北京大學(xué)第一醫(yī)院（100034）王寧華 謝斌

江蘇天瑞醫(yī)療器械有限公司（222000）秦宏平

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國腦卒中引起的偏癱患者占全國人口數(shù)的3‰～10‰。腦卒中所造成的偏癱不僅給患者的行動和日常生活帶來極大的不便，還給患者本人及其家庭帶來心理、經(jīng)濟(jì)及其他方面的沖擊[1]。目前，進(jìn)行偏癱康復(fù)訓(xùn)練時通常是由醫(yī)師或治療師對患者進(jìn)行一對一的訓(xùn)練，或者利用簡單康復(fù)器械進(jìn)行訓(xùn)練。這種訓(xùn)練方式人力資源占用大，訓(xùn)練效率低，患者往往被動接受治療，康復(fù)評定指標(biāo)主觀性較強(qiáng)，不利于治療方案的確定、改進(jìn)和偏癱患者神經(jīng)康復(fù)規(guī)律的深入研究[2]。因此，在原有康復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，有必要尋求更有效的康復(fù)治療手段，使患者最大程度地恢復(fù)自主運(yùn)動能力。

附圖1 MOTOmed流程圖

附圖2 MOTOmed與FES結(jié)合流程圖

隨著社會的進(jìn)步和生活水平的不斷提高，人類對自身疾病預(yù)防、診斷、治療給予越來越多的關(guān)注。人們嘗試將傳統(tǒng)醫(yī)療器械與信息、微電子、新材料、自動化、機(jī)器人等技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以提高醫(yī)療診斷的準(zhǔn)確性和治療的質(zhì)量[3]。腦卒中后偏側(cè)肢體力弱或癱瘓導(dǎo)致患者運(yùn)動障礙，繼而出現(xiàn)肌肉萎縮、肌肉軟組織攣縮、關(guān)節(jié)活動范圍縮小、骨質(zhì)疏松、心肺功能下降等合并癥，嚴(yán)重影響其日常生活活動能力。針對這些問題，上下肢循環(huán)運(yùn)動訓(xùn)練器及功能性電刺激已在臨床廣泛應(yīng)用并證實(shí)了其有效性?；诮Y(jié)合技術(shù)的成熟和發(fā)展，在康復(fù)治療中，把這兩項(xiàng)治療技術(shù)的特點(diǎn)相結(jié)合，對偏癱患者的肢體功能康復(fù)達(dá)到優(yōu)化治療是本課題設(shè)計(jì)的思路。

1 材料與方法

本研究涉及的功能性電刺激下肢循環(huán)運(yùn)動系統(tǒng)包括下肢循環(huán)運(yùn)動儀和功能性電刺激儀兩部分。下肢循環(huán)智能運(yùn)動訓(xùn)練儀采用德國產(chǎn)MOTOmed viva2，有三種運(yùn)動方式，分別是：被動運(yùn)動、發(fā)動機(jī)助力運(yùn)動和主動運(yùn)動，主動運(yùn)動中包含抗阻運(yùn)動。其機(jī)構(gòu)原理示意圖如附圖1。功能性電刺激儀（FES）是神經(jīng)肌肉電刺激（Neuromuscular Electrical Stimulation, NMES）的一種電刺激形式，屬低頻電刺激范疇。

2 結(jié)果

2.1 工作原理設(shè)計(jì) 利用下肢循環(huán)智能運(yùn)動訓(xùn)練儀MOTOmed和功能性電刺激儀（FES）有機(jī)結(jié)合。二者結(jié)合的目的是為腦卒中患者提供更好的心肺功能訓(xùn)練，有效增加癱瘓下肢股四頭肌和腘繩肌的肌力，改善下肢的神經(jīng)運(yùn)動控制能力及雙下肢協(xié)調(diào)運(yùn)動能力?；颊咦鲅h(huán)運(yùn)動時，下肢的電刺激是通過角度傳感器檢測到肢體在循環(huán)運(yùn)動時的各個位置后，系統(tǒng)第一時間計(jì)算參與運(yùn)動的肌肉需要刺激的起始位置和時間，并由刺激器發(fā)送相應(yīng)的電子刺激信號。系統(tǒng)還可以實(shí)時計(jì)算出雙側(cè)下肢的做功情況及患者的運(yùn)動速度并與既定角速度相比較，從而做出調(diào)整，順利完成周期性重塑運(yùn)動。系統(tǒng)流程圖見附圖2。

