介紹了一種針對有運動功能障礙的腦卒中患者的電刺激康復治療儀設計。系統以ARM9 S3C2440為處理核心,并以生物反饋的神經生理學方法為基礎,集體表面肌電(sEMG)信號采集、顯示和神經肌肉電刺激(NMES)功能為一體,通過在系統中移植嵌入式Linux系統,在平臺上采用Qt/Embedded圖形界面設計工具,完成康復治療儀系統的設計。初步實驗證明康復治療儀系統運行穩定。
引用本文： 莊鵬飛, 田學隆, 朱霖. 基于Linux的嵌入式腦卒中康復治療儀系統設計. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(2): 288-292. doi: 10.7507/1001-5515.20140054 復制
版權信息： ?四川大學華西醫院華西期刊社《生物醫學工程學雜志》版權所有，未經授權不得轉載、改編
引言
腦卒中是一種嚴重危及人類生命健康的疾病，隨著醫學診療技術的不斷發展與完善，腦卒中患者的死亡率明顯降低，但是存活的患者中，70%～80%留有不同程度的殘疾[1]，其中15%的患者日常生活不能自理，給社會和家庭帶來了沉重的負擔[2]。所以促進腦卒中患者的恢復、提高生活自理能力、降低致殘率[3]就顯得尤為重要。
國內外常規的康復手段除了藥物治療之外，主要還有針灸、運動療法、作業療法以及電刺激等物理療法[4]。電刺激類康復儀器與針灸、運動療法、作業療法等比較起來，具有操作簡單、護理方便以及便于推廣等特點。常規的電刺激儀大多采用低頻電刺激康復療法，雖可以改善患者的肢體功能，但患者多為被動的接受治療，治療周期較長，同時由于患者抑郁等心理因素影響，加重了康復與護理的難度。而新型的電刺激儀器雖然在治療功能障礙方面取得了一定的臨床效果，但因其昂貴的價格和龐大的體積而不容易推廣。
本文介紹了一種以如今被廣泛應用在工業控制、消費電子、醫療以及生活等諸多方面[5]的嵌入式ARM9處理器為核心，基于生物反饋的、采用低頻調制的中頻電流進行刺激的康復治療儀系統，該系統還采用了液晶觸摸屏，以圖形界面化的方式實現了對儀器的控制操縱，結合其生物反饋功能讓患者能主動參與康復訓練。本儀器在刺激神經肌肉時中低頻電刺激相結合既保證了電刺激深度[6]又確保了電刺激效應，產生較強的肌肉收縮并且患者沒有疼痛感[7]，同時嵌入式系統設計使儀器具有體積小、成本低、操作簡單等特點，使其在面向醫院的同時，也讓社區和家庭用戶的使用成為了可能，使更多的患者能夠得到方便、有效的治療。
1 系統總體設計
1.1 系統的設計原理
生物反饋治療實質上是一種心理行為治療方法。該技術利用儀器將正常情況下人體意識不到的與心理生理過程有關的生物信息(肌電、腦電、皮溫、心率、血壓等)予以描記，并轉換成視覺、聽覺等反饋信號，讓患者能認識自身的生理活動狀況，并有意識的調節和控制自身異常的生理活動，通過多次反復訓練，使下丘腦和大腦皮層產生神經和體液變化，形成反饋通路，控制并改正不良心理生理活動，并建立正常生理活動[8]。將肌電生物反饋運用在腦卒中患者的康復治療上，能夠讓患者主動參與到治療當中，對患者的康復起到積極的作用。
本系統采用物理刺激結合肌電生物反饋的心理暗示雙重模式，使患者更積極主動地參與到治療過程中。整個系統工作流程如下：首先，通過肌電電極采集患者的體表肌電(surface electromyography,sEMG) 信號，sEMG經A/D轉換后由SPI接口進入S3C2440處理器系統，在嵌入式Linux操作系統中對其處理，最后在觸摸屏上顯示肌電波形。患者通過顯示器可以看到自己的肌電波形變化情況，促使患者盡力去誘發微弱的肌電信號，當達到設定的閾值時對患者進行神經肌肉電刺激(neuromuscular electrical stimulation,NMES)。這種生物反饋式的刺激方式除了能夠增強患者肢體的運動能力和肌電水平外，還有對患者的主動配合治療予以肯定的意義，增強患者的康復信心，從而讓其能夠投入到繼續治療的良性循環當中，逐步達到最終康復的目的。
1.2 系統的總體構架
整個康復治療儀系統框圖如圖 1所示，主要包括以下部分：sEMG采集電路、NMES波形的調制、驅動、恒流電路、人機界面、處理器外圍電路以及驅動程序。其中sEMG采集和NMES部分實現對患者的康復治療，人機界面部分實現治療參數和模式的設定以及提供生物反饋治療的條件，處理器外圍部分實現開發過程中的編譯、調試、下載以及網絡管理的功能，驅動程序實現上層人機界面程序與底層硬件之間的通信。
圖1
系統框圖
Figure1.
