摘 要： 介紹了一種便攜式腦卒中康復(fù)治療儀，該治療儀能夠提供神經(jīng)肌肉電刺激,、小腦頂核電刺激,、肌電生物反饋三種康復(fù)治療方式。系統(tǒng)使用ARM9處理器S3C2410作為硬件核心,，采用Qt/Embedded為GUI開發(fā)工具,。系統(tǒng)具有體積小、可靠性高,、成本低、功耗低等特點,。
關(guān)鍵詞： 腦卒中,；嵌入式系統(tǒng)；S3C2410,；Qt/Ebedded
腦卒中是我國第一大致死和致殘性疾病,，存活者中的80%存在不同程度的功能殘障[1]，如肢體癱瘓,、肌肉痙攣,、抑郁、失語等病癥,，其中以肢體癱瘓為主的運動障礙最為常見,。如何運用新技術(shù)開發(fā)更有效、更適用的治療儀器來改善患者的生理功能,，使患者能在最短時間內(nèi)達到最滿意的治療效果并最終擺脫病殘的折磨,，一直是醫(yī)療研究和實踐的重點,。
目前，國內(nèi)外比較先進的生物反饋腦卒中治療儀普遍基于上下位機結(jié)構(gòu),。上位機是基于PC的生物反饋軟件系統(tǒng),，下位機是功能電路模塊，如生理信號采集器,、電刺激器等,，這種儀器的康復(fù)治療效果良好，但體積比較大,，價格也比較昂貴,。隨著嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，具有體積小,、功耗低,、性能穩(wěn)定、抗干擾強,、具有可裁剪定制等特點的嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療電子設(shè)備中越來越受青睞[2],。本康復(fù)儀選用嵌入式平臺開發(fā)，具有較好的便攜性和穩(wěn)定性,，減小了儀器的成本,、體積，使其不僅面向普通醫(yī)院,，而且能面向社區(qū)醫(yī)院和家庭用戶,，讓更多的腦卒中患者能得到方便、有效的治療,。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
本康復(fù)儀所運用的醫(yī)學(xué)原理是基于生物反饋的心理康復(fù)作用,，結(jié)合神經(jīng)肌肉電刺激NMES(Neuromuscular Electrical Stimulation)改善患者肢體功能的作用，以及小腦頂核電刺激FNS(Fastigial Nucleus Stimulation)誘發(fā)條件性中樞神經(jīng)源性神經(jīng)保護作用,。三種治療相互補充,，以期達到更好的康復(fù)治療效果[3]。
系統(tǒng)工作過程是：首先采集患者的表面肌肉電信號EMG,，經(jīng)過模擬放大,、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后,，由嵌入式軟件將處理后的肌電信號描繪在LCD屏幕上,；患者可以通過屏幕觀看自己在康復(fù)訓(xùn)練過程中的肌電變化情況，更加主動地活動肢體,，努力增強自身肌電水平,，當(dāng)肌電信號強度超過給定的刺激閾值時，系統(tǒng)按預(yù)設(shè)的治療參數(shù)對病人進行電刺激,，包括FNS,、NMES,；綜合的電刺激能增強患肢的活動能力和肌電水平，反饋式的治療能提高患者的信心,，改善抑郁情緒,，從而幫助患者訓(xùn)練肢體，使其逐步達到康復(fù)效果,。各種電刺激的啟動,、停止、治療參數(shù)配置和治療模式的選擇等工作均依靠系統(tǒng)軟件控制完成,。
