神經(jīng)康復(fù)平臺(tái)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1、神經(jīng)康復(fù)平臺(tái)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)      【摘 要】 卒中導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)功能障礙以及抑郁等并發(fā)癥嚴(yán)重危害著人類的身心健康。“腦10 年”最重要的研究成果之一就是發(fā)現(xiàn)了人類的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(腦和脊髓)具有高度的可塑性(plasticity)。長期以來，以神經(jīng)發(fā)育促進(jìn)術(shù)為基礎(chǔ)的各種常規(guī)康復(fù)療法雖然有助于患者運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)，但是效果還不盡如人意。 根據(jù)肌電觸發(fā)的神經(jīng)肌肉電刺激(neuromuscular electrical stimulation,NMES)能改善患者肢體功能的作用、小腦頂核電刺激(fastigial nucleus stimulation,

2、FNS)的神經(jīng)源性保護(hù)原理、脊髓電刺激(spinal cord stimulation, SCS)促使大腦動(dòng)脈血流分布增高的效應(yīng)以及認(rèn)知重新學(xué)習(xí)法(cognitive relearning,CR)的心理康復(fù)作用，本文提出了一種新型的“物理+心理”的綜合康復(fù)療法，并研制了相關(guān)的康復(fù)平臺(tái)樣機(jī)。該樣機(jī)采用主從式結(jié)構(gòu)，下位機(jī)包括肌電采集、NMES、FNS&SCS 等功能相對(duì)獨(dú)立的電路模塊，并通過串口與上位機(jī)(PC)進(jìn)行通信。其中，NMES 模塊采用了一種低頻可調(diào)制方波作為電刺激波形；為了能有效地分離治療閾值與疼痛閾值，F(xiàn)NS&SCS 模塊則采用了隨機(jī)信號(hào)調(diào)幅的無極性中頻指數(shù)波；這兩種電

3、刺激波形均能解決對(duì)機(jī)體的適應(yīng)性問題。 本論文主要的研究內(nèi)容是基于PC 的康復(fù)平臺(tái)軟件的實(shí)現(xiàn)，按照軟件工程思想、采用統(tǒng)一建模語言(unified modeling language, UML)、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)(oriented object programming, OOP)，本文具體運(yùn)用BCB6.0 研究并設(shè)計(jì)了自動(dòng)、人工、循環(huán)三種可視化的可交互的治療模式，為“物理+心理”療法的實(shí)現(xiàn)提供了軟件平臺(tái)的支持。同時(shí)利用數(shù)據(jù)庫、API函數(shù)、多線程、雙緩沖等技術(shù)完成了治療參數(shù)控制、串口通信、方案維護(hù)、病歷登記、復(fù)診登記、信息查詢、科室信息維護(hù)、繪圖參數(shù)設(shè)置等功能模塊。   【關(guān)鍵詞】

4、腦卒中；神經(jīng)肌肉電刺激；小腦頂核電刺激；脊髓電刺激；認(rèn)知重新學(xué)習(xí)法   Abstract The movement function diseases and such syndromes as depression etc resulted from the stroke all do badly harm to human beings health and mentality. Its well known that our nerve centre (brain & spinal cord) has the outstanding plasticity, which

5、is one of the most important discoveries of Brains 10-Years Plan. Although, some ordinary rehabilitation methods derived from facilitation technique can help the recovery of the patients movement ability, the clinical result is not satisfied.According to the improvement effect from the EMG-triggered

6、 neuromuscular electrical stimulation to the limbs,the principle of neurogenic neuroprotective electrical stimulation to the cerebella fastigial nucleus, the increase action to the cerebral artery blood stream from spinal cord stimulation and the positive mentality function from cognitive relearning

7、 method. The integration rehabilitation method of Physical & Mental is brought forward and the medical instrument sample has been developed.The designed therapy instrument adopts the framework of distributed control system that comprises the extension set and PC. The extension set comprises seve

8、ral correspondingly independent circuit modules as EMG collection,NMES and FNS&SCS, which all communicate with PC by the standard serial port. Moreover, NMES module use one of the low frequency modulating rectangle wave as the stimulation output, and in order to separate therapy threshold and ac

