康复理疗云平台系统的设计与实现

张立 顾瑞洁 吴响 赵强

摘 要： 为了对患者进行远程康复监督与精准的康复理疗指导，设计康复理疗云平台系统。以STM32为主处理器，根据康复理疗设备的信号特点，设计理疗终端驱动电路。在GPRS和3G网络的基础上，设计康复理疗仪系统软件。利用软件设计技术，设计远程监控端和数据服务中心。该系统在为病患进行康复理疗的同时能够实时获取和转发理疗参数，通过康复理疗云平台，医生能够在线监测病患理疗过程并为病患提供康复意见和制定理疗计划，实现精准康复理疗。经测试，理疗仪效果优，系统数据转发能力强，能够满足应用需求。

关键词： 理疗仪； 云平台； 实时监督； 在线指导； 康复理疗； GPRS

中图分类号： TN99?34； TP212； TP391 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）18?0150?04

Design and implementation of rehabilitation physiotherapy cloud platform system

ZHANG Li， GU Ruijie， WU Xiang， ZHAO Qiang

（School of Medical Information， Xuzhou Medical University， Xuzhou 221000， China）

Abstract： A rehabilitation physiotherapy cloud platform system is designed to conduct remote rehabilitation monitoring and accurate rehabilitation physiotherapy guidance for patients. Taking the STM32 as the main processor， the physiotherapy terminal drive circuit is designed according to signal characteristics of the rehabilitation physiotherapy equipment. The software of the rehabilitation physiotherapy instrument system is designed based on the GPRS and 3G network. The remote monitoring terminal and data service center are designed by using the software design technology. The system can obtain and transmit physiotherapy parameters in real time while performing rehabilitation physiotherapy for patients. On the rehabilitation physiotherapy cloud platform， doctors can monitor the patients physiotherapy process online， provide rehabilitation advice， and make physiotherapy plan for patients， so as to realize accurate rehabilitation physiotherapy. The test results show that the physiotherapy instrument has an excellent effect， and the system has a strong data forwarding capability， which can meet application requirements.

Keywords： physiotherapy instrument； cloud platform； real?time monitoring； online guidance； rehabilitation physiotherapy； GPRS

0 引 言

近年，我国老年人口比重不断增加，越来越多的中老年人重视对慢性病、退化性疾病的康复理疗。此外，医疗研究表明：术后科学的康复过程对身体的恢复程度起到了至关重要的作用；与此同时，快节奏的工作与不健康生活方式导致许多青壮年处于亚健康状态，这使得人们对康复理疗的需求逐年增加[1?3]。康复理疗主要是结合物理方法，利用医疗器械进行理疗的一种综合性治疗方法。科学的康复理疗方式能对人体产生积极的作用，由于医生与病房资源紧张、病患经济状况不一、医患沟通不便等诸多因素的限制，大多数人无法在康复医生的监督与指导下进行精确的康复理疗，这极大降低了康复理疗的效果，甚至会使得病情加重[4?5]。随着微处理器技术、芯片技术、软件工程和无线通信技术的发展，以及片上系统SoC（System on Chip）的出现，为在线康复理疗问题提供了解决方案。本文结合无线通信技术、信号处理技术及软件设计技术，设计并开发了能够实时监督病患康复理疗过程、在线推送康复指导建议、记录病患康复全过程数据、搭建病患与康复医生之间沟通平台的“康复理疗云平台系统”[6?8]。

1 系统总体设计

系统主要由康复理疗病患远程端、数据服务器、消息服务器、数据库、康复理疗云平台服务端等部分构成，系统整体框架如图1所示。选用3G网络作为本系统的无线通信方式，结合现有的以太网，构成本系统的通信网络。首先，病患在使用康复理疗儀进行康复治疗时，康复理疗仪通过3G网络将实时理疗参数（波形、理疗时间、电压、电流等）转发到云平台数据服务器，医生通过康复理疗云平台服务端在线监督病人的理疗情况。如果，病患没有按照医生的理疗方案定时定量进行治疗，医生会通过康复理疗云服务端，利用消息服务器转发相关警示信息到病人的手持移动服务端；此外，通过康复理疗云平台服务端的专业医生对病患康复理疗数据的抽取、分析、融合等，以及与病患在沟通过程中对病患理疗效果的跟踪，系统将为每病患提供符合其体质状况的康复理疗意见，实现精准的康复理疗。

2 康复理疗仪硬件设计

2.1 硬件整体设计

康复理疗仪节点由桥式整流、滤波、稳压、数/模转换、功率放大等信号调理电路，以及液晶驱动电路、SIM808芯片、主处理器等部分组成。节点的硬件框架如图2所示，康复理疗仪终端选用意法半导体公司的STM32F103VET6作为主处理器，该款芯片具有资源丰富、数据处理能力强、低功耗等特点。利用降压变压器，通过桥式整流、滤波、稳压电路将交流信号调理为康复理疗基准信号，与此同时，得到的直流电压作为康复理疗终端的供电电压；升压变压器利用经过数/模转换与功率放大电路处理的电信号得到最终供給医用电极板的治疗信号，将电极板紧贴于治疗部位即可进行康复理疗；电极板加热控制电路可以调节电极板温度，以适用不同病患；利用SIM808模块，通过3G无线网络将实时理疗参数（波形、理疗时间、电压、电流等）发送到康复理疗云服务器；也可以响应按键事件，进行实时理疗参数的本息显示。