System block diagram
2 系統硬件設計
系統硬件包括主控制器模塊、核心功能模塊以及輔助功能模塊三大部分。
2.1 主控制器部分
考慮到本儀器需對采集數據進行處理和顯示，在主控制器的選擇上需具有高性能、高處理能力等特點，因此本系統中采用了三星公司的S3C2440處理器。該處理器是一款采用ARM920T內核的高性能32 bit處理器，其主頻高達405 MHz，采用5級流水線和哈佛結構[9]，能充分滿足本系統的處理要求。本設計擴展了一個64 M的FLASH存儲器，用來存儲bootloader、系統內核、文件系統、與操作系統啟動相關的文件以及人機界面程序和相關的波形數據。同時擴展了兩個32 M的SDRAM，用來運行系統和人機界面程序并存放相應變量。
2.2 核心功能部分
核心功能模塊包括了兩大部分：sEMG的采集處理電路和NMES電路。
2.2.1 sEMG的采集處理電路
sEMG采集電路主要是為了獲取患者肢體表面的微弱sEMG信號，為后續的電刺激電路提供數據支持。由于肌電信號的幅值范圍在2 μV~5 mV，容易受到各種背景噪聲和人體其它生理電信號的共模干擾，故需要設計高共模抑制比、低噪聲、低漂移的前置放大器[10]。
sEMG采集電路包括高通濾波、前置放大、低通濾波、隔離放大、陷波、電平抬升幾個部分。肌電信號經過了1 000～10 000 倍的放大，又經A/D轉換后通過SPI接口送入Linux系統，實現sEMG信號顯示。在顯示的同時將采集到的肌電電平與預設的閾值進行比較，從而控制治療儀的輸出電刺激。其中閾值可根據采集到的肌電進行自適應調整，免去人為調整。
2.2.2 NMES電路
本文選擇低頻調制的中頻波形來對患者進行刺激。其中低頻電能夠產生電刺激效應，中頻電能達到刺激深度，這樣避免了單一的低頻刺激對患者刺激時的肌肉疼痛感。為了不讓患者對刺激產生適應性，刺激波形為一組頻率、脈寬、上升下降時間、保持時間均可調的梯形調制脈沖波，電流強度從0增加到預先設置的水平，持續幾秒再回到0，間歇幾秒后再繼續，如此循環，給患者一種舒服的按摩感受，刺激波形如圖 2所示。
圖2
電刺激波形
Figure2.
