神经康复平台系统总体设计

1、神经康复平台系统总体设计      【摘 要】 卒中导致的运动功能障碍以及抑郁等并发症严重危害着人类的身心健康。“脑10 年”最重要的研究成果之一就是发现了人类的中枢神经系统(脑和脊髓)具有高度的可塑性(plasticity)。长期以来，以神经发育促进术为基础的各种常规康复疗法虽然有助于患者运动功能的恢复，但是效果还不尽如人意。 根据肌电触发的神经肌肉电刺激(neuromuscular electrical stimulation,NMES)能改善患者肢体功能的作用、小脑顶核电刺激(fastigial nucleus stimulation,

2、FNS)的神经源性保护原理、脊髓电刺激(spinal cord stimulation, SCS)促使大脑动脉血流分布增高的效应以及认知重新学习法(cognitive relearning,CR)的心理康复作用，本文提出了一种新型的“物理+心理”的综合康复疗法，并研制了相关的康复平台样机。该样机采用主从式结构，下位机包括肌电采集、NMES、FNS&SCS 等功能相对独立的电路模块，并通过串口与上位机(PC)进行通信。其中，NMES 模块采用了一种低频可调制方波作为电刺激波形；为了能有效地分离治疗阈值与疼痛阈值，FNS&SCS 模块则采用了随机信号调幅的无极性中频指数波；这两种电

3、刺激波形均能解决对机体的适应性问题。 本论文主要的研究内容是基于PC 的康复平台软件的实现，按照软件工程思想、采用统一建模语言(unified modeling language, UML)、面向对象的程序设计技术(oriented object programming, OOP)，本文具体运用BCB6.0 研究并设计了自动、人工、循环三种可视化的可交互的治疗模式，为“物理+心理”疗法的实现提供了软件平台的支持。同时利用数据库、API函数、多线程、双缓冲等技术完成了治疗参数控制、串口通信、方案维护、病历登记、复诊登记、信息查询、科室信息维护、绘图参数设置等功能模块。   【关键词】

4、脑卒中；神经肌肉电刺激；小脑顶核电刺激；脊髓电刺激；认知重新学习法   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   认知重新学习法（CR）是源于国外一个全新的概念，它已经被证实不仅是一种有效的脑卒中康复方法，而且还具有独特的心理辅助治疗作用。CR的一般作用方式是以自发肌电所触发的

13、NMES 等生物反馈法为基础，让患者尽力思考，增加中枢神经对痪肢的控制，增加瘫痪肌肉的肌电水平，从而在达到或超过仪器所设定阈值后能够触发电刺激。如此反复作用，一方面，也会使患者意识到这是自己主动想象的结果，从而更加努力运动，可以增强治疗信心，明显改善抑郁情绪；另一方面，随着患者认知心理的重新学习和恢复，不仅可以促进脑部功能的重新组织，还可以激活一些原来闲置不用的神经通路，使其能够替代已受损的神经功能，从而使新的神经网络得以建立，肢体功能最终得以恢复。   1 系统总体设计的原则和思路   1.1 设计原则   现代医疗仪器的设计原则一般包括：信号因素、环境因素、医

14、学因素、经济与时代因素5 个方面，这也是本文全部设计工作的基本准则。毋庸置疑，现代医疗仪器的一个重要发展方向是数字化和智能化；而且随着“以人为本”医疗理念的逐步深入，微创、无创的治疗方式更易于让患者、医院以及社会所接受。 1.2 设计思路 无创性的要求：传统的电刺激以有创伤的方式为主，比如单独植入电极或全部植入刺激电极、脉冲发生器和导联线等，这不仅加深了病人的痛苦，使其产生抵触心理，而且也会引起交叉感染等。   由于近年来采用表面电极的电刺激疗法(比如NMES 或TENS 等)在脑卒中康复工作中取得了良好的效果，所以，本康复平台所有的电刺激均通过表面电极来实现。有效性的要求：所研制的

15、康复平台以肌电触发的NMES 为主，以经皮的FNS 和SCS 为辅，并利用计算机技术为CR 疗法提供实现的手段，期望通过上述“物理+心理”疗法促使患者运动功能、脑神经以及心理功能全面有效的康复。安全性的要求：首先，相关电路模块的电气安全是设计中需要始终贯穿的问题；其次，探讨并选取安全、合适的电刺激波也是保证疗效的关键。直观性的要求：为了使患者和医护人员能够观察所采集到的肌电、治疗参数等数据，借以发挥视觉信号的心理反馈作用，该平台需要配置一台能旋转的15”/17”的显示器(CRT 或LCD，分辨率1024*768，256 色以上为宜)。模块化的要求：考虑系统功能的扩展和后期临床实验的要求，应该将

16、相关电路和软件设计成相对独立的模块，这样便于组装和维护。信息化的要求：康复平台的软件系统不只局限于为心理疗法和治疗控制提供支持，还应该提供病历登记、信息查询、治疗方案维护等软件功能，以便将来诊断工作以及科室间的信息共享工作的开展。人性化的要求：应注重医护人员使用的简便性，比如，软件中的各种治疗参数要易于维护和控制；另外，成型后的仪器样机也能在病房和科室间移动。可扩展性的要求：由于所提出的创新性的康复方法需要临床实验进行验证，所以在软硬件的设计中应该尽量采用便于功能扩展的技术和方法。 2 设计策略与技术路线 2.1 设计策略 当前数字医疗仪器的设计结构和方式有以下几种：采用传统的基于单片机或DS