MOTOmed與FES結(jié)合有三種工作方式：自適應(yīng)模式、恒定模式和脫機(jī)模式。自適應(yīng)模式的特點(diǎn)是隨著下肢運(yùn)動速度的改變FES所給的刺激強(qiáng)度會自動調(diào)整，即下肢運(yùn)動速度越快，刺激越小，反之亦然。此時FES刺激強(qiáng)度調(diào)整的信號來源是MOTOmed的電機(jī)電流，與電機(jī)電流大小正相關(guān)。恒定模式表現(xiàn)為無論下肢運(yùn)動速度如何，刺激強(qiáng)度不變，此時FES設(shè)定為固定值，只是隨MOTOmed開啟而開啟。脫機(jī)模式即FES單獨(dú)作用，不與MOTOmed相關(guān)。

2.2 測量角度速度的實(shí)現(xiàn) 光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換,將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。在MOTOmed的轉(zhuǎn)軸位置，安裝測量角度的裝置，我們采用光電編碼器，其基本原理就是在特制的碼盤上按一定規(guī)律編排光柵圖案，將這些圖案用光電頭讀取，轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩陀行蚺帕械碾娖叫盘?。光電編碼器輸出信號為A，B，Z 三個信號，其中A，B為相位差90°的方波信號，Z為過零脈沖信號。光電編碼器每旋轉(zhuǎn)一周，A、B相輸出同樣數(shù)量的脈沖，Z相輸出一個脈沖，脈沖的個數(shù)和電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，電機(jī)的運(yùn)行距離成正比關(guān)系，因此，通過計(jì)算脈沖數(shù)就能計(jì)算出電機(jī)實(shí)際運(yùn)行的距離。

在我們研制的功能性電刺激下肢循環(huán)運(yùn)動系統(tǒng)中，從編碼器光電碼盤輸出的A，B，A-，B-連到FES主控芯片，對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，處理，計(jì)算，得到被控對象的位移結(jié)果。位移結(jié)果可通過串口送到FES，便于在FES中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算，給患者發(fā)出準(zhǔn)確的電脈沖。

2.3 主控芯片及外圍電路 主控芯片（見附圖3）具有處理能力強(qiáng)，運(yùn)行速度快，功耗低等特點(diǎn)；為了滿足整個系統(tǒng)部分供電的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用穩(wěn)壓芯片LP3988的需要,升壓部分采用恒流源設(shè)計(jì),保證在供電電壓波動較大的幅度或者不同皮膚電阻改變的情況下輸出很精確的刺激電流。

2.4 通訊模塊 串行通訊模塊用于實(shí)現(xiàn)MOTOmed與FES之間的數(shù)據(jù)傳送。MOTOmed可根據(jù)FES的需要，將數(shù)值上傳給FES，用于識別患者的肢體所處于的角度和當(dāng)前患者肢體運(yùn)動的速度。系統(tǒng)采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

2.5 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)采用C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，整個系統(tǒng)程序包括主程序，鑒相計(jì)數(shù)程序，顯示子程序，串行通訊程序，脈沖輸出幾個模塊組成。程序流程圖見附圖4。

3 討論

近一個多世紀(jì)來，有研究表明：無論是成年哺乳動物還是非哺乳動物，它們的中樞神經(jīng)系統(tǒng)受到損傷以后，在適當(dāng)?shù)臈l件下其結(jié)構(gòu)和功能等都可以重組再生，這一理論被稱為腦的可塑性理論。中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性是中樞神經(jīng)受損后進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練和功能恢復(fù)的重要理論依據(jù)[5]。腦卒中后的康復(fù)治療主要基于兩種假說：一種是損傷區(qū)對側(cè)相應(yīng)部位的功能重組，即一側(cè)腦損傷后，可由對側(cè)未受損的大腦經(jīng)由不同的路徑下傳指令到運(yùn)動神經(jīng)元；另外一種假說則是損傷區(qū)周圍組織的功能重組，即大腦損傷的鄰近部分的未受損皮質(zhì)功能重建可以取代失去的功能。影響大腦可塑性的因素很多，包括自身因素如挽救神經(jīng)細(xì)胞，增強(qiáng)其抗損傷的能力，控制損傷區(qū)微環(huán)境促進(jìn)神經(jīng)再生；以及外部環(huán)境，如豐富的外部環(huán)境刺激及功能訓(xùn)練等。我國學(xué)者繆鴻石認(rèn)為功能恢復(fù)訓(xùn)練無論在損傷治療的早期、中期和晚期都能發(fā)揮極為重要的作用，并且特別強(qiáng)調(diào)大量訓(xùn)練的重要性[6]。臨床實(shí)驗(yàn)也證明，特定的功能訓(xùn)練在中樞神經(jīng)系統(tǒng)受損后的功能恢復(fù)過程中必不可少，并且盡早介入康復(fù)訓(xùn)練不僅能夠維持關(guān)節(jié)活動度、防止關(guān)節(jié)攣縮，而且能夠明顯提高患者運(yùn)動功能的最終康復(fù)程度[7～11]。