Stimulating wave
刺激波由兩路信號調制得到。一路是由處理器PWM部分輸出的脈沖信號，另一路為處理器控制產生并經MAX5742進行D/A轉換、調幅得到的梯形調制波。兩路信號合成后經驅動、恒流、隔離得到最終對患者進行刺激的波形。
傳統的驅動、恒流電路是由低電壓經過boost升壓電路將電壓升到幾十伏甚至一兩百伏，然后作用到人體上得到相應的電流值對人體進行電刺激。這種方法的效率較低，且對負載的驅動能力有限，在需求較高驅動電流的場合往往不能滿足要求。本設計使用一種不需要經過電壓抬升而能完成驅動、恒流功能的電路方案，電路圖如圖 3所示。采用一個功放結合電流互感器來實現驅動和恒流的功能。功放選擇的是ST的高保真功放TDA2050，其能夠穩定提供32 W的驅動能力。電流互感器的原理是電磁感應，是由閉合的鐵心和繞組組成。電流互感器的作用是可以把數值較大的一次電流通過一定的變比轉換為數值較小的二次電流。
圖3
刺激波形驅動以及恒流電路
Figure3.
Driving and current regulating circuit for stimulating wave
當功放工作時，經由電阻R1、R2和R3的電流共同構成電流互感器在一次繞組端的電流I1，其表達式為
| $I1=Ui/R1+Ui\left( R1+R2 \right)/\left( R1R3 \right)\text{ },$ |
其中Ui是經過調幅、合成得到的調制波形。
根據互感器的互感效應在二次繞組端產生電流I2表達式為
| $\text{I2=I1N1/N2 ,}$ |
其中N1、N2分別表示一次繞組和二次繞組的線圈匝數。
然后電流經P1對人體進行刺激，結合式(1) 、(2) 知流經人體的刺激電流I0的表達式為：
| ${{\text{I}}_{\text{0}}}\text{=I2=}\left( \text{R1+R2+R3} \right)\text{/UiN1/}\left( \text{R1R3N2} \right)$ |
由式(3) 可知刺激電流I0與人體電阻R0無關，故能達到恒流的目的。
2.3 輔助功能部分
由于在系統開發設計過程中需要執行下載、調試等操作，故需要擴展如USB HOST/SLAVE、UART等輔助接口，而S3C2440豐富的接口資源為此提供了可能。同時為了今后的升級等，也擴展了網絡接口以便網絡通信與數據共享。
3 系統軟件設計
由于本系統要對患者肌電信號進行采集以及對神經肌肉進行電刺激，因此系統對穩定性和可靠性有較高的要求，這里選擇了Fedora11作為軟件開發平臺，使用arm-linux-gcc-4.3.2編譯器，采用Qt/Embedded 4.6.3為GUI開發工具，在嵌入式處理器S3C2440上移植Linux作為操作系統。由圖 4可知，系統的軟件部分主要包括了Linux驅動程序開發以及上層人機界面應用程序的設計兩大部分。
圖4
系統軟件框圖
Figure4.
Program Block Diagram
3.1 設備驅動程序設計
3.1.1 肌電信號采集模塊驅動程序
肌電信號采集模塊驅動程序的目的是將底層硬件與上層界面分離開來，將sEMG采集電路得到的患者sEMG信號數據獲取出來。其工作過程如下：系統上電后進行硬件初始化工作，配置S3C2440處理器芯片中SPI模塊控制寄存器，對SPI接口模塊的波特率等進行初始化設置，做好數據采集的準備，等待上層界面發送采集肌電命令。當收到采集肌電命令后驅動程序采用查詢方式查看SPI狀態寄存器來確定外部肌電數據是否準備好，如果數據已經準備好則讀取數據。數據分兩次讀取，先讀高字節，再讀低字節，將高字節中的低四位和低字節的8位組合成12位數據，就是采樣得到的肌電數據。將此數據通過消息機制發送給人機界面程序以供后續處理，然后繼續讀取下一個肌電數據。當收到停止采集命令后，停止讀取SPI接口數據，即停止采集肌電信號。
