辅以功能电刺激的实时步态训练与反馈分析系统

【作　者】顾琳燕，阮兆明，贾桂锋，夏　静，裘利坚，吴长旺，金肖青，宁钢民

1 浙江大学，杭州市，310027

2 浙江医院，杭州市，310027

3 江苏德长医疗科技有限公司，常熟市，215513

辅以功能电刺激的实时步态训练与反馈分析系统

【作者】顾琳燕1，阮兆明2，贾桂锋1，夏静1，裘利坚1，吴长旺3，金肖青2，宁钢民1

1 浙江大学，杭州市，310027

2 浙江医院，杭州市，310027

3 江苏德长医疗科技有限公司，常熟市，215513

该文研究设计了同步实现足下垂患者步态训练和康复评估的综合系统，以解决目前存在的足下垂治疗与步态分析分离的不足。系统采用多传感器采集各运动部位的参数，并设计了多重模式的功能性电刺激装置，引入了体域网技术协调传感器和刺激器的数据通讯及控制，同步实现步态实时分析与足下垂治疗。体域网应用了蓝牙4.0技术以降低系统功耗。系统实现了治疗与评估的同步，能够实时采集并分析训练时踝、膝、髋等部位运动参数，并同时对患病部位进行功能性电刺激治疗。

足下垂步态分析；体域网；功能电刺激；低功耗

0　引言

步态是人类步行的行为特征，与人类的行为习惯、年龄、性别等多种因素有关，同时也受到人体自身疾病的影响[1]。步行的控制包括了中枢命令、身体平衡及协调控制，以及下肢各关节和肌肉的协同运作，过程非常复杂，而其中任何一个环节的失调都可能影响步行与步态。

脑卒中、脑外伤和脊髓损伤等中枢神经损伤会造成足下垂，主要表现为踝关节不能背屈[2]，并常与足内翻、足外翻同时存在。这些运动功能性障碍使患者在步行时出现异常步态，表现为下肢的步行能力较弱，稳定性较差[3]。而下肢的步行能力影响着患者的独立生活能力，因而，对于足下垂的治疗是至关重要的。足下垂常规疗法主要有：足部温热疗法、康复锻炼、针刺与按摩[4]、佩戴支具[5]、手术治疗以及功能性电刺激[6]等。功能性电刺激(Functional Electrical Stimulation，FES)属于神经肌肉刺激，是利用一定强度的低频脉冲电流，通过预先设定的程序来刺激一组或者多组肌肉。

步态分析是指测量和描述运动中人体的骨骼肌肉功能并进行定量评估[7]，旨在通过生物力学和运动学方法，揭示步态异常的关键环节和影响因素，从而指导康复评估和治疗，有助于临床诊断和疗效评估等[1]。三维步态分析是一种新兴的步态分析手段，具有客观、定量、准确的特点，因而正被逐步广泛的用于骨科康复和神经康复等领域。

将足下垂治疗与步态分析结合，可以动态评估疗效，实时调整治疗策略，从而提高康复质量。然而，现有研究存在治疗与步态分析分离的缺陷，即使在治疗时同步记录患者步行参数，但治疗装置和检测装置往往相互独立，有各自的控制系统及通讯系统，因此难以依据步态分析结果即时调整治疗。

针对以上问题，我们提出了基于体域网(Body Area Network，BAN)[8-9]技术同步足下垂治疗与步态评估的方案，可实时同步完成足下垂治疗与步态分析等功能。体域网由人体传感器及其通信网络构成[8]，提供了一个集成硬件、软件和无线通信技术的泛在计算机平台，主要应用于综合生理信号检测。本研究应用体域网技术集成了功能电刺激模块、步态检测模块、控制与通信模块，实现了附着于人体的各功能模块间的相互信息交换[10]，以及体域网与外部计算机的通信管理。

1　系统设计

1.1三维步态分析系统整体设计结构

系统主要应用于医院和康复机构，对腓总神经及胫骨前肌进行功能性电刺激治疗足下垂(足内翻、足外翻，同时也可刺激股四头肌、上肢肌肉等以辅助膝关节和手的协调运动帮助患者行走训练)，并检测患者步行时的步态参数从而对训练效果进行反馈。系统基于体域网设计，在硬件层面，依据体域网强调身体传感器的轻量、无创、无线通信和低功耗[11]，低功耗是主要的技术要求[12]。系统的硬件部分主要包括，由步态触发的功能性电刺激器、三维运动传感器，以及下位机控制中心编程器和计算机。系统结构如图1所示。

