的原因 335041.2.2關節(jié)音測量方法 4197561.3關節(jié)夾角測量 574881.4人體關節(jié)可穿戴診療裝置組成 6在膝關節(jié)可穿戴診療設備中選用膝關節(jié)健康評判標準的三個參數分別為：膝關節(jié)關節(jié)音、膝關節(jié)關節(jié)阻抗和膝關節(jié)運動狀態(tài)。通過在可穿戴設備中布置的傳感器測量到這三個參數的具體數值，以此達到針對不同的膝關節(jié)情況進行具體的治療的目的?？纱┐髟O備主要分為膝關節(jié)阻抗測量模塊、關節(jié)音測量模塊、下肢運動測量模塊、電源模塊和顯示模塊。1.1膝關節(jié)阻抗測量模塊1.1.1生物阻抗關節(jié)疾病發(fā)病率中，膝關節(jié)最高，積液是多數膝關節(jié)疾病中最常見的病理現象，在臨床上是指膝關節(jié)滑液量超過正常值而引起的腫脹現象。當有全身性疾病或膝關節(jié)病變時，關節(jié)會產生積水、腫脹，使關節(jié)內壓增高。關節(jié)積液的成分與人體組織液相似，具有導電性。因此，當膝關節(jié)積液的含量發(fā)生變化時，膝關節(jié)的生物阻抗也會發(fā)生變化。MRI、超聲、關節(jié)鏡等是目前膝關節(jié)疾病的臨床檢查的主要方式，與這些檢查相比，生物電阻抗檢測法具有無創(chuàng)、方便、快速、準確、成本低等特點，但是其價格昂貴，或有一定的局限性或侵入性不足，生物電阻抗法在膝關節(jié)疾病的檢測和診斷中具有一定的研究價值。人體細胞內外的液體導電。生物組織在電流的激勵下，受組織成分、結構、健康狀況和應用信號頻率的影響，會產生復雜的電阻抗。不同組織的電阻率不同。不同的組織交叉在一起形成非均勻介質的導體，使生物組織具有電特性。生物電阻抗測量技術一般是將激勵電極置于體表，向被測部位注入微弱電流。檢測電極檢測被測部件的電壓信號，然后根據測量信號計算出相應的阻抗值，以便后續(xù)分析。研究發(fā)現，隨著膝關節(jié)損傷的加重，膝關節(jié)積液會增多。當膝關節(jié)體積變化不大時，整個膝關節(jié)的導電性增加，膝關節(jié)間的阻抗隨著滲出量的增加而減小。有的論文提取每個檢測點的電位數據來計算阻抗值，并繪制出不同程度的滲出阻抗曲線，如圖所示，從圖中可以看出，當膝關節(jié)損傷趨于嚴重時，人體電位降低，生理阻抗降低。因此，膝關節(jié)疾病的嚴重程度可以通過膝關節(jié)傳導率的增加或膝關節(jié)阻抗的降低來判斷。介電性能序號膝關節(jié)組成導電性（S/m）相對介電常數1血液0.751982骨皮質0.022643松質骨0.0856134軟骨0.17727625水腫（細胞外液）1.510006肌肉0.35100947皮膚（干燥）0.0002731126表4-1人體關節(jié)各部分介電性能\o"添加到收藏夾"1.1.2膝關節(jié)生物阻抗測量方法ADuCM350是一款超低功耗集成混合信號計量解決方案，包含一個微控制器子系統(tǒng)用于處理、控制和連接。該處理器子系統(tǒng)基于低功耗ARM?Cortex?-M3處理器，由數字外設、嵌入式SRAM和閃存、一個提供時鐘、復位和功耗管理功能的模擬子系統(tǒng)組成，能夠獨立高精密地測量電流、電壓、阻抗，是為監(jiān)護生命體征的穿戴設備應用開發(fā)的，重點是能夠將檢測體征顯示出來，并可與PC機對接膝關節(jié)的阻抗測量方法一般采用的是四電極法，將環(huán)形激勵電流布置在膝關節(jié)的上下兩側，電流激勵裝置一般取值為0.02mA和50HZ的電流，并且在環(huán)形激勵電流之間選取檢測點作為檢測電極所組成，具體布置情況如圖所示。