醫(yī)學(xué)畢業(yè)論文神經(jīng)康復(fù)平臺(tái)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

XX大學(xué)畢業(yè)論文神經(jīng)康復(fù)平臺(tái)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)姓名： 2014年6月25日神經(jīng)康復(fù)平臺(tái)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)【摘要】卒中導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)功能障礙以及抑郁等并發(fā)癥嚴(yán)重危害著人類(lèi)的身心健康?！澳X10年”最重要的研究成果之一就是發(fā)現(xiàn)了人類(lèi)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(腦和脊髓)具有高度的可塑性(plasticity)。長(zhǎng)期以來(lái)，以神經(jīng)發(fā)育促進(jìn)術(shù)為基礎(chǔ)的各種常規(guī)康復(fù)療法雖然有助于患者運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)，但是效果還不盡如人意。根據(jù)肌電觸發(fā)的神經(jīng)肌肉電刺激(neuromuscularelectricalstimulat沁n,NMES)能改善患者肢體功能的作用、小腦頂核電刺激(fastigialnucleusstimulation,FNS)的神經(jīng)源性保護(hù)原理、脊髓電刺激(spinalcordstimulation,SCS)促使大腦動(dòng)脈血流分布增高的效應(yīng)以及認(rèn)知重新學(xué)習(xí)法(cognitiverelearning,CR)的心理康復(fù)作用，本文提出了一種新型的“物理+心理''的綜合康復(fù)療法，并研制了相關(guān)的康復(fù)平臺(tái)樣機(jī)。該樣機(jī)采用主從式結(jié)構(gòu)，下位機(jī)包括肌電采集、NMES、FNSSCS等功能相對(duì)獨(dú)立的電路模塊，并通過(guò)串口與上位機(jī)(PC)進(jìn)行通信。其中，NMES模塊采用了一種低頻可調(diào)制方波作為電刺激波形；為了能有效地分離治療閾值與疼痛閾值，F(xiàn)NSSCS模塊則采用了隨機(jī)信號(hào)調(diào)幅的無(wú)極性中頻指數(shù)波；這兩種電刺激波形均能解決對(duì)機(jī)體的適應(yīng)性問(wèn)題。本論文主要的研究?jī)?nèi)容是基于PC的康復(fù)平臺(tái)軟件的實(shí)現(xiàn)，按照軟件工程思想、采用統(tǒng)一?建模語(yǔ)言(unifiedmodelinglanguage,UML)、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)(orientedobjectprogramming,OOP),本文具體運(yùn)用BCB6.0研究并設(shè)計(jì)了自動(dòng)、人工、循環(huán)三種可視化的可交互的治療模式，為“物理+心理”療法的實(shí)現(xiàn)提供了軟件平臺(tái)的支持。同時(shí)利用數(shù)據(jù)庫(kù)、API函數(shù)、多線程、雙緩沖等技術(shù)完成了治療參數(shù)控制、串口通信、方案維護(hù)、病歷登記、復(fù)診登記、信息查詢(xún)、科室信息維護(hù)、繪圖參數(shù)設(shè)置等功能模塊。【關(guān)鍵詞】腦卒中；神經(jīng)肌肉電刺激；小腦頂核電刺激；脊髓電刺激；認(rèn)知重新學(xué)習(xí)法[Abstract]Themovementfunctiondiseasesandsuchsyndromesasdepressionetcresultedfromthestrokealldobadlyharmtohumanbeings,healthandmentality.It)swellknownthatournervecentre(brainspinalcord)hastheoutstandingplasticity,whichisoneofthemostimportantdiscoveriesof'Brain's10-YearsPlan'.Although,someordinaryrehabilitationmethodsderivedfromfacilitationtechniquecanhelptherecoveryofthepatient'smovementability,theclinicalresultisnotsatisfied.AccordingtotheimprovementeffectfromtheEMG-triggeredneuromuscularelectricalstimulationtothelimbs,theprincipleofneurogenicneuroprotectiveelectricalstimulationtothecerebellafastigialnucleus,theincreaseactiontothecerebralarterybloodstreamfromspinalcordstimulationandthepositivementalityfunctionfromcognitiverelearningmethod.Theintegrationrehabilitationmethodof'PhysicalMentalTisbroughtforwardandthemedicalinstrumentsamplehasbeendeveloped.ThedesignedtherapyinstrumentadoptstheframeworkofdistributedcontrolsystemthatcomprisestheextensionsetandPC.TheextensionsetcomprisesseveralcorrespondinglyindependentcircuitmodulesasEMGcollection,NMESandFNSSCS,whichallcommunicatewithPCbythestandardserialport.Moreover,NMESmoduleuseoneofthelowfrequencymodulatingrectanglewaveasthestimulationoutput,andinordertoseparatetherapythresholdandachethreshold,FNSSCSmodulemakeuseoftherandomsignalmodulatingandnon-polardifferentialexponentmediumfrequencypulsesignalascarrierwave.Bothofthemcaneffectivelysolvetheadaptabilityproblemofsimulatingwaveformtothehumanbody.ThispaperJsmainworkisthestudyofPC-basedrehabilitationplatformsoftware,whichcomplieswithSoftwareEngineering,adoptsUnifiedModelingLanguageandOrientedObjectProgrammingandusesBCB6.0.Wefinishedthreevisualizedandalternatingtreatmentmodes(auto,manual,circular)toaffordthe'physicalmentalJtherapymethodforthepatient.Utilizingdatabase,APIfunctions,multithread,double-bufferandothertechnologies,theplatformsoftwarehasbeenfinishedwithmanyfunctionsandmodules,suchascureparameterscontrol,cureprojectsetting,serialportcommunication,caseregister,re-enrollcase,patientinformationquery,departmentinformationmaintenance,drawingparameterssettingetc.[Keywords]Stroke;Neuromuscularelectricalstimulation;Fastigialnucleusstimulation;Spinalcordstimulation;Cognitivere-learning認(rèn)知重新學(xué)習(xí)法（CR）是源于國(guó)外一個(gè)全新的概念，它已經(jīng)被證實(shí)不僅是一種有效的腦卒中康復(fù)方法，而且還具有獨(dú)特的心理輔助治療作用。CR的一般作用方式是以自發(fā)肌電所觸發(fā)的NMES等生物反饋法為基礎(chǔ)，讓患者盡力思考,增加中樞神經(jīng)對(duì)瘓肢的控制，增加癱瘓肌肉的肌電水平，從而在達(dá)到或超過(guò)儀器所設(shè)定閾值后能夠觸發(fā)電刺激。如此反復(fù)作用，?方面，也會(huì)使患者意識(shí)到這是自己主動(dòng)想象的結(jié)果，從而更加努力運(yùn)動(dòng)，可以增強(qiáng)治療信心，明顯改善抑郁情緒；另一方面，隨著患者認(rèn)知心理的重新學(xué)習(xí)和恢復(fù)，不僅可以促進(jìn)腦部功能的重新組織，還可以激活-?些原來(lái)閑置不用的神經(jīng)通路，使其能夠替代已受損的神經(jīng)功能，從而使新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得以建立，肢體功能最終得以恢復(fù)。1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的原則和思路設(shè)計(jì)原則現(xiàn)代醫(yī)療儀器的設(shè)計(jì)原則一般包括：信號(hào)因素、環(huán)境因素、醫(yī)學(xué)因素、經(jīng)濟(jì)與時(shí)代因素5個(gè)方面，這也是本文全部設(shè)計(jì)工作的基本準(zhǔn)則。毋庸置疑，現(xiàn)代醫(yī)療儀器的一個(gè)重要發(fā)展方向是數(shù)字化和智能化；而且隨著“以人為本''醫(yī)療理念的逐步深入，微創(chuàng)、無(wú)創(chuàng)的治療方式更易于讓患者、醫(yī)院以及社會(huì)所接受。