新型快速神經(jīng)反射檢查方式
——電子式腱反射儀的設(shè)計及臨床應(yīng)用

劉志超 張?zhí)烊?廖皓磊 周文俊

腱反射是一種簡單的反射[1],其傳入神經(jīng)和傳出神經(jīng)為股神經(jīng),神經(jīng)中樞位于脊髓的灰質(zhì)內(nèi)[2]。腱反射受脊髓影響,其強(qiáng)弱可反映中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能狀態(tài)[3]。在傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的神經(jīng)反射檢查中,臨床醫(yī)師會經(jīng)常使用一種深反射檢查,即腱反射檢查,這是通過刺激骨膜、肌腱,經(jīng)深部感受器完成的神經(jīng)反射。讓檢查者取坐位(床邊),小腿完全松弛下垂與大腿呈直角;如果患者取仰臥位,檢查者以左手托起其膝關(guān)節(jié),使之屈曲120°,用右手持叩診錘,叩擊膝蓋髕骨下方股四頭肌的肌腱處,可引起小腿伸展[4]。

使用傳統(tǒng)叩診錘進(jìn)行神經(jīng)反射檢查方法的弊端:既不客觀也不精準(zhǔn),十分容易受到檢查者有限臨床經(jīng)驗的“誤讀誤判”,以致影響“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”的落實,依賴叩診錘傳統(tǒng)的神經(jīng)反射檢查,已經(jīng)跟不上當(dāng)今“精準(zhǔn)健康”的現(xiàn)實需要了。鑒此,我們開發(fā)并研制出了新型快速電子的神經(jīng)反射檢查儀——電子式腱反射檢測儀。至今無實用電子式測試腱反射的裝置,僅有研究引起反射最小叩擊力量的叩診錘[5],幾乎沒有量化反射強(qiáng)度的電子裝置及相關(guān)文獻(xiàn)。醫(yī)師對患者的股四頭肌肌腱內(nèi)的感受器進(jìn)行刺激,通過肉眼觀察患者小腿動作的幅度和速度,此時可能會忽略小腿肌肉發(fā)出的微弱反應(yīng),需多次叩擊膝蓋下邊附近,延誤診斷時間甚至損傷病患的膝蓋。量化腱反射強(qiáng)度有利于醫(yī)師進(jìn)行臨床診斷。

筆者采用叩擊膝蓋下邊時小腿動作方向的加速度來量化表征腱反射強(qiáng)弱。若小腿加速度小于閾值則未發(fā)生腱反射,小腿加速度大于閾值且處于各層設(shè)定值范圍內(nèi)則分層次顯示腱反射強(qiáng)度?；诖朔椒ㄔO(shè)計制作了腱反射電子測試儀,通過準(zhǔn)確測試小腿的反應(yīng)加速度來表征腱反射強(qiáng)度,從而診斷神經(jīng)系統(tǒng)的功能。

一、下肢腱反射測試原理

反射測試是通過刺激膝蓋處大腿肌肉的感受器(股四頭肌肌腱內(nèi)感受器),肌肉受到肌健的牽拉,肌肉中的肌梭同時受到牽拉而產(chǎn)生興奮,沖動由傳入神經(jīng)纖維傳輸?shù)郊顾璧幕屹|(zhì),使支配股四頭肌的許多運動神經(jīng)元同步產(chǎn)生沖動,引起股四頭肌收縮,使小腿前伸[6]。

醫(yī)學(xué)臨床上可用錘擊膝蓋附近小腿動作方向的速度或幅度表征腱反射的強(qiáng)度。小腿踢出的方向與小腿垂直,其運動方向速度為做圓周運動的切向速度,腱反射測試時需腿部靜止,在初速度為0且小腿動作時間t一定的情況下,小腿動作方向的速度V與小腿動作的加速度a成正比:

V=at

(1)

因此本文提出的判斷腱反射強(qiáng)弱的方法為:在小腿上固定腱反射測試儀,利用測試儀精確測出叩擊膝蓋附近時小腿動作方向的加速度,用其大小表征腱反射強(qiáng)度。見圖1。

圖1 反射原理圖

二、下肢腱反射測試儀的硬件設(shè)計

(一)總體結(jié)構(gòu)

