摘 要： 介紹了一種便攜式腦卒中康復治療儀，該治療儀能夠提供神經肌肉電刺激、小腦頂核電刺激、肌電生物反饋三種康復治療方式。系統使用ARM9處理器S3C2410作為硬件核心，采用Qt/Embedded為GUI開發工具。系統具有體積小、可靠性高、成本低、功耗低等特點。
關鍵詞： 腦卒中；嵌入式系統；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。如何運用新技術開發更有效、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達到最滿意的治療效果并最終擺脫病殘的折磨，一直是醫療研究和實踐的重點。
目前，國內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構。上位機是基于PC的生物反饋軟件系統，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。隨著嵌入式技術的快速發展，具有體積小、功耗低、性能穩定、抗干擾強、具有可裁剪定制等特點的嵌入式系統在醫療電子設備中越來越受青睞[2]。本康復儀選用嵌入式平臺開發，具有較好的便攜性和穩定性，減小了儀器的成本、體積，使其不僅面向普通醫院，而且能面向社區醫院和家庭用戶，讓更多的腦卒中患者能得到方便、有效的治療。
1 系統總體設計
本康復儀所運用的醫學原理是基于生物反饋的心理康復作用，結合神經肌肉電刺激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)誘發條件性中樞神經源性神經保護作用。三種治療相互補充，以期達到更好的康復治療效果[3]。
系統工作過程是：首先采集患者的表面肌肉電信號EMG，經過模擬放大、濾波、A/D轉換后，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訓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，當肌電信號強度超過給定的刺激閾值時，系統按預設的治療參數對病人進行電刺激，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，從而幫助患者訓練肢體，使其逐步達到康復效果。各種電刺激的啟動、停止、治療參數配置和治療模式的選擇等工作均依靠系統軟件控制完成。
根據康復儀的功能需求，將系統設計為如圖1所示結構。中央控制部分以嵌入式ARM處理器為核心，有足夠的內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、神經肌肉電刺激、小腦頂核電刺激三大功能模塊，系統通過這些功能實現康復治療的作用。擴展接口部分包括了USB、RS232以及網卡等，主要針對開發階段操作系統和軟件的下載、交叉編譯、調試等操作以及設備網絡化和遠程控制。交互操作部分主要是鍵盤和LCD顯示器，實現人機交互操作，醫護人員和設備維護人員通過這些設備實現對治療參數的修改、正確治療方法的設定等功能；通過LCD顯示器將視覺信號反饋給患者。顯示設備也是“生物反饋”治療方法的必要設備。
2 系統硬件設計
2.1 中央控制部分
系統使用三星公司的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]。系統外擴32 MB Flash空間，用于存儲Linux內核、應用程序；系統外擴64 MB SDRAM，用于系統和程序的執行。
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系統要求放大1 250～10 000倍。增益控制電路由S3C2410的GPIO控制，系統利用S3C2410的SPI總線擴展12位串行A/D轉換芯片AD7453采集肌電放大器輸出的SEMG信號，然后經過濾波處理后傳送到實時處理模塊，并在LCD上顯示出來。系統通過控制相關電路的工作來控制肌電采集的開始和停止等操作。
NMES電路產生一種低頻可漸變的調制矩形波。S3C2410的PWM輸出一路脈寬可調的矩型波到該電路，同時4通道12位串行D/A轉換芯片MAX5742輸出一路梯形調制波，兩路波形經調幅電路、高壓恒流源電路就能得到調制方波作為刺激波。MAX5742是SPI接口的串行D/A芯片，也接到S3C2410的SPI總線，與A/D芯片分時復用。該電路的刺激波形、刺激強度、頻率、脈寬、時間等參數均通過系統軟件來調節。
FNS電路輸出調幅的無極性微分型指數脈沖的中頻電刺激波形。系統向MAX5742輸出一路隨機波形生成調制波；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脈沖；最后，調制波與指數脈沖經波形合成電路、恒流源電路得到所需的刺激波形。
2.3 人機交互接口
系統采用了SHARP公司生產的一款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控制器的功能是產生顯示驅動信號，驅動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。
本系統需要鍵盤來輸入數據或者控制命令，實現設置參數和控制系統的目的。除了數字0～9外，再加上幾個功能鍵即可滿足系統需求，所以不需要使用專用的PC鍵盤，而是開發具有針對性的小鍵盤。本系統直接通過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，用戶可根據需要方便地擴展各種接口。本系統通過S3C2410的USB控制器擴展USB HOST接口，為系統提供存儲數據功能；利用S3C2410的URAT控制器擴展RS232，利用總線擴展網卡芯片DM9000給系統提供網絡接口，方便系統調試和儀器數據的網絡共享。
