重庆大学生物工程学院，重庆市 400030

刘虔铖★，男，1982年生，四川省岳池县人，汉族，重庆大学在读硕士，主要从事生物医学电子与信息技术研究。
kollshar@yahoo.
com.cn

重庆市重点科技攻关计划项目(2005AA5008-6)*

中图分类号: R743
文献标识码: B
文章编号: 1673-8225
(2008)04-00707-03

收稿日期：2007-09-13
修回日期：2007-11-07
(07-50-9-5019/N·Q)

Development of the integrated rehabilitative apparatus for cerebral neural network

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＡＩＭ:To develop a new medical instrument for stroke patients. It provides a new treatment platform for stroke patients, what can play a positive role in the rebuilding of cerebral nerve net, the rehabilitation of movement function diseases, the protection of brain function and psychological rehabilitation.
ＭＥＴＨＯＤＳ: The designed therapy instrument adopts the framework of distributed control system that comprises of the extension set and PC. The extension set comprises of several correspondingly independent circuit modules as surface Electromyography collection, neuromuscular electrical stimulation and Fastigial Nucleus Stimulation. Software system developed under Borland C++ Builder6.0 is mainly responsible for visual feedback, cure parameters control, case register, patient information query.
ＲＥＳＵＬＴＳ: The Integrated Rehabilitation apparatus for Cerebral Nerve Net based on the electromyogram biofeedback and Fastigial Nuclear stimulation has been developed. This integrated rehabilitation Instrument sample has passed the detection of inspection center.
ＣＯＮＣＬＵＳＩＯＮ: This Rehabilitation Instrument provides a comprehensive treatment for stroke patients and has the features of non-invasive, safety, convenience and strong alternating capability.

Liu QC, Tian XL, Li F, Ge GQ.Development of the integrated rehabilitative apparatus for cerebral neural network. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2008;12(4):707-709(China)
[www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-4/4k-707(ps).pdf]

摘要
目的：

开发一种新型的脑卒中康复治疗仪，能够对脑卒中患者脑神经网络重建、运动功能的恢复、脑神经的保护以及心理功能的康复起到积极的作用，从而为脑卒中患者的全面康复提供一种新的治疗平台。
方法：治疗仪采用电路模块结合PC的上、下位机结构。下位机包括体表肌电采集电路、神经肌肉电刺激电路、小脑顶核电刺激电路三大部分，各个电路采用模块化设计方法；上位机（PC）的软件系统在Borland C++ Builder6.0下开发完成，软件系统主要负责视觉信号反馈，治疗参数控制、病历登记、信息查询等功能。
结果：开发出了基于肌电生物反馈法与小脑顶核电刺激的脑神经网络综合康复仪，并通过相关部门的检测。
结论：治疗仪能提供综合的脑卒中康复方法，而且具有安全、无创、便捷、人机交互能力强等特点。
关键词：脑卒中；脑神经网络；肌电生物反馈；神经肌肉电刺激；小脑顶核电刺激

刘虔铖，田学隆，李烽，葛国庆.脑神经网络综合康复治疗仪的研制[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12(4):707-709
[www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-4/4k-707(ps).pdf]

0 引言

脑卒中存活者中80%存在不同程度的功能残障[1]。由于脑神经系统受损，失去了对低级中枢的控制，脑卒中患者在进入恢复期后多留有不同程度的肢体瘫痪、肌肉痉挛、抑郁、失语等病症，其中以肢体瘫痪为主的运动障碍最为常见。如何运用新的康复技术，并探索更有效的方法来改善患者的生理功能、重建脑神经网络，使其能在最短时间内达到最满意的治疗效果并最终摆脱病残的折磨，一直是康复工程和生物医学工程研究和实践的重点。
本文介绍了一种新型脑卒中康复治疗仪，以肌电触发的神经肌肉电刺激(EMG-Triggered-NMES)为主要的治疗手段，小脑顶核电刺激(fastigial nucleus stimulation，FNS)为辅助治疗手段，通过生物反馈法将物理治疗模式和心理治疗模式相结合，以期能够对脑卒中患者运动功能的恢复、脑神经的保护以及心理功能的康复起到积极的作用，从而为其全面康复提供一种新的治疗平台。

