原始论文
摘要
背景:远程康复已被证明在扩大康复服务、提高患者生活质量和改善临床结果方面具有巨大潜力。固定自行车运动可以作为家庭体能康复计划中有效的有氧运动组成部分。远程监测自行车运动为确保患者在家坚持锻炼和安全提供了必要的保障。目前远程监测自行车运动解决方案的可扩展性受到高成本的阻碍,这限制了患者获得这些服务,特别是患有慢性疾病的老年人。
摘要目的:本课题的目的是设计和测试两个低成本的无线接口,用于家庭骑行运动的远程监控。
方法:我们设计了一个交互式自行车系统(iBikE),包括一个平板电脑和一个低成本的自行车。建立并测试了两个无线接口来监测每分钟转数(RPM)。第一个版本的iBikE系统使用蓝牙低能耗(BLE)将信息从iBikE发送到PC平板电脑,第二个版本使用Wi-Fi网络进行通信。这两个系统都为患者及其临床团队提供了使用简单的图形表示实时监测运动进展的能力。该自行车可用于上肢或下肢康复。我们开发了两个平板电脑应用程序,在应用程序和自行车传感器之间使用相同的图形用户界面,但使用不同的通信协议(BLE和Wi-Fi)。为了测试目的,健康的成年人被要求使用臂式自行车进行三个独立的分组(慢速、中速和快速各1分钟),中间有1分钟的休息间隙。在从iBikE应用程序中收集速度值的同时,我们使用转速表连续测量自行车在每个子会话中的速度。收集到的数据随后用于评估iBikE系统测量数据的准确性。
结果:从iBikE和转速表中收集的每个子会话(慢、中、快)的转速数据进一步分为4类,包括每10秒bin的转速(6个bin)、每20秒bin的转速(3个bin)、每30秒bin的转速(2个bin)和每1分钟子会话的转速(60秒,1个bin)。对于每个箱子,然后计算每个子会话中所有箱子的平均差值(iBikE和转速计)。我们看到从10秒到1分钟测量的平均RPM差呈下降趋势。在慢速和快速骑行期间的10秒测量中,BLE iBike的无线接口和转速表之间的平均差异分别为0.67 (SD 0.24)和1.22 (SD 0.67), Wi-Fi iBike系统的平均差异分别为0.66 (SD 0.48)和0.87 (SD 0.91)。在慢速和快速骑行期间的1分钟测量中,BLE iBike的无线接口和转速表之间的平均差异分别为0.32 (SD 0.26)和0.66 (SD 0.83), Wi-Fi iBike系统的平均差异分别为0.21 (SD 0.21)和0.47 (SD 0.52)。
结论:我们的结论是,低成本的无线接口为家庭骑行运动的远程监测提供了必要的准确性。
doi: 10.2196/41782
关键字
简介
远程康复利用电信克服了距离和时间的障碍,使临床医生能够远程向患者家中提供保健服务。远程康复技术的进步,通过实时通信、跟踪患者的身体活动、监测重要身体功能和康复物理治疗,使远程监督康复计划成为可能[
- ].在COVID-19大流行期间,远程医疗的使用大幅增长[ ]当时世界卫生组织鼓励保持身体距离[ ].远程保健方法可能有助于支持慢性病患者在家进行自行车运动,特别是在可以实时监测安全和遵守运动处方的情况下[ ].现有的解决方案主要是为健康的运动员设计的,其特点是成本高,缺乏让健康专业人员监测自行车运动并及时向患者提供反馈的功能。在促进上下肢康复的远程康复环境中,用于实时远程监测自行车运动的低成本无线接口进行了有限的研究。单车运动器材常用于训练上肢和下肢,在康复设施中广泛使用,可监督病人的运动[
].自行车运动训练被证明可以改善血液透析患者的临床结果[ ],髋部骨折恢复期患者[ ]、机械通气患者[ ],中风后急性恢复期患者[ ]、患有慢性肺部疾病的病人[ ]、患有慢性疾病的病人[ ]、帕金森病患者[ ]、偏瘫患者[ ]、COVID-19患者[ ],以及卧床的危重病人[ ].利用游戏和消费电器,可以促进病人参与远程康复[ - ],在那里,患者获得动力,参与愉快的游戏行为,包括有用的治疗相关活动[ ].自行车运动器材在家庭中随处可见,价格低廉;然而,由于缺乏与康复专业团队的远程连接,无法实时监控锻炼进度,因此在实践中远远没有效果。除了设计警报系统外,提供简单的实时可视化和数值表达式,防止运动强度超过康复团队批准的水平,将极大地提高远程运动的有效性和安全性。我们之前展示了研究参与者对初始iBikE设计系统的高水平接受度[
