CN103381111A - 一种无线压力检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线压力检测传感器设备，具体涉及，一种能够检测Boston支具表面压力的无线压力检测系统。所述无线压力检测系统包括压力传感器、微处理器、蓝牙模块和PC机通信串口模块。

Description

一种无线压力检测系统

技术领域

本发明涉及一种压力检测传感器设备，具体涉及，一种能够检测Boston支具表面压力的无线压力检测系统。

背景技术

特发性脊柱侧弯是青少年期最常见的脊柱畸形，是由于脊柱两侧的生长发育不平衡而出现脊柱侧向弯曲生长的现象，其具有一种潜在的发展趋势。据统计2-3％的青少年患有特发性脊柱侧弯，0.3％的青少年需要接受治疗。Hall 1991年报道，在骨骼成熟前，每年侧弯度平均增加3.5。而严重的脊柱侧弯手术治疗风险大，费用昂贵，一般常人难以接受，因此在骨骼成熟前，抓紧时机，早期诊断和早期治疗，对限制和改善脊柱侧弯的发展十分重要。

目前脊柱侧弯的治疗，主要为两种，一种为手术治疗，其针对那些初诊时外观畸形已经十分严重、又存在高度进展危险的患者；另外一种为保守治疗，即非手术治疗，其针对那些轻微的脊柱侧弯患者，帮助阻止处于生长期的青少年的侧弯的进一步发展。而佩戴支具进行矫正是保守治疗中最主要的部分。目前国内应用支具治疗的适应症是：cobb角20-30度的脊柱侧凸患儿，出现显著的畸形进展，如Risser征≤I度，月经未至时应接受支具治疗，而Risser征II-III度，月经将至或已至的患儿，一般cobb角在30度以上时才需接受支具治疗。为了达到矫正的目的，人们通常采用长时间佩戴各种脊柱矫形支具结合系统锻炼的方法。目前常用的支具包括Milwaukee支具和Boston支具。

早在1994年，瑞典的Ericsson公司便已经着手蓝牙技术的研究开发工作，意在通过一种短程无线链路，实现无线电话同PC、耳机及台式设备等之间的互联。1998年2月，Ericsson、Nokia、Intel、Toshiba和IBM，共同组建特别兴趣小组(SIG)。

在此之后，3Com、Lucent、Microsoft和Motorola也相继加盟蓝牙计划。它们的共同目标是开发一种全球通用的小范围无线通信技术，即蓝牙技术。蓝牙是一个开放性的无线通信标准，它将取代目前多种电缆连接方案，通过统一的短程无线链路，在各信息设备之间可以穿过墙壁或公文包，实现方便快捷、灵活安全、低成本小功耗的话音和数据通信。

蓝牙技术本身不独立构成完整的通信设备，也不涉及移动通信业务，它只是配合其他系统，使它们具有无线传输的能力。蓝牙规定了4种物理接口：通用串行总线，USB，EIA-232，PC卡及通用异步收发器UART接口。蓝牙允许在各种环境通信，包括机电工业区应用。其发送和接收数据的模块具有纠错功能和自动重传请求功能。

蓝牙采用时分双工(TDD)方式收发数据，采用二进制GFSK作为调制方式。蓝牙GFSK调制的带宽时间(BT)为0.5，调制指数h为0.28-0.35。蓝牙使用跳频、时分多用和码分多用等先进技术来建立多种通信。蓝牙工作在2.4GHz的频段上，这是留给工业、科学和医疗进行短距离通信的，不需要许可证。一个蓝牙设备可以跟一个也可以跟多个蓝牙设备通信。异步数据信道的最大传输速率为721KbPs。

一个蓝牙系统一般由射频单元链路控制单元链路管理和一个支持主机终端接口功能单元组成。蓝牙无线射频单元的指标是遵循美国联邦通信委员会(FCC)有关电平为OdB的ISM频段的标准设计的蓝牙运行的频段为2.4GHz，在大多数国家无需申请许可证。系统采用跳频和扩展频谱技术，跳频速率为1600次/S，2.4GHZ和2.48GHz之间，采用79个间隔为1MHz的频点来实现。