9、he threshold, FNS&SCS module make use of the random signal modulating and non-polar differential exponent medium frequency pulse signal as carrier wave. Both of them can effectively solve the adaptability problem of simulating waveform to the human body. This papers main work is the study of PC-

10、based rehabilitation platform software, which complies with Software Engineering, adopts Unified Modeling Language and Oriented Object Programming and uses BCB6.0. We finished three visualized and alternating treatment modes (auto, manual, circular) to afford the physical & mental therapy method

11、 for the patient. Utilizing database,API functions,multithread,double-buffer and other technologies, the platform software has been finished with many functions and modules, such as cure parameters control, cure project setting,serial port communication, case register, re-enroll case, patient inform

12、ation query,department information maintenance,drawing parameters setting etc.Keywords Stroke; Neuromuscular electrical stimulation; Fastigial nucleus stimulation; Spinal cord stimulation; Cognitive re-learning   認(rèn)知重新學(xué)習(xí)法（CR）是源于國外一個(gè)全新的概念，它已經(jīng)被證實(shí)不僅是一種有效的腦卒中康復(fù)方法，而且還具有獨(dú)特的心理輔助治療作用。CR的一般作用方式是以自發(fā)肌電所觸發(fā)的

13、NMES 等生物反饋法為基礎(chǔ)，讓患者盡力思考，增加中樞神經(jīng)對(duì)瘓肢的控制，增加癱瘓肌肉的肌電水平，從而在達(dá)到或超過儀器所設(shè)定閾值后能夠觸發(fā)電刺激。如此反復(fù)作用，一方面，也會(huì)使患者意識(shí)到這是自己主動(dòng)想象的結(jié)果，從而更加努力運(yùn)動(dòng)，可以增強(qiáng)治療信心，明顯改善抑郁情緒；另一方面，隨著患者認(rèn)知心理的重新學(xué)習(xí)和恢復(fù)，不僅可以促進(jìn)腦部功能的重新組織，還可以激活一些原來閑置不用的神經(jīng)通路，使其能夠替代已受損的神經(jīng)功能，從而使新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得以建立，肢體功能最終得以恢復(fù)。   1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的原則和思路   1.1 設(shè)計(jì)原則   現(xiàn)代醫(yī)療儀器的設(shè)計(jì)原則一般包括：信號(hào)因素、環(huán)境因素、醫(yī)

14、學(xué)因素、經(jīng)濟(jì)與時(shí)代因素5 個(gè)方面，這也是本文全部設(shè)計(jì)工作的基本準(zhǔn)則。毋庸置疑，現(xiàn)代醫(yī)療儀器的一個(gè)重要發(fā)展方向是數(shù)字化和智能化；而且隨著“以人為本”醫(yī)療理念的逐步深入，微創(chuàng)、無創(chuàng)的治療方式更易于讓患者、醫(yī)院以及社會(huì)所接受。 1.2 設(shè)計(jì)思路 無創(chuàng)性的要求：傳統(tǒng)的電刺激以有創(chuàng)傷的方式為主，比如單獨(dú)植入電極或全部植入刺激電極、脈沖發(fā)生器和導(dǎo)聯(lián)線等，這不僅加深了病人的痛苦，使其產(chǎn)生抵觸心理，而且也會(huì)引起交叉感染等。   由于近年來采用表面電極的電刺激療法(比如NMES 或TENS 等)在腦卒中康復(fù)工作中取得了良好的效果，所以，本康復(fù)平臺(tái)所有的電刺激均通過表面電極來實(shí)現(xiàn)。有效性的要求：所研制的

15、康復(fù)平臺(tái)以肌電觸發(fā)的NMES 為主，以經(jīng)皮的FNS 和SCS 為輔，并利用計(jì)算機(jī)技術(shù)為CR 療法提供實(shí)現(xiàn)的手段，期望通過上述“物理+心理”療法促使患者運(yùn)動(dòng)功能、腦神經(jīng)以及心理功能全面有效的康復(fù)。安全性的要求：首先，相關(guān)電路模塊的電氣安全是設(shè)計(jì)中需要始終貫穿的問題；其次，探討并選取安全、合適的電刺激波也是保證療效的關(guān)鍵。直觀性的要求：為了使患者和醫(yī)護(hù)人員能夠觀察所采集到的肌電、治療參數(shù)等數(shù)據(jù)，借以發(fā)揮視覺信號(hào)的心理反饋?zhàn)饔茫撈脚_(tái)需要配置一臺(tái)能旋轉(zhuǎn)的15”/17”的顯示器(CRT 或LCD，分辨率1024*768，256 色以上為宜)。模塊化的要求：考慮系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和后期臨床實(shí)驗(yàn)的要求，應(yīng)該將