兩個檢測電極所測量到的電壓即為膝關節(jié)之間的電壓值，可以根據這個數值判斷膝關節(jié)的損傷程度。圖4--1雙電極測量關節(jié)阻抗值方法示意圖圖4-2ADuCM350阻抗測量傳感器1.2膝關節(jié)關節(jié)音測量模塊1.2.1關節(jié)音產生的原因雖然骨頭之間的關節(jié)腔是一個相對封閉的空間，但它充滿了潤滑關節(jié)液?；褐谐錆M各種氣體，這些氣體溶解在滑液中并產生微小的氣泡。當接頭被擠壓時，氣體會被釋放，或者氣泡會破裂并發(fā)出清脆的聲音。一般來說，一個聲音不會在短時間內發(fā)出第二個聲音。關節(jié)腔內滑液豐富，當韌帶與骨、骨與骨接觸時，它們之間會形成滑膜粘連。當關節(jié)移動時，粘連消失并發(fā)出聲音。此外，如果沒有日常鍛煉，關節(jié)間的滑液可能不足，這會導致關節(jié)處的骨頭相互摩擦，發(fā)出一些細小的聲音。隨著年齡的增長，關節(jié)里的潤滑劑會越來越少。如果潤滑不夠，接頭將不可避免地磨損。這時，關節(jié)炎、骨刺、骨質疏松等疾病就會出現，甚至導致骨壞死。這種關節(jié)反應是病理性的，通常伴有疼痛，活動受限，或關節(jié)突然卡住，一定要提高警惕，以下關節(jié)雜音，可能是疾病的征兆。噪音的常見原因包括：肩周炎、頸椎病、岡上肌鈣化等，當肘部“卡”在彎曲位置時，身體的一塊骨頭可能太軟，或者關節(jié)周圍的軟骨可能散在。從肘內側發(fā)出的聲音可能是尺神經脫位，非常容易治療，簡單的手術就能治愈。如果感到膝關節(jié)疼痛，走路時發(fā)出聲音，可能會發(fā)生軟骨撕裂。人蹲在馬上，膝蓋會發(fā)出聲音，因為此時，膝蓋承受的力量是身體的七倍，而聲音是身體組織的自我保護。如果關節(jié)有雜音，伴有疼痛，特別是不舒服的感覺，很可能是關節(jié)炎。當跟腱斷裂或撕裂時，會發(fā)出聲音。這通常是由于跟腱過度緊張。當然，有時沒有聲音，但腳跟很累，說明腳踝周圍的肌腱受損。手術是唯一的解決辦法。如果你扭傷腳踝并聽到聲音，很可能是扭傷，通常是連接骨頭的韌帶斷裂。異常關節(jié)音（關節(jié)雜音）被認為是顳下頜關節(jié)生物力學不和諧的信號。其發(fā)生與關節(jié)組織形態(tài)和功能的改變有關，如椎間盤位置異常、椎間盤變形或穿孔、關節(jié)骨組織改變、咬合功能障礙等。發(fā)音與腘突突然加速和椎間盤組織移位有關。一些學者發(fā)現，窩外九個突起的發(fā)音明顯高于窩內臀突的發(fā)音。關節(jié)彈跳是指關節(jié)窩分支過程中產生的異常關節(jié)音，可能是由于關節(jié)盤突運動速度不同所致：在張開運動中，鎖骨突在關節(jié)盤下表面旋轉，關節(jié)盤上表面沿關節(jié)窩和關節(jié)結節(jié)滑動。如果關節(jié)突的旋轉速度比椎間盤快，當關節(jié)突移出窩外時，椎間盤就會反彈釋放，導致關節(jié)雜音。關節(jié)韌帶的擴張變形：當關節(jié)盂突移出關節(jié)窩，超出關節(jié)結節(jié)時，關節(jié)韌帶仍然是固定的，因此需要扭轉韌帶以適應大腿突然的運動，可能引起韌帶振動和關節(jié)雜音。