3.1.2 神經肌肉電刺激模塊驅動設計
電刺激模塊驅動是根據上層傳遞的參數產生相應的輸出給NMES電路，通過NMES電路產生最終的刺激波形對患者進行康復電刺激。其工作過程如下：系統上電后設置中斷控制寄存器使能并打開定時器0中斷。設置定時器控制寄存器以設定定時器0的輸出頻率與波形占空比等信息。配置SPI控制寄存器SPI主從口、波特率等參數，等待開始刺激命令。當收到刺激命令后打開定時器0，在定時器0的中斷服務程序中按照傳入的參數輸出梯形波，通過SPI管腳輸出到MAX5742，同時復用端口把PWM信號通過管腳輸出，得到的兩路信號經過后面的波形調制、驅動、恒流、隔離電路產生刺激波形作用到待刺激部位進行電刺激，如此循環。
3.2 人機界面設計
設計中采用Qt/Embedded實現人機界面的開發設計。Qt/Embedded是挪威Trolletch公司的圖形化界面開發工具Qt的嵌入式版本，它通過Qt API與Linux I/O以及Framebuffer直接交互，擁有較高的運行效率，且整體采用面向對象編程，擁有良好的體系架構和編程模式[11]。同時Qt/Embedded是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應用框架，幾乎支持所有的嵌入式操作系統[12]。作為用戶操作的直接對象，人機界面要求簡單、直觀、穩定等特點。
人機界面工作流程如圖 5所示。開機啟動程序過后完成程序相應初始化工作，設定治療時間，設定電刺激波形相關參數，確定治療參數方案后點擊啟動按鍵開始治療。啟動后通過連接驅動程序向底層發送采集肌電數據的命令，采集到數據后和閾值進行比較，如果肌電大于閾值則向底層發送刺激肌肉命令，如此循環直到治療時間到，停止治療。
圖5
人機界面流程圖
Figure5.
Flow chart of drive program for main interface
本系統人機界面程序設計了一個主線程與一個工作線程。其中主線程主要完成治療參數設定以及肌電信號、閾值曲線和刺激區間的繪制工作，而工作線程通過驅動程序負責肌電信號的采集和對患者進行電刺激等功能。由于使用了多線程，把界面操作和功能實現分開處理，這樣在保證處理正確的前提下，使程序更加簡潔明了、易于維護。
整個應用程序包含三個界面，分別是主界面、電刺激參數設定界面、波形色彩設定界面。其中主界面完成肌電信號、閾值曲線和刺激區間的繪制以及相關治療時間等參數的設定。參數設定界面完成電刺激波形的模式、刺激的閾值等參數的設定。波形色彩設定界面對肌電信號、閾值以及刺激波形在主界面中繪制的顏色進行設定。
4 實驗結果
為了驗證該嵌入式腦卒中康復治療儀系統的正確性與可行性，特進行如下實驗。
將三個肌電采集電極片分別貼于肱二頭肌肌群的起始和肌腹處，通過人機界面設置好相應治療方案參數，然后點擊啟動鍵開始治療。初始實驗者保持放松不用力，由界面可知肌電水平比較平穩，這時肌電水平沒有達到刺激閾值。隨后上臂肌肉嘗試用力收縮，由界面顯示可知肌電有變大的趨勢，當肌肉收縮使肌電達到刺激閾值時對其進行電刺激，刺激過程中肌肉放松，感受整個刺激的過程，上臂由于刺激波形的到來自動地呈現屈臂的狀態，上臂往上抬升一段高度并保持數秒，刺激完成后自動放下，如此循環反復。整個實驗過程中實驗者都通過觸摸屏上的人機界面主動參與到康復治療中。圖 6是實驗過程中的肌電和刺激波形界面，從圖中可以明顯看到肌電波形和刺激過程。圖 7為電刺激參數設置界面。
圖6
實驗中的主界面圖
Figure6.
Main interface in trial
圖7
實驗中的電刺激參數設定界面圖
Figure7.
