朱 霖 田學(xué)隆,2*

1(重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶 400030)2(重慶市醫(yī)療電子技術(shù)工程研究中心，重慶 400030)

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基于認(rèn)知再學(xué)習(xí)療法的腦卒中康復(fù)治療系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及臨床試驗(yàn)

朱 霖1田學(xué)隆1,2*

1(重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶 400030)2(重慶市醫(yī)療電子技術(shù)工程研究中心，重慶 400030)

針對(duì)腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)問(wèn)題，提出認(rèn)知再學(xué)習(xí)療法、肌電視覺反饋療法和肌電觸發(fā)神經(jīng)肌肉電刺激療法三者結(jié)合的運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)復(fù)合療法，開發(fā)了一種基于嵌入式技術(shù)的腦卒中康復(fù)治療系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)復(fù)合療法。以Advanced RISC Machines (ARM) 9處理器S3C2440為控制核心，利用sEMG采集電路實(shí)現(xiàn)對(duì)腦卒中患者患肢肌電信號(hào)實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)觸摸顯示模塊實(shí)現(xiàn)肌電信號(hào)可視化，同時(shí)將采集到的信號(hào)與所設(shè)定的閾值相比較，根據(jù)比較的結(jié)果決定是否觸發(fā)NMES刺激電路以實(shí)現(xiàn)有效的肌肉電刺激。軟件設(shè)計(jì)運(yùn)用Linux+QT平臺(tái)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)肌電參數(shù)的處理和顯示，以及刺激參數(shù)的設(shè)置。采用腦卒中康復(fù)治療系統(tǒng)對(duì)急性腦卒中患者(n=8)進(jìn)行上肢運(yùn)動(dòng)功能治療，試驗(yàn)結(jié)果表明接受系統(tǒng)康復(fù)治療的試驗(yàn)組FMA上肢評(píng)分高于對(duì)照組(n=8,P<0.05)，肌力分級(jí)水平也得到一定的提高。腦卒中康復(fù)治療系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可顯著改善腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能障礙。

認(rèn)知再學(xué)習(xí)療法；神經(jīng)肌肉電刺激；運(yùn)動(dòng)功能；腦卒中；Linux

引言

腦卒中俗稱中風(fēng)，是一種嚴(yán)重威脅人類健康和生命安全的疾病，其致病原因是患者腦部血管破裂引起腦出血或血管網(wǎng)絡(luò)被破壞使得腦供血中斷，進(jìn)一步導(dǎo)致腦血液循環(huán)發(fā)生障礙[1]。患者腦部血管破裂引起出血多為出血性腦卒中，血管網(wǎng)絡(luò)被破壞使得腦供血中斷多為缺血性腦卒中或栓塞性腦卒中。隨著近些年醫(yī)學(xué)診療技術(shù)的不斷進(jìn)步，腦卒中的死亡率顯著降低，但是約有75%的幸存者仍留有不同程度的殘疾[2]，其中近15%的患者日常生活不能自理，給社會(huì)和家庭帶來(lái)了沉重的負(fù)擔(dān)[3]。所以如何促進(jìn)腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)、降低殘疾水平，這些問(wèn)題都急需解決。

目前，常規(guī)的治療方法除了藥物治療之外，主要還有針灸法、運(yùn)動(dòng)再學(xué)習(xí)法、作業(yè)療法、肌電生物反饋法和電刺激等物理療法[4]。在上述方法治療過(guò)程中，患者多處于被動(dòng)的狀態(tài)，只是單純地根據(jù)醫(yī)囑接受治療，由于沒有及時(shí)了解自己的康復(fù)情況，無(wú)法充分調(diào)動(dòng)患者心理主動(dòng)性，使其自發(fā)積極地參與治療，故康復(fù)效果往往不夠理想。

