基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式腦卒中康復(fù)儀的設(shè)計(jì)

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(yùn)動(dòng)障礙最為常見。如何運(yùn)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(shí)間內(nèi)達(dá)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(shí)踐的重點(diǎn)。
　　目前，國內(nèi)外比較先進(jìn)的生物反饋腦卒中治療儀普遍基于上下位機(jī)結(jié)構(gòu)。上位機(jī)是基于PC的生物反饋軟件系統(tǒng)，下位機(jī)是功能電路模塊，如生理信號(hào)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(jià)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(qiáng)、具有可裁剪定制等特點(diǎn)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(tái)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(jì)
　　本康復(fù)儀所運(yùn)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(hù)作用。三種治療相互補(bǔ)充，以期達(dá)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(hào)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(hào)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(dòng)地活動(dòng)肢體，努力增強(qiáng)自身肌電水平，當(dāng)肌電信號(hào)強(qiáng)度超過給定的刺激閾值時(shí)，系統(tǒng)按預(yù)設(shè)的治療參數(shù)對(duì)病人進(jìn)行電刺激，包括FNS、NMES；綜合的電刺激能增強(qiáng)患肢的活動(dòng)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(dá)到康復(fù)效果。各種電刺激的啟動(dòng)、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(jì)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(kuò)展各個(gè)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(shí)現(xiàn)康復(fù)治療的作用。擴(kuò)展接口部分包括了USB、RS232以及網(wǎng)卡等，主要針對(duì)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(yuǎn)程控制。交互操作部分主要是鍵盤和LCD顯示器，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作，醫(yī)護(hù)人員和設(shè)備維護(hù)人員通過這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)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(jì)
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(dá)到203 MHz；支持5級(jí)流水線操作，包括存儲(chǔ)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(kuò)32 MB Flash空間，用于存儲(chǔ)Linux內(nèi)核、應(yīng)用程序；系統(tǒng)外擴(kuò)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(hào)，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(kuò)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(hào)，然后經(jīng)過濾波處理后傳送到實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)復(fù)用。該電路的刺激波形、刺激強(qiáng)度、頻率、脈寬、時(shí)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(jī)波形生成調(diào)制波；同時(shí)，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(jī)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(shí)，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(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)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(shí)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(gè)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(duì)性的小鍵盤。本系統(tǒng)直接通過S3C2410的8個(gè)GPIO口來擴(kuò)展4×4矩陣鍵盤。
2.4 擴(kuò)展接口
　　S3C2410接口豐富，用戶可根據(jù)需要方便地?cái)U(kuò)展各種接口。本系統(tǒng)通過S3C2410的USB控制器擴(kuò)展USB HOST接口，為系統(tǒng)提供存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能；利用S3C2410的URAT控制器擴(kuò)展RS232，利用總線擴(kuò)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(jì)
　　康復(fù)儀通過軟件界面實(shí)現(xiàn)視覺信號(hào)的反饋?zhàn)饔茫瑸榧‰娚锓答佒委熖峁┘夹g(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(dòng)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(duì)實(shí)時(shí)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(diǎn)，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(duì)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(dòng)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(jī)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(duì)開發(fā)板上操作系統(tǒng)的配置。
3.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
　　在完成操作系統(tǒng)裁剪后，需要對(duì)Linux下的各種設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序是按照模塊方式實(shí)現(xiàn)的。模塊化驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)流程主要有編寫模塊化編程子程序、編寫自動(dòng)配置和初始化子程序、編寫服務(wù)于I/O請(qǐng)求的子程序和編寫中斷服務(wù)子程序四個(gè)步驟。按照這四個(gè)基本步驟編寫肌電增益控制驅(qū)動(dòng)、A/D和D/A轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)、PWM調(diào)制波產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)、鍵盤驅(qū)動(dòng)、LCD驅(qū)動(dòng)以及網(wǎng)卡及串口驅(qū)動(dòng)程序等。
[!--empirenews.page--]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(tái)。
　　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(hào)/槽(singal/slot)機(jī)制，對(duì)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(jì)思想，把整個(gè)軟件系統(tǒng)劃分為系統(tǒng)自檢模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、實(shí)時(shí)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(dòng)完畢后，系統(tǒng)自檢模塊加載各個(gè)外圍設(shè)備，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行測試。設(shè)備自檢正常運(yùn)行之后，按給定的初始值對(duì)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)初始化，等待治療過程的開始。治療程序運(yùn)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(dòng)程序根據(jù)加載的參數(shù)配置外設(shè)。治療程序運(yùn)行過程中，通過實(shí)時(shí)處理模塊將采集到的肌電信號(hào)經(jīng)過濾波處理后顯示在屏幕上，實(shí)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(duì)患者進(jìn)行MMES或者FNS。
　　康復(fù)治療儀根據(jù)用戶的設(shè)定參數(shù)運(yùn)行，然后采集并顯示實(shí)時(shí)的肌電信號(hào)，將患者的肌電信號(hào)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(shí)，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(shí)際情況調(diào)節(jié)治療模式、刺激方式、強(qiáng)度、治療時(shí)間等參數(shù)以達(dá)到最好的效果。康復(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(tái)，是系統(tǒng)的重要組成部分。該康復(fù)儀GUI的首要功能是實(shí)現(xiàn)視覺信號(hào)的心理反饋?zhàn)饔??？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(yùn)用了對(duì)數(shù)函數(shù)變換。取對(duì)數(shù)函數(shù)：
　　 Y=log₁₀(X)
　　當(dāng)X取值為10、100、1 000時(shí)，所對(duì)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(gè)輸出范圍的要求。界面中，橫軸為時(shí)間，而且設(shè)計(jì)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(shí)間內(nèi)的治療情況，也有較充裕的時(shí)間來主動(dòng)活動(dòng)患肢，能誘發(fā)NMES進(jìn)行治療，而不會(huì)因?yàn)轱@示過快等造成視覺和身體的疲勞。主界面的設(shè)計(jì)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(jì)，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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)了在LCD上實(shí)時(shí)顯示采集到的肌電信號(hào)，并同時(shí)顯示刺激閾值；兩種電刺激輸出的各項(xiàng)參數(shù)均能達(dá)到預(yù)期水平；圖形用戶界面簡便友好、操作方便，人機(jī)交互效果良好，完全能滿足腦卒中康復(fù)系統(tǒng)要求，達(dá)到了預(yù)期效果。