17、P(数字信号处理器)控制的一体化式结构，体积小巧，结构紧凑，但功能不够强大，难于维护和升级。运用新兴的虚拟仪器(virtual instruments, VI)技术，虽然设计周期短，技术更新快，但是专业软硬件设备的成本过高，也不符合仪器的后期小型化的需求。 使用当前流行的嵌入式技术(embedded technology，ET)，那么仅在嵌入式系统的移植、搭建交叉编译环境、驱动与GUI 设计等方面就会耗费大量的时间和精力；此外市场上能符合本系统性能要求的开发板也是寥寥无几，价格不菲。采用模块化电路结合PC 的方式，首先在制定好通信接口与协议的前提下，电路模块和软件系统可以分别独立设计；其次电路

18、模块可以采用成熟的技术来实现(如51 单片机)，而且PC 价格低廉，设计资料丰富；最后成型的电路模块分别与PC 上的软件进行联调组装即可。此外，这种方式也便于今后向工控机上移植。根据上述分析，作者借鉴了多参数生理监护仪和B 超工作站的设计方式，采用这种电路模块结合PC 的主从式结构以及“总分总”的设计策略，即先进行总体设计，再分别实现各个软/硬件模块，最后修改、调试、组装，完成样机。 2.2 技术路线 本设计主要的技术路线如下所述：康复平台总体采用上述“主从式”结构，下位机的各个电路采用模块化设计方法；上位机(PC)的软件系统主要负责治疗参数控制，进行视觉信号反馈等。具体而言，下位机应该至少包

19、括肌电采集、NMES、FNS 以及SCS 电路，并统一使用MCS51作为主控单片机；考虑到所需要的肌电信号的频率范围，上下位机间通过标准的RS232 串口进行通信即可。考虑到一般的PC 配置有两个串口，所以可以把作为主要治疗手段的NMES 模块以及采集电路与串口1 连接，而将作为辅助治疗方法的 FNS、SCS 合并为一个模块并且与串口2 相连。上位机软件主要实现以下功能：借助软件所提供的视觉反馈引出CR 的心理作用，即肌电信号超过预定阈值后能触发NMES 的反馈作用；通过串口控制采集电路和刺激电路模块；提供病历登记、信息查询、治疗参数维护等功能模块。成型后的样机拟组装于能移动的推车中以方便医护

20、人员的使用。 总体的技术路线可总结为：立足于脑卒中康复理论和方法的创新，尽量采用成熟稳定的技术和方法。这样能尽快地完成样机的设计工作，从而能较快地对所采用的综合康复方法进行验证，并为后期的临床实验和技术升级做好准备。 3 系统总体设计 3.1 系统总体结构设计 综上所述，所设计的脑神经网络综合康复平台包括四部分，分别为肌电采集模块、NMES 模块、FNS&SCS 模块和康复平台软件系统(总体结构如1所示)。    其中，肌电采集模块和NMES 模块通过串口1与PC 进行通信，FNS&SCS 模块通过串口2 与PC进行通信。   3.2 物理+心理疗

21、法的总体设计   本设计所提出的这种“物理+心理”的综合康复疗法无疑是整个系统的立足点，它不仅决定着系统性能的优劣，而且直接影响着软硬件的设计思路和实现方式。经过对生物反馈方法以及心理疗法的分析，结合医疗仪器控制与反馈技术的发展，作者提出了“开环治疗”及“闭环治疗”这两种主要的康复治疗模式。闭环治疗这里的“闭环治疗”指的就是自发肌电所触发的NMES，其治疗流程如图2 所示。首先让患者尽力思考，增加痪肢的肌电水平，由肌电采集模块检测并发送所采集到的微弱信号。上位机软件同步显示所采集到的肌电以及预置的电刺激阈值，当某一时刻，患者努力活动的肌电最值超过这个阈值时，系统就启动一次NMES，从

22、而引起一次有功能活动的肌肉收缩作为对患者努力的“回报”和“奖 励”。软件的阈值能根据患者的肌电水平自动进行调节，从而促使患者不断地努力活动，不断得到这种奖励性质的电刺激。如此反复，形成一种自发肌电触发NMES 的“闭环治疗”方式。总体而言，它在理论上可以为CR 的实现提供支持，即通过这种视觉信号的反馈使患者意识到这是自己想象和运动的结果，从而更加主动地去活动。在通过NMES改善脑卒中患者运动能力、重建大脑和瘫痪肌肉的 功能联系的同时，也能增强患者的治愈信心，改善抑郁情绪，从而促使患者认知的重新学习和心理功能的康复。   开环治疗   “开环治疗”方式指的是传统的被动的康复方法，即系统只进行常规的电刺激(包括NMES，或FNS&SCS)治疗，此时系统所