本研究提出一種基于認(rèn)知再學(xué)習(xí)療法，結(jié)合肌電視覺反饋療法和肌電觸發(fā)的運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)復(fù)合療法。首先認(rèn)知再學(xué)習(xí)療法是一種以患者自身對(duì)認(rèn)知的再學(xué)習(xí)過(guò)程為關(guān)鍵的療法，它讓患者主動(dòng)地想象肢體動(dòng)作，以促進(jìn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)四肢控制能力的恢復(fù)，逐步激活或重建神經(jīng)傳導(dǎo)通路[5-6]。其次，肌電視覺反饋治療實(shí)質(zhì)上是對(duì)心理的治療。將實(shí)時(shí)肌電轉(zhuǎn)換成視覺反饋信號(hào)，讓患者能認(rèn)識(shí)到自身的生理活動(dòng)狀況，并有意識(shí)地調(diào)節(jié)和補(bǔ)償自身異常的生理活動(dòng)。將肌電視覺反饋運(yùn)用在腦卒中患者的康復(fù)治療上，讓患者意識(shí)到自己對(duì)肢體的控制能力，通過(guò)視覺反饋形成“回路”，完善認(rèn)知再學(xué)習(xí)療法。最后，肌電觸發(fā)的神經(jīng)肌肉電刺激結(jié)合了神經(jīng)肌肉電刺激和表面肌電信號(hào)，提取患者實(shí)時(shí)的表面肌電信號(hào)，并與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，若肌電幅值大于閾值，就釋放一次肌肉電刺激給予患者“獎(jiǎng)勵(lì)”，效果類似于患者是自己在控制患肢做出動(dòng)作。充分發(fā)揮患者自身的主動(dòng)積極性，并通過(guò)電刺激釋放各種傳出神經(jīng)沖動(dòng)，加強(qiáng)對(duì)腦神經(jīng)突觸可塑性的鍛煉[7]，最大程度地促進(jìn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能重組，從而達(dá)到主動(dòng)訓(xùn)練，快速恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能的目的。

本文基于認(rèn)知再學(xué)習(xí)療法、肌電視覺反饋療法和肌電觸發(fā)神經(jīng)肌肉電刺激療法三者結(jié)合的肢體運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)復(fù)合療法，開發(fā)了一款新型的腦卒中康復(fù)治療系統(tǒng)。從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面入手，介紹了系統(tǒng)的組成，同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)性能驗(yàn)證了本系統(tǒng)有效可靠。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

腦卒中康復(fù)治療系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由Advanced RISC Machines (ARM) 9處理器、sEMG采集電路、NMES刺激電路、觸摸顯示與反饋模塊和調(diào)試模塊等組成。sEMG采集電路實(shí)時(shí)采集患者患肢的表面肌電信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并通過(guò)串口發(fā)送給ARM9處理器。處理器一方面對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理分析，提取特征值，在觸摸顯示屏上繪制實(shí)時(shí)肌電波形以便于患者了解自己的生理情況，由于這種反饋視覺信號(hào)的刺激，患者主動(dòng)地想象并嘗試控制自己的偏癱患肢做出動(dòng)作，以誘發(fā)自身肌電信號(hào)。另一方面，ARM9處理器將肌電信號(hào)與所設(shè)定的閾值相比較，若高于閾值時(shí)，就觸發(fā)NMES刺激電路對(duì)患者進(jìn)行一次神經(jīng)肌肉電刺激，以作為獎(jiǎng)勵(lì)。另外，若患者自發(fā)的肌電幅值始終達(dá)不到閾值，則會(huì)給其消極的影響，使其不想再配合治療，所以若在1 min內(nèi)都達(dá)不到閾值，那么系統(tǒng)將自發(fā)地施加一次神經(jīng)肌肉電刺激，保證患者的興奮度。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System diagram

1.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括數(shù)字和模擬兩大部分。數(shù)字部分選用S3C2440核心板作為主控制器，該芯片內(nèi)部裝有ARM-Linux操作系統(tǒng)，板上集成有256M的FLASH和64M的SDRAM，可用來(lái)儲(chǔ)存相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序。為了實(shí)現(xiàn)與外部電路的數(shù)據(jù)通信，還需設(shè)計(jì)主控制器外圍電路，其中以用于人機(jī)交互的觸摸屏和程序下載調(diào)試電路為主。模擬部分則主要包括sEMG采集電路和NMES刺激電路。

1.2.1 sEMG采集電路

sEMG采集電路如圖2所示，主要由前置放大電路、隔離電路、陷波電路、增益可選的主放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成。由于電極采集到的表面肌電信號(hào)十分微弱，而且還混有各種噪聲，所以首先通過(guò)前置放大電路以抑制輸入端引入的共模干擾和極化電壓[8]。隨后通過(guò)隔離電路以實(shí)現(xiàn)信號(hào)和電源的隔離耦合，同時(shí)還可調(diào)節(jié)電阻以改變放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)放大。隔離后的肌電信號(hào)在陷波電路進(jìn)行處理，以濾除市電帶來(lái)的工頻干擾。由于患者的表面肌電信號(hào)幅值波動(dòng)范圍廣，可能在10 μV到幾百μV之間，為了滿足A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸入要求，利用模擬開關(guān)CD4052選通合適的放大反饋電阻，處理器通過(guò)控制I/O口輸入來(lái)選擇不同的反饋通路，從而實(shí)現(xiàn)采集電路放大倍數(shù)可調(diào)。最后輸出的模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳輸給處理器。sEMG采集板外形如圖3所示。