2.2 整流滤波与稳压电路设计

康复理疗仪电源管理部分由整流滤波和稳压电路组成。图3a）为整流滤波电路的原理图，此电路包括2个KBPC1010整流桥、2个4 700 μF的电容，将经过变压器得到的12 V和11.5 V的交流电压转换成稳定输出的直流电压[9?10]；图3b）为终端稳压电路，该电路由4个二极管、2个大功率3.3 V稳压管、3个阻值不等的电阻、2个220 μF的极性电容和2个大功率三极管构成，其中三极管MJE3055T为NPN型，三极管MJE2955T为PNP型。该电路将整流滤波得到的直流电压转换成5 V直流电压，为主处理器及终端各元器件供电[11?12]。

2.3 数/模转换电路设计

图4为数/模转换部分驱动电路。此电路选用TLC7528作为数/模转换处理芯片，TLC7528工作电压为5～15 V，功耗小于15 mW，是双路数/模转换器，在每个A/D转换范围内具有单调性，具有单独的片内数据锁存器。根据主处理器的指令，通过TLC7528实现对终端输出频率、电压和波形的控制。

2.4 信号放大电路设计

信号放大电路由运算放大电路和功率放大电路组成。图5a）为LM324四运算放大器驱动电路，LM324工作电压为3～32 V，低输入偏置电流为100 nA，能实现内部补偿和短路保护输出，具有4路运算放大器，输入端的ESD钳位提高了可靠性，实现了真正的差分输入级。图5b）为功率放大电路，该电路由4个三极管、2个二极管、2个100 pF电容及1个电阻组成，其中，三极管BD438和S8050与三极管BD437和S8550构成对称结构；通过运算放大电路与功率放大电路的结合，可以将数/模转换电路产生的信号放大，从而得到可供下一级电路利用的信号。

2.5 无线传输模块设计

康复理疗仪终端无线信号传输采用SIM808处理器。SIM808有两种工作模式，模式一供电电压为4.8～5.2 V，模式二供电电压为3.6～4.2 V，工作电流保证在1 A及以上，工作温度为-40～80 ℃。SIM808为四频模块（850/900/1 800/1 900 MHz），TTL电平接口兼容5 V/3.3 V/2.85 V系统，SIM808具有全球定位系统，能实现发短信、打电话等功能，支持GPRS，3G网络，全球可用。

SIM808有3个LED指示灯端口：RING指示灯、网络指示灯和PPS指示灯。开机后，等待约2 s，首先RING指示灯常亮，然后网络指示灯快闪（1 s灭，1 s亮），当模块注册到网络后，网络指示灯慢闪（1 s亮，3 s灭）。当GPS定位后，PPS灯会闪烁（1 s亮，1 s灭）。

3 康复理疗仪软件设计

选用STM32F103增强型系列作为康复理疗仪的处理器，拥有ARM Cortex?M3内核的STM32是意法半导体的一款专门面向嵌入式应用的处理器[13?14]，具有高性能、低成本、低功耗的特点。在STM32增强型处理器的基础上，完成病患康复理疗过程，并通过3G网络实现理疗数据实时的传输。康复理疗仪的工作流程如图6所示。首先执行硬件的初始化，实现A/D、定时器、液晶等模块的初始化，然后通过SIM808模块寻找到数据传输的无线网络，并执行相关入口函数及硬件配置函数，加入到现有的3G无线传输网络，执行病患理疗方案程序。为了降低节点的能耗，康复理疗仪定时地将理疗参数发送到云平台，然后进入休眠状态。与此同时，康复理疗仪定时检测是否完成理疗过程，若没完成，通过3G网络继续将相关理疗数据转发到云平台，否则，结束本次理疗，等待执行新的理疗过程。

4 实 验

在实验环境中分别对康复理疗仪治疗波形、康复理疗仪无线传输模块的性能进行测试。首先对康复理疗仪治疗波形进行测试。测试工具为研制的康复理疗仪终端1台、数字示波器1台、医用电极板1套，先将医用电极板插到康复理疗仪终端上，然后将数字示波器与电极板连接，启动康复理疗仪，在1～12个理疗方案中，任意选择其一。经过反复实验，发现任意理疗方案中的方波、三角波、正弦波、指数波如图7所示，波形完整，没有失真现象，保证了康复治疗仪的理疗效果。

其次，对康复理疗仪终端数据转发性能进行测试。通过调整康复理疗仪终端的程序，人为设定终端1 min内发送12个数据包，连续发送1 h。反复进行实验，通过对云平台服务器单位时间内收到的数据包计数可以发现，其每分钟收到的数据包的个数在10～12之间，1 h内共计收到的数据包个数在710～720之间，并且每一包数据都可靠，丢包率在2%以下，从而说明该系统具有较强的数据转发能力。