1.2.2關節(jié)音測量方法關節(jié)音在測量過程中會有很多的干擾，比如穿戴設備本身和膝蓋表皮之間的摩擦聲音對于傳感器采集數據的干擾以及傳感器之間的工作噪音的干擾都會影響到傳感器測量所得數據的準確性，這就需要在軟件編程過程中，通過算法濾波得到最理想的關節(jié)音數據。在測量過程中人體的一些活動對傳感器布置的影響以及出汗對于傳感器工作環(huán)境的影響都需要通過后面對傳感器布置的合理安排進行改善。PR-ZS-BZ-*板載噪聲模塊此模塊能夠實現聲音收集的基礎功能，完全滿足實驗要求，因為其體積小巧，也符合實際使用時的安裝要求。根據設備整體需要，對聲音模塊的精度等屬性也有一定的要求，根據查閱相關材料，關節(jié)音的頻率在1kHz左右，因此本設備的主要技術指標也能完全滿足實驗要求。圖4-3PR-ZS-BZ噪聲傳感器1.3關節(jié)夾角測量角度測量是人體關節(jié)診療設備中的一個部分，主要作用是測量出膝關節(jié)最大和最小的角度，以此來判斷膝關節(jié)的健康狀態(tài)。測角模塊采用兩個六軸傳感器，由加速度計和陀螺儀組成，可以測量加速度和角速度。加速度傳感器是一種能夠測量加速度的傳感器。它通常由質量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和自適應電路組成。在加速過程中，通過測量質量塊上的慣性力和牛頓第二定律得到加速度值。陀螺儀的原理是在不受外力影響的情況下，旋轉物體的旋轉軸方向不變。根據這個原則，人們用它來保持方向。然后通過各種方法讀取軸指示的方向，數據信號自動傳輸到控制系統(tǒng)。六軸傳感器可以測量電流傳感器各軸的偏移角，即橫擺角、橫滾角和俯仰角。 通過分別布置在大腿和小腿的傳感器，能夠分別獲得此時大腿和小腿的狀態(tài)，也就是三個角的大小。在單片機分別獲得了兩個六軸傳感器的三個角的大小之后，我們根據傳感器此時的安裝方式來選擇一個最合適的角進行運算。目前傳感器選擇的是豎直安裝方式，選擇的是X軸的夾角進行運算，通過計算可以獲得大腿和小腿之間的夾角，具體計算方式如下圖所示，通過測量計算可以將夾角精確到0.5°?？紤]到穿著褲子的情況下，誤差可以控制在在2°以內。使用模塊之前需要進行初始化。在進行模塊初始化，我們可以準確讀取到了模塊的姿態(tài)角，并且進行運算之后，我們需要將姿態(tài)角打印到串口調試助手當中。具體的程序運行流程圖如下圖所示。角度測量中采用的傳感器模塊是JY61模塊，這一模塊是由六軸傳感器MPU6050測量出模塊當前的狀態(tài)，并能夠自行的將測量到的數據發(fā)送出去?？梢酝ㄟ^TTL模塊直接連接到上位機查看此時的測量數據，也可以通過串口連接到單片機，進行接下來的數據處理。在使用模塊之前，需要將模塊進行安裝方式的選擇和矯正處理。圖4-4JY61姿態(tài)角度傳感器1.4人體關節(jié)可穿戴診療裝置組成一套完整的膝關節(jié)可穿戴設備包括：電源模塊、姿態(tài)角度傳感器模塊、噪聲傳感器模塊、阻抗測量模塊、微控制單元以及穿戴模塊。激光理療模塊由激光理療器或LED紅外理療燈構成，通過對患者相應病變部位進行光照達到治療的目的。電源模塊為整個系統(tǒng)提供電源。姿態(tài)角度傳感器模塊是測量角度所需的模塊，通過兩個姿態(tài)角度傳感器來測量患者大腿與小腿之間的夾角。噪聲傳感器模塊用于測量關節(jié)音，并對關節(jié)音進行濾波，保留高頻信號。阻抗測量模塊用于測量患者膝關節(jié)阻