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)計及臨床試驗(yàn)

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)

針對腦卒中患者運(yùn)動功能康復(fù)問題，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)對腦卒中患者患肢肌電信號實(shí)時采集，并通過觸摸顯示模塊實(shí)現(xiàn)肌電信號可視化，同時將采集到的信號與所設(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)計運(yùn)用Linux+QT平臺開發(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)對急性腦卒中患者(n=8)進(jìn)行上肢運(yùn)動功能治療，試驗(yàn)結(jié)果表明接受系統(tǒng)康復(fù)治療的試驗(yàn)組FMA上肢評分高于對照組(n=8,P<0.05)，肌力分級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]?；颊吣X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，給社會和家庭帶來了沉重的負(fù)擔(dān)[3]。所以如何促進(jìn)腦卒中患者運(yùn)動功能的恢復(fù)、降低殘疾水平，這些問題都急需解決。

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]。在上述方法治療過程中，患者多處于被動的狀態(tài)，只是單純地根據(jù)醫(yī)囑接受治療，由于沒有及時了解自己的康復(fù)情況，無法充分調(diào)動患者心理主動性，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認(rèn)知的再學(xué)習(xí)過程為關(guān)鍵的療法，它讓患者主動地想象肢體動作，以促進(jìn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)對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)上是對心理的治療。將實(shí)時肌電轉(zhuǎn)換成視覺反饋信號，讓患者能認(rèn)識到自身的生理活動狀況，并有意識地調(diào)節(jié)和補(bǔ)償自身異常的生理活動。將肌電視覺反饋運(yùn)用在腦卒中患者的康復(fù)治療上，讓患者意識到自己對肢體的控制能力，通過視覺反饋形成“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，提取患者實(shí)時的表面肌電信號，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“獎勵”，效果類似于患者是自己在控制患肢做出動作。充分發(fā)揮患者自身的主動積極性，并通過電刺激釋放各種傳出神經(jīng)沖動，加強(qiáng)對腦神經(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)到主動訓(xùn)練，快速恢復(fù)運(yùn)動功能的目的。

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)計和軟件設(shè)計兩方面入手，介紹了系統(tǒng)的組成，同時通過系統(tǒng)性能驗(yàn)證了本系統(tǒng)有效可靠。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

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)時采集患者患肢的表面肌電信號，通過A/D轉(zhuǎn)換電路，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并通過串口發(fā)送給ARM9處理器。處理器一方面對肌電信號進(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的刺激，患者主動地想象并嘗試控制自己的偏癱患肢做出動作，以誘發(fā)自身肌電信號。另一方面，ARM9處理器將肌電信號與所設(shè)定的閾值相比較，若高于閾值時，就觸發(fā)NMES刺激電路對患者進(jìn)行一次神經(jīng)肌肉電刺激，以作為獎勵。另外，若患者自發(fā)的肌電幅值始終達(dá)不到閾值，則會給其消極的影響，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

硬件設(shè)計包括數(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，可用來儲存相應(yīng)的驅(qū)動和應(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十分微弱，而且還混有各種噪聲，所以首先通過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]。隨后通過隔離電路以實(shí)現(xiàn)信號和電源的隔離耦合，同時還可調(diào)節(jié)電阻以改變放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)放大。隔離后的肌電信號在陷波電路進(jìn)行處理，以濾除市電帶來的工頻干擾。由于患者的表面肌電信號幅值波動范圍廣，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，處理器通過控制I/O口輸入來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通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，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，其中通過傾斜時間的設(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，主控制器通過設(shè)置定時器和PWM模塊來產(chǎn)生特定頻率和脈寬的方波信號作為載波，同時控制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

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

具體工作流程如圖6所示，上電開機(jī)啟動程序并進(jìn)行相應(yīng)初始化，設(shè)置治療時間、圖形顏色、刺激參數(shù)，選擇方案之后就可以開始治療過程，采集肌電信號并繪制實(shí)時圖形，同時與設(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)即治療過程中使用的界面，有實(shí)時的表面肌電信號繪制、閾值顯示和刺激提示等信息，通過顏色的標(biāo)記以區(qū)別是否觸發(fā)刺激。當(dāng)受試者無肢體運(yùn)動，藍(lán)色的肌電波形平緩顯示，當(dāng)想要運(yùn)動肢體時，可引起藍(lán)色的肌電波形出現(xiàn)尖峰，一旦肌電信號大于閾值則觸發(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，伸腕時可測得表面肌電信號>10 μV；(4)患者有自主意識，具備認(rèn)知能力，可以配合康復(fù)治療過程。

對照組接受神經(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。治療過程中，試驗(yàn)組患者保持左立或者平躺姿勢，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水平與簡式運(yùn)動功能評定法Fugl-Meyer(FMA)對上肢評分(滿分為60分)[9]，以此評價患者偏癱患肢運(yùn)動功能恢復(fù)情況。

3 結(jié)果

由表1可知，治療前兩組FMA上肢評分無顯著性差異(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上肢評分明顯高于對照組(P<0.05)，肌力分級水平也得到一定地提高，表明本系統(tǒng)對腦卒中患者上肢的運(yùn)動功能具有改善作用。此外經(jīng)過本系統(tǒng)的治療，不僅對患者上肢功能的康復(fù)起到積極作用，對于患者的心理康復(fù)也有幫助。患者在看到自身進(jìn)步情況下，性情開朗，精神狀態(tài)好，樂于與人溝通，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評分治療后上肢FMA評分試驗(yàn)組81067±2333933±935a對照組8986±1682757±780

注：與對照組比較，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，使患者更積極主動地參與到治療過程中。采集電路實(shí)時采集患者表面肌電信號，并將其轉(zhuǎn)換為波形給予患者視覺反饋。針對患者個體差異性，設(shè)定閾值，將其與所采集到的信號進(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“獎勵”。同時充分考慮患者在治療前期可能無法完成目標(biāo)，因此在其疲憊沮喪的情況下，適當(dāng)給予電刺激“鼓勵”。此外，本系統(tǒng)選用梯形調(diào)制波為刺激波形，在各個參數(shù)的設(shè)置時，都以能引起患者明顯肌肉動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，操作簡單，性能穩(wěn)定可靠。臨床試驗(yàn)也驗(yàn)證了系統(tǒng)對于腦卒中患者運(yùn)動功能康復(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。

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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