基于认知再学习疗法的脑卒中康复治疗系统的设计及临床试验

朱 霖 田学隆,2*

1(重庆大学生物工程学院，重庆 400030)2(重庆市医疗电子技术工程研究中心，重庆 400030)



基于认知再学习疗法的脑卒中康复治疗系统的设计及临床试验

朱 霖1田学隆1,2*

1(重庆大学生物工程学院，重庆 400030)2(重庆市医疗电子技术工程研究中心，重庆 400030)

针对脑卒中患者运动功能康复问题，提出认知再学习疗法、肌电视觉反馈疗法和肌电触发神经肌肉电刺激疗法三者结合的运动功能康复复合疗法，开发了一种基于嵌入式技术的脑卒中康复治疗系统以实现复合疗法。以Advanced RISC Machines (ARM) 9处理器S3C2440为控制核心，利用sEMG采集电路实现对脑卒中患者患肢肌电信号实时采集，并通过触摸显示模块实现肌电信号可视化，同时将采集到的信号与所设定的阈值相比较，根据比较的结果决定是否触发NMES刺激电路以实现有效的肌肉电刺激。软件设计运用Linux+QT平台开发，实现肌电参数的处理和显示，以及刺激参数的设置。采用脑卒中康复治疗系统对急性脑卒中患者(n=8)进行上肢运动功能治疗，试验结果表明接受系统康复治疗的试验组FMA上肢评分高于对照组(n=8,P<0.05)，肌力分级水平也得到一定的提高。脑卒中康复治疗系统性能稳定，可显著改善脑卒中患者运动功能障碍。

认知再学习疗法；神经肌肉电刺激；运动功能；脑卒中；Linux

引言

脑卒中俗称中风，是一种严重威胁人类健康和生命安全的疾病，其致病原因是患者脑部血管破裂引起脑出血或血管网络被破坏使得脑供血中断，进一步导致脑血液循环发生障碍[1]。患者脑部血管破裂引起出血多为出血性脑卒中，血管网络被破坏使得脑供血中断多为缺血性脑卒中或栓塞性脑卒中。随着近些年医学诊疗技术的不断进步，脑卒中的死亡率显著降低，但是约有75%的幸存者仍留有不同程度的残疾[2]，其中近15%的患者日常生活不能自理，给社会和家庭带来了沉重的负担[3]。所以如何促进脑卒中患者运动功能的恢复、降低残疾水平，这些问题都急需解决。

目前，常规的治疗方法除了药物治疗之外，主要还有针灸法、运动再学习法、作业疗法、肌电生物反馈法和电刺激等物理疗法[4]。在上述方法治疗过程中，患者多处于被动的状态，只是单纯地根据医嘱接受治疗，由于没有及时了解自己的康复情况，无法充分调动患者心理主动性，使其自发积极地参与治疗，故康复效果往往不够理想。

本研究提出一种基于认知再学习疗法，结合肌电视觉反馈疗法和肌电触发的运动功能康复复合疗法。首先认知再学习疗法是一种以患者自身对认知的再学习过程为关键的疗法，它让患者主动地想象肢体动作，以促进中枢神经系统对四肢控制能力的恢复，逐步激活或重建神经传导通路[5-6]。其次，肌电视觉反馈治疗实质上是对心理的治疗。将实时肌电转换成视觉反馈信号，让患者能认识到自身的生理活动状况，并有意识地调节和补偿自身异常的生理活动。将肌电视觉反馈运用在脑卒中患者的康复治疗上，让患者意识到自己对肢体的控制能力，通过视觉反馈形成“回路”，完善认知再学习疗法。最后，肌电触发的神经肌肉电刺激结合了神经肌肉电刺激和表面肌电信号，提取患者实时的表面肌电信号，并与设定阈值进行比较，若肌电幅值大于阈值，就释放一次肌肉电刺激给予患者“奖励”，效果类似于患者是自己在控制患肢做出动作。充分发挥患者自身的主动积极性，并通过电刺激释放各种传出神经冲动，加强对脑神经突触可塑性的锻炼[7]，最大程度地促进中枢神经系统的功能重组，从而达到主动训练，快速恢复运动功能的目的。

本文基于认知再学习疗法、肌电视觉反馈疗法和肌电触发神经肌肉电刺激疗法三者结合的肢体运动功能康复复合疗法，开发了一款新型的脑卒中康复治疗系统。从硬件设计和软件设计两方面入手，介绍了系统的组成，同时通过系统性能验证了本系统有效可靠。