1 医学原理

脑的可塑性理论和大脑功能重组理论是中枢神经系统损伤后功能恢复的重要依据[2-4]。中枢神经损伤后造成的肢体。运动功能障碍的恢复有赖于神经系统的代偿功能，而运动功能的代偿一般不会自动发展，有赖于学习和训练，以及物理治疗的电刺激，它是在刺激神经肌肉的同时也刺激传入神经经脊髓投射到高级中枢，促进功能重建。研究表明，肌电触发的神经肌肉电刺激能改善患者肢体功能，提高其生
活自理能力，降低致残率[5-7]。生物电刺激小脑顶核能改善大脑血流、通过多突触路调节产生神经保护作用，并能有促进5-羟色胺的生成，使脑内生物胺浓度恢复正常，促进抑郁的消除，恢复正常情绪[8-10]。
在分析以上两种物理治疗方法的优点的基础上，脑神经网络综合康复治疗仪运用生物反馈法，将正常情况下感受不到的身体生物信号（肌电），变为可以被人察觉的信号（视觉），让患者根据肌电信号，学会在一定范围内通过有意识控制瘫痪肢体的活动，在两种电刺激的帮助下完成治疗性运动，改善肌力。在物理治疗及治疗性运动过程中，肌肉和关节的运动向中枢神经系统提供大量的本体感觉冲动输入，使病灶内尚未完全坏死的神经细胞兴奋性增高，有利于正常功能的恢复，同时能促进侧支循环轴突轴联系的建立，促进病灶周围神经细胞发挥代偿作用。治疗仪将治疗过程通过视觉信号反馈给患者，让患者直观感知、理解自己康复训练的过程，发挥主观能动性，增强其治愈信心[11-12]，从而促进患者生理及心理功能的康复。

2 系统的设计

2.1 系统的总体设计 治疗仪采用电路模块结合PC的上、下位机结构。下位机包括：体表肌电（Surface Electromyography, SEMG）采集电路、神经肌肉电刺激（Neuromuscular Electrical Stimulation , NMES）电路、FNS电路，各个电路采用模块化设计方法；上位机（PC）的软件系统主要负责视觉信号反馈，治疗参数控制、病历登记、信息查询等功能。上下位机间通过标准的RS232串口进行通信，其中，作为主要治疗手段的EMG-Triggered- NMES模块与串口1（COM1）连接，而作为辅助治疗方法的 FNS模块与串口2（COM2）相连，系统框图如图1所示。

其中肌电采集模块用于检测和记录患者的体表肌电信号，A/D转换操作后，由位于NMES模块中的主控单片机将得到的数据经由COM1发送至上位机中处理并显示。此外，主控单片机也要通过COM1接收上位机的各种命令，并通过控制相关电路的工作来控制肌电采集增益、采集的开始和停止等操作。
NMES模块的刺激参数由上位机来设定，包括刺激波形、电流强度、频率、脉宽、时间等参数，然后通过COM1将参数发送到下位机。由运行于MSC51单片机内的软件控制并产生载波（矩形波），同时控制调制波产生电路生成梯形调制波，两路波形分别整形后经调幅电路、高压恒流源电路，产生一种低频可渐变的调制矩形波，并由表面刺激电极输出。
FNS模块提供经过随机信号调幅的无极性微分型指数脉冲波形的中频电刺激的波形，作用于患者耳后的乳突来刺激小脑顶核。先由上位机软件配置FNS的治疗参数(模式、强度等)，随后系统将相应的调制波数据通过COM2下载到FNS模块的片外RAM中。单片机定时读取RAM中的波形数据生成相应的调制波；同时，CPLD载波发生电路产生载波信号，并被整形为微分型指数脉冲；最后，调制波与指数脉冲经波形合成电路、恒流源电路，得到调幅的无极性微分型指数脉冲的中频电刺激的波形。
2.2 上位机软件简介 治疗仪通过软件界面实现视觉信号的反馈作用，从而实现可视化、可交互的治疗模式。软件系统采用了Borland C++ Builder 6.0作为开发工具。
图2是治疗时的交互界面，考虑到脑卒中患者肌电水平主要集中在200 μV以下，而SEMG的范围在2~ 2 000 μV，坐标纵轴的描绘运用了对数函数变换。由对数函数Y =log10(X)，X取值为10，100，1 000时，所对应的Y值分别为1，2，3。即在X =10~100和X =100~ 1 000内，Y的增量都等于1，这样就可以在等间距的情况下突出2~200 μV这部分的细节的数值，又可以照顾到整个输出范围的要求。