測試儀佩戴在小腿上。測試儀內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用算法分層判定腱反射強(qiáng)度;傳感器需要精確、快速采集加速度;單片機(jī)與傳感器直接相連,單片機(jī)經(jīng)過運算,通過LED燈將腱反射測試的結(jié)果顯示出來。見圖2。

圖2 腱反射測試儀硬件結(jié)構(gòu)

(二)單片機(jī)設(shè)計

選用的單片機(jī)為STC90C51RD+芯片,是STC推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的單片機(jī)[7]。其參數(shù)及特點如下:增強(qiáng)型8051單片機(jī),指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。正常工作模式:典型功耗4～7 mA,工作電壓為3.3～5.5 V,工作頻率范圍0～40 MHz,用戶應(yīng)用程序空間可達(dá)61 K字節(jié),可以實現(xiàn)ISP(在系統(tǒng)可編程)或者IAP(在應(yīng)用可編程),通過串口(Rx,Tx)直接下載用戶程序,僅需數(shù)秒。

單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含中央處理器、程序儲存器、數(shù)據(jù)儲存器、定時/計數(shù)器、UART串口、I/O口、EEPROM、看門狗等模塊[7]。MCU的晶振頻率為12 MHz,對應(yīng)并聯(lián)的兩個電容均為30 pF。3位LED發(fā)光二極管陰極接P20(33)～P27(40)口,陽極接1 kΩ的排阻。見圖3。

圖3 單片機(jī)系統(tǒng)原理圖

注：a為STC90C51RD+芯片，b為晶振回路，c為3位LED管顯示

(三)傳感器設(shè)計

加速度傳感器的核心模塊是JY901B芯片,體積小,可用USB充電或電池直接供電。能夠精確測量三軸加速度、三軸角速度、三軸角度。擁有32位高性能MCU,最高200 Hz數(shù)據(jù)輸出速率,動態(tài)測角度的精度達(dá)到0.05度,并集成了高精度卡爾曼鋁箔姿態(tài)融合算法[9-10],其參數(shù)如下:工作電壓3.3～5 V,工作電流<40 mA,加速度三維加速度量程為-16 g～16 g,加速度分辨率6.1e-5g,數(shù)據(jù)接口為串口TTL電平,波特率支持2 400～921 600。見圖4。

(四)測試裝置的設(shè)計

測試儀內(nèi)部將1、2、3、5、6與4對應(yīng)的管腳相接,在盒表面可見的僅有1、3。測試儀長100 mm,寬77 mm,厚30 mm。見圖5。

圖4 傳感器電路原理圖

注：VCC模塊電源輸入為3.3～5 V,SCL為時鐘線,SDA為數(shù)據(jù)線,A0為VCC,A1為RX串行數(shù)據(jù)輸入,A2為TX串行數(shù)據(jù)輸出,且均為TTL電平,GND接地

圖5 腱反射電子測試儀

注：1為LED顯示,2為USB口(既供電又可燒寫程序),3為開關(guān),4為單片機(jī),5為加速度傳感器,6為+5 V電池

三、腱反射電子測試儀的軟件設(shè)計

(一)軟件總體結(jié)構(gòu)

為使單片機(jī)STC90C51編程方便快捷,使用C語言編程。采用Keil uVision4編譯器,支持眾多公司的51架構(gòu)芯片,能編譯和仿真,使用方法與Vc++類似,界面友好,編程效率高[11]。

腱反射程序流程主要包括:自檢單元、基準(zhǔn)面標(biāo)定單元、腱反射強(qiáng)度判定單元和顯示單元。見圖6。

圖6 腱反射流程圖

(二)腱反射強(qiáng)度計算程序結(jié)構(gòu)

1.自檢單元

首先開啟固定在小腿的腱反射測試儀電源,進(jìn)入自檢單元。單片機(jī)控制3個LED燈全亮,通過延時程序使1～3號燈持續(xù)2 s后使之熄滅。自檢單元檢查MCU和LED燈的運行狀況正常。