5 结 语

通过对系统的整体测试发现康复理疗仪理疗波形完整，具有较优的理疗效果，终端在无线数据转发方面具备较高的准确性，丢包率在合理范围内，能够实现对患者进行远程康复监督与精确的康复理疗指导，满足实际需求。下一步对如何提高康复理疗仪治疗效果，增强系统的易用性及降低节点功耗做进一步研究；同时将结合数据挖掘、人工智能等技术，研究如何根据采集到的海量康复理疗数据，为患者制定更加合理的理疗方案，以及对被监测患者的身体健康状态进行分析和预测。

参考文献

[1] 徐菲鹏，陈泽林，郭义.现代电针仪的研究现状及展望[J].中国医疗设备，2014，29（9）：56?58.

XU Feipeng， CHEN Zelin， GUO Yi. Research situation and prospects of modern electric acupuncture apparatus [J]. China medical devices， 2014， 29（9）： 56?58.

[2] 白晓东，李顺月，宋晓晶，等.针灸治疗仪作用原理及其临床应用[J].中华中医药杂志，2015，30（2）：488?491.

BAI Xiaodong， LI Shunyue， SONG Xiaojing， et al. Principle and clinical application of acupuncture therapeutic instrument [J]. China journal of traditional chinese medicine and pharmacy， 2015， 30（2）： 488?491.

[3] LANG A R， MARTIN J L， SHARPLES S， et al. Medical device design for adolescent adherence and developmental goals： a case study of a cystic fibrosis physiotherapy device [J]. Patient preference and adherence， 2014， 8： 301?309.

[4] 张一帆.智能双频超声理疗仪的设计与实现[D].南京：南京理工大学，2015.

ZHANG Yifan. Design and implementation of intelligent dual frequency ultrasound physiotherapy instrument [D]. Nanjing： Nanjing University of Science & Technology， 2015.

[5] 石建国，何惠龙，刘根据，等.多控制器结构单片机实验系统研制与应用[J].实验技术与管理，2016，33（2）：57?60.

SHI Jianguo， HE Huilong， LIU Genju， et al. Development and application of an MCU experimental system with multi?controller architecture [J]. Experimental technology and management， 2016， 33（2）： 57?60.

[6] GHARSELLAOUI H， MAAZOUN J， BOUASSIDA N， et al. A software product line design based approach for real?time scheduling of reconfigurable embedded systems [J/OL]. [2017?04?21]. https：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0747563217302686.

[7] LU Siliang， HE Qingbo， ZHAO Jiwen. Bearing fault diagnosis of a permanent magnet synchronous motor via a fast and online order analysis method in an embedded system [J]. Mechanical systems and signal processing， 2017， 113： 36?49.

[8] 潘开阳.脉冲调制信号的相位噪声恶化仿真[J].现代雷达，2015，37（8）：46?48.

PAN Kaiyang. Quantization simulation of phase noise deterioration degree for pulse modulated signal [J]. Modern radar， 2015， 37（8）：46?48.

[9] 朱贵宪.基于单片机的数控稳压电源设计[J].自动化与仪表，2011，26（6）：50?53.

ZHU Guixian. Design of digital control voltage?stabilized power supply based on MCU [J]. Automation & Instrumentation， 2011， 26（6）： 50?53.

[10] 朱武，吴仕兵.基于电快速脉冲群发生器主电路的建模和设计[J].电力自动化设备，2015，35（6）：154?158.

ZHU Wu， WU Shibing. Modeling and design of main circuit for electrical fast transient pulse/burst generator [J]. Electric power automation equipment， 2015， 35（6）： 154?158.

[11] 张碧翔.数字电路中毛刺噪声的防治[J].电声技术，2014，38（11）：31?33.

ZHANG Bixiang. Burr noises prevented in digital circuits [J]. Audio engineering. 2014， 38（11）： 31?33.

[12] 深圳市诚鑫源电子有限公司.双运算放大器LM358 [EB/OL]. [2010?08?31]. http：//wenku.baidu.com/view/037242126

edb6f1aff001f45.html.

Shenzhen Chengxin Source Electronics Company. Dual operational amplifier LM358 [EB/OL]. [2010?08?31]. http：//wenku.baidu.com/view/037242126edb6f1aff001f45.html.

[13] 张秀娟，程飞龙.基于STM32的便携式生命体征监护仪设计[J].电子技术应用，2013，39（11）：20?22.

ZHANG Xiujuan， CHENG Feilong. Design of portable vital signs monitor based on STM32 [J]. Application of electronic technique， 2013， 39（11）： 20?22.

[14] 张河新，王晓辉，黄晓东.基于STM32和CAN总线的智能数据采集节点设计[J].化工自动化及仪表，2012，39（1）：78?80.

ZHANG Hexin， WANG Xiaohui， HUANG Xiaodong. Intelligent data acquisition node design based on STM32 and CAN bus [J]. Control and instruments in chemical industry， 2012， 39（1）： 78?80.