根據(jù)康復(fù)儀的功能需求,，將系統(tǒng)設(shè)計為如圖1所示結(jié)構(gòu)。中央控制部分以嵌入式ARM處理器為核心,，有足夠的內(nèi)部集成資源來擴展各個外圍功能模塊,。主要部分包括肌電采集、神經(jīng)肌肉電刺激,、小腦頂核電刺激三大功能模塊,，系統(tǒng)通過這些功能實現(xiàn)康復(fù)治療的作用。擴展接口部分包括了USB,、RS232以及網(wǎng)卡等,，主要針對開發(fā)階段操作系統(tǒng)和軟件的下載、交叉編譯,、調(diào)試等操作以及設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化和遠程控制,。交互操作部分主要是鍵盤和LCD顯示器，實現(xiàn)人機交互操作,，醫(yī)護人員和設(shè)備維護人員通過這些設(shè)備實現(xiàn)對治療參數(shù)的修改,、正確治療方法的設(shè)定等功能；通過LCD顯示器將視覺信號反饋給患者,。顯示設(shè)備也是“生物反饋”治療方法的必要設(shè)備,。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 中央控制部分
系統(tǒng)使用三星公司的S3C2410處理器作為中央控制單元。該芯片以32位ARM920T為內(nèi)核,，最高處理速度達到203 MHz；支持5級流水線操作,，包括存儲器管理單元,；具有低成本、低功耗,、集成性高的特性[4],。系統(tǒng)外擴32 MB Flash空間，用于存儲Linux內(nèi)核,、應(yīng)用程序,；系統(tǒng)外擴64 MB SDRAM,，用于系統(tǒng)和程序的執(zhí)行。
2.2 主要功能部分
肌電采集電路用于檢測和采集患者的體表肌電信號,，電路主要包括前置放大,、高通濾波、低通濾波,、隔離放大,、工頻陷波、增益控制電路,。該部分電路將采集到的體表肌電根據(jù)系統(tǒng)要求放大1 250～10 000倍,。增益控制電路由S3C2410的GPIO控制，系統(tǒng)利用S3C2410的SPI總線擴展12位串行A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7453采集肌電放大器輸出的SEMG信號,，然后經(jīng)過濾波處理后傳送到實時處理模塊,，并在LCD上顯示出來。系統(tǒng)通過控制相關(guān)電路的工作來控制肌電采集的開始和停止等操作,。
NMES電路產(chǎn)生一種低頻可漸變的調(diào)制矩形波,。S3C2410的PWM輸出一路脈寬可調(diào)的矩型波到該電路，同時4通道12位串行D/A轉(zhuǎn)換芯片MAX5742輸出一路梯形調(diào)制波,，兩路波形經(jīng)調(diào)幅電路,、高壓恒流源電路就能得到調(diào)制方波作為刺激波。MAX5742是SPI接口的串行D/A芯片,，也接到S3C2410的SPI總線,，與A/D芯片分時復(fù)用。該電路的刺激波形,、刺激強度,、頻率、脈寬,、時間等參數(shù)均通過系統(tǒng)軟件來調(diào)節(jié),。
FNS電路輸出調(diào)幅的無極性微分型指數(shù)脈沖的中頻電刺激波形。系統(tǒng)向MAX5742輸出一路隨機波形生成調(diào)制波,；同時,，S3C2410的PWM輸出一路頻率為1 kHz的方波，方波由微分電路整形為微分型指數(shù)脈沖,；最后,，調(diào)制波與指數(shù)脈沖經(jīng)波形合成電路、恒流源電路得到所需的刺激波形,。
2.3 人機交互接口
系統(tǒng)采用了SHARP公司生產(chǎn)的一款9.4英寸TFT-LCD 640×480彩色液晶顯示屏,。S3C2410帶有LCD控制器，支持STN型和TFT型LCD。支持彩色TFT時,，可提供4/8/12/16位顏色模式,。LCD控制器的功能是產(chǎn)生顯示驅(qū)動信號，驅(qū)動LCD顯示器,。用戶只需要通過讀寫一系列的寄存器,，便可完成配置和顯示控制。
本系統(tǒng)需要鍵盤來輸入數(shù)據(jù)或者控制命令,，實現(xiàn)設(shè)置參數(shù)和控制系統(tǒng)的目的,。除了數(shù)字0～9外，再加上幾個功能鍵即可滿足系統(tǒng)需求,，所以不需要使用專用的PC鍵盤,，而是開發(fā)具有針對性的小鍵盤。本系統(tǒng)直接通過S3C2410的8個GPIO口來擴展4×4矩陣鍵盤,。