Interface for setting electronic stimulating parameter in trial
5 結束語
本系統將生物反饋應用在腦卒中患者的康復治療當中，將嵌入式Linux操作系統與嵌入式硬件平臺S3C2440相結合，讓患者主動參與到康復治療中來，實現了對患者微弱肌電信號的采集與顯示，并將其與預設的刺激閾值進行比較，能夠按照設置的參數產生相應的刺激波形對患者進行神經肌肉電刺激。
本治療儀已完成初步實驗，由實驗可知：儀器已達到設計要求，實現了既定的功能。下一步的目標是：將其運用與臨床，進一步完成臨床數據分析和有效性分析。
引言
腦卒中是一種嚴重危及人類生命健康的疾病，隨著醫學診療技術的不斷發展與完善，腦卒中患者的死亡率明顯降低，但是存活的患者中，70%～80%留有不同程度的殘疾[1]，其中15%的患者日常生活不能自理，給社會和家庭帶來了沉重的負擔[2]。所以促進腦卒中患者的恢復、提高生活自理能力、降低致殘率[3]就顯得尤為重要。
國內外常規的康復手段除了藥物治療之外，主要還有針灸、運動療法、作業療法以及電刺激等物理療法[4]。電刺激類康復儀器與針灸、運動療法、作業療法等比較起來，具有操作簡單、護理方便以及便于推廣等特點。常規的電刺激儀大多采用低頻電刺激康復療法，雖可以改善患者的肢體功能，但患者多為被動的接受治療，治療周期較長，同時由于患者抑郁等心理因素影響，加重了康復與護理的難度。而新型的電刺激儀器雖然在治療功能障礙方面取得了一定的臨床效果，但因其昂貴的價格和龐大的體積而不容易推廣。
本文介紹了一種以如今被廣泛應用在工業控制、消費電子、醫療以及生活等諸多方面[5]的嵌入式ARM9處理器為核心，基于生物反饋的、采用低頻調制的中頻電流進行刺激的康復治療儀系統，該系統還采用了液晶觸摸屏，以圖形界面化的方式實現了對儀器的控制操縱，結合其生物反饋功能讓患者能主動參與康復訓練。本儀器在刺激神經肌肉時中低頻電刺激相結合既保證了電刺激深度[6]又確保了電刺激效應，產生較強的肌肉收縮并且患者沒有疼痛感[7]，同時嵌入式系統設計使儀器具有體積小、成本低、操作簡單等特點，使其在面向醫院的同時，也讓社區和家庭用戶的使用成為了可能，使更多的患者能夠得到方便、有效的治療。
1 系統總體設計
1.1 系統的設計原理
生物反饋治療實質上是一種心理行為治療方法。該技術利用儀器將正常情況下人體意識不到的與心理生理過程有關的生物信息(肌電、腦電、皮溫、心率、血壓等)予以描記，并轉換成視覺、聽覺等反饋信號，讓患者能認識自身的生理活動狀況，并有意識的調節和控制自身異常的生理活動，通過多次反復訓練，使下丘腦和大腦皮層產生神經和體液變化，形成反饋通路，控制并改正不良心理生理活動，并建立正常生理活動[8]。將肌電生物反饋運用在腦卒中患者的康復治療上，能夠讓患者主動參與到治療當中，對患者的康復起到積極的作用。
本系統采用物理刺激結合肌電生物反饋的心理暗示雙重模式，使患者更積極主動地參與到治療過程中。整個系統工作流程如下：首先，通過肌電電極采集患者的體表肌電(surface electromyography,sEMG) 信號，sEMG經A/D轉換后由SPI接口進入S3C2440處理器系統，在嵌入式Linux操作系統中對其處理，最后在觸摸屏上顯示肌電波形。患者通過顯示器可以看到自己的肌電波形變化情況，促使患者盡力去誘發微弱的肌電信號，當達到設定的閾值時對患者進行神經肌肉電刺激(neuromuscular electrical stimulation,NMES)。這種生物反饋式的刺激方式除了能夠增強患者肢體的運動能力和肌電水平外，還有對患者的主動配合治療予以肯定的意義，增強患者的康復信心，從而讓其能夠投入到繼續治療的良性循環當中，逐步達到最終康復的目的。
1.2 系統的總體構架
整個康復治療儀系統框圖如圖 1所示，主要包括以下部分：sEMG采集電路、NMES波形的調制、驅動、恒流電路、人機界面、處理器外圍電路以及驅動程序。其中sEMG采集和NMES部分實現對患者的康復治療，人機界面部分實現治療參數和模式的設定以及提供生物反饋治療的條件，處理器外圍部分實現開發過程中的編譯、調試、下載以及網絡管理的功能，驅動程序實現上層人機界面程序與底層硬件之間的通信。
圖1
系統框圖
Figure1.