].从本研究中获得的数据为最佳定制远程康复方案的开发和测试提供了基础。本研究的目标是设计和测试两种低成本无线接口的准确性,用于家庭骑行运动系统的远程监控。这两个系统的主要区别是通信协议。第一个系统使用蓝牙低能耗(BLE)在iBikE和平板电脑之间进行通信。第二个系统使用Wi-Fi在iBikE和平板电脑之间进行通信。
方法
概述
我们开发了两个iBikE系统,使用Wi-Fi或BLE协议在平板电脑和iBikE之间进行通信。为了评估和评估系统的准确性和功能,我们在两个独立的实验中测试了这两个系统。在每次实验中,我们都使用激光测速仪来测量自行车的速度。每次实验共要求9名健康个体进行手循环。最后,将这些系统的采集数据与激光转速表的代表性采集数据进行比较。
我们在两种设计中使用了相同的硬件和用户界面。iBikE系统有两个主要部分:(1)平板电脑应用程序和(2)iBikE (
).记录的数据通过无线通信从iBikE的内置系统发送到PC平板电脑。此外,数据提供给远程康复用户时,他们正在进行自行车运动。为了方便使用,iBikE本身只有一个物理按钮,而平板电脑有一个触摸屏按钮来启动/停止锻炼。![](https://asset.jmir.pub/assets/ca4e9874cf7fad29494a8d9d985883cd.png)
平板电脑应用
我们在平板电脑上开发了一个使用通用Windows平台的触摸屏操作应用程序,它可以在任何Windows 10操作系统上运行。我们使用c#编程语言来开发应用程序。应用程序的第一页设计了两个按钮,Pulse Oximeter按钮和iBikE按钮。为了在用户骑车时显示氧饱和度和脉搏率数据,用户需要按下脉搏血氧计按钮来连接手腕上的脉搏血氧计。我们使用了WristOx2,型号为3150 [
],通过BLE连接平板电脑。通过按压脉搏血氧计图像,应用程序首先扫描,然后通过BLE将脉搏血氧计配对到平板电脑。这将应用程序上的代表设备按钮变为绿色( ).应用程序使用标准的通用唯一标识符(UUID)来获取特征及其值。通过无线接口的微控制器单元(MCU)与平板电脑的成功配对,用户可以开始锻炼并实时跟踪骑行进度。此外,它允许从脉搏血氧计接收到的数据显示在运动页面上( ).在开始骑行之前,用户必须通过点击应用程序第一页中的图像来激活脉搏血氧计。要开始骑行,用户需要先按下自行车上的物理按钮,打开iBikE设备。接下来,他们需要通过按应用程序上iBikE设备的代表按钮( ).这导致应用程序通过蓝牙或Wi-Fi连接到iBikE,并将用户带到应用程序的第二页( ).在第二页,通过开始运动,通过平板电脑激活实时运动反馈界面,用户可以实时监控运动速度,单位为转/分(RPM)。此外,实时脉搏率和氧饱和度数据从血氧计发送到平板电脑,并可在第二页进行监控。用户的整个练习数据存储在本地服务器和.csv文件中。![](https://asset.jmir.pub/assets/af4bf037c35b94a7798a7d70538f2f04.png)
![](https://asset.jmir.pub/assets/2923e7c6971a9936a5d96503bbb4a683.png)
iBikE设备
iBikE运动器材有三个主要模块(
):(1)控制和计算模块,(2)磁开关模块(簧片传感器),(3)蓝牙或Wi-Fi通信模块。控制与计算模块
