腦卒中治療與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張雪芹　葉志明　孟凡利　劉華波

摘要：為了滿足腦卒中出院患者對(duì)居家康復(fù)治療及復(fù)發(fā)預(yù)警監(jiān)測(cè)的需求，設(shè)計(jì)集治療、人體生理信號(hào)采集和數(shù)據(jù)分析、預(yù)警等多功能為一體的家用腦卒中治療及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。首先，基于經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)設(shè)計(jì)治療儀，輸出恒定、精確的直流電，其次，開發(fā)智能手環(huán)作為輔助監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)記錄患者心率等數(shù)據(jù)，通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)APP，最后，通過手機(jī)APP匯總治療記錄以及生命體征數(shù)據(jù)上傳至云端做進(jìn)一步分析，用于調(diào)整治療方案或進(jìn)行腦卒中復(fù)發(fā)預(yù)警。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅滿足康復(fù)治療需求，且治療儀刺激電流控制精度指標(biāo)優(yōu)于國(guó)外設(shè)備，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了云端和設(shè)備端的互聯(lián)互通。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)為腦卒中個(gè)性化治療、復(fù)發(fā)預(yù)警和大數(shù)據(jù)庫(kù)建立提供了系統(tǒng)的解決方案，對(duì)于實(shí)現(xiàn)腦卒中患者的居家治療具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用;腦卒中;經(jīng)顱直流電刺激;藍(lán)牙通信;APP;遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx02003

Design of stroke treatment and remote monitoring system

ZHANG Xueqin YE Zhiming MENG Fanli LIU Huabo

（1School of Automation，Qingdao University，Qingdao，Shandong 266071，China;2Shandong Key Laboratory of Industrial Control Technology，Qingdao，Shandong 266071，China）

Abstract：In order to meet the needs of home-based rehabilitation treatment and recurrence pre-warning monitoring of discharged stroke patients，a home-based stroke treatment and remote monitoring system integrating treatment，human physiological signal acquisition and data analysis，pre-warning and other functions was designedFirstly，the therapeutic instrument was designed based on transcranial direct current stimulation technology to output constant and accurate direct currentSecondly，the smart bracelet was developed as an auxiliary monitoring device to record the patient′s heart rate and other data in real time，and the data was sent to the mobile APP through bluetoothFinally，the treatment records and vital signs data of patients were uploaded to the cloud database through mobile APP for further analysis，which was used to adjust the treatment plan or pre-warning of stroke recurrenceThe design results show that the system not only meets the needs of rehabilitation treatment of stroke patients，but also excels the foreign equipment in the aspect of stimulation current control accuracy index of the therapeutic instrumentAt the same time，the interconnection between cloud and equipment is realizedThe system provides a systematic solutions for personalized treatment of stroke，recurrence pre-warning and the establishment of large databaseIt has important practical significance in the home treatment of stroke patients

Keywords：automatics application;stroke;transcranial direct current stimulation;bluetooth communication;APP;remote monitoring

腦卒中是由于腦部血管阻塞或血管突然破裂而引起的腦組織損傷疾病，包括缺血性腦卒中和出血性腦卒中2種類型，其中缺血性腦卒中所占比例高達(dá)80%[1-2]，具有發(fā)病率高、死亡率高、致殘率高、復(fù)發(fā)率高、經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)高5大特點(diǎn)。目前，由于腦卒中導(dǎo)致的人口死亡率逐年增高[3]，報(bào)告顯示，腦卒中已成為60歲以上人群致死、致殘首位病因[4]。20世紀(jì)90年代，REYNOLDS等[5]從成年小鼠紋狀體中成功分離出尚未分化的神經(jīng)干細(xì)胞（neural stem cells，NSC），研究發(fā)現(xiàn)，其不僅具有增殖、分化能力并且植入后超敏反應(yīng)的出現(xiàn)率極低。自此，應(yīng)用NSC的增殖、遷移和分化能力治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷成為神經(jīng)科研究的熱點(diǎn)。歷年來，神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者們通過對(duì)成熟哺乳動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行大量研究證明，雖然缺血性腦損傷后NSC的增殖活性會(huì)被激發(fā)，但增殖水平有限，利用其自身的增殖、分化能力不足以建立新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6-8]。經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）是通過電極向顱內(nèi)特定腦區(qū)施加恒定、低強(qiáng)度的直流電（≤2 mA），調(diào)節(jié)大腦皮層神經(jīng)元電活動(dòng)的一種無創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)[9]。臨床研究顯示，采用tDCS技術(shù)可以改善缺血性腦卒中患者的運(yùn)動(dòng)功能[10]、失語癥[11]以及吞咽[12]等功能。大量研究表明，tDCS可激發(fā)腦缺血損傷后體內(nèi)固有的NSC增殖、遷移和定向分化，從而促進(jìn)神經(jīng)再生并對(duì)病變部位進(jìn)行修復(fù)[13-16]。