界面中，横轴为时间，而且设计成1 min刚好显示1屏治疗数据的方式，这样使患者既能观察到一段时间内的治疗情况，也有较充裕的时间来主动活动患肢，诱发NMES进行治疗，不会因为显示过快等造成视觉和身体的疲劳。图2是运行时的人机交互主界面。
此外，软件系统还具有以下的特点：①为保证治疗的安全性和有效性，每次治疗前对系统进行自检，异常时能给出具体的出错提示。②可根据治疗要求，自动完成刺激域值的修改、刺激强度调节的全部治疗过程。③在治疗过程中，允许医护人员动态修改治疗参数，系统按照新设定的参数调整治疗状态，以达到较好的治疗效果。④提供病历登记、信息查询、治疗参数维护等辅助功能。

3 康复治疗方式

经过对生物反馈方法以及心理疗法的分析，结合医疗仪器控制与反馈技术的发展，治疗仪设计了“闭环治疗”与“开环治疗”这两种主要的康复治疗模式。
3.1 闭环治疗 “闭环治疗”指的就是自发肌电所触发的神经肌肉电刺激，其治疗示意图如图3所示。

 

治疗方式：①首先让患者尽力控制并活动患肢，增加痪肢的肌电水平，系统采集患者自发的SEMG并通过COM1发送至上位机，经过保存和处理后显示在LCD显示器上，通过视觉反馈使患者感知在自身努力过程中的肌电变化。②上位机同步显示所采集到的SEMG以及预置的电刺激阈值，当某一时刻，患者努力活动的SEMG达到这个阈值时，系统就启动一次NMES，帮助患者完成一次动作，作为对患者努力的“回报”和“奖励”。 ③软件的阈值能根据患者的肌电水平自动进行调节，从而促使患者不断地努力活动，不断得到这种奖励性质的电刺激。④如此往复地进行反馈作用，形成一种“闭环治疗”方式。这种治疗模式将肌电生物反馈的心理治疗作用与电刺激的物理治疗相结合，具有交互式的特点。通过肌电信号的视觉反馈，让患者意识到肌电水平的提高以及肌肉的收缩是自己努力的结果，发挥患者主观能动性，增强患者的治愈信心，改善抑郁情绪；通过NMES向中枢神经系统提供大量的输入冲动，使大脑中枢逐渐恢复对瘫痪肌肉的控制，重建脑神经网络。
3.2 开环治疗 “开环治疗”方式指的是传统的被动的康复方法，如图4所示。系统只进行常规的电刺激治疗，包括NMES和FNS。此时系统所采集并描绘的肌电信号只起一种显示作用，而不再触发NMES，即是一种单向的开环的治疗。

4 结论

脑卒中的康复需要一个综合的治疗过程，在帮助患者改善其的生理功能的同时，还必须兼顾患者心理功能的康复。生物反馈就是利用现代科学技术把平时不能感知的生理信息加以处理、放大，以肌体能感知和理解的方式（通常是视觉或听觉等方式）呈现出来，让肌体感知、理解，从而发挥心理对生理的调节作用，实现生理功能的恢复，达到心理平衡。

 

脑神经网络综合康复治疗仪综合运用了自发肌电触发的神经肌肉电刺激和小脑顶核电刺激对治疗脑卒中的医学原理和作用，能为患者提供全新的综合康复平台，具有无创、便捷、人机交互能力强等特点，在国内还没有同类产品。目前，仪器的样机开发已经完成，并通过相关部门的检测。下一步将通过临床实验，验证本文所提出的脑卒中综合康复疗法及其具体作用模式的临床效果。

4 参考文献

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