附圖3 主線路圖

附圖4 系統(tǒng)主程序圖

下肢循環(huán)運(yùn)動訓(xùn)練在臨床上應(yīng)用廣泛，可以減輕偏癱患者的肢體痙攣，維持關(guān)節(jié)活動范圍和軟組織長度，減緩或消除運(yùn)動障礙所引起的合并癥。患者可以完成不同模式下的周期性蹬踏運(yùn)動，看到自己能完成力所能及的事情，對身心健康有積極的影響。我們選用MOTOmed作為此系統(tǒng)的運(yùn)動組件，因?yàn)樗商峁?～60rpm的廣范圍適用轉(zhuǎn)速和角速度，能夠適時準(zhǔn)確地評估雙下肢的做功輸出，重新發(fā)現(xiàn)殘余肌肉力量。而且它的三種運(yùn)動模式可允許患者根據(jù)其自身狀況接受從被動運(yùn)動到抗阻運(yùn)動的不同運(yùn)動訓(xùn)練。

我們在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中使用的電刺激器和通常所用FES類似，其刺激電流、脈寬、刺激時間、間斷時間等參數(shù)均連續(xù)可調(diào)。通過特殊的導(dǎo)線連接和微電腦處理器將下肢循環(huán)運(yùn)動儀和FES相結(jié)合，在原有訓(xùn)練功能的基礎(chǔ)上，更增加了一些優(yōu)勢特點(diǎn)，為偏癱患者提供更優(yōu)化的運(yùn)動訓(xùn)練方式和訓(xùn)練環(huán)境，促進(jìn)中樞功能重組，改善康復(fù)訓(xùn)練效果。訓(xùn)練開始時，設(shè)定蹬踏運(yùn)動的速度、時間、電刺激強(qiáng)度等參數(shù)，在下肢循環(huán)運(yùn)動的同時，給予相關(guān)肌群一定的電刺激，輔助其完成此運(yùn)動；當(dāng)患者患肢的力量和能力不足以維持既定速度時，通過改變脈寬以增加刺激強(qiáng)度來幫助完成循環(huán)蹬踏，當(dāng)患者的力量足以保持既定速度時，則脈寬減少以降低刺激強(qiáng)度。這樣既可以調(diào)動患者的主動參與，在認(rèn)知水平上促進(jìn)中樞的功能重建，患者又可同時接受在電刺激下誘發(fā)肌肉主動收縮完成運(yùn)動所產(chǎn)生的神經(jīng)肌肉再教育訓(xùn)練以及在運(yùn)動儀電機(jī)帶動下的被動或輔助運(yùn)動。循環(huán)運(yùn)動儀可以適時準(zhǔn)確地計(jì)算評估在運(yùn)動當(dāng)時雙下肢的做功和力矩并以柱狀圖的形式表示出來，給患者提供恰當(dāng)?shù)囊曈X反饋，從而讓患者知道患肢應(yīng)如何用力以盡量維持雙側(cè)對稱的循環(huán)運(yùn)動。腦卒中后偏癱患者無論是上肢還是下肢的雙側(cè)對稱性運(yùn)動都受到明顯影響，除了患側(cè)下肢的肌力訓(xùn)練非常重要外。任務(wù)導(dǎo)向性的對稱性運(yùn)動訓(xùn)練也至關(guān)重要，因?yàn)榇竽X支配單側(cè)運(yùn)動和雙側(cè)運(yùn)動有不同的運(yùn)動控制通路，因而此研發(fā)系統(tǒng)從這方面也提供了一個促進(jìn)功能重塑康復(fù)療效的途徑。當(dāng)然，功能性電刺激下肢循環(huán)運(yùn)動儀的有效性還需臨床實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)是針對MOTOmed智能運(yùn)動系統(tǒng)結(jié)合功能性電刺激，采用430系列微功耗功能性電刺激，合理規(guī)劃了患者的運(yùn)動訓(xùn)練方式，具有很高的實(shí)用性，是一種成功結(jié)合醫(yī)療技術(shù)和信息技術(shù)的治療性方案。特別是針對腦損傷患者不能自主完成主動運(yùn)動時，持續(xù)被動運(yùn)動的訓(xùn)練與針對完成該功能的肌肉電刺激同時作用，可以增強(qiáng)肌肉、運(yùn)動功能恢復(fù)效果，是對原有器械性能的一個巨大提升，是醫(yī)療器械的一個很好的組合運(yùn)用。當(dāng)然，本技術(shù)還需要通過進(jìn)一步的臨床驗(yàn)證。