一种基于Bobath疗法的情景交互式平衡跷跷板_孟宇科.pdf

中国科技信息 2023 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-106-三星推荐基于 Bobath 疗法的情景交互式的平衡板主动康复训练系统，针对儿童患儿，以游戏的形式吸引患儿主动参与康复训练。该系统采用 stm32f103c8t6 单片机为主控制器，运用陀螺仪姿态控制，采取 Wi-Fi 与物联网 OneNET 云平台数据通信可视化技术，针对患儿下肢机体力量以及整体核心平衡能力进行康复训练，强化下肢力量及协调能力，提高整体核心控制力量及平衡能力，利用音效，动画等外界环境刺激，激起患儿继续训练的欲望，从而达到较好的脑瘫患儿治疗效果。背景脑性瘫痪简称脑瘫（cerebral palsy，CP）是一类由处于发育状态的婴幼儿或胎儿的脑部非进行损伤所致，持续存在的中枢性运动和姿势发育障碍，活动受限综合症状，脑瘫患者运动障碍在临床上发现早期多表现行走、站立、翻身等粗大运动功能和姿势障碍，它是造成患儿的生活质量水平较低的主要原因。在 20 世纪，我国将脑瘫定义为 01 月内由各种原因导致的非进行脑损伤，Rosenbaum 等人曾报道关于国际研讨会执行委员会讨论的脑瘫患儿的分类与定义。如今全球性的医疗科技水平的快速发展，但治疗脑瘫的特效药物并未研究出，因此采用综合物理运动疗法位主要的治疗方案，外部辅助治疗脑瘫患儿的方案较广泛，国际上采用综合物理运动外部辅助治疗的方法多为 Bobath 疗法。Bobath 疗法又称神经生理疗法，通过抑制患者异常姿势，促进正常姿势的发育和恢复的理论方法，通过引导患儿调动自主运动，抑制异常姿势运动，在节律性，娱乐性，意向性三个方面充分激发患儿的兴趣，主动调用意识自主运动，对脑瘫患儿进行全面康复。为此我们设计出一款基于 Bobath疗法的情景交互式的平衡板主动康复训练的系统，针对儿童患者，以游戏的形式吸引患儿主动参与康复训练。本系统的目的在于将电子科技技术融入康复训练中，将原有枯燥、乏味、单调的训练平衡板增添更多的趣味性，减少患儿训练时的抵触心理，使训练过程变得轻松、温馨、有乐趣。系统硬件设计系统模块针对平衡板系统的平衡要求且可移动式使用，在设计中，行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种基于 Bobath 疗法的情景交互式平衡跷跷板孟宇科 徐春福孟宇科 徐春福佳木斯大学孟宇科（2002），河南商丘，本科在读，电气工程及其自动化专业，主要研究机器视觉与自动化。徐春福（2000），云南大理，本科在读，电气工程及其自动化专业，主要研究嵌入式与自动化。-107-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 8 期三星推荐我们保留原有平衡板系统样貌，采取 12V 可循环充电锂电池作为电源，控制电路主控芯片采用 STM32F103C8T6 单片机，外围电路由电源模块，平衡姿态电路模块，无线通信模块以及语音提示模块组成。系统结构框图如图 1 所示。单片机主控模块：采用 ARM 内核的 32 位控制器 STM32F103C8T6 作为核心控制器控制整个系统的调度，由意法半导体团队（ST）推出，拥有定时器，串口，IIC 通信等丰富资源，工作电压2V3.6V，系统时钟最高可到 72MHz，考虑到需要与其它模块传感器进行信息传递，以及串口进行 Wi-Fi 数据传输，因此采取此款单片机较为合适。平衡姿态电路模块：平衡姿态电路是本系统的核心之处，模块采用陀螺仪MPU6050，其集成了三轴陀螺仪和三周加速度计，将模块电路放置系统平衡中心处，模块主要功能采集跷跷板系统的平衡度，并采用 IIC 通信方式和单片机主控模块进行单一数据流的形式传输。Wi-Fi 通信模块采用 Wi-Fi 通信电路可以实现远距离对儿童患儿的监视，本系统采用 ESP8266 作为通信模块，通过无线 Wi-Fi使单片机与物联网云平台通信，并传输平衡姿态电路的数据至云端。云端根据数据并使动画产生相应的动作，吸引儿童患儿的兴趣。语音模块：采用智能语音模块 DY-17F，本模块可以由单片机进行I/O 引脚控制，UART 串口控制等，可以通过 USB 数据线连接 PC 机进行更新音频文件。在本系统中，DY-17F 语音模块储存了姿态提示语音，患儿在平衡板上姿态出现偏移时，播放对应语音以提示调整姿态。