16、相關(guān)電路和軟件設(shè)計(jì)成相對(duì)獨(dú)立的模塊，這樣便于組裝和維護(hù)。信息化的要求：康復(fù)平臺(tái)的軟件系統(tǒng)不只局限于為心理療法和治療控制提供支持，還應(yīng)該提供病歷登記、信息查詢、治療方案維護(hù)等軟件功能，以便將來診斷工作以及科室間的信息共享工作的開展。人性化的要求：應(yīng)注重醫(yī)護(hù)人員使用的簡便性，比如，軟件中的各種治療參數(shù)要易于維護(hù)和控制；另外，成型后的儀器樣機(jī)也能在病房和科室間移動(dòng)?？蓴U(kuò)展性的要求：由于所提出的創(chuàng)新性的康復(fù)方法需要臨床實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，所以在軟硬件的設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量采用便于功能擴(kuò)展的技術(shù)和方法。 2 設(shè)計(jì)策略與技術(shù)路線 2.1 設(shè)計(jì)策略 當(dāng)前數(shù)字醫(yī)療儀器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和方式有以下幾種：采用傳統(tǒng)的基于單片機(jī)或DS

17、P(數(shù)字信號(hào)處理器)控制的一體化式結(jié)構(gòu)，體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，但功能不夠強(qiáng)大，難于維護(hù)和升級(jí)。運(yùn)用新興的虛擬儀器(virtual instruments, VI)技術(shù)，雖然設(shè)計(jì)周期短，技術(shù)更新快，但是專業(yè)軟硬件設(shè)備的成本過高，也不符合儀器的后期小型化的需求。 使用當(dāng)前流行的嵌入式技術(shù)(embedded technology，ET)，那么僅在嵌入式系統(tǒng)的移植、搭建交叉編譯環(huán)境、驅(qū)動(dòng)與GUI 設(shè)計(jì)等方面就會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力；此外市場(chǎng)上能符合本系統(tǒng)性能要求的開發(fā)板也是寥寥無幾，價(jià)格不菲。采用模塊化電路結(jié)合PC 的方式，首先在制定好通信接口與協(xié)議的前提下，電路模塊和軟件系統(tǒng)可以分別獨(dú)立設(shè)計(jì)；其次電路

18、模塊可以采用成熟的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)(如51 單片機(jī))，而且PC 價(jià)格低廉，設(shè)計(jì)資料豐富；最后成型的電路模塊分別與PC 上的軟件進(jìn)行聯(lián)調(diào)組裝即可。此外，這種方式也便于今后向工控機(jī)上移植。根據(jù)上述分析，作者借鑒了多參數(shù)生理監(jiān)護(hù)儀和B 超工作站的設(shè)計(jì)方式，采用這種電路模塊結(jié)合PC 的主從式結(jié)構(gòu)以及“總分總”的設(shè)計(jì)策略，即先進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，再分別實(shí)現(xiàn)各個(gè)軟/硬件模塊，最后修改、調(diào)試、組裝，完成樣機(jī)。 2.2 技術(shù)路線 本設(shè)計(jì)主要的技術(shù)路線如下所述：康復(fù)平臺(tái)總體采用上述“主從式”結(jié)構(gòu)，下位機(jī)的各個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)方法；上位機(jī)(PC)的軟件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)治療參數(shù)控制，進(jìn)行視覺信號(hào)反饋等。具體而言，下位機(jī)應(yīng)該至少包