蓝牙链路管理单元负责链路的建立、鉴权、链路硬件配置和其他一些协议。蓝牙链路管理单元能够发现远端其他蓝牙链路管理单元并通过链路管理器协议与之通信。

按照蓝牙协议的逻辑功能，协议堆栈由上至下分为三部分：传输协议、中介协议和应用协议。传输协议负责蓝牙设备间相互确认对方的位置，以及建立和管理蓝牙设备间的物理和逻辑链路。中介协议为高层应用协议或程序在蓝牙逻辑链路上工作提供了必要的支持，为应用层提供了各种不同的标准接口。应用协议是指那些位于蓝牙协议堆栈之上的应用软件和其中所涉及的协议包括开发驱动各种诸如拨号上网和语音通信等功能的蓝牙应用程序。

发明内容

Boston支具作为一种常用的矫形治疗工具，其矫形的效果并不完全取决于矫形力的大小，而是因人而异，受多种影响。研究显示Boston支具是作为一个整体而不仅仅是单一的压点垫片产生矫形作用。所以Boston支具在患者躯体矫正力的分布，对治疗患者脊柱侧弯具有重要意义。本发明开发了一种无线压力检测系统，监测Boston支具的表面压力，同时观察Boston支具的生物力学特性与脊柱矫形过程的关系，从而改进支具的形态功效等，使其更加符合脊柱侧弯患者的个体差异性侧弯的生物力学，达到进一步改善治疗效果的目的。

本发明的无线压力检测系统主要包括：压力传感器、微处理器、蓝牙模块、PC机通信模块。压力传感器为能够检测Boston支具表面压力的传感器，传感器的数量至少为3个，能够同时检测Boston支具多点的压力。

微处理器收集压力传感器的数据，并对收集的数据做运算处理，将处理结果传输给蓝牙模块，在整个系统中微处理器作为主机与蓝牙模块通信，主要完成蓝牙链路的建立和管理，用户安全管理以及数据的封装和拆分等功能。

本发明实时压力检测系统的蓝牙模块主要由三大功能模块组成，基带处理器、无线收发模块和FLASH，配备少量的外围元件，如音频编译码器、主机控制接口、电源电路等。基带处理器主要完成链路的建立和控制，还要完成授权和密钥管理等功能，基带处理器还提供了用于PC主机与蓝牙模块交换信息的端口。无线收发模块完成混频、滤波、功率放大等功能。FLASH主要用于存放HCI，LM等协议，配合基带控制器完成其控制功能。蓝牙模块主要完成蓝牙协议中HCI层以下各层定义的功能。

蓝牙模块和微控制器通过它们的端口相连接，在信号电平兼容的情况下，可以实现主机与蓝牙模块的无缝接口，简化了硬件电路。

本发明的串口模块采用MAX3232串口通信转换芯片。通过串口RS232蓝牙模块与PC机进行通信。MAX3232串口通信转换芯片与PC机接口示意图见图3。

PC机与蓝牙模块通信的基本过程是：首先作为连接发起方微处理器将压力检测数据存放在其接收缓冲区中，然后微处理器初始化蓝牙模块并扫描PC端蓝牙设备，发现后便请求发送数据给PC机，PC机接收到请求后，如果同意接收，发送应答信号，微处理器把缓冲区中数据发送给PC机，这样就实现了PC机与蓝牙模块的通信。

本发明公开了应用本发明所述的无线压力检测系统检测Boston支具表面压力的使用方法，具体步骤如下：

1)留取患者已拍摄的站立位全脊柱正侧位X光片数据，包括Cobb角度数、侧弯类型、Risser征。

2)拍摄左右Bending相，评估脊柱柔韧性与可矫正程度，记录向侧弯凸出Bending时Cobb角度数(若度数小于或等于0时都以0计算)以及向凹侧Bending时脊柱中线是否能回到参考中线位置。

3)在石膏塑形矫正下，获得支具模型，在工厂加工制作成Boston支具。

4)将无线传感器感测区置于需要测量的位置，中间衬以塑料垫片，并用胶条固定。

5)通过无线压力传感器测量站立位佩戴支具时所有压点的负荷，并测量支具臀部下缘无压点处的负荷。

6)利用仿真的方式对压力传感器进行标定，即提供已知的标准压力给需要标定的传感器，记录压力大小与传感器产生的相对应的应变量，并通过统计软件处理(PASW Statistics l8.O.O)，可获得传感器测量的应变量与对应的实际压力的一般关系，从而获得标定公式。根据标定公式和上一步所测得的压点负荷，获取各测量点的实际压力值。