設(shè)計(jì)思路①無(wú)創(chuàng)性的要求：傳統(tǒng)的電刺激以有創(chuàng)傷的方式為主，比如單獨(dú)植入電極或全部植入刺激電極、脈沖發(fā)生器和導(dǎo)聯(lián)線等，這不僅加深了病人的痛苦，使其產(chǎn)生抵觸心理，而且也會(huì)引起交叉感染等。由于近年來(lái)采用表面電極的電刺激療法（比如NMES或TENS等）在腦卒中康復(fù)工作中取得了良好的效果，所以，本康復(fù)平臺(tái)所有的電刺激均通過(guò)表面電極來(lái)實(shí)現(xiàn)。②有效性的要求：所研制的康復(fù)平臺(tái)以肌電觸發(fā)的NMES為主，以經(jīng)皮的FNS和SCS為輔，并利用計(jì)算機(jī)技術(shù)為CR療法提供實(shí)現(xiàn)的手段，期望通過(guò)上述“物理+心理”療法促使患者運(yùn)動(dòng)功能、腦神經(jīng)以及心理功能全面有效的康復(fù)。③安全性的要求：首先，相關(guān)電路模塊的電氣安全是設(shè)計(jì)中需要始終貫穿的問(wèn)題；其次，探討并選取安全、合適的電刺激波也是保證療效的關(guān)鍵。④直觀性的要求：為了使患者和醫(yī)護(hù)人員能夠觀察所采集到的肌電、治療參數(shù)等數(shù)據(jù)，借以發(fā)揮視覺(jué)信號(hào)的心理反饋?zhàn)饔?，該平臺(tái)需要配置一臺(tái)能旋轉(zhuǎn)的15”/17”的顯示器(CRT或LCD,分辨率1024*768,256色以上為宜)。⑤模塊化的要求：考慮系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和后期臨床實(shí)驗(yàn)的要求，應(yīng)該將相關(guān)電路和軟件設(shè)計(jì)成相對(duì)獨(dú)立的模塊，這樣便于組裝和維護(hù)。⑥信息化的要求：康復(fù)平臺(tái)的軟件系統(tǒng)不只局限于為心理療法和治療控制提供支持，還應(yīng)該提供病歷登記、信息查詢(xún)、治療方案維護(hù)等軟件功能，以便將來(lái)診斷工作以及科室間的信息共享工作的開(kāi)展。⑦人性化的要求：應(yīng)注重醫(yī)護(hù)人員使用的簡(jiǎn)便性，比如，軟件中的各種治療參數(shù)要易于維護(hù)和控制；另外，成型后的儀器樣機(jī)也能在病房和科室間移動(dòng)。⑧可擴(kuò)展性的要求：由于所提出的創(chuàng)新性的康復(fù)方法需要臨床實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，所以在軟硬件的設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量采用便于功能擴(kuò)展的技術(shù)和方法。2設(shè)計(jì)策略與技術(shù)路線設(shè)計(jì)策略當(dāng)前數(shù)字醫(yī)療儀器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和方式有以下幾種：①采用傳統(tǒng)的基于單片機(jī)或DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)控制的?體化式結(jié)構(gòu)，體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，但功能不夠強(qiáng)大，難于維護(hù)和升級(jí)。②運(yùn)用新興的虛擬儀器(virtualinstruments,VI)技術(shù)，雖然設(shè)計(jì)周期短，技術(shù)更新快，但是專(zhuān)業(yè)軟硬件設(shè)備的成本過(guò)高，也不符合儀器的后期小型化的需求。③使用當(dāng)前流行的嵌入式技術(shù)(embeddedtechnology,ET),那么僅在嵌入式系統(tǒng)的移植、搭建交叉編譯環(huán)境、驅(qū)動(dòng)與GUI設(shè)計(jì)等方面就會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力；此外市場(chǎng)上能符合本系統(tǒng)性能要求的開(kāi)發(fā)板也是寥寥無(wú)幾，價(jià)格不菲。④采用模塊化電路結(jié)合PC的方式，首先在制定好通信接口與協(xié)議的前提下，電路模塊和軟件系統(tǒng)可以分別獨(dú)立設(shè)計(jì)；其次電路模塊可以采用成熟的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)(如51單片機(jī))，而且PC價(jià)格低廉，設(shè)計(jì)資料豐富；最后成型的電路模塊分別與PC上的軟件進(jìn)行聯(lián)調(diào)組裝即可。此外，這種方式也便于今后向工控機(jī)上移植。根據(jù)上述分析，作者借鑒了多參數(shù)生理監(jiān)護(hù)儀和B超工作站的設(shè)計(jì)方式，采用這種電路模塊結(jié)合PC的主從式結(jié)構(gòu)以及“總一分一總”的設(shè)計(jì)策略，即先進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，再分別實(shí)現(xiàn)各個(gè)軟/硬件模塊，最后修改、調(diào)試、組裝，完成樣機(jī)。