3 系統軟件設計
康復儀通過軟件界面實現視覺信號的反饋作用，為肌電生物反饋治療提供技術支撐。該康復儀的軟件系統主要由嵌入式Linux操作系統、驅動程序和應用程序三部分組成。
3.1 嵌入式操作系統
為了滿足系統對實時性和安全性的要求，系統采用了嵌入式Linux操作系統。嵌入式Linux繼承了Linux的穩定性優點，且其內核相當精簡，因此在嵌入式領域得到廣泛應用[5]。
本系統采用了Linux2.6.x內核，針對S3C2410的硬件情況，裁剪并編譯了適合ARM 處理器的Linux內核，再借助于華恒公司的ppc bootloader將其傳輸至開發板的FLASH并啟動內核，通過busybox制作文件系統。這里根據需要制作一款簡單的只讀文件系統，即cramfs文件系統。通過配置宿主機NFS(network filesystem)文件服務器的方式，可將該文件系統傳輸至FLASH，從而完成對開發板上操作系統的配置。
3.2 設備驅動程序
在完成操作系統裁剪后，需要對Linux下的各種設備進行驅動程序編程。由于模塊方式要比靜態編譯鏈接方式更加方便靈活，因此本系統在Linux內核基礎上二次開發的設備驅動程序是按照模塊方式實現的。模塊化驅動程序的設計和實現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、編寫服務于I/O請求的子程序和編寫中斷服務子程序四個步驟。按照這四個基本步驟編寫肌電增益控制驅動、A/D和D/A轉換驅動、PWM調制波產生驅動、鍵盤驅動、LCD驅動以及網卡及串口驅動程序等。
3.3 應用程序
便攜式腦卒中康復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、占用資源小且反應快速，并且可以根據硬件具有較好的可移植性和裁剪性。系統選用了Qt/Embedded-2.3.10作為腦卒中康復治療儀的應用程序開發平臺。
Qt/Embedded是Trolltech公司開發的面向嵌入式系統的Qt版本。Qt/Embedded是Server/Client結構，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備[6]。
應用軟件采用了模塊化的設計思想，把整個軟件系統劃分為系統自檢模塊、參數設置模塊、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。
操作系統啟動完畢后，系統自檢模塊加載各個外圍設備，并對設備進行測試。設備自檢正常運行之后，按給定的初始值對設備進行參數初始化，等待治療過程的開始。治療程序運行之前，用戶可以通過參數設置模塊修改治療參數，外設驅動程序根據加載的參數配置外設。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過濾波處理后顯示在屏幕上，實現肌電的視覺反饋；刺激模塊根據用戶設定的治療方式對患者進行MMES或者FNS。
康復治療儀根據用戶的設定參數運行，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。當患者肌電超過預先設定的刺激閾值時，系統按照治療方案給予患者一次電刺激。在不同的治療模式下，系統提供不同的方式誘發電刺激。治療過程中，用戶可以根據患者的實際情況調節治療模式、刺激方式、強度、治療時間等參數以達到最好的效果。康復治療流程如圖3所示。
GUI是系統與用戶相互交流和溝通的平臺，是系統的重要組成部分。該康復儀GUI的首要功能是實現視覺信號的心理反饋作用。考慮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，坐標縱軸的描繪運用了對數函數變換。取對數函數：
Y=log10(X)
當X取值為10、100、1 000時，所對應的Y值分別為1、2、3。即在X=10~100和X=100~1 000內，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，而且設計成1min剛好顯示1屏治療數據的方式。這樣使患者既能觀察到一段時間內的治療情況，也有較充裕的時間來主動活動患肢，能誘發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。主界面的設計結果如圖4所示。
便攜式腦卒中康復儀采用了嵌入式ARM-Linux系統及Qt/Ebedded開發設計，與目前國內外同類儀器相比較，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醫院、鄉鎮醫院甚至患者家庭使用，符合我國醫療衛生改革的發展要求，具有良好的應用前景。
系統實現了在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均能達到預期水平；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系統要求，達到了預期效果。
參考文獻
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[3] 劉虔鋮，田學隆，李烽，等.腦神經網絡綜合康復治療儀的研制[J].中國組織工程研究與臨床康復，2008，12(4)：707-709.
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[5] 宮莉莉，趙勇.基于嵌入式Linux系統的LCD驅動實現. 微計算機信息，2008，35(12)：28-30.
[6] 倪繼利.Qt及Linux操作系統窗口設計.北京：電子工業出版，2006.