7)拍摄了佩戴支具站立时的全脊柱正侧位相，测量并记录Cobb角度数。

8)通过以上步骤，本实验获取了患者支具压点压力与对应的Cobb角变化。

本发明还利用上述的实时压力检测系统检测了10位脊柱侧弯患者佩戴Boston支具时，支具与躯体表面接触的压力。结果显示本发明的实时压力检测系统能准确反应Boston支具的表面压力。

附图说明

图1Flexiforce A201单点薄膜传感器。

图2ROK101008的组成框架图。

图3MAX3232串口通信转换芯片与PC机接口示意图。

图4压力实验机记录结果，采集频率：10Hz；横梁速度：2mm/min；负荷测试满量程：1000N；机器位移测试满量程：10mm。

图5Flexiforce A201压力传感器记录结果。

图6实时压力检测系统组成模式图。

下面结合附图对本发明的实时压力检测传感器做进一步说明。

实施例1

本发明的实时压力检测系统主要包括：压力传感器、微处理器、蓝牙模块和PC机通信串口模块，其组成模式图见图6。

本发明的压力传感器采用Tekscan公司Flexiforce A201单点薄膜传感器(图1)，该传感器具有灵敏、可靠、轻薄、耐用、高度的可挠性等特点，非常适合用于测量支具与体表之间的表面压力。传感器由两层聚脂薄膜组成，每层薄膜上铺设银质导体，头端有一圆形区域，涂敷了一层压敏半导体材料，两片薄膜压合在一起就组成了压力传感器。实际的感测区域是传感器头端有银质导体覆盖的压敏半导体材料部分，银质导体从感测区域延伸至传感器尾端，形成传感器接头。

FlexiforceA201传感器为压阻型压力传感器，其工作原理为电阻随外力改变而变化，感测区域的压敏半导体材料在电路中起电阻作用，在没有外力负载时，其阻值最大，当外力作用于感测区域时，感测区域的阻值随外力成比例变化，外力越大，阻值越小。

选取3个Flexiforce A201单点薄膜传感器，各个传感器完成一次数据测试后，将其数据发送给微处理器，然后微处理器对该数据做运算处理，完成检测后，可通过串口模块将数据传输给PC机中进行分析、存储。

本发明的实时压力检测系统的微处理器采用ATMEL公司的AVR单片机ATmega16L。ATmega16L是带16K字节FLASH的在线可编程8位微控制器，它是基于AVR RISC结构的低功耗CMOSS位单片机，通过在一个时钟周期内执行一条命令，ATmega16L可以取得1MPI/sMHz的性能。AVR核将32个工作寄存器和丰富的命令集联结在一起，所有的工作寄存器都与ALU算术逻辑单元直接相连，允许在一个时钟周期内执行的单条命令同时访问两个独立的寄存器。这种结构提高了代码效率。

ATmega16L有如下特点：16K字节的系统内可编程Flash，具有同时读写的能力，即RWW，512字节EEPROM，IK字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活定时器/计数器(T/C)，片内/外中断，可编程的USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。

本发明实时压力检测系统的FlexiforceA201传感器的银质导线采用并行连接方式与ATmega 16L的PA端口直接连接。

本发明实时压力传感器的蓝牙模块选择ERICSSON公司的ROK101 008，ROK101008的组成框架图见图2，主要由三大功能模块组成，基带处理器、无线收发模块和FLASH，配备少量的外围元件，如音频编译码器、主机控制接口、电源电路等。基带处理器含一个ARM7内核，主要完成链路的建立和控制，还要完成授权和密钥管理等功能，基带处理器还提供了PCM口和UART口用于PC主机与蓝牙模块交换信息。无线收发模块完成混频、滤波、功率放大等功能。PBA31301/2最大能提供4dBm的发射功率，一般通信距离约为10米，符合FCC和ETSI标准。FLASH主要用于存放HCI，LM等协议，配合基带控制器完成其控制功能。

ROK101008提供两种接口：UART，PCM。UART口有8比特的输入输出缓存，UART使用了四个管脚，其中TXD和RXD用于数据传输，RTS和CTS用于流量控制。PCM语音接口采用标准的SKHz的抽样频率，pCM数据可以是线性pCM(13-16比特)、A律(8比特)或林律(8比特)、PCM编码。

蓝牙模块ROK101008和微处理器ATmega 16L通过它们的UART口相连接，在信号电平兼容的情况下，可以实现主机与蓝牙模块的无缝接口，简化了硬件电路。ATmgea16L的工作电压为2.7-5.5V，蓝牙模块的工作电压为3V，不必采用电压转换电路就可以直接连接。蓝牙模块UART口的初始设置是速率57.6Kb/S，8位数据位、一位停止位、没有奇偶校验位。