2.4 擴展接口
S3C2410接口豐富,，用戶可根據(jù)需要方便地擴展各種接口。本系統(tǒng)通過S3C2410的USB控制器擴展USB HOST接口,，為系統(tǒng)提供存儲數(shù)據(jù)功能,；利用S3C2410的URAT控制器擴展RS232，利用總線擴展網(wǎng)卡芯片DM9000給系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)接口,，方便系統(tǒng)調(diào)試和儀器數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
康復(fù)儀通過軟件界面實現(xiàn)視覺信號的反饋作用，為肌電生物反饋治療提供技術(shù)支撐,。該康復(fù)儀的軟件系統(tǒng)主要由嵌入式Linux操作系統(tǒng),、驅(qū)動程序和應(yīng)用程序三部分組成。
3.1 嵌入式操作系統(tǒng)
為了滿足系統(tǒng)對實時性和安全性的要求,，系統(tǒng)采用了嵌入式Linux操作系統(tǒng),。嵌入式Linux繼承了Linux的穩(wěn)定性優(yōu)點，且其內(nèi)核相當(dāng)精簡,，因此在嵌入式領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5],。
本系統(tǒng)采用了Linux2.6.x內(nèi)核，針對S3C2410的硬件情況,，裁剪并編譯了適合ARM 處理器的Linux內(nèi)核,，再借助于華恒公司的ppc bootloader將其傳輸至開發(fā)板的FLASH并啟動內(nèi)核，通過busybox制作文件系統(tǒng),。這里根據(jù)需要制作一款簡單的只讀文件系統(tǒng),，即cramfs文件系統(tǒng)。通過配置宿主機NFS(network filesystem)文件服務(wù)器的方式,，可將該文件系統(tǒng)傳輸至FLASH，從而完成對開發(fā)板上操作系統(tǒng)的配置。
3.2 設(shè)備驅(qū)動程序
在完成操作系統(tǒng)裁剪后,，需要對Linux下的各種設(shè)備進行驅(qū)動程序編程,。由于模塊方式要比靜態(tài)編譯鏈接方式更加方便靈活，因此本系統(tǒng)在Linux內(nèi)核基礎(chǔ)上二次開發(fā)的設(shè)備驅(qū)動程序是按照模塊方式實現(xiàn)的,。模塊化驅(qū)動程序的設(shè)計和實現(xiàn)流程主要有編寫模塊化編程子程序,、編寫自動配置和初始化子程序、編寫服務(wù)于I/O請求的子程序和編寫中斷服務(wù)子程序四個步驟,。按照這四個基本步驟編寫肌電增益控制驅(qū)動,、A/D和D/A轉(zhuǎn)換驅(qū)動、PWM調(diào)制波產(chǎn)生驅(qū)動,、鍵盤驅(qū)動,、LCD驅(qū)動以及網(wǎng)卡及串口驅(qū)動程序等。
3.3 應(yīng)用程序
便攜式腦卒中康復(fù)儀要為患者和操作人員提供友好,、簡便的圖形用戶界面(GUI),。GUI要求簡單、直觀,、可靠,、占用資源小且反應(yīng)快速，并且可以根據(jù)硬件具有較好的可移植性和裁剪性,。系統(tǒng)選用了Qt/Embedded-2.3.10作為腦卒中康復(fù)治療儀的應(yīng)用程序開發(fā)平臺,。
Qt/Embedded是Trolltech公司開發(fā)的面向嵌入式系統(tǒng)的Qt版本。Qt/Embedded是Server/Client結(jié)構(gòu),，在底層摒棄了X lib,，僅采用framebuffer作為底層圖形接口。Qt使用特有信號/槽(singal/slot)機制,，對象間的通信非常簡便和靈活,。Qt/Embedded將外部輸入設(shè)備抽象為keyboard和mouse輸入事件，底層接口可以較好地支持用戶自定義的設(shè)備[6],。