在这个项目中,我们使用了FireBeetle ESP-32,这是一款专为物联网项目设计的低功耗MCU。它集成了一个双核esp - wrom -32模块,支持MCU和Wi-Fi和蓝牙双模通信。它还支持3.7V外置锂电池电源。iBikE首先通过ESP32单片机读取簧片开关传感器提供的信息,获得相应的周期信息,然后通过蓝牙或Wi-Fi将数据发送到平板电脑。通过单片机内的计算算法实时测量循环信息,即间隔时间(毫秒)。然后,这些时间间隔通过Wi-Fi或蓝牙通信模块传送到平板电脑上。簧片开关用于测量完成一次骑行iBikE所需的时间。
磁开关模块
簧片传感器(磁开关)是一种将磁场变化转化为电信号的传感器。它由一对铁磁柔性金属触点组成,通常是打开的,在一个密封的玻璃外壳中。通过将磁铁放在iBikE设备的磁开关上,磁开关检测到磁场的变化并关闭金属触点,从而产生电信号的流动。通过将磁铁从磁场中移除,磁开关检测到变化并停止电信号的流动。在iBikE设备中,踏板的每一次旋转(一个周期)都由磁开关检测。由单片机对开关的电信号流进行连续采样,提供循环时间间隔。如果超过90秒没有检测到采样电信号的开/关变化,则会检测到用户离开iBikE。
蓝牙或Wi-Fi通信模块
我们开发了两个独立的iBikE系统,通过每个系统中的Wi-Fi或BLE通信协议将骑行间隔从iBikE系统传输到PC平板电脑。在BLE通信模式下,PC平板直接连接到集成在iBikE设备内部的MCU。周期间隔首先转换为两个字节:低字节(整数中最不重要的部分)和高字节(整数中最重要的部分)。然后将字节包发送到平板电脑。我们定义了自定义UUID来将值从MCU传输到平板电脑。在Wi-Fi通信模式下,PC平板电脑和MCU都连接在同一个Wi-Fi网络中。使用用户数据报协议将骑行间隔从配置为客户端的自行车发送到配置为服务器的PC平板电脑。
数据收集
两种开发的iBikE系统都有相同的操作程序。为了开始骑行,用户需要首先按下iBikE运动设备上的红色按钮来唤醒MCU,并激活与平板电脑的Wi-Fi或蓝牙通信。然后,用户需要按下应用程序第一页上的按钮(
)表示练习的开始。这使得平板电脑可以连接到Wi-Fi/蓝牙通信模块,并与iBikE运动设备配对。将平板电脑与iBikE配对后,界面第二页会显示指定的骑行速度( ),用户可以通过iBikE运动设备进行运动,并收到用户运动的反馈。使用激光测速仪、DT-2100、Nidec-SHIMPO [
].转速表采用非接触连续测量方式,实时检测所测转速( B).转速表以10hz采样频率对连续RPM测量进行采样。收集到的数据可以在其PC软件中实时可视化。在每个会话结束时,记录的数据可以保存在Excel(微软公司)文件中。最后,将每次骑行实验中保存的数据与从iBikE系统中收集的具有代表性的数据进行比较。![](https://asset.jmir.pub/assets/3e71eaefa193b8d607931adb23b994e2.png)
一组9人使用每个iBikE系统进行3次手动骑行,每次骑行时间为1分钟。他们先以慢速骑行1分钟,然后休息1分钟。然后,他们开始以中等速度骑行1分钟,然后休息1分钟。最后,他们以1分钟的快速骑行开始。慢、中、快的含义取决于用户的解释。测试的参与者是9名健康的人,年龄在21到37岁之间。他们在不同的两天里进行了测试。第一天在BLE通信模式的iBikE系统上采集数据,第二天在Wi-Fi通信模式的iBikE系统上采集数据。用户总共完成了18个会话(54个阶段)。在每个阶段,数据都是从iBikE系统和转速表中并行收集的。 The iBikE system recorded completed cycling intervals and sent the data to the PC tablet. At the same time, the tachometer collected RPM values and sent them to a PC with a sampling rate of 10 Hz.