本发明的串口模块采用美信公司的MAX3232串口通信转换芯片。通过串口RS232蓝牙模块与PC机进行通信。MAX3232串口通信转换芯片与PC机接口示意图见图3。MAX3232完成线路驱动和接收功能，MAX232是低功耗多通道线路驱动、接收器，采用单一SV电压供电，具有5个发送通道，3个接收通道。应用时需外接4个1uF的电容。

PC机与蓝牙模块通信的基本过程是：首先作为连接发起方ATmega 16L将压力检测数据存放在其接收缓冲区中，然后ATmega 16L初始化蓝牙模块并扫描PC端蓝牙设备，发现后便请求发送数据给PC机，PC机接收到请求后，如果同意接收，发送应答信号，ATmega 16L把缓冲区中数据发送给PC机，这样就实现了PC机与蓝牙模块的通信。

实施列2实时压力检测系统对Boston支具表面压力的检测

1.特发性脊柱侧弯患者的入选标准

入选患者应符合下面的条件：

1)患者均为特发性脊柱侧弯，且侧弯Cobb角不大于60。

2)患者的侧弯均有可被矫正的潜力，这是通过Bending相以及查体判断的。患者向侧弯的凸侧Bending时，Cobb角减小可反映脊柱的柔韧性。

3)患者没有皮肤病的病史，如皮炎、银屑病、皮肤过敏等。

4)骨骼未成熟的患者，因为骨骼已经成熟的患者被支具矫正的潜力不大。

根据以上条件，10名于2011年4-6月间在我院骨科接受支具矫形治疗的患者入组实验，平均年龄13岁，8名为青年型特发性脊柱侧弯，2名为少年型特发性脊柱侧弯。

2.实验设备及压力传感器的标定

采用实施例1中所述的实时压力检测传感器，通过下述的检测步骤，检测特发性脊柱侧弯患者与Boston支具之间的压力。

标定原理：利用仿真的方式对传感器进行标定，即提供已知的标准压力给需要标定的传感器，记录压力大小与传感器产生的相对应的应变量，并通过统计软件处理(PASW Statistics 18.O.O)，可获得传感器测量的应变量与对应的实际压力的一般关系。

标定设备：本实验采用伊利诺伊工具集团的Instron4302双立柱台式实验系统对压力传感器感测区施加压力。

标定方法：

①选择专门配制的加压平台，设定力学实验机工作参数：横梁速度2mm/分钟，采样频率10Hz，测试满量程1000N，机器位移量测试满量程10mm。设定无线传感器采样触发数值为0，采样频率为10Hz。

②将传感器感测区及塑料垫片置于加压附件平台正中，用胶带固定。由于实验机是通过位移改变施加压力，压力大小与测试样品的应变有关，因此，实验中在传感器感测区与实验机压力轴平台之间添加了聚乙烯海绵垫增加测试材料总体的应变范围，以便实验机加载负荷时间更长。海绵垫为圆柱体，上下底面形状与传感器感测区相符合，保证压力充分传导。

③启动力学实验系统，并同步记录传感器应变量。至压力超过300N后，同步停止力学实验系统并停止记录传感器应变量。

标定结果：压力实验机和压力传感器的记录结果见图4和图5。利用PASWStatistics 18.0.0统计软件的一元线性回归分析处理标定结果得到应变量与压力的关系表1，得到压力＝0.021×应变量+8.231，系数的p值均为0.000，R值为0.985。其中常数8.231是由海绵垫本身特性产生，随实验机与传感器之间添加材料变化而变化，实际表面接触压力计算应为：实际压力＝0.021×应变量。

表1传感器标定数据统计结果

3.实时压力检测传感器检测Boston支具表面压力的步骤

1)留取患者已拍摄的站立位全脊柱正侧位X光片数据，包括Cobb角度数、侧弯类型、Risser征。

2)拍摄左右Bending相，评估脊柱柔韧性与可矫正程度，记录向侧弯凸出Bending时Cobb角度数(若度数小于或等于0时都以0计算)以及向凹侧Bending时脊柱中线是否能回到参考中线位置。