針對(duì)腦卒中出院病人康復(fù)周期長(zhǎng)、缺乏專業(yè)有效的家用康復(fù)器械以及復(fù)發(fā)率高2個(gè)痛點(diǎn)問題，研制基于tDCS技術(shù)和云端的集治療和復(fù)發(fā)預(yù)警等多功能為一體的全新無創(chuàng)、數(shù)字化、智能化可穿戴家用腦卒中治療及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。腦卒中出院患者在家中進(jìn)行治療的同時(shí)，該系統(tǒng)可以記錄患者的治療數(shù)據(jù)，監(jiān)控、收集和分析患者心率、血壓和腦電數(shù)據(jù)，記錄結(jié)果將上傳至云端數(shù)據(jù)庫(kù)，便于醫(yī)護(hù)人員及時(shí)、有效地分析病情，調(diào)整治療方案或進(jìn)行腦卒中復(fù)發(fā)預(yù)警，為腦卒中個(gè)性化治療、復(fù)發(fā)預(yù)警和大數(shù)據(jù)庫(kù)建立提供系統(tǒng)解決方案。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的治療及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括治療儀、監(jiān)測(cè)手環(huán)、智能移動(dòng)終端手機(jī)APP以及預(yù)警中心平臺(tái)4部分。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示，治療儀基于tDCS技術(shù)，輸出符合參數(shù)設(shè)定的直流電流，并在觸摸屏上顯示當(dāng)前實(shí)際輸出電流值，治療完成后將本次運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在串口屏SD卡中，當(dāng)手機(jī)和設(shè)備通過藍(lán)牙連接后，刺激器會(huì)將本地保存的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)端;監(jiān)測(cè)手環(huán)用于采集心率等生理數(shù)據(jù)，并通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)端;手機(jī)APP匯總治療儀和手環(huán)上傳的數(shù)據(jù)，通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到云端分析預(yù)警中心，云端將接收到的心率數(shù)據(jù)、治療數(shù)據(jù)、治療方案等信息進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示并進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析處理，通過手機(jī)APP將為患者定制新的治療方案下傳到刺激器，并設(shè)置心率預(yù)警值，當(dāng)心率過高或過低時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，用于提醒醫(yī)生及患者家人，從而實(shí)現(xiàn)治療、監(jiān)測(cè)、預(yù)警、優(yōu)化治療方案等一系列的閉環(huán)服務(wù)功能。

2監(jiān)測(cè)手環(huán)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)手環(huán)用于獲取人體生命體征數(shù)據(jù)，為遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控提供更全面的信息。手環(huán)主體主要包括微處理器、心率傳感器、OLED顯示模塊、藍(lán)牙通信模塊以及電源電路。心率（BPM）指的是1 min內(nèi)的心跳次數(shù)，可以通過測(cè)量相鄰兩次脈搏的時(shí)間間隔（即IBI，單位：ms），再用1 min除以這個(gè)間隔得出心率，即：BPM=60 000/IBI。這樣的好處是可以實(shí)時(shí)計(jì)算脈搏，效率高。監(jiān)測(cè)手環(huán)使用PulseSensor傳感器進(jìn)行心率采集，傳感器對(duì)光電信號(hào)進(jìn)行濾波、放大，最終輸出模擬電壓值[17]。單片機(jī)通過將采集到的模擬信號(hào)值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過計(jì)算就可以得到心率數(shù)值。主要代碼如下。

//讀取AD轉(zhuǎn)換值

readData=ADC_ConvertedValue;

//保存當(dāng)前脈沖狀態(tài)

PRE_PULSE = PULSE;

//檢測(cè)到1次有效脈搏

[HJ17mm]

if（PRE_PULSE == FALSE && PULSE == TRUE）

{

pulseCount++;

pulseCount%=2;