System block diagram
2 系統硬件設計
系統硬件包括主控制器模塊、核心功能模塊以及輔助功能模塊三大部分。
2.1 主控制器部分
考慮到本儀器需對采集數據進行處理和顯示，在主控制器的選擇上需具有高性能、高處理能力等特點，因此本系統中采用了三星公司的S3C2440處理器。該處理器是一款采用ARM920T內核的高性能32 bit處理器，其主頻高達405 MHz，采用5級流水線和哈佛結構[9]，能充分滿足本系統的處理要求。本設計擴展了一個64 M的FLASH存儲器，用來存儲bootloader、系統內核、文件系統、與操作系統啟動相關的文件以及人機界面程序和相關的波形數據。同時擴展了兩個32 M的SDRAM，用來運行系統和人機界面程序并存放相應變量。
2.2 核心功能部分
核心功能模塊包括了兩大部分：sEMG的采集處理電路和NMES電路。
2.2.1 sEMG的采集處理電路
sEMG采集電路主要是為了獲取患者肢體表面的微弱sEMG信號，為后續的電刺激電路提供數據支持。由于肌電信號的幅值范圍在2 μV~5 mV，容易受到各種背景噪聲和人體其它生理電信號的共模干擾，故需要設計高共模抑制比、低噪聲、低漂移的前置放大器[10]。
sEMG采集電路包括高通濾波、前置放大、低通濾波、隔離放大、陷波、電平抬升幾個部分。肌電信號經過了1 000～10 000 倍的放大，又經A/D轉換后通過SPI接口送入Linux系統，實現sEMG信號顯示。在顯示的同時將采集到的肌電電平與預設的閾值進行比較，從而控制治療儀的輸出電刺激。其中閾值可根據采集到的肌電進行自適應調整，免去人為調整。
2.2.2 NMES電路
本文選擇低頻調制的中頻波形來對患者進行刺激。其中低頻電能夠產生電刺激效應，中頻電能達到刺激深度，這樣避免了單一的低頻刺激對患者刺激時的肌肉疼痛感。為了不讓患者對刺激產生適應性，刺激波形為一組頻率、脈寬、上升下降時間、保持時間均可調的梯形調制脈沖波，電流強度從0增加到預先設置的水平，持續幾秒再回到0，間歇幾秒后再繼續，如此循環，給患者一種舒服的按摩感受，刺激波形如圖 2所示。
圖2
電刺激波形
Figure2.
Stimulating wave
刺激波由兩路信號調制得到。一路是由處理器PWM部分輸出的脈沖信號，另一路為處理器控制產生并經MAX5742進行D/A轉換、調幅得到的梯形調制波。兩路信號合成后經驅動、恒流、隔離得到最終對患者進行刺激的波形。
傳統的驅動、恒流電路是由低電壓經過boost升壓電路將電壓升到幾十伏甚至一兩百伏，然后作用到人體上得到相應的電流值對人體進行電刺激。這種方法的效率較低，且對負載的驅動能力有限，在需求較高驅動電流的場合往往不能滿足要求。本設計使用一種不需要經過電壓抬升而能完成驅動、恒流功能的電路方案，電路圖如圖 3所示。采用一個功放結合電流互感器來實現驅動和恒流的功能。功放選擇的是ST的高保真功放TDA2050，其能夠穩定提供32 W的驅動能力。電流互感器的原理是電磁感應，是由閉合的鐵心和繞組組成。電流互感器的作用是可以把數值較大的一次電流通過一定的變比轉換為數值較小的二次電流。
圖3
刺激波形驅動以及恒流電路
Figure3.