圖2 sEMG采集電路Fig.2 The acquisition circuit of sEMG

圖3 sEMG采集板Fig.3 sEMG acquisition board

1.2.2 NMES刺激電路

如圖4所示，選用梯形調(diào)制波為刺激波形，以能引起患者明顯肌肉動(dòng)作而又不引起疼痛為原則，NMES刺激電路可提供強(qiáng)度為(0～60)mA、脈寬范圍為(0～400)μs、脈沖頻率為(10～100)Hz的電流輸出，其中通過(guò)傾斜時(shí)間的設(shè)置，可以讓強(qiáng)度由低到高，再由高到低，以保證患者有一個(gè)舒適的刺激感覺。

圖4 NMES刺激波形Fig.4 The stimulating wave of NMES

NMES刺激電路如圖5所示，主控制器通過(guò)設(shè)置定時(shí)器和PWM模塊來(lái)產(chǎn)生特定頻率和脈寬的方波信號(hào)作為載波，同時(shí)控制DAC7512進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，將得到幅值可調(diào)的梯形波作為調(diào)制波。然后利用三極管的開關(guān)特性將調(diào)制波和載波進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)波形的合成。配合驅(qū)動(dòng)和恒流電路即可輸出強(qiáng)度、脈寬、頻率可調(diào)的單極性梯形刺激波，通過(guò)電極作用于患者。

圖5 神經(jīng)肌肉電刺激電路Fig.5 The circuit of NMES

1.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，其主要功能有：控制sEMG采集電路對(duì)患者的表面肌電信號(hào)進(jìn)行采集、處理和轉(zhuǎn)換；同時(shí)根據(jù)所采集到的信號(hào)驅(qū)動(dòng)觸摸屏完成實(shí)時(shí)圖形的繪制；根據(jù)設(shè)定的參數(shù)輸出對(duì)應(yīng)的信號(hào)給神經(jīng)肌肉電刺激電路，形成調(diào)制波以對(duì)患者進(jìn)行有效的電刺激。

具體工作流程如圖6所示，上電開機(jī)啟動(dòng)程序并進(jìn)行相應(yīng)初始化，設(shè)置治療時(shí)間、圖形顏色、刺激參數(shù)，選擇方案之后就可以開始治療過(guò)程，采集肌電信號(hào)并繪制實(shí)時(shí)圖形，同時(shí)與設(shè)定閾值比較，若此刻肌電幅值大于閾值即給患者進(jìn)行一次神經(jīng)肌肉電刺激，若不大于則繼續(xù)采集繪制并比較，直到治療時(shí)間結(jié)束，停止治療。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.6 Flow chart of the system software

軟件調(diào)試結(jié)果如圖7所示，在參數(shù)設(shè)置界面(a)，操作者可設(shè)置相關(guān)的刺激參數(shù)和選擇合適的治療方案。主界面(b)即治療過(guò)程中使用的界面，有實(shí)時(shí)的表面肌電信號(hào)繪制、閾值顯示和刺激提示等信息，通過(guò)顏色的標(biāo)記以區(qū)別是否觸發(fā)刺激。當(dāng)受試者無(wú)肢體運(yùn)動(dòng)，藍(lán)色的肌電波形平緩顯示，當(dāng)想要運(yùn)動(dòng)肢體時(shí)，可引起藍(lán)色的肌電波形出現(xiàn)尖峰，一旦肌電信號(hào)大于閾值則觸發(fā)神經(jīng)肌肉電刺激，綠色部分表示正在對(duì)患者患肢進(jìn)行神經(jīng)肌肉電刺激。

2 系統(tǒng)性能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該腦卒中康復(fù)治療系統(tǒng)的性能穩(wěn)定有效，選取重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院收治的16名急性腦卒中患者進(jìn)行臨床試驗(yàn)，隨機(jī)分為對(duì)照組(8名)和試驗(yàn)組(8名)。納入標(biāo)準(zhǔn)為：(1)病程四周以內(nèi)，經(jīng)核磁共振確診為腦梗死或者腦出血；(2)既往有腦卒中但未遺留有后遺癥；(3)患者上肢肌力<3級(jí)，伸腕時(shí)可測(cè)得表面肌電信號(hào)>10 μV；(4)患者有自主意識(shí)，具備認(rèn)知能力，可以配合康復(fù)治療過(guò)程。

