基於微控制器設計**儀的方法及其應用
1． 引言
人類的平衡能力是人能夠進行各種運動的基礎，人的站立、坐臥、行走都需要有平衡能力。一旦人的平衡能力有障礙，則人的行動能力就受制約，給學習、生活帶來極大的不便。在現代化的社會，人口老齡化問題突出，老年人因某種疾病而導致腦損傷引起平衡能力降低，行動能力受阻。因此，在臨床**中,需要一種能對平衡功能檢驗的裝置。我校在上海瑞金醫院的協作下，在分析了國際、國內有關資料的基礎上，應用先進的計算機控制技術研製成功了多功能的人體平衡**儀。使用該儀器可以客觀、定量地進行平衡功能的測試、分析和訓練，可以地進行平衡能力的靜態測試和動態訓練。為臨床研究提供了有效的手段。
2．儀器功能
·儀器的測量範圍：10---360kg
·重心位置：±1.0mm
·供電220v交流
·儀器可提供重心分布圖、位移圖、平衡雷達圖、重心譜圖，可以進行人體平衡能力的定量分析。
·儀器可實現靜態的睜眼和閉眼兩種狀態下的人體重心軌跡的測試。
·儀器可以供人體平衡能力的動態測試和訓練。
3．衡**儀的設計原理
平衡**儀是通過測量人體的重心運動軌跡圖，並對重心運動軌跡圖進行分析從而獲得人體平衡能力的一系列資料。乙個物體的重心就是該物體的各部分重力的合力的作用點，而人體的重心則是人體的各部分重力的合力的作用點。人體站立時，會不可避免地存在著輕微的晃動和搖擺，而人體的各個部分的任何活動都會引起人體重心位置的變化，因此這些輕微的晃動和搖擺必然引起人體的重心位置的改變。這種重心位置的變化，反映了人體晃動和搖擺的程度和規律，是研究人體平衡功能狀態的重要依據。
因此，在平衡**儀中，我們用重力應變器和微控制器構成乙個重力測試平台，對人體站立時的重心運動軌跡進行實時測量，將測量得到的人體重心運動軌跡資料通過rs-232序列介面傳送到上位計算機，重力測試平台每秒鐘測試30個人體重心運動軌跡資料。在上位計算機中，應用visual basic視覺化語言程式設計，對重力測試平台傳送的人體重心運動軌跡資料進行計算、分析後，畫出人體重心運動的動態軌跡圖、重心分布圖、位移圖、重心譜圖、平衡雷達圖和參數列，可以分睜眼和閉眼兩種方式測試人體的重心運動軌跡。臨床醫生通過對圖形和參數列的觀察、分析，能對病情進行判斷和**。
為了幫助有平衡障礙的患者恢復平衡能力，需要對患者進行平衡能力的訓練。在平衡**儀中，我們應用visual basic視覺化語言以及多**技術，設計了動態平衡能力訓練程式。在該程式中，利用語言、**和動態圖形，使患者在愉快、輕鬆的虛擬環境中進行平衡能力的訓練，並可以根據患者的平衡能力選擇適合自己的訓練強度的方式進行平衡能力的**訓練。臨床醫生也可以選擇合適的方案，對患者進行平衡能力的**訓練和**，或進行平衡能力的動態測試。
在平衡**儀中，人體重心運動軌跡的測量是該儀器的關鍵所在。為了使測試平台便於使用和校驗，我們使用微控制器進行人體重心運動軌跡的實時測量，使用pc機進行資料處理和生成所需的圖形。
4． **儀的結構
4．1 **儀的結構示意圖
圖中，重力感測器1-6是型號為nea-60kg的重量感測器，它們分別安裝在二個測試平台的三個角上，用於測量人體重心的運動引數。重力感測器的輸出訊號與微控制器相連線，由微控制器按每秒30次的取樣速度測得人體重心運動的動態軌跡，並通過rs-232序列口把資料傳送到pc計算機。在計算機中對測量的資料進行處理，並生成相應的影象顯示，還可以通過印表機予以記錄。
4．2測試平台