3)在石膏塑形矫正下，获得支具模型，在工厂加工制作成Boston支具。

4)将无线传感器感测区置于需要测量的位置，中间衬以塑料垫片，并用胶条固定。

5)通过无线压力传感器测量站立位佩戴支具时所有压点的负荷，并测量支具臀部下缘无压点处的负荷。通过上述的标定公式，获取各测量点的实际压力值。

6)拍摄了佩戴支具站立时的全脊柱正侧位相，测量并记录Cobb角度数。

7)通过以上步骤，本实验获取了患者支具压点压力与对应的Cobb角变化。

4.实验结果

患者的临床测量数据如表格2所示：

表2患者的临床测量数据

上述10例患者治疗前后的Cobb角的均值及矫正百分比均值如表3：

表3Cobb角均值

患者佩戴支具时压力测量值如表格4：

表4患者佩戴支具时压力测量值

患者编号	上压点垫片压力(N)	下压点垫片压力(N)	臀部压力(N)
				1	6.12	3.15	0.93
2	5.98	2.55	0.78
				3	4.31	2.62	1.02
4	4.85	2.57	0.72
				5	4.92	2.65	0.98
6	5.57	2.86	0.75
				7	4.92	2.41	0.76
8	4.79	2.46	0.93
				9	5.52	3.24	0.69
10	5.37	2.97	1.22
				均值	5.24±0.57	2.75±0.29	0.88±0.17

Boston支具系统利用生长发育的潜力，通过支具提供的压力与患者的物理康复锻炼相结合，动态校正脊柱的三维结构畸形。根据其设计原理，压点垫片处提供了支具主要的压力，通过肋骨传递到脊柱，对脊柱产生侧向推力、纵向的牵引力和去旋转力，从而校正脊柱侧弯畸形。

通过本发明开发的无线压力检测系统，我们测定了支具的上下压点垫片与支具臀部与体表之间的表面压力，结果显示上压点压力均值最大(5.24±0.57N)，下压点其次(2.75±0.29N)，臀部压力最小(0.88±0.17N)，且统计分析表明三个测量区域的压力值差异显著。表明Boston支具是作为一个力学整体对脊柱产生矫形作用，其中压点垫片处提供了矫形的主要压力，以上压点压力为著，而其他非压点处的压力相对较小，主要起协同矫正脊柱畸形的作用。

本实施例中测定的压力值与其它文献报道相似，说明本发明的无线压力检测系统，能准确检测出Boston支具与躯体接触点的压力。

Claims (7)

1.一种无线压力检测系统包括：压力传感器、微处理器、蓝牙模块和PC机通信串口模块。

2.根据权利要求1所述的无线压力检测系统，其特征在于，所述的压力传感器为Tekscan公司生产的Flexiforce A201单点薄膜传感器。

3.根据权利要求1所述的无线压力检测系统，其特征在于，所述的微处理器为ATMEL公司的生产的单片机ATmega16L。

4.根据权利要求1所述的无线压力检测系统，其特征在于，所述的蓝牙模块为ERICSSON公司生产的ROK101008。

5.根据权利要求1所述的无线压力检测系统，其特征在于，所述的PC机通信串口模块为美信公司的MAX3232串口通信转换芯片。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的无线压力检测系统，其特征在于，所述的压力传感器通过银质导线与微处理器的PA端口连接，微处理器和蓝牙模块通过它们的UART口相连接。

7.无线压力检测系统检测Boston支具表面压力的方法：

1)拍摄患者治疗前站立位全脊柱正侧位X光片数据，包括Cobb角度数、侧弯类型、Risser征。

2)拍摄左右Bending相，评估脊柱柔韧性与可矫正程度，记录向侧弯凸出Bending时Cobb角度数(若度数小于或等于0时都以0计算)以及向凹侧Bending时脊柱中线是否能回到参考中线位置。

3)在石膏塑形矫正下，获得支具模型，在工厂加工制作成Boston支具。

4)将无线传感器感测区置于需要测量的位置，中间衬以塑料垫片，并用胶条固定。

5)通过无线压力传感器测量站立位佩戴支具时所有压点的负荷，并测量支具臀部下缘无压点处的负荷。

6)利用仿真的方式对压力传感器进行标定，即提供已知的标准压力给需要标定的传感器，记录压力大小与传感器产生的相对应的应变量，并通过统计软件处理(PASW Statistics 18.0.0)，可获得传感器测量的应变量与对应的实际压力的一般关系，从而获得标定公式。根据标定公式和上一步所测得的压点负荷，获取各测量点的实际压力值。

7)拍摄了佩戴支具站立时的全脊柱正侧位相，测量并记录Cobb角度数。

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