除了由MCU发送给应用程序的骑行信息外,其他信息包括心率、氧饱和度(SpO2)、个人活动智能[
],从脉搏血氧计发送到应用程序。道德的考虑
由于没有风险,并且参与者都是本文的作者,我们不需要机构审查委员会的批准。数据收集于2022年5月至2022年6月之间。未收集受保护的健康信息,所得到的分析数据集已完全去识别。研究参与者没有得到补偿。
结果
iBikE系统的准确性通过比较iBikE收集的数据和它的代表性的转速表收集的数据来评估。我们使用MATLAB R2022a (MathWorks)开发了一种算法来比较两个收集到的数据集。该算法的第一步是将iBikE上的采集数据与转速表上的代表性采集数据相匹配。对慢速、中速和快速收集的所有54个(1分钟)数据进行了此操作(
- ).所有的人像都属于同一个人,在一分钟的时间内以不同的速度骑行三次。在慢速收集的数据中,我们从iBikE中收集的样本比中速和快速收集的样本少。这是因为每次循环完成时,iBikE都会发送间隔(以毫秒为单位)。在慢节奏会话中,用户完成一个周期所需的时间较长,因此在相同持续时间(60秒)的每次会话中,iBikE系统收集的样本较少。然而,在转速表中,所有会话的数据采集采样率在连续模式下为10hz。因此,我们每60秒采集600个样本。为了比较来自iBikE的数据和从转速表收集的代表数据,转速表的数据被平均为与从iBikE收集的代表数据相同的大小(
- ).![](https://asset.jmir.pub/assets/43f13c9d2d65f9db0183e885da63ba6a.png)
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移动iBikE收集的数据,并匹配转速表收集的代表数据,使我们能够确定每个会话的起点和终点。该算法的第二步是将每个会话(60秒)分为4个子会话:10秒、20秒、30秒和60秒,用于从转速计和iBikE系统收集的数据。例如,在一个10秒的子会话中,每个会话(持续时间为60秒)从iBikE和转速表收集的数据都被分为6个10秒的箱。然后计算每10秒的RPM平均值。然后计算每个bin (iBikE及其代表的转速表bin)的平均差值。最后,计算6个箱子的平均值。
显示了一个参与者的所有子部分的计算平均值的例子。最后,计算所有参与者的所有相似子截面的平均值和SD,并显示在
而且 而且 .在每个会话中,各子分段的均值和标准差从10秒的实测均值下降到60秒的实测均值。Wi-Fi和BLE系统的所有会话的趋势都是一样的。每个人收集的数据的子节的最大计算均值为Wi-Fi为2.96,BLE为2.69,都是在10秒内快速收集的数据。在60秒的中速分段中,所有参与者收集到的数据的子分段的最小平均值为0.2 (SD 0.3)。对于Wi-Fi iBikE系统,在慢速的1分钟子会话中,该数字为0.21 (SD为0.21)。
部分 | 祝福一个部分 | wi - fi的部分 | |||||
慢 | 媒介 | 快 | 慢 | 媒介 | 快 | ||
10-s箱(6箱),平均值 | 0.69 | 0.87 | 0.95 | 0.53 | 0.53 | 0.7 | |
20s箱(3箱),平均值 | 0.38 | 1.14 | 0.7 | 0.27 | 0.5 | 0.37 | |
30s箱(2箱),平均值 | 0.42 | 1.13 | 0.52 | 0.13 | 0.1 | 0.39 | |
60s bin (1 bin),平均值 | 0.17 | 0.1 | 0.08 | 0.15 | 0.07 | 0.15 |
一个BLE:蓝牙低能耗。
部分 | 慢速会话,平均值(SD) | 中速训练,平均(SD) | 快节奏会话,平均值(SD) |
10箱 | 0.67 (0.24) | 0.65 (0.37) | 1.22 (0.67) |
20多岁的垃圾箱 | 0.53 (0.29) | 0.45 (0.38) | 0.98 (0.72) |
30年代垃圾箱 | 0.41 (0.24) | 0.39 (0.41) | 0.85 (0.75) |
60年代垃圾箱 | 0.32 (0.26) | 0.20 (0.30) | 0.66 (0.83) |
部分 | 慢速会话,平均值(SD) | 中速训练,平均(SD) | 快节奏会话,平均值(SD) |
10箱 | 0.66 (0.48) | 0.43 (0.18) | 0.87 (0.91) |
20多岁的垃圾箱 | 0.46 (0.32) | 0.37 (0.12) | 0.70 (0.70) |
30年代垃圾箱 | 0.32 (0.31) | 0.30 (0.17) | 0.64 (0.63) |
60年代垃圾箱 | 0.21 (0.21) | 0.24 (0.17) | 0.47 (0.52) |
![](https://asset.jmir.pub/assets/b0db6962e249e1ede2eb05d9ca3b7f69.png)
讨论
主要结果
