无线获取人体足底压力动态信息的手机监测平台

ChineseJournalofMedicalInstrumentation2010年34卷第6期研究与论著403无线获取人体足底压力动态信息的手机监测平台文章编号：1671-7104(2010)06-0403-05【作者】【摘要】【关键词】【中图分类号】【文献标识码】【Writers】【Abstract】【Keywords】王昊1，韩萌1，刘静*1,21中国科学院理化技术研究所，北京，100190；2清华大学医学院生物医学工程系，北京，100084研制了一种基于WindowsMobile系统手机蓝牙通信的人体足部压力传感系统，在单片机控制和蓝牙模块的基础上，通过设计传感电路和A/D转换电路以及VisualStudio2008下的软件开发，实现了人体足底动态压力信号的实时监测、数据发送，并将其显示、存储于手机。该方法为随意获取人体步态信息提供了一种重要的低成本手段。足底压力；无线监测；手机；WindowsMobile；蓝牙R319Adoi:10.3969/j.isnn.1671-7104.2010.06.004WangHao1,HanMeng1,LiuJing1,21TechnicalInstituteofPhysicsandChemistry,ChineseAcademyofSciences,Beijing,1001902DepartmentofBiomedicalEngineering,SchoolofMedicine,TsinghuaUniversity,Beijing,100084ThispaperconstructedaplantarpressuresensingsystembasedonBluetoothcommunicationofmobilephonewithembeddedWindowsMobilesystem.WiththeMCU(MicroprocessorControlUnit)andBluetoothmodule,thepressuresensorandthedataacquisitioncircuitwasdesignedandintegrated,withsoftwaredevelopedunderVisualStudio2008environment.Thereal-timemonitoringofhumandynamicplantarpressuresignal,andtransferring,displayingandstoringtherecordeddataonamobilephonewereachieved.Thismethodoffersanimportantmeasuretoacquirehumangaitinformationviaapervasiveandlowcostway.Plantarpressure,Wirelessmonitoring,Mobilephone,WindowsMobile,Bluetooth收稿日期：2010-07-05通讯作者：刘静，E-mail:[e-mail]WirelessMonitoringofHumanDynamicPlantarPressure0引言根据美国足部医学会统计，人一生行走的距离约为地球周长两周半以上，步行时足部所承受的地面反作用力达到体重的1.5倍[1]。据美国足踝整形外科学会统计，每六个人中就有一人脚部健康有问题，导致行走不便[2]，因此足部健康值得人们关注。通常，步态分析主要涉及4个方面：临床分析、动力学分析、运动学分析以及动态肌电图评估[3]。其中，动力学分析主要研究行走时足底和支撑面之间的相互作用力，即足底压力状态，由此可揭示人体在不同状态下的足底压力特征，即运动过程中足的动力学特性。事实上，该措施是对步态加以量化评估的关键环节，已逐渐成为现代医学中用以诊断病理足与评定足部康复过程的一种重要的生物力学方法[4]。众所周知，糖尿病足部病变是其最常见的并发症，15%以上的糖尿病病人会发生足溃疡或坏疽，而其中14%～24%需要截肢治疗[5]，这给家庭和社会带来了沉重的负担。足溃疡发生的最显著特征之一是病人足底压力异常增高和异常分布[6]。研究表明，足底压力增大可用于预测糖尿病足溃疡，二者之间的相关性高达70%～90%[7]。为采取有效措施预防糖尿病足发生，近年来有关糖尿病足的研究已从过去局限于周围神经病变和血管病变的研究，逐步向足底压力研究扩展，糖尿病患者的足底压力分析受到了日益广泛的关注。此外，运动性疲劳[8]、脑性瘫痪儿童平衡能力[9-12]以及畸形步态[13]等，都在足底压力上有所体现。通过对足底压力的测量分析，可更准确地反映患者自然步行时的步态，从而为科学指导锻炼、减少运动损伤提供参考。关于足底压力测量方法的研究，经历了如下几个发展阶段：对足底压力及分布做出定性判断的足印技术，基于光学反射原理的足底压力扫描技术，以及利用传感器的测力技术等。随着新型传感器技术的发展和计算机技术的广泛应用，足底压力测量技术逐渐成熟，指标越来越丰富，测量精度也有所提高，在临床医疗诊断及康复中的应用逐步普及。它能为临床足疾患者（如糖尿病足、畸形步态等）和特殊人群（如孕妇、老年人、小儿麻痹症患者等）的足底压力测量和步态特征分析提供技术支持，为足疾的功能康复、疗效评定和手术后效果鉴定提供客观评价。因此，对足底压力的研究由于测量技术的进步已逐步成为热点。与此同时，可对人体健康状况进行实时监测的移动医疗（M-Health）技术正日益受到重视[5]。近年来，科学ChineseJournalofMedicalInstrumentation2010年34卷第6期研究与论著404技术的发展显著改善了社会的医疗卫生状况，然而，根据世界卫生组织（WorldHealthOrganization）的报告[14]，诸如心脏疾病、中风、癌症、呼吸道疾病以及糖尿病等慢性病，至今仍是引起死亡的最主要原因。