Driving and current regulating circuit for stimulating wave
當功放工作時，經由電阻R1、R2和R3的電流共同構成電流互感器在一次繞組端的電流I1，其表達式為
| $I1=Ui/R1+Ui\left( R1+R2 \right)/\left( R1R3 \right)\text{ },$ |
其中Ui是經過調幅、合成得到的調制波形。
根據互感器的互感效應在二次繞組端產生電流I2表達式為
| $\text{I2=I1N1/N2 ,}$ |
其中N1、N2分別表示一次繞組和二次繞組的線圈匝數。
然后電流經P1對人體進行刺激，結合式(1) 、(2) 知流經人體的刺激電流I0的表達式為：
| ${{\text{I}}_{\text{0}}}\text{=I2=}\left( \text{R1+R2+R3} \right)\text{/UiN1/}\left( \text{R1R3N2} \right)$ |
由式(3) 可知刺激電流I0與人體電阻R0無關，故能達到恒流的目的。
2.3 輔助功能部分
由于在系統開發設計過程中需要執行下載、調試等操作，故需要擴展如USB HOST/SLAVE、UART等輔助接口，而S3C2440豐富的接口資源為此提供了可能。同時為了今后的升級等，也擴展了網絡接口以便網絡通信與數據共享。
3 系統軟件設計
由于本系統要對患者肌電信號進行采集以及對神經肌肉進行電刺激，因此系統對穩定性和可靠性有較高的要求，這里選擇了Fedora11作為軟件開發平臺，使用arm-linux-gcc-4.3.2編譯器，采用Qt/Embedded 4.6.3為GUI開發工具，在嵌入式處理器S3C2440上移植Linux作為操作系統。由圖 4可知，系統的軟件部分主要包括了Linux驅動程序開發以及上層人機界面應用程序的設計兩大部分。
圖4
系統軟件框圖
Figure4.
Program Block Diagram
3.1 設備驅動程序設計
3.1.1 肌電信號采集模塊驅動程序
肌電信號采集模塊驅動程序的目的是將底層硬件與上層界面分離開來，將sEMG采集電路得到的患者sEMG信號數據獲取出來。其工作過程如下：系統上電后進行硬件初始化工作，配置S3C2440處理器芯片中SPI模塊控制寄存器，對SPI接口模塊的波特率等進行初始化設置，做好數據采集的準備，等待上層界面發送采集肌電命令。當收到采集肌電命令后驅動程序采用查詢方式查看SPI狀態寄存器來確定外部肌電數據是否準備好，如果數據已經準備好則讀取數據。數據分兩次讀取，先讀高字節，再讀低字節，將高字節中的低四位和低字節的8位組合成12位數據，就是采樣得到的肌電數據。將此數據通過消息機制發送給人機界面程序以供后續處理，然后繼續讀取下一個肌電數據。當收到停止采集命令后，停止讀取SPI接口數據，即停止采集肌電信號。
3.1.2 神經肌肉電刺激模塊驅動設計
電刺激模塊驅動是根據上層傳遞的參數產生相應的輸出給NMES電路，通過NMES電路產生最終的刺激波形對患者進行康復電刺激。其工作過程如下：系統上電后設置中斷控制寄存器使能并打開定時器0中斷。設置定時器控制寄存器以設定定時器0的輸出頻率與波形占空比等信息。配置SPI控制寄存器SPI主從口、波特率等參數，等待開始刺激命令。當收到刺激命令后打開定時器0，在定時器0的中斷服務程序中按照傳入的參數輸出梯形波，通過SPI管腳輸出到MAX5742，同時復用端口把PWM信號通過管腳輸出，得到的兩路信號經過后面的波形調制、驅動、恒流、隔離電路產生刺激波形作用到待刺激部位進行電刺激，如此循環。