19、括肌電采集、NMES、FNS 以及SCS 電路，并統(tǒng)一使用MCS51作為主控單片機(jī)；考慮到所需要的肌電信號(hào)的頻率范圍，上下位機(jī)間通過標(biāo)準(zhǔn)的RS232 串口進(jìn)行通信即可?？紤]到一般的PC 配置有兩個(gè)串口，所以可以把作為主要治療手段的NMES 模塊以及采集電路與串口1 連接，而將作為輔助治療方法的 FNS、SCS 合并為一個(gè)模塊并且與串口2 相連。上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：借助軟件所提供的視覺反饋引出CR 的心理作用，即肌電信號(hào)超過預(yù)定閾值后能觸發(fā)NMES 的反饋?zhàn)饔?；通過串口控制采集電路和刺激電路模塊；提供病歷登記、信息查詢、治療參數(shù)維護(hù)等功能模塊。成型后的樣機(jī)擬組裝于能移動(dòng)的推車中以方便醫(yī)護(hù)

20、人員的使用。 總體的技術(shù)路線可總結(jié)為：立足于腦卒中康復(fù)理論和方法的創(chuàng)新，盡量采用成熟穩(wěn)定的技術(shù)和方法。這樣能盡快地完成樣機(jī)的設(shè)計(jì)工作，從而能較快地對(duì)所采用的綜合康復(fù)方法進(jìn)行驗(yàn)證，并為后期的臨床實(shí)驗(yàn)和技術(shù)升級(jí)做好準(zhǔn)備。 3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 綜上所述，所設(shè)計(jì)的腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合康復(fù)平臺(tái)包括四部分，分別為肌電采集模塊、NMES 模塊、FNS&SCS 模塊和康復(fù)平臺(tái)軟件系統(tǒng)(總體結(jié)構(gòu)如1所示)。    其中，肌電采集模塊和NMES 模塊通過串口1與PC 進(jìn)行通信，F(xiàn)NS&SCS 模塊通過串口2 與PC進(jìn)行通信。   3.2 物理+心理療

21、法的總體設(shè)計(jì)   本設(shè)計(jì)所提出的這種“物理+心理”的綜合康復(fù)療法無疑是整個(gè)系統(tǒng)的立足點(diǎn)，它不僅決定著系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，而且直接影響著軟硬件的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方式。經(jīng)過對(duì)生物反饋方法以及心理療法的分析，結(jié)合醫(yī)療儀器控制與反饋技術(shù)的發(fā)展，作者提出了“開環(huán)治療”及“閉環(huán)治療”這兩種主要的康復(fù)治療模式。閉環(huán)治療這里的“閉環(huán)治療”指的就是自發(fā)肌電所觸發(fā)的NMES，其治療流程如圖2 所示。首先讓患者盡力思考，增加瘓肢的肌電水平，由肌電采集模塊檢測(cè)并發(fā)送所采集到的微弱信號(hào)。上位機(jī)軟件同步顯示所采集到的肌電以及預(yù)置的電刺激閾值，當(dāng)某一時(shí)刻，患者努力活動(dòng)的肌電最值超過這個(gè)閾值時(shí)，系統(tǒng)就啟動(dòng)一次NMES，從

22、而引起一次有功能活動(dòng)的肌肉收縮作為對(duì)患者努力的“回報(bào)”和“獎(jiǎng) 勵(lì)”。軟件的閾值能根據(jù)患者的肌電水平自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而促使患者不斷地努力活動(dòng)，不斷得到這種獎(jiǎng)勵(lì)性質(zhì)的電刺激。如此反復(fù)，形成一種自發(fā)肌電觸發(fā)NMES 的“閉環(huán)治療”方式?？傮w而言，它在理論上可以為CR 的實(shí)現(xiàn)提供支持，即通過這種視覺信號(hào)的反饋使患者意識(shí)到這是自己想象和運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，從而更加主動(dòng)地去活動(dòng)。在通過NMES改善腦卒中患者運(yùn)動(dòng)能力、重建大腦和癱瘓肌肉的 功能聯(lián)系的同時(shí)，也能增強(qiáng)患者的治愈信心，改善抑郁情緒，從而促使患者認(rèn)知的重新學(xué)習(xí)和心理功能的康復(fù)。   開環(huán)治療   “開環(huán)治療”方式指的是傳統(tǒng)的被動(dòng)的康復(fù)方法，即系統(tǒng)只進(jìn)行常規(guī)的電刺激(包括NMES，或FNS&SCS)治療，此時(shí)系統(tǒng)所