1 系统设计

1.1 总体设计

脑卒中康复治疗系统框图如图1所示，主要由Advanced RISC Machines (ARM) 9处理器、sEMG采集电路、NMES刺激电路、触摸显示与反馈模块和调试模块等组成。sEMG采集电路实时采集患者患肢的表面肌电信号，通过A/D转换电路，将模拟信号转化为数字信号并通过串口发送给ARM9处理器。处理器一方面对肌电信号进行相应的处理分析，提取特征值，在触摸显示屏上绘制实时肌电波形以便于患者了解自己的生理情况，由于这种反馈视觉信号的刺激，患者主动地想象并尝试控制自己的偏瘫患肢做出动作，以诱发自身肌电信号。另一方面，ARM9处理器将肌电信号与所设定的阈值相比较，若高于阈值时，就触发NMES刺激电路对患者进行一次神经肌肉电刺激，以作为奖励。另外，若患者自发的肌电幅值始终达不到阈值，则会给其消极的影响，使其不想再配合治疗，所以若在1 min内都达不到阈值，那么系统将自发地施加一次神经肌肉电刺激，保证患者的兴奋度。

图1 系统框图Fig.1 System diagram

1.2 硬件设计

硬件设计包括数字和模拟两大部分。数字部分选用S3C2440核心板作为主控制器，该芯片内部装有ARM-Linux操作系统，板上集成有256M的FLASH和64M的SDRAM，可用来储存相应的驱动和应用程序。为了实现与外部电路的数据通信，还需设计主控制器外围电路，其中以用于人机交互的触摸屏和程序下载调试电路为主。模拟部分则主要包括sEMG采集电路和NMES刺激电路。

1.2.1 sEMG采集电路

sEMG采集电路如图2所示，主要由前置放大电路、隔离电路、陷波电路、增益可选的主放大器和模数转换电路组成。由于电极采集到的表面肌电信号十分微弱，而且还混有各种噪声，所以首先通过前置放大电路以抑制输入端引入的共模干扰和极化电压[8]。随后通过隔离电路以实现信号和电源的隔离耦合，同时还可调节电阻以改变放大倍数，实现放大。隔离后的肌电信号在陷波电路进行处理，以滤除市电带来的工频干扰。由于患者的表面肌电信号幅值波动范围广，可能在10 μV到几百μV之间，为了满足A/D转换芯片的输入要求，利用模拟开关CD4052选通合适的放大反馈电阻，处理器通过控制I/O口输入来选择不同的反馈通路，从而实现采集电路放大倍数可调。最后输出的模拟信号通过A/D转换电路转换为数字信号，并传输给处理器。sEMG采集板外形如图3所示。

图2 sEMG采集电路Fig.2 The acquisition circuit of sEMG

图3 sEMG采集板Fig.3 sEMG acquisition board

1.2.2 NMES刺激电路

如图4所示，选用梯形调制波为刺激波形，以能引起患者明显肌肉动作而又不引起疼痛为原则，NMES刺激电路可提供强度为(0～60)mA、脉宽范围为(0～400)μs、脉冲频率为(10～100)Hz的电流输出，其中通过倾斜时间的设置，可以让强度由低到高，再由高到低，以保证患者有一个舒适的刺激感觉。

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

NMES刺激电路如图5所示，主控制器通过设置定时器和PWM模块来产生特定频率和脉宽的方波信号作为载波，同时控制DAC7512进行DA转换，将得到幅值可调的梯形波作为调制波。然后利用三极管的开关特性将调制波和载波进行调制，实现波形的合成。配合驱动和恒流电路即可输出强度、脉宽、频率可调的单极性梯形刺激波，通过电极作用于患者。

图5 神经肌肉电刺激电路Fig.5 The circuit of NMES

1.3 软件设计

软件设计包括设备驱动程序和应用程序的设计，其主要功能有：控制sEMG采集电路对患者的表面肌电信号进行采集、处理和转换；同时根据所采集到的信号驱动触摸屏完成实时图形的绘制；根据设定的参数输出对应的信号给神经肌肉电刺激电路，形成调制波以对患者进行有效的电刺激。