技術(shù)路線本設(shè)計(jì)主要的技術(shù)路線如下所述：①康復(fù)平臺(tái)總體采用上述“主從式”結(jié)構(gòu)，下位機(jī)的各個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)方法；上位機(jī)(PC)的軟件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)治療參數(shù)控制，進(jìn)行視覺(jué)信號(hào)反饋等。②具體而言，下位機(jī)應(yīng)該至少包括肌電采集、NMES、FNS以及SCS電路，并統(tǒng)一使用MCS51作為主控單片機(jī)；考慮到所需要的肌電信號(hào)的頻率范圍，上下位機(jī)間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口進(jìn)行通信即可?？紤]到一般的PC配置有兩個(gè)串口，所以可以把作為主要治療手段的NMES模塊以及采集電路與串口1連接，而將作為輔助治療方法的FNS、SCS合并為一個(gè)模塊并且與串口2相連。③上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：①借助軟件所提供的視覺(jué)反饋引出CR的心理作用，即肌電信號(hào)超過(guò)預(yù)定閾值后能觸發(fā)NMES的反饋?zhàn)饔?；②通過(guò)串口控制采集電路和刺激電路模塊；③提供病歷登記、信息查詢(xún)、治療參數(shù)維護(hù)等功能模塊。④成型后的樣機(jī)擬組裝于能移動(dòng)的推車(chē)中以方便醫(yī)護(hù)人員的使用?？傮w的技術(shù)路線可總結(jié)為：立足于腦卒中康復(fù)理論和方法的創(chuàng)新，盡量采用成熟穩(wěn)定的技術(shù)和方法。這樣能盡快地完成樣機(jī)的設(shè)計(jì)工作，從而能較快地對(duì)所采用的綜合康復(fù)方法進(jìn)行驗(yàn)證，并為后期的臨床實(shí)驗(yàn)和技術(shù)升級(jí)做好準(zhǔn)備。3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜上所述，所設(shè)計(jì)的腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合康復(fù)平臺(tái)包括四部分，分別為肌電采集模塊、NMES模塊、FNSSCS模塊和康復(fù)平臺(tái)軟件系統(tǒng)（總體結(jié)構(gòu)如1所示）。其中，肌電采集模塊和NMES模塊通過(guò)串口1與PC進(jìn)行通信，F(xiàn)NSSCS模塊通過(guò)串口2與PC進(jìn)行通信。物理+心理療法的總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)所提出的這種“物理+心理”的綜合康復(fù)療法無(wú)疑是整個(gè)系統(tǒng)的立足點(diǎn)，它不僅決定著系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，而且直接影響著軟硬件的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方式。經(jīng)過(guò)對(duì)生物反饋方法以及心理療法的分析，結(jié)合醫(yī)療儀器控制與反饋技術(shù)的發(fā)展，作者提出了“開(kāi)環(huán)治療”及“閉環(huán)治療''這兩種主要的康復(fù)治療模式。①閉環(huán)治療這里的“閉環(huán)治療”指的就是自發(fā)肌電所觸發(fā)的NMES,其治療流程如圖2所示。①首先讓患者盡力思考，增加瘓肢的肌電水平，由肌電采集模塊檢測(cè)并發(fā)送所采集到的微弱信號(hào)。②上位機(jī)軟件同步顯示所采集到的肌電以及預(yù)置的電刺激閾值，當(dāng)某一時(shí)刻，患者努力活動(dòng)的肌電最值超過(guò)這個(gè)閾值時(shí)，系統(tǒng)就啟動(dòng)一次NMES,從而引起一次有功能活動(dòng)的肌肉收縮作為對(duì)患者努力的“回報(bào)”和“獎(jiǎng)勵(lì)③軟件的閾值能根據(jù)患者的肌電水平自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而促使患者不斷地努力活動(dòng)，不斷得到這種獎(jiǎng)勵(lì)性質(zhì)的電刺激。④如此反復(fù)，形成一種自發(fā)肌電觸發(fā)NMES的“閉環(huán)治療”方式?？傮w而言，它在理論上可以為CR的實(shí)現(xiàn)提供支持，即通過(guò)這種視覺(jué)信號(hào)的反饋使患者意識(shí)到這是自己想象和運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，從而更加主動(dòng)地去活動(dòng)。在通過(guò)NMES改善腦卒中患者運(yùn)動(dòng)能力、重建大腦和癱瘓肌肉的功能聯(lián)系的同時(shí)，也能增強(qiáng)患者的治愈信心，改善抑郁情緒，從而促使患者認(rèn)知的重新學(xué)習(xí)和心理功能的康復(fù)。②開(kāi)環(huán)治療“開(kāi)環(huán)治療''方式指的是傳統(tǒng)的被動(dòng)的康復(fù)方法，即系統(tǒng)只進(jìn)行常規(guī)的電刺激（包括NMES,或FNSSCS）治療，此時(shí)系統(tǒng)