If（pulseCount == 1）

//記錄第1次脈搏時(shí)間

{firstTimeCount = timeCount;}

If（pulseCount == 0）

//記錄第2次脈搏時(shí)間

{secondTimeCount = timeCount;

timeCount = 0;}

}

if（（secondTimeCount > firstTimeCount））

{

//計(jì)算相鄰2次脈搏的時(shí)間，得到IBI

IBI=（secondTimeCount-firstTimeCount） SAMPLE_PERIOD;

//通過IBI得到心率值BPM

BPM = 60000 / IBI;

}

3治療儀設(shè)計(jì)

治療儀包含上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。上位機(jī)采用陶晶馳醫(yī)療級(jí)USART HMI智能串口屏作為控制核心[18]，其自身搭載的處理器可以實(shí)現(xiàn)顯示、觸控、定時(shí)器、中斷、串口通信等服務(wù)事項(xiàng)，內(nèi)部功能強(qiáng)大。下位機(jī)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、恒流控制電路、電流檢測(cè)電路、藍(lán)牙模塊以及電源電路等部分構(gòu)成。上位機(jī)和下位機(jī)之間采用串口通信?？傮w設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

3.1治療儀恒流模塊硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)常規(guī)用于腦卒中治療的tDCS刺激參數(shù)[19-21]（刺激電流強(qiáng)度≤2 mA，刺激時(shí)長(zhǎng)≤40 min），治療儀恒流輸出模塊采用負(fù)反饋H橋電路與壓控恒流源電路結(jié)合的方式，如圖3所示。刺激模式由H橋電路控制，當(dāng)設(shè)置左側(cè)為陽極刺激模式、右側(cè)為陰極刺激模式時(shí)，Q1和Q5導(dǎo)通，Q2和Q6關(guān)斷，電流由左電極流向右電極;反之，Q2和Q6導(dǎo)通，Q1和Q5關(guān)斷，電流由右電極流向左電極。以左半橋?yàn)槔?，單片機(jī)根據(jù)設(shè)定電流值調(diào)整PWM占空比[22]，經(jīng)RC濾波輸出為V，根據(jù)運(yùn)放的特性，有：

由式（2）可知，電路實(shí)際輸出電流I由輸入電壓V和精密采樣電阻阻值確定，不隨負(fù)載的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)壓控恒流。為保證輸出電流的精度和穩(wěn)定性，在下橋臂場(chǎng)效應(yīng)管Q2及Q5前端采用開環(huán)增益高、輸出阻抗低的運(yùn)算放大器，采樣電阻R6及R11選用0.1%精度的精密電阻。

3.2藍(lán)牙模塊硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的藍(lán)牙通信模塊是基于Dialog公司最低功耗DA14580芯片研發(fā)的E104-BT02藍(lán)牙模塊。該藍(lán)牙模塊自帶PCB板載天線，無需外接天線，是一款串口轉(zhuǎn)BLE 模塊，可使用串口收發(fā)藍(lán)牙數(shù)據(jù)，降低了藍(lán)牙應(yīng)用的門檻，且支持BLE 4.2協(xié)議，簡(jiǎn)單配置后可與符合藍(lán)牙4.2協(xié)議的主機(jī)建立藍(lán)牙連接，實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)透?jìng)鳌Ｋ{(lán)牙模塊連接示意圖如圖4所示，STC15W4K48S4單片機(jī)的P0.0（RXD3），P0.1（TXD3）分別連接藍(lán)牙模塊E104-BT02的引腳TXD，RXD，實(shí)現(xiàn)刺激器與手機(jī)APP之間無線通信。

3.3上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序設(shè)計(jì)主要包括用戶界面設(shè)計(jì)、串口通信程序設(shè)計(jì)、電流曲線繪制程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。上位機(jī)中存儲(chǔ)醫(yī)生制定的6種固定治療方案，使用時(shí)可以直接選擇。當(dāng)治療儀與手機(jī)APP連接時(shí)，預(yù)警中心平臺(tái)會(huì)通過手機(jī)APP將最新的治療方案推送到治療儀。治療開始時(shí)，上位機(jī)不斷監(jiān)測(cè)下位機(jī)發(fā)送的實(shí)際電流數(shù)據(jù)，并在監(jiān)控界面繪制電流曲線。當(dāng)電流超出報(bào)警值時(shí)，上位機(jī)觸發(fā)報(bào)警信息并向下位機(jī)發(fā)送停止輸出電流命令。治療結(jié)束后保存治療數(shù)據(jù)至本地SD卡。