我们设计并开发了两个系统,可用于需要远程康复锻炼系统的患者的家庭锻炼。我们以一种易于访问的方式设计了系统,并且需要用户最少的经验来操作系统。我们的新系统成本低廉,在通过BLE或Wi-Fi进行通信时显示了其能力和准确性。通过将iBikE系统的记录数据与激光测速仪收集的数据进行比较,我们评估了iBikE系统的准确性和功能性。结果表明,BLE iBikE系统在中等速度骑行1分钟时,最小平均转速差为0.2 (SD 0.3)。对于Wi-Fi iBikE系统,在慢节奏骑行1分钟时,最小平均转速差为0.21 (SD为0.21)。
我们让用户界面尽可能简单,以便用户使用iBikE系统和启动/停止会话。只需按下iBikE设备上的一个物理按钮(
),两套系统均可轻松连接到PC平板电脑。这激活了MCU中的BLE/Wi-Fi连接,然后等待用户按下平板电脑屏幕上的按钮来确认连接并开始骑行会话。iBikE设备上的这个按钮也可以用来停止骑行。限制
我们使用的是FireBeetle ESP-32,集成了双核esp - wrom -32模块,支持MCU和Wi-Fi、蓝牙双模通信。为了准确地记录簧片开关在落边上的循环间隔,我们在检测算法中使用了中断服务例程(ISR)。由于簧片开关的电容式结构[
]和外磁场效应[ ],随机下降边(假在Wi-Fi iBikE系统中,每250毫秒检测到中断)。对于BLE iBikE系统,假中断每140毫秒发生一次。当系统电池低于其~70%容量时,检测效果不佳假BLE和Wi-Fi系统的中断更频繁、更长,分别为180毫秒和300毫秒。因此,循环间隔检测算法在ISR中使用了一个延迟定时器来防止计数器在时间点上递增假中断。这是BLE系统相对于Wi-Fi系统的优势之一,因为延迟定时器更小(小于200毫秒),因此,与Wi-Fi系统相比,可以检测到更快的RPM(高达300)。此外,在类似的会话中,BLE iBikE系统使用的电池更少。在快节奏实验中记录的最高转速为142转。因此,两种系统都能检测到所有的循环间隔而不丢失数据。但是,对于类似的应用程序,需要以更高的频率更快地记录数据,应该考虑这个问题。为了激活ESP-32 MCU中的Wi-Fi通信,我们需要设置iBikE附近一个活动路由器的用户名和密码,使其连接到Wi-Fi并与PC平板电脑通信。如果用户移动到一个新的位置,使用新的活动路由器,MCU嵌入的编程代码需要更新新的用户名和密码。这需要一个有经验的人,有专门的集成开发环境软件(Arduino IDE等),用新的用户名和密码更新代码。另外,我们需要在编程代码中提供平板电脑的IP地址,以便与平板电脑通信。然而,BLE系统没有这些限制。我们对在Wi-Fi系统上使用BLE iBikE系统的建议仅限于这个已开发的系统、我们的应用程序需求和系统的数据结果。BLE和Wi-Fi技术各有优缺点。当应用需要传输速度更快、安全性更高的大数据时,例如Wi-Fi是更好的选择。
结论及未来工作
iBikE系统由一个用于快速周期采样的传感器、检测患者退出程序的算法、用于收集传感器数据并与平板电脑通信的程序、用于显示iBikE和患者数据并输入控制变量的用户界面以及跟踪记录和数据收集系统组成。低成本的无线接口为家庭骑行训练的远程监控提供了必要的准确性。这个iBikE系统是新颖的,因为它可以通过可靠的低成本无线接口为康复团队捕获和通信实时运动自行车数据。
在之前的工作中,我们证明了物理远程康复在慢性肺部疾病患者中的高接受度和积极影响[
]、多发性硬化症[ ],以及老年综合症[ ].下一步是评估基于家庭的自行车远程康复项目的影响,该项目包括实时运动监测和临床试验环境下康复团队的数据驱动反馈,其中包括长期登记的不同范围的患者。应调查短期和长期的骑行效果,并与门诊实施的现有康复结果进行比较。远程康复项目将根据其对有氧健身、临床结果、医疗保健使用和运动坚持的影响进行评估。致谢
该项目得到了国家心肺血液研究所R33HL143317的部分资助。
利益冲突
没有宣布。
参考文献
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缩写
祝福:低能耗蓝牙 |
ISR:中断服务程序 |
单片机:微控制器单元 |
转:转数/分钟 |
UUID:通用唯一标识符 |
A Mavragani编辑;提交08.08.22;D Gaz, R Moskovitch同行评审;对作者13.09.22的评论;修订本收到日期为18.09.22;接受22.09.22;发表12.10.22
版权©Aref Smiley, Te-Yi Tsai,婉翠,Irena Parvanova, Jinyan Lyu, Elena Zakashansky, Taulant Xhakli, Hu Cui, Joseph Finkelstein。最初发表于JMIR生物医学工程(http://biomsedeng.www.mybigtv.com), 12.10.2022。
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