2.基準(zhǔn)面標(biāo)定單元

在測試腱反射之前需要排除人腿動作或震動的干擾,通過比較加速度傳感器前后兩次采集的x軸和y軸的加速度值來標(biāo)定基準(zhǔn)。若兩次采集的x軸和y軸的加速度差值小于足夠小的設(shè)定值,則認(rèn)為傳感器未動作,此時可開始進(jìn)行叩診測試腱反射,若兩次采集x軸和y軸的加速度差值大于設(shè)定值,則認(rèn)為加速度傳感器仍在動作,不能進(jìn)行叩診測試。通過試驗,得到前后兩次采集的x軸和y軸加速度差值設(shè)定為1%時,既能靈敏判定小腿是否動作,又能快速開始叩診測試腱反射。見圖7。

圖7 基準(zhǔn)面標(biāo)定流程圖

3.腱反射強(qiáng)度判定

腱反射發(fā)生是由肌肉(股四頭肌)收縮帶動股二頭肌舒張,從而引起小腿動作。根據(jù)腱反射強(qiáng)度可用小腿動作的加速度大小表征。利用固定在小腿上的加速度傳感器實時采集垂直于傳感器界面的z軸加速度,根據(jù)重力加速度g對其進(jìn)行歸一(即g為1),得到az。要得到小腿動作方向的加速度,需利用z軸加速度az減去重力加速度g在z軸的分量,θz為g與z軸方向的夾角。推導(dǎo)出小腿動作方向的加速度azx為:

azx=az-cosθz

(2)

據(jù)azx大小來判定腱反射的強(qiáng)度,并顯示出來。利用LED的亮燈情況來表征腱反射強(qiáng)度。腱反射越強(qiáng)(小腿反應(yīng)的速度越快),對應(yīng)azx的值越大。通過小樣本測試,初步設(shè)置azx<0.15時,無亮燈;0.15≤azx<0.3時,1號LED燈亮;0.3≤azx<0.9時,2號LED燈亮;azx>0.9時,3號LED燈亮。根據(jù)面板上亮燈情況分層表征腱反射的強(qiáng)度:無燈亮表示很弱,1號燈亮為“弱”,2號燈亮為“中”,3號燈亮為“強(qiáng)”。每一次叩擊測試完成后,1～3號燈熄滅,等待兩秒即可進(jìn)行下次測試,設(shè)計為循環(huán)測試,直至關(guān)閉腱反射測試儀的開關(guān)。見圖8。

圖8 反射強(qiáng)度判定流程圖

四、腱反射測試儀的應(yīng)用

(一)不同叩擊方式的測試

設(shè)計制作的腱反射測試儀在小樣本范圍進(jìn)行測試。為檢測不同叩擊方式對腱反射裝置的影響,將叩擊方式分為:被測對象自我叩擊,醫(yī)師對其進(jìn)行叩擊。在武漢大學(xué)人民醫(yī)院隨機(jī)對5位成年人進(jìn)行了腱反射檢測,年齡25～57歲,標(biāo)號1～5號,測試結(jié)果見表1。

表1 不同叩擊方式的測試結(jié)果

由表1可知,雖然腱反射測試儀的使用者不同,但測試結(jié)果基本相同。其中1號被測人員自我叩擊與被叩擊時測試結(jié)果不吻合是由于叩擊位置不準(zhǔn)確或叩擊前的自我心理暗示,再次自行叩擊測試得到與醫(yī)師叩擊測試一致的結(jié)果。1、2、4、5號被測人員腱反射正常,詢問其病史,可知身體狀況無礙,小腿的反應(yīng)和電子測試儀顯示結(jié)果一致。而3號被測人員在三種叩擊方式測試下,結(jié)果均很弱,小腿沒有反射動作,后詢問其原因,3號被測人員曾患急性特發(fā)性多神經(jīng)炎,證明電子測試儀能夠準(zhǔn)確分辨腱反射強(qiáng)度并可推斷脊髓神經(jīng)系統(tǒng)的狀況。

由以上試驗可得出:叩擊方式對腱反射的測試影響很小,可以隨時隨地利用該裝置測試腱反射強(qiáng)度,快速檢查神經(jīng)系統(tǒng)狀況。

(二)不同性別的測試

為探究腱反射測試儀檢測男性與女性的腱反射強(qiáng)度差別,在武漢大學(xué)人民醫(yī)院隨機(jī)尋找到30名測試對象,男女各15名,年齡21～55歲,使用的叩擊方式為試驗員對被測人員進(jìn)行叩擊。見圖9。