3.4下位機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序設(shè)計(jì)主要分為主程序、中斷服務(wù)子程序、定時(shí)器子程序、串口中斷子程序、壓控恒流輸出子程序、電流檢測(cè)子程序等。下位機(jī)串口中斷程序流程圖如圖5所示。

4手機(jī)APP設(shè)計(jì)

手機(jī)APP設(shè)計(jì)是利用Google推出的一款在線開發(fā)手機(jī)APP的軟件工具App Inventor[23]。該工具拋棄復(fù)雜的程式代碼，通過圖形化積木式的拖放組件來完成APP開發(fā)。設(shè)計(jì)完成后直接生成下載鏈接二維碼，掃描后進(jìn)行下載安裝。手機(jī)APP主要包含心率數(shù)據(jù)查看和治療儀控制兩部分。如圖6所示，心率數(shù)據(jù)查看界面用于顯示監(jiān)測(cè)手環(huán)上傳的心率數(shù)據(jù)，手機(jī)APP通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至預(yù)警中心平臺(tái)。治療儀控制器界面兼具治療儀上位機(jī)的功能，通過藍(lán)牙連接治療儀后，可以控制治療儀的工作狀態(tài)、采集治療數(shù)據(jù)、查看歷史數(shù)據(jù)、查看/刪除/更新治療方案以及將數(shù)據(jù)上傳預(yù)警中心平臺(tái)等。

5實(shí)物制作與功能測(cè)試

治療儀樣機(jī)外殼采用SketchUp軟件建模，通過3D打印制作，外殼大小為22.3 cm×12.5 cm×3.8 cm（W×D×H），如圖7所示。

利用式（3）計(jì)算輸出的刺激電流誤差r。結(jié)果表明刺激電流誤差絕對(duì)值不超過0.37%，與德國(guó)Neuro Conn公司研發(fā)的用于腦卒中治療的直流電刺激器CX-6650的電流輸出精度0.50%相比，本設(shè)備控制精度提高了0.13%。

其次測(cè)試云端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，云平臺(tái)采用開放平臺(tái)OneNET[24]，客戶端軟件應(yīng)用Visual studio 2010的開發(fā)環(huán)境，C++語言編寫，測(cè)試步驟如下。

進(jìn)入OneNET開發(fā)者中心，添加設(shè)備，選擇設(shè)備接入?yún)f(xié)議，為設(shè)備設(shè)置名稱和參數(shù)、添加數(shù)據(jù)流，OneNET自動(dòng)為設(shè)備分配設(shè)備ID和設(shè)備key。

1）手機(jī)端配置服務(wù)器URL：api.Heclouds.com，端口號(hào)：80，建立TCP連接。

2）打開手機(jī)藍(lán)牙，同時(shí)設(shè)備進(jìn)入綁定手機(jī)界面，運(yùn)行手機(jī)APP，搜索從機(jī)藍(lán)牙SSID，將手機(jī)和設(shè)備通過藍(lán)牙連接。

3）連接成功后手機(jī)APP即通過http協(xié)議將收集的心率、治療數(shù)據(jù)、歷史記錄等信息上傳到云平臺(tái)。

4）進(jìn)入預(yù)警中心平臺(tái)查看上傳數(shù)據(jù)。

預(yù)警中心平臺(tái)如圖8所示。

6結(jié)語

本系統(tǒng)將經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)應(yīng)用在腦卒中患者的康復(fù)治療當(dāng)中，與市場(chǎng)上經(jīng)顱直流電刺激設(shè)備相比，具有體積小巧、便于攜帶、用戶界面友好、控制精度更高等優(yōu)點(diǎn)。除此之外，設(shè)備結(jié)合移動(dòng)終端和互聯(lián)網(wǎng)云端，實(shí)現(xiàn)了集腦卒中治療與預(yù)警一體化的技術(shù)創(chuàng)新，適合腦卒中出院患者居家進(jìn)行康復(fù)治療。

經(jīng)過測(cè)試，設(shè)備已實(shí)現(xiàn)既定功能，但目前處于研發(fā)階段，尚未應(yīng)用于臨床，下一步將應(yīng)用于臨床，進(jìn)一步完成臨床大數(shù)據(jù)分析和治療有效性分析，力圖達(dá)到以低成本獲得良好康復(fù)治療效果的目的。

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