測試平台共有兩塊，每塊由45厘公尺等邊三角形5mm厚的鋼板和三個重力感測器構成。三個感測器均勻地分布在測試平台的三個頂角上，每個感測器的測量範圍為0-60 kg。一般人的體重在100kg以下，考慮到人體站立上去的衝擊力量，我們設計的測試平台負荷為0-180kg，因此兩個測試平台的總負荷為360kg。經過測試，該測試平台完全能夠承受，並且，在每個測試平台的重力感測器邊上安裝了防過載裝置。
4．3人體重心運動軌跡測量儀
測量儀選用與mcs-51系列微控制器相容的at89c52 cpu晶元，內帶8k位元組的快閃儲存器可重複擦寫1000次，資料儲存10年。該微控制器功耗低，修改程式方便。負責資料的實時採集和傳送。感測器傳送來的測量訊號變換成頻率訊號，通過at89c52微控制器的t0口輸入，測量精度高，便於光電隔離，抗干擾能力強。人體重心運動軌跡的取樣是通過力學中的力矩平衡原理來實施的。儀器在測量平台的三個角上均勻分布了三個力感測器。人站在測量平台上，人體的重心通過測量平台傳遞到力感測器上。微控制器不斷地檢測感測器輸出的訊號，並通過力矩平衡原理進行力學計算，求出人體重心運動的軌跡，本專案測量精度為±0.1kg微控制器採集處理後的人體重心運動軌跡資料，通過rs-232序列口接到一塊max-232晶元上，並通過max-232晶元與pc機交換資訊，完**體重心運動軌跡的實時測量工作。
4．4資料處理與影象生成系統
採用pc計算機，在windows操作平台下，利用visual basic的序列口程式設計功能讀取微控制器傳送來的資料。資料進行處理後，形成重心分布圖、位移圖、平衡雷達圖、重心譜圖、參數列等四圖一表的資訊。
在人機互動方面，登入測試者的資訊，包括姓名、門診編號、身高、體重、年齡、性別等資訊，並有語言、**、背景影象等多**予以輔助。
visual basic簡稱vb是一種視覺化的語言，在windows環境下的語言開發工具。在程式開發過程中，特別是圖形處理方面不必編寫**去描述介面元素的外觀和位置，只要把預先建立的物件拖放到螢幕上的一點即可。在vb環境下，利用事件驅動的程式設計機制、新穎易用的視覺化設計工具，使用windows內部的應用程式介面（api）函式，以及動態連線庫（dll）、動態資料交換（dde）、物件的鏈結與嵌入（ole）開放式資料庫訪問（odbc）等技術，可以高效、快速地開發出windows環境下功能強大、圖形介面豐富的應用軟體系統。
5．專案應用前景
國際上已經有應用計算機進行人體平衡能力的測試和分析的研究，國內也有個別單位研製靜態平衡儀。我們這次研製的人體平衡**儀，是在吸取了已有的平衡儀的優點的基礎上，充分了解了上海瑞金醫院的臨床診斷要求，研製出了具有靜態測試和動態訓練雙重功能的平衡**儀。在靜態測試方面包含了較多的引數，在動態訓練方面，既有**訓練的內容，還包括臨床研究部分。該儀器既可以作為臨床**用，也可以供臨床研究用，具有較寬的應用面。
隨著我國老齡人口的增長和生活現代化發展，人體平衡能力方面的疾病不斷增多，
開展這方面的研究和**的需求也日益增加。進口的儀器**昂貴，每台儀器在幾十萬元左右，並且沒有漢化功能，使用很不方便，也難以進行兩次開發。而我們自己研製的儀器，功能方面勝過進口的，**僅十幾萬元，為進口儀器的三分之一到 四分之一，而且便於進行兩次開發。隨著醫保的普及和人們對健康的重視，對人體平衡**儀這一類醫療裝置的需求，將會有較大的發展，而且這種低**的儀器比較容易進入社群醫院。我們相信平衡**儀必將在臨床**和臨床研究方面獲得廣泛的應用，為人類的健康作出貢獻，為提高人類的生活質量作出貢獻。
參考文獻
1． 全國電腦型人體平衡檢測儀應用研討會資料彙編
上海市**醫學會神經**專業委員會 2023年
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