應(yīng)用軟件采用了模塊化的設(shè)計思想,，把整個軟件系統(tǒng)劃分為系統(tǒng)自檢模塊、參數(shù)設(shè)置模塊,、實時處理模塊,、顯示模塊和刺激模塊。功能模塊圖如圖2所示,。
操作系統(tǒng)啟動完畢后,，系統(tǒng)自檢模塊加載各個外圍設(shè)備，并對設(shè)備進行測試,。設(shè)備自檢正常運行之后,，按給定的初始值對設(shè)備進行參數(shù)初始化,，等待治療過程的開始。治療程序運行之前,，用戶可以通過參數(shù)設(shè)置模塊修改治療參數(shù),，外設(shè)驅(qū)動程序根據(jù)加載的參數(shù)配置外設(shè)。治療程序運行過程中,，通過實時處理模塊將采集到的肌電信號經(jīng)過濾波處理后顯示在屏幕上,，實現(xiàn)肌電的視覺反饋；刺激模塊根據(jù)用戶設(shè)定的治療方式對患者進行MMES或者FNS,。
康復(fù)治療儀根據(jù)用戶的設(shè)定參數(shù)運行,，然后采集并顯示實時的肌電信號，將患者的肌電信號通過LCD反饋給患者,。當(dāng)患者肌電超過預(yù)先設(shè)定的刺激閾值時,，系統(tǒng)按照治療方案給予患者一次電刺激。在不同的治療模式下,，系統(tǒng)提供不同的方式誘發(fā)電刺激,。治療過程中，用戶可以根據(jù)患者的實際情況調(diào)節(jié)治療模式,、刺激方式,、強度、治療時間等參數(shù)以達到最好的效果,?？祻?fù)治療流程如圖3所示。
GUI是系統(tǒng)與用戶相互交流和溝通的平臺,，是系統(tǒng)的重要組成部分,。該康復(fù)儀GUI的首要功能是實現(xiàn)視覺信號的心理反饋作用?？紤]到腦卒中患者肌電水平主要集中在200 μV以下,，而正常EMG的范圍在2μV~2000 μV之間，坐標(biāo)縱軸的描繪運用了對數(shù)函數(shù)變換,。取對數(shù)函數(shù)：
Y=log10(X)
當(dāng)X取值為10,、100、1 000時,，所對應(yīng)的Y值分別為1,、2、3,。即在X=10~100和X=100~1 000內(nèi),，Y的增量都等于1，這樣就可以在等間距的情況下突出2 μV~200 μV這部分的數(shù)值,，又可以照顧到整個輸出范圍的要求,。界面中,，橫軸為時間，而且設(shè)計成1min剛好顯示1屏治療數(shù)據(jù)的方式,。這樣使患者既能觀察到一段時間內(nèi)的治療情況,，也有較充裕的時間來主動活動患肢，能誘發(fā)NMES進行治療,，而不會因為顯示過快等造成視覺和身體的疲勞。主界面的設(shè)計結(jié)果如圖4所示,。
便攜式腦卒中康復(fù)儀采用了嵌入式ARM-Linux系統(tǒng)及Qt/Ebedded開發(fā)設(shè)計,，與目前國內(nèi)外同類儀器相比較，具有體積小,、可靠性高,、效率高、成本低,、功耗低等特點,，便于將治療儀推廣到社區(qū)醫(yī)院、鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院甚至患者家庭使用,，符合我國醫(yī)療衛(wèi)生改革的發(fā)展要求,，具有良好的應(yīng)用前景。
系統(tǒng)實現(xiàn)了在LCD上實時顯示采集到的肌電信號,，并同時顯示刺激閾值,；兩種電刺激輸出的各項參數(shù)均能達到預(yù)期水平；圖形用戶界面簡便友好,、操作方便,，人機交互效果良好，完全能滿足腦卒中康復(fù)系統(tǒng)要求,，達到了預(yù)期效果,。
參考文獻
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