大量的慢性病患者和比例不断增长的老年人口以及日益增加的医疗费用，将会给医疗事业带来巨大的压力，尤其对发展中国家更是如此。此外，随着人们健康意识和保健要求的不断加强，随时关注自身的身体状况已成为一种很普遍的需求。于是，提供一个能随时探测自身健康的环境，即移动医疗技术，就显得越来越重要[15]。移动医疗技术通常包含传感器，用户终端以及服务器等。近年来，计算机和互联网在全球范围内已广泛普及。越来越多的移动计算设备，诸如智能手机、掌上电脑、便携式计算机等，可以通过可穿戴式传感器采集和处理数据，并借助声音或图像界面与用户进行交互。而且这些设备的尺寸、重量、价格也日益符合大众需求。其中，手机的普及率最高。根据工业和信息化部运行监测协调局2010年4月26日发布的报告[16]，全国移动电话用户合计超过7亿7千万，移动电话普及率达到58.4%。而且，手机拥有简单可靠的用户交互界面，已经在一定程度上取代一些常用设备如手表、闹钟、日历等。以手机为交互载体，将其与个人健康检测相结合，可为患者及关注自身健康的人群提供十分便捷的途径。由于手机普及率高，直接应用可大大降低由此带来的成本，而其功能的日益强大也为这种结合提供了可能。综合以上因素，本文通过集成蓝牙功能的单片机控制电路模块，将置于鞋内的压电传感系统与研制有WindowsMobile软件的手机建立连接，实现足底压力数据的实时无线获取及传输，可实时显示动态压力曲线，并将数据存储以及查看历史曲线等。该系统利用常见移动设备与用户交互，易被广大用户接受，且利于数据的管理，并可借助手机的通信功能对系统作进一步拓展，已展示出一定的临床及日常应用前景。1单片机控制电路模块简介本文所述足底压力监护系统是在集成蓝牙功能的单片机控制模块工作基础上完成的。该模块的硬件电路如图1所示，可在处理器芯片控制下，通过数据采集模块采集生理数据，并将其存储于数据存储模块中，其通信接口包含与PC通信的miniUSB接口以及可与手机通信的蓝牙模块。2系统实现2.1传感器及A/D转换电路系统所使用的传感器内部是一组半桥应变片（图2）。使用方法可以有以下三种：使用一只传感器配合外接电阻组成全桥测量，量程为一个传感器的量程50kg；使用两只传感器组成全桥测量，量程为两只传感器的量程之和，即100kg；使用四只传感器组成全桥测量，量程为四只传感器的量程之和，即200kg。为确保量程，本文使用两只传感器接成全桥测量。文中采用的A/D芯片型号为HX711，是一款专为称重传感器而设计的24位A/D转换器芯片。该芯片集成了稳压电源和片内时钟振荡器。通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。通道B则为固定的64增益，用于系统参数检测。半桥式传感器与A/D连接的单层PCB板设计板如图3所示。该电路可直接与现有控制和蓝牙模块连接，由此实现压力数据的无线发送接收（图4）。2.2WindowsMobile系统蓝牙通信WindowsCE支持基于两种传输技术的个人局域网（PersonalAreaNetwork,PAN）连接：红外和射频[17]，其中射频网络标准为蓝牙标准。典型的WindowsMobile图1集成蓝牙功能的单片机控制电路Fig.1SinglechipcontrolcircuitintegratedwithBluetoothfunction图2半桥称重传感器Fig.2Halfbridgeweighingsensor图3A/D转换电路PCB板设计线路图Fig.3PCBcircuitdiagramforA/DconversionChineseJournalofMedicalInstrumentation2010年34卷第6期研究与论著405设备提供的蓝牙功能包括对象交换、文件传输和免提或者无线耳机的服务。2.2.1蓝牙协议栈蓝牙协议栈体系结构如图5所示。它是由底层硬件、中间层以及应用层三大模块组成。底层模块是蓝牙技术的核心模块，其与上层（软件）模块之间的消息和数据传递通过蓝牙主机控制器接口（HCI，HostControllerInterface）完成。主机运行HCI层以上的协议软件实体，而HCI以下的功能则由蓝牙设备来完成。应用程序可采用两种方法和蓝牙协议栈进行交互：WinsockAPI和虚拟串口。采用WinsockAPI时，应用程序使用标准的Winsock函数来打开和蓝牙协议栈相关的套接字，通过WSAxxx系列函数完成控制。数据传输采用标准的套接字send和recv函数。应用程序操作蓝牙的另一个方法是通过虚拟串口。通过这个方法，应用程序加载一个蓝牙独立串口驱动。对协议栈的控制通过对COM驱动的DeviceIoControl调用来完成。调用WriteFile和ReadFile函数，通过COM端口从蓝牙连接读写数据。另外，WindowsMobile系统提供设备和服务发现的功能，可直接加以利用。2.2.2通过虚拟串口进行蓝牙通信　　使用Winsock和虚拟串口操作蓝牙协议栈均要求其中一个设备是服务器，而另外一个设备是客户端。服务器的职责包括加载驱动程序、打开驱动程序、决定指派给端口的RFCOMM通道等。WindowsMobile系统可直接为蓝牙设备分配串口，简化了步骤。　　在分配好虚拟串口后，与一个串口交互涉及打开串行设备驱动程序以及与其通信。与传统的大部分现代操作系统一样，WindowsMobile中的应用程序是通过文件系统API访问设备驱动程序的，使用的函数包括：CreateFile，ReadFile，WriteFile和CloseHandle。（1）打开和关闭串行端口　　串行端口使用CreateFile函数打开。关闭串行端口时调用CloseHandle函数，与关闭文件句柄用法相同。（2）配置串行端口　　利用CreateFile成功打开串口后，还必须对串口的波特率、字符长度等进行配置。一般使用GetCommState和SetCommState来实现。另外，可以用S