图1　步态系统结构Fig.1　Structure of gait system

体域网通信可从广义上分为三个部分：Intra-BAN，Inter-BAN以及Beyond-BAN[13]。Intra-BAN主要指人体周围2 m范围内的硬件部分通信[13]，具体包括：①体表所有传感器之间的通信；②体表传感器与外部处理器之间的通信。Inter-BAN是指人体传感器或处理中心与计算机等其他设备间的通信。Beyond-BAN是指计算机互联网通信。系统目前未涉及数据上传，因而分为两个部分，Intra-BAN以及Inter-BAN。Intra-BAN保证了附着于人体的各功能模块间的相互信息交换，利用处理中心编程器方便了管理，使得各独立模块与后续模块通信优化。Inter-BAN则用于实现体域网与外部计算机的通信管理。

1.2佩戴式硬件系统

在体域网的定义中，体域网的节点主要是指传感器，但是在本设计中，人体体表不仅仅只放置了传感器，还存在促动器[9]，促动器根据检测的数据对人体进行反馈刺激。促动器在本系统中即刺激器。体域网节点通过编程器进行管理控制。

基层城关镇站(办)所在中国行政体制当中属于股级建制，站(办)所长相当于股长。股长还是科员，只是资历较老，工作经验丰富，同时是基层站(办)所的直接负责人，掌握一定的资源与权力。站(办)所长的管理方式直接决定着基层干部职工做事的积极性，其中最忌讳的就是独裁式管理，独断专行、一人独大。反之，“要求别人做的自己首先要做到,要求别人不做的自己坚决不做”[9]12-15，不能妄自尊大但也不能放任自流，遇事应当民主管理，共同协商。

系统传感器采用加速度传感器和陀螺仪、磁力计的结合，因为单独的陀螺仪与加速度传感器有时不能得到最优姿态角度。评估足下垂时，传感器主要放置在足背部。采集运动中足背部在三维方向的运动参数，可计算背屈角度，内、外翻角度和内、外八字角度。在开始测试前，传感器采集患者的标准体位下各参数作为参考值，通过运动过程中采集到的各值与参考值的差值计算出各参数值。

系统刺激器主要由两部分构成：电流输出控制装置和电流传输电极。电流输出控制装置包括电刺激模块和触发控制模块。本研究中，在大腿和小腿各放置了电刺激模块。每个电刺激模块各自可连接多个电极，形成电流回路。

触发控制模块检测到患者患腿迈步时，输出触发信号给腿部电刺激模块，腿部电刺激模块输出电刺激至腿部电极，对有功能障碍肌群和神经进行电刺激，增强和改善肌肉活动能力，帮助患者进行运动。触发控制模块在检测到患腿停止迈步时，输出刺激停止信号给腿部电刺激模块，腿部电刺激模块停止产生电刺激。大腿部电刺激模块先输出使膝盖弯曲的大腿背面电刺激，再输出使膝盖伸展迈步的大腿正面电刺激。刺激器的电流大小经由编程器控制，肌群功能相对较弱时可增大刺激电流。

编程器是本系统的一个数据交换中心和控制节点，向下控制刺激器与传感器并接收体域网各节点的数据，向上通过蓝牙与计算机进行通信。通过编程器可选择不同通道传感器和刺激器，并设置刺激器的刺激强度。一个编程器可与多个传感器与刺激器进行通信。

1.3体域网通信

系统通信包括两个部分，Intra-BAN通信和Inter-BAN通信。Intra-BAN的通信方式主要有：有线通信、紫峰通信等。系统的Intra-BAN主要采用紫峰通信。紫峰技术是目前传感器网络之间的主流通信。Inter-BAN通信即编程器与计算机的通信，强调通信的低功耗以及数据传输的可靠性，因而我们采用低功耗蓝牙4.0。

编程器端使用低功耗蓝牙4.0，计算机端使用蓝牙Dongle与之通信。蓝牙Dongle利用USB无线连接，简单快速地使计算机增加蓝牙4.0模块。在计算机内部，蓝牙Dongle映射为一个串口，计算机通过对串口进行操作来控制蓝牙Dongle，并读取蓝牙Dongle所接收数据。编程器与计算机之间的数据通信，即蓝牙4.0的通信，最快可在3毫秒内完成连接并开始传输数据。