圖9 不同性別腱反射測試結(jié)果

由圖9可知,極少數(shù)男性和女性腱反射強(qiáng)度處于很弱層次。問詢調(diào)查對象得知,或因久坐、運動量過少,或由病毒感染的格林巴利氏綜合癥,或由于脊髓、頸椎受過創(chuàng)傷。由上圖還可知男性測試對象的腱反射強(qiáng)度普遍為中或強(qiáng),而女性測試對象多數(shù)腱反射強(qiáng)度為弱,可能因為男性運動更加頻繁、身體也比較靈活,神經(jīng)系統(tǒng)狀況一般比女性亢奮,敏銳。通過該新型快速的電子測試儀提供的各種客觀數(shù)據(jù),讓傳統(tǒng)的神經(jīng)反射檢查更加精準(zhǔn)化,可有效地避免各科臨床醫(yī)師出現(xiàn)“誤讀誤判”的現(xiàn)象,有效地避免各地各級醫(yī)院檢查水準(zhǔn)的參差不一的現(xiàn)象,達(dá)到“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”的既客觀又準(zhǔn)確的新水平。

根據(jù)上述兩次臨床測試后的數(shù)據(jù),對腱反射測試儀分層判斷的azx設(shè)定值進(jìn)行修正,并進(jìn)一步驗證其腱反射測試的準(zhǔn)確度。

為驗證腱反射儀的腱反射測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度以及在臨床上應(yīng)用的效率,在武漢大學(xué)人民醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科對100名不同年齡和性別的測試對象進(jìn)行了腱反射測試儀測試和醫(yī)師常規(guī)測試(圖10)。橫坐標(biāo)代表不同的測試對象,分別編號1～100。圖中代表醫(yī)師檢查的結(jié)果,代表腱反射儀測試結(jié)果,縱坐標(biāo)表示腱反射的強(qiáng)度,將反射很弱和無反射的反射強(qiáng)度歸為反射強(qiáng)度0,將反射正常時的反射強(qiáng)度歸為1。對比兩種腱反射測試方法的效率,醫(yī)師在測試時既需要利用錘頭叩擊,還需要憑經(jīng)驗觀察和判斷,最終確認(rèn)該檢測對象的檢查結(jié)果,每次檢測一定數(shù)量被測對象后需要休息,導(dǎo)致了醫(yī)師做常規(guī)檢測腱反射的耗時超過了使用腱反射儀測試的兩倍。

圖10結(jié)果顯示,腱反射測試儀在對100名不同測試對象的檢測中僅誤判一次,其原因可能是佩戴腱反射儀進(jìn)行測試時,叩擊測試的次數(shù)不足影響了檢測結(jié)果,但該腱反射測試儀的準(zhǔn)確率仍高達(dá)99%,能夠高效率、準(zhǔn)確地檢測出腱反射很弱以及神經(jīng)系統(tǒng)病患者。

五、結(jié)論

為實現(xiàn)神經(jīng)腱反射“精準(zhǔn)診斷”的醫(yī)學(xué)目標(biāo),我們研制出了這臺電子式腱反射測試儀,本文通過研究腱反射原理提出了采用測量小腿加速度來量化腱反射強(qiáng)度的方法。

1.根據(jù)腱反射發(fā)生時股四頭肌收縮同時帶動股二頭肌舒張引起小腿動作的現(xiàn)象,通過在小腿上固定腱反射測試儀,根據(jù)小腿動作加速度,精確測試出腱反射強(qiáng)度。

圖10 腱反射測試結(jié)果

2.基于腱反射強(qiáng)度測試方法研制的電子測試儀,經(jīng)不同叩擊方式、不同性別測試,可分層顯示很弱、弱、中、強(qiáng),能快速檢測出患有脊髓神經(jīng)系統(tǒng)疾病的人員,并發(fā)現(xiàn)小樣本中女性的腱反射強(qiáng)度較弱。

3.該測試儀在醫(yī)院進(jìn)行的大量臨床測試下,調(diào)整算法程序中的分層設(shè)定值,使測試結(jié)果更加精確,在與醫(yī)師常規(guī)檢查腱反射方法對比后發(fā)現(xiàn),腱反射測試儀檢測的效率明顯比醫(yī)師常規(guī)檢查方法高,且準(zhǔn)確度達(dá)到99%,實現(xiàn)了精準(zhǔn)診斷和高效診斷的醫(yī)學(xué)目標(biāo)。