3.2 人機界面設計
設計中采用Qt/Embedded實現人機界面的開發設計。Qt/Embedded是挪威Trolletch公司的圖形化界面開發工具Qt的嵌入式版本，它通過Qt API與Linux I/O以及Framebuffer直接交互，擁有較高的運行效率，且整體采用面向對象編程，擁有良好的體系架構和編程模式[11]。同時Qt/Embedded是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應用框架，幾乎支持所有的嵌入式操作系統[12]。作為用戶操作的直接對象，人機界面要求簡單、直觀、穩定等特點。
人機界面工作流程如圖 5所示。開機啟動程序過后完成程序相應初始化工作，設定治療時間，設定電刺激波形相關參數，確定治療參數方案后點擊啟動按鍵開始治療。啟動后通過連接驅動程序向底層發送采集肌電數據的命令，采集到數據后和閾值進行比較，如果肌電大于閾值則向底層發送刺激肌肉命令，如此循環直到治療時間到，停止治療。
圖5
人機界面流程圖
Figure5.
Flow chart of drive program for main interface
本系統人機界面程序設計了一個主線程與一個工作線程。其中主線程主要完成治療參數設定以及肌電信號、閾值曲線和刺激區間的繪制工作，而工作線程通過驅動程序負責肌電信號的采集和對患者進行電刺激等功能。由于使用了多線程，把界面操作和功能實現分開處理，這樣在保證處理正確的前提下，使程序更加簡潔明了、易于維護。
整個應用程序包含三個界面，分別是主界面、電刺激參數設定界面、波形色彩設定界面。其中主界面完成肌電信號、閾值曲線和刺激區間的繪制以及相關治療時間等參數的設定。參數設定界面完成電刺激波形的模式、刺激的閾值等參數的設定。波形色彩設定界面對肌電信號、閾值以及刺激波形在主界面中繪制的顏色進行設定。
4 實驗結果
為了驗證該嵌入式腦卒中康復治療儀系統的正確性與可行性，特進行如下實驗。
將三個肌電采集電極片分別貼于肱二頭肌肌群的起始和肌腹處，通過人機界面設置好相應治療方案參數，然后點擊啟動鍵開始治療。初始實驗者保持放松不用力，由界面可知肌電水平比較平穩，這時肌電水平沒有達到刺激閾值。隨后上臂肌肉嘗試用力收縮，由界面顯示可知肌電有變大的趨勢，當肌肉收縮使肌電達到刺激閾值時對其進行電刺激，刺激過程中肌肉放松，感受整個刺激的過程，上臂由于刺激波形的到來自動地呈現屈臂的狀態，上臂往上抬升一段高度并保持數秒，刺激完成后自動放下，如此循環反復。整個實驗過程中實驗者都通過觸摸屏上的人機界面主動參與到康復治療中。圖 6是實驗過程中的肌電和刺激波形界面，從圖中可以明顯看到肌電波形和刺激過程。圖 7為電刺激參數設置界面。
圖6
實驗中的主界面圖
Figure6.
Main interface in trial
圖7
實驗中的電刺激參數設定界面圖
Figure7.
Interface for setting electronic stimulating parameter in trial
5 結束語
本系統將生物反饋應用在腦卒中患者的康復治療當中，將嵌入式Linux操作系統與嵌入式硬件平臺S3C2440相結合，讓患者主動參與到康復治療中來，實現了對患者微弱肌電信號的采集與顯示，并將其與預設的刺激閾值進行比較，能夠按照設置的參數產生相應的刺激波形對患者進行神經肌肉電刺激。
本治療儀已完成初步實驗，由實驗可知：儀器已達到設計要求，實現了既定的功能。下一步的目標是：將其運用與臨床，進一步完成臨床數據分析和有效性分析。