對(duì)照組接受神經(jīng)內(nèi)科常規(guī)康復(fù)治療，試驗(yàn)組在常規(guī)治療基礎(chǔ)上接受本系統(tǒng)治療。治療過(guò)程中，試驗(yàn)組患者保持左立或者平躺姿勢(shì)，采集電極(正)和刺激電極(正)貼于指淺屈肌肌腹處，采集電極(負(fù))和刺激電極(負(fù))貼于指淺屈肌肌腱處，采集電極(零)貼于指淺屈肌肌腹與肌腱交接處。對(duì)試驗(yàn)組患者施加刺激強(qiáng)度以患者耐受為準(zhǔn)，頻率(10～100)Hz，波寬(100～400)μs的神經(jīng)肌肉電刺激，一次30 min，一天一次，持續(xù)4周。于治療前和治療后4周分別記錄各組患者的上肢肌力分級(jí)水平與簡(jiǎn)式運(yùn)動(dòng)功能評(píng)定法Fugl-Meyer(FMA)對(duì)上肢評(píng)分(滿分為60分)[9]，以此評(píng)價(jià)患者偏癱患肢運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)情況。

3 結(jié)果

由表1可知，治療前兩組FMA上肢評(píng)分無(wú)顯著性差異(P>0.05)。而試驗(yàn)組在接受了連續(xù)4周的康復(fù)治療后，F(xiàn)MA上肢評(píng)分明顯高于對(duì)照組(P<0.05)，肌力分級(jí)水平也得到一定地提高，表明本系統(tǒng)對(duì)腦卒中患者上肢的運(yùn)動(dòng)功能具有改善作用。此外經(jīng)過(guò)本系統(tǒng)的治療，不僅對(duì)患者上肢功能的康復(fù)起到積極作用，對(duì)于患者的心理康復(fù)也有幫助?；颊咴诳吹阶陨磉M(jìn)步情況下，性情開朗，精神狀態(tài)好，樂(lè)于與人溝通，相較于前兩周，后兩周康復(fù)速度更快、療效更好。

Tab.1 Comparison of the FMA score of upper limb between the groups before and after the treatment

組別n治療前上肢FMA評(píng)分治療后上肢FMA評(píng)分試驗(yàn)組81067±2333933±935a對(duì)照組8986±1682757±780

注：與對(duì)照組比較，a:P<0.05

Note：Compared with the controls，a:P<0.05

4 討論和結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于認(rèn)知再學(xué)習(xí)療法的腦卒中康復(fù)治療系統(tǒng)，采用物理刺激結(jié)合肌電生物反饋的心理暗示雙重模式，使患者更積極主動(dòng)地參與到治療過(guò)程中。采集電路實(shí)時(shí)采集患者表面肌電信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為波形給予患者視覺反饋。針對(duì)患者個(gè)體差異性，設(shè)定閾值，將其與所采集到的信號(hào)進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果裁決是否給予有效的電刺激以作為“獎(jiǎng)勵(lì)”。同時(shí)充分考慮患者在治療前期可能無(wú)法完成目標(biāo)，因此在其疲憊沮喪的情況下，適當(dāng)給予電刺激“鼓勵(lì)”。此外，本系統(tǒng)選用梯形調(diào)制波為刺激波形，在各個(gè)參數(shù)的設(shè)置時(shí)，都以能引起患者明顯肌肉動(dòng)作而又不引起疼痛為原則，保證在刺激有效的情況下，又能讓患者有一個(gè)舒適的刺激感覺。系統(tǒng)以ARM處理器為核心，體積小巧，使用觸摸屏，操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠。臨床試驗(yàn)也驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)于腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)的醫(yī)學(xué)有效性。后續(xù)還需進(jìn)行大樣本的臨床試驗(yàn)，以期為腦卒中患者的康復(fù)治療提供有效、可靠的系統(tǒng)平臺(tái)。

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Design and Clinical Experiment of a Stroke Rehabilitation System Based on Cognitive Relearning Therapy

Zhu Lin1Tian Xuelong1,2

1(CollegeofBioengineering,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China)2(ChongqingEngineeringResearchCenterforMedicalElectronicsTechnology,Chongqing400030,China)

cognitive relearning; neuromuscular electrical stimulation (NMES); motor function; stroke; Linux

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 06.017

2014-12-11， 錄用日期:2015-03-10

重慶市科技重大攻關(guān)項(xiàng)目(CSTC2010AA5049)

R318

D

0258-8021(2015) 06-0757-06

*通信作者 (Corresponding author)，E-mail: xltian@cqu.edu.cn