手功能康复评估装置设计

2023.06.27

邬海涛于婷

摘要：本文设计了一款手功能康复评估的装置，通过采集手部肌电信号和手指弯曲信号，并进行信号处理，来获得肌力等级和手指灵活度等级，可以为医生提供诊断信息，有利于手功能康复评估和跟踪观察。

关键词：手功能;康复评估;肌电;灵活度

手部对于人们日常生活至关重要，需要它的配合来完成生活中非常多的动作。研究数据表明：我国肢体残疾人口达到2000余万人，大部分患者生活自理问题严重，尤其是在操作计算机及智能产品方面受到极大限制，给工作和生活极大不便[1]。因此，设计一款手功能康复评估装置是十分必要的，一方面可以为患者提供准确的康复训练指导[2]。另一方面，通过分析手部功能康复状态，为医生提供诊断信息，有利于后期的评估以及观察治疗。图1为帕金森病人手部抖动情况示意图，图2为手功能评估手套。

1 系统总体设计

本文通过采集手部肌电信号和手指弯曲信号，来获得肌力等级和主动活动度等级综合评估手功能恢复情况。该装置成本低、体积小，提高了患者日常活动使用的便携性。而且，通过该装置可以跟踪使用者手部的弯曲信号和肌电信号，方便医生了解患者恢复状况，图3为手功能康复评估系统的原理框图。

2 系统硬件设计

2.1 信号采集

本文采用一款專门用于肌电信号采集的MYO集成模块作为信号采集前端[3]。MYO具有高度集成性，可以将传感器信号进行放大、滤波等模拟调制，同时内置模数转换器，直接将肌肉的活动量以数字信号输出。工作电压为3.3V到5V。MYO还内置存储芯片，具有数据储存功能。MYO数据输出形式多样，包括原始肌电信、模拟调制后的脉冲肌电信号以及数字信号，而且信号比较理想，因而省去了后续的放大、整形、滤波、去噪及模数转换电路。本文所设计装置只需要将MYO输出信号连到微处理器进行下一步的数据通信即可。肌电采集模块MYO如图4所示：

2.2 信号传输

本文所设计装置采用蓝牙无线通讯形式与上位机保持数据通信。蓝牙模块选择主从一体的HC05-V11芯片，是一款应用十分广泛的蓝牙模块，支持波特率范围宽（4800～1382400），电压采用5V或3.3V，方便与肌电信号采集模块MYO连接。微控制器通过两根电源线以及两根数据线实现与蓝牙模块的连接。其中，VCC和GND为供电电压，TXD和RXD连接微控制器机的RXD和TXD。图5为蓝牙与微控制器接口连接图。

2.3 微控制器模块

本文所设计装置的主控制器采用stm32芯片，完成肌电信号采集、处理、传输及存储。stm32具有如下优点：（1）外设接口丰富;（2）内部寄存器多;（3）速度快;（4）效率高;（5）功耗低。总之是一款性价比很高的微处理器[4]。同时，stm32内置12位模数转换器，不需要外部模数转换器，减少了信号的干扰，简化了硬件电路。图6为本文所设计的系统硬件电路图。

3 数据分析

3.1灵活度评估

本文采用常用的TAM（主动活动总度数）法进行手指灵活度评估，首先采用弯曲传感器进行各关节弯曲信号的获取，再结合TAMTAM等级表，得出其灵活度[5]。评定流程如图7所示。

3.2 肌力评估

手部肌力测评采用Lovetter方法进行上肢测量。采用肌电传感器采集手部肌电信号，再将所测得的数据传输至上位机，结合肌力评定标准表得出其肌力评估[6]。对照如右表所示：

4 结语

本文介绍了一款用于手功能康复程度评估的装置，从总体设计、硬件结构设计和数据分析等方面进行了阐述，分析了传感器电路、主控制器电路、蓝牙传输电路设计，介绍了肌力等级分析及灵活度分析。本文所设计装置成本低、功耗低、体积小、易佩戴、性能好，满足日常手功能康复评估的需求。

参考文献：

[1]贾晓枫，陈统一，陈中伟，等.中国首例人体残肢神经信息控制电子假肢实验研究快报[J].中华物理医学与康复杂志，2004，26（1）：20-23.

[2]Dai H，Otten B，Mehrkens J H，et al.A portable system for quantitative assessment of parkinsonian rigidity[C].Conference：International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society IEEE Engineering in Medicine & Biology Society Conference.Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc，2013：6591-6594.

[3]傅桢茵，陆通，归丽佳，陈铁梅，嵇晓强.基于MYO的无线肌电控制鼠标[J].长春理工大学（自然科学版），2018，41（4）：132-136.

[4]朱安阳，徐秀林.基于STM32的表面肌电采集系统的实现[J].制造业自动化，2017，39（7）：119-123.

[5]刘博，张玉茹，任大伟.人手食指运动学建模[J].机器人，2007，29（3）：214-218.

[6]赵裕沛.面向手部康复应用的数据手套技术研究[D].南京航空航天大学，2018.

作者简介：邬海涛（1979—），吉林长春人，博士，副主任医师，主要研究方向：脊柱及神经修复。