具体工作流程如图6所示，上电开机启动程序并进行相应初始化，设置治疗时间、图形颜色、刺激参数，选择方案之后就可以开始治疗过程，采集肌电信号并绘制实时图形，同时与设定阈值比较，若此刻肌电幅值大于阈值即给患者进行一次神经肌肉电刺激，若不大于则继续采集绘制并比较，直到治疗时间结束，停止治疗。

图6 系统软件流程图Fig.6 Flow chart of the system software

软件调试结果如图7所示，在参数设置界面(a)，操作者可设置相关的刺激参数和选择合适的治疗方案。主界面(b)即治疗过程中使用的界面，有实时的表面肌电信号绘制、阈值显示和刺激提示等信息，通过颜色的标记以区别是否触发刺激。当受试者无肢体运动，蓝色的肌电波形平缓显示，当想要运动肢体时，可引起蓝色的肌电波形出现尖峰，一旦肌电信号大于阈值则触发神经肌肉电刺激，绿色部分表示正在对患者患肢进行神经肌肉电刺激。

2 系统性能验证

为了验证该脑卒中康复治疗系统的性能稳定有效，选取重庆医科大学附属第二医院收治的16名急性脑卒中患者进行临床试验，随机分为对照组(8名)和试验组(8名)。纳入标准为：(1)病程四周以内，经核磁共振确诊为脑梗死或者脑出血；(2)既往有脑卒中但未遗留有后遗症；(3)患者上肢肌力<3级，伸腕时可测得表面肌电信号>10 μV；(4)患者有自主意识，具备认知能力，可以配合康复治疗过程。

对照组接受神经内科常规康复治疗，试验组在常规治疗基础上接受本系统治疗。治疗过程中，试验组患者保持左立或者平躺姿势，采集电极(正)和刺激电极(正)贴于指浅屈肌肌腹处，采集电极(负)和刺激电极(负)贴于指浅屈肌肌腱处，采集电极(零)贴于指浅屈肌肌腹与肌腱交接处。对试验组患者施加刺激强度以患者耐受为准，频率(10～100)Hz，波宽(100～400)μs的神经肌肉电刺激，一次30 min，一天一次，持续4周。于治疗前和治疗后4周分别记录各组患者的上肢肌力分级水平与简式运动功能评定法Fugl-Meyer(FMA)对上肢评分(满分为60分)[9]，以此评价患者偏瘫患肢运动功能恢复情况。

3 结果

由表1可知，治疗前两组FMA上肢评分无显著性差异(P>0.05)。而试验组在接受了连续4周的康复治疗后，FMA上肢评分明显高于对照组(P<0.05)，肌力分级水平也得到一定地提高，表明本系统对脑卒中患者上肢的运动功能具有改善作用。此外经过本系统的治疗，不仅对患者上肢功能的康复起到积极作用，对于患者的心理康复也有帮助。患者在看到自身进步情况下，性情开朗，精神状态好，乐于与人沟通，相较于前两周，后两周康复速度更快、疗效更好。

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

组别n治疗前上肢FMA评分治疗后上肢FMA评分试验组81067±2333933±935a对照组8986±1682757±780

注：与对照组比较，a:P<0.05

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

4 讨论和结论

本文设计的基于认知再学习疗法的脑卒中康复治疗系统，采用物理刺激结合肌电生物反馈的心理暗示双重模式，使患者更积极主动地参与到治疗过程中。采集电路实时采集患者表面肌电信号，并将其转换为波形给予患者视觉反馈。针对患者个体差异性，设定阈值，将其与所采集到的信号进行比较，并根据比较结果裁决是否给予有效的电刺激以作为“奖励”。同时充分考虑患者在治疗前期可能无法完成目标，因此在其疲惫沮丧的情况下，适当给予电刺激“鼓励”。此外，本系统选用梯形调制波为刺激波形，在各个参数的设置时，都以能引起患者明显肌肉动作而又不引起疼痛为原则，保证在刺激有效的情况下，又能让患者有一个舒适的刺激感觉。系统以ARM处理器为核心，体积小巧，使用触摸屏，操作简单，性能稳定可靠。临床试验也验证了系统对于脑卒中患者运动功能康复的医学有效性。后续还需进行大样本的临床试验，以期为脑卒中患者的康复治疗提供有效、可靠的系统平台。

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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， 录用日期:2015-03-10

重庆市科技重大攻关项目(CSTC2010AA5049)

R318

D

0258-8021(2015) 06-0757-06

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