本系统的通信指令主要根据蓝牙4.0的高效通信流程建立，连接过程必须经过“握手操作”。首先计算机上层软件部分向串口发送查询命令，查询蓝牙Dongle状态，当Dongle状态处于“OK”时，开始扫描请求，并返回所有可用设备的名称地址和个数，然后对可用设备进行选择连接，连接成功后返回已连接状态。

蓝牙传输遵从自定义协议。协议由校验头、通道号、传感器数据、校验尾组成。校验头与校验尾用于标记一帧完整数据，通道号表征所传感器编号，传感器数据包括XYZ三个参数。

1.4软件系统设计

计算机上位软件主要接收并处理来自体域网的数据。包括各参数波形的实时显示以及数值实时计算等。同时可查看患者历史记录并生成报告。

软件系统主要分为三个部分，分别为：步态实时分析部分、历史记录部分和系统设置部分。其中步态实时分析部分与历史记录部分的主要流程如图2所示。

图2　步态系统流程图。Fig.2　The flow chart of gait training system.

在实时步态分析与历史记录中，软件系统主要包含以下参数：左、右踝的背屈趾屈、内翻外翻、内八外八角度，左、右髋和膝的外内、前后、上下角度，左右脚的站立相和摆动相时间，起步角、落地角以及跨步均匀度和左右均匀度等。实时步态分析过程中，系统可同时显示六个通道数据波形。

步态软件系统管理部分主要控制管理蓝牙Dongle，通过指令集操作来改变蓝牙工作状态。

图3　系统实样Fig.3　The prototype

2　系统实现

基于上述原则，本研究设计了完整的三维步态训练系统，硬件部分包括传感器、刺激器、编程器及基于体域网的通信机制。由江苏德长医疗科技有限公司最终研制的系统实样如图3所示，表1给出了系统硬件部分主要性能指标。在上位机开发了较为完善的界面，可对下位机进行控制，以功能电刺激方式帮助患者进行步态训练，可记录患者在步态训练过程中的参数，如足背屈角度、足内翻角度、足外翻角度、起步角度、落地角度、跨步均匀度、左右均匀度、站立时间、摆动时间和总步数等。并能实时显示左、右踝的背屈趾屈、内翻外翻、内八外八角度波形，左、右髋的外内、前后、上下角度波形，左、右膝的外内、前后、上下角度波形等。医护人员可对记录的信号和参数进行回放和分析，对训练效果进行评价并及时调整治疗策略。软件界面如图4所示。

表1　系统主要性能指标Tab.1　The main properties index of the system

3　结论

本研究设计的一种基于体域网的带有功能性电刺激的足下垂治疗和步态分析系统，具有低功耗、治疗与评估实时同步等特点，为足下垂的康复治疗和步态分析提供了新的方法。今后，结合足底压力测试等技术，该系统可对足下垂和偏瘫患者的康复状况进行更为全面的评估，造福广大患者。

图4　软件主要界面Fig.4　The main interface of the software system

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Real-time Gait Training System with Embedded Functional Electrical Stimulation

【 Writers 】GU Linyan1, RUAN Zhaomin2, JIA Guifeng1, XIA Jing1, QIU Lijian1, WU Changwang3, JIN Xiaoqing2, NING Gangmin1
1 Zhejiang University, Hangzhou, 310027
2 Zhejiang Hospital, Hangzhou, 310027
3 Jiangsu DeChang Medical Science Co. Ltd., Changshu, 215513

To solve the problem that mostly gait analysis is independent from the treatment, this work proposes a system that integrates the functions of gait training and assessment for foot drop treatment. The system uses a set of sensors to collect gait parameters and designes multi-mode functional electrical stimulators as actuator. Body area network technology is introduced to coordinate the data communication and execution of the sensors and stimulators, synchronize the gait analysis and foot drop treatment. Bluetooth 4.0 is applied to low the power consumption of the system. The system realizes the synchronization of treatment and gait analysis. It is able to acquire and analyze the dynamic parameters of ankle, knee and hip in real-time, and treat patients by guiding functional electrical stimulation delivery to the specific body locations of patients.

gait analysis of foot drop, body area network, functional electrical stimulation, low-power consumption

TP242

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.04.005

1671-7104(2015)04-0253-04

2015-05-04

浙江省重大专项(2013C03049-2)；科技部国际合作项目(2014DFT30100)

顾琳燕，E-mail: gulinyan5@163.com

宁钢民，博士、教授，E-mail: gmning@zju.edu.cn