系统软件设计程序设计方案系统基于单片机与陀螺仪、上位机之间的通信，得到当前平衡板的角度信息，进而控制语音模块播放对应的提示语音，同时，通过 Wi-Fi 模块将单片机采集到的角度信息实时传到上位机，根据角度信息的变化，在屏幕上绘制不同的动画，实时模拟平衡板的角度。屏幕动画上小朋友的动作会根据患儿的动作实时更新，达到同步运动，让患儿看得见自己动作的实时反馈，听得见需要执行的动作。从多个方面刺激患儿的神经感受器，使其感受到对下肢控制的感觉，建立相应联系，通过多次训练，形成新的突触。系统流程图如图 2所示。系统平衡倾角采集方案平衡姿态解算对于情景交互式平衡跷跷板至关重要，是整个系统的核心部分，通过对系统的角度姿态进行实时数据采集，之后通过 Wi-Fi 数据传输进行下一步的执行，保证系统的正常运行，基于此，系统通过软件设计方案将陀螺仪采集到的数据进行姿态解算，其核心主要是通过 MPU6050 内部三周加速度计和三轴陀螺仪进行计算角速度与加速度值，通过数学方法计算出欧拉角，进而完成平衡倾角的采集。陀螺仪平衡倾角采集流程图如图 3 所示：数据传输方案本系统采用 OneNET 物联网云平台实现云端数据的读取与分析，OneNET 是由中国移动公司开发的一款物联网开放云平台，其功能强大，有多种常见协议标准可以接入，图 1 情景交互式平衡板系统框图图 2 系统流程图图 3 陀螺仪平衡倾角采集流程图中国科技信息 2023 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-108-三星推荐即 MQTT，Modbus，TCP 等，其提供了 AP 接口，数据点，可以进行设备接入，设备管理，数据收发存储，也可以编辑和展示，其能够兼容各种传感器网络和通信网络，可以满足物联网设备的需求，有效地降低开发成本，系统根据相关文献分析以及产品测试最终选择使用 MQTT 协议通过 ESP8266Wi-Fi 模块将数据上传至平台。OneNET 物联网云平台可以通过 PC 网页端口注册并登录相关账号进行监控界面创建和控制，云端设置产品 ESP8266 设备连接，配置连接密钥，以及数据传输协议方式。ESP8266 通过STM32核心控制器的AT指令配置，连接Wi-Fi接入互联网，进行访问 OneNET 服务器，服务器允许访问之后，便可以进行数据加护传输了，用户可以在云端或者手机 APP 端使用观看相应的数据流动画游戏。无线网络通信流程图如图 4所示。智能语音通信方案语音播报在整个系统与患儿进行信息传递过程中，是唯一与患儿进行声音传递的人机交互模块，通过语音的方式告知患儿要如何做，患儿通过对语音提醒的信息提取思考，有效锻炼患儿听、思、做能力。智能语音主要实现方式为，通过上位机上传系统需要表述的语音信息，通过内存卡存储的方式独立的放置在语音模块内，应用 USART 全双工串口通信协议，连接 STM32 核心控制器，等待核心控制器的输入命令，以及对核心控制器反馈播报信息命令，语音播报模块接到播报指令，调用已经存储在内存卡内部的语音信息，进行对平衡跷跷板姿态的播报，播报结束之后将结束信号反馈至核心控制器。其语音模块工作流程图如图 5 所示。系统稳定性测试通过工作人员在平衡板上进行模拟实操测试，系统在偏转某个角度时可以进行实时性的语音提醒，与此同时相应的云端数据会按照预先制定好的动画图像进行播放提醒，系统在多个不同场地，不同位置，不同人员的测试下，达到预期效果。系统实物图如图 6 所示。系统优势结合相应的文献查阅，本系统相较于其他同类型可比较产品对脑瘫患儿综合物理运动外部辅助治疗的优势进行了分析，主要有三个方面的体现，其一，成本低，性价比高。系统采用性价比高的木板进行产品的外形构造，由于患儿多为儿童，体型较小，故平衡跷跷板结构并不大，同时也节省了相应的材料，而且采用了市面上相应性价比较高的电子元器件进行设计。其二，平衡跷跷板安全性强，便捷性高。系统面向对象为儿童患儿，采用的木板材质，元器件材质均为安全材料，且跷跷板上层铺设防滑垫，因采用独立电源供电，所以大部分电路均进行了隐藏处理，无裸露的电源电路等，对儿童患儿保护做了极大措施。其三，趣味性。系统采用游戏动画语音的方式吸引患儿积极参与治疗，患儿在不知不觉中就参与治疗当中。结语加装情景交互系统的康复训练仪器能够在康复治疗中有效改善脑瘫患儿的核心肌群力量，加强脑瘫患儿精细、粗大运动功能，促进平衡力和步行力的改善，实用性强，值得临床广泛实用。图 6 系统实物图图 4 无线网络功能实现流程图图 5 语音模块播报流程图