基于嵌入式系統的便攜式腦卒中康復儀的設計
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目前，國內外比較先進(jìn)的生物反饋腦卒中治療儀普遍基于上下位機結構。上位機是基于PC的生物反饋軟件系統，下位機是功能電路模塊，如生理信號采集器、電刺激器等，這種儀器的康復治療效果良好，但體積比較大，價(jià)格也比較昂貴。隨著(zhù)嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，具有體積小、功耗低、性能穩定、抗干擾強、具有可裁剪定制等特點(diǎn)的嵌入式系統在醫療電子設備中越來(lái)越受青睞[2]。本康復儀選用嵌入式平臺開(kāi)發(fā)，具有較好的便攜性和穩定性，減小了儀器的成本、體積，使其不僅面向普通醫院，而且能面向社區醫院和家庭用戶(hù)，讓更多的腦卒中患者能得到方便、有效的治療。
1 系統總體設計
本康復儀所運用的醫學(xué)原理是基于生物反饋的心理康復作用，結合神經(jīng)肌肉電刺激NMES(Neuromuscular Electrical Stimulation)改善患者肢體功能的作用，以及小腦頂核電刺激FNS(Fastigial Nucleus Stimulation)誘發(fā)條件性中樞神經(jīng)源性神經(jīng)保護作用。三種治療相互補充，以期達到更好的康復治療效果[3]。
系統工作過(guò)程是：首先采集患者的表面肌肉電信號EMG，經(jīng)過(guò)模擬放大、濾波、A/D轉換后，由嵌入式軟件將處理后的肌電信號描繪在LCD屏幕上；患者可以通過(guò)屏幕觀(guān)看自己在康復訓練過(guò)程中的肌電變化情況，更加主動(dòng)地活動(dòng)肢體，努力增強自身肌電水平，當肌電信號強度超過(guò)給定的刺激閾值時(shí)，系統按預設的治療參數對病人進(jìn)行電刺激，包括FNS、NMES；綜合的電刺激能增強患肢的活動(dòng)能力和肌電水平，反饋式的治療能提高患者的信心，改善抑郁情緒，從而幫助患者訓練肢體，使其逐步達到康復效果。各種電刺激的啟動(dòng)、停止、治療參數配置和治療模式的選擇等工作均依靠系統軟件控制完成。
根據康復儀的功能需求，將系統設計為如圖1所示結構。中央控制部分以嵌入式ARM處理器為核心，有足夠的內部集成資源來(lái)擴展各個(gè)外圍功能模塊。主要部分包括肌電采集、神經(jīng)肌肉電刺激、小腦頂核電刺激三大功能模塊，系統通過(guò)這些功能實(shí)現康復治療的作用。擴展接口部分包括了USB、RS232以及網(wǎng)卡等，主要針對開(kāi)發(fā)階段操作系統和軟件的下載、交叉編譯、調試等操作以及設備網(wǎng)絡(luò )化和遠程控制。交互操作部分主要是鍵盤(pán)和LCD顯示器，實(shí)現人機交互操作，醫護人員和設備維護人員通過(guò)這些設備實(shí)現對治療參數的修改、正確治療方法的設定等功能；通過(guò)LCD顯示器將視覺(jué)信號反饋給患者。顯示設備也是“生物反饋”治療方法的必要設備。
2 系統硬件設計
2.1 中央控制部分
系統使用三星公司的S3C2410處理器作為中央控制單元。該芯片以32位ARM920T為內核，最高處理速度達到203 MHz；支持5級流水線(xiàn)操作，包括存儲器管理單元；具有低成本、低功耗、集成性高的特性[4]。系統外擴32 MB Flash空間，用于存儲Linux內核、應用程序；系統外擴64 MB SDRAM，用于系統和程序的執行。
2.2 主要功能部分
肌電采集電路用于檢測和采集患者的體表肌電信號，電路主要包括前置放大、高通濾波、低通濾波、隔離放大、工頻陷波、增益控制電路。該部分電路將采集到的體表肌電根據系統要求放大1 250～10 000倍。增益控制電路由S3C2410的GPIO控制，系統利用S3C2410的SPI總線(xiàn)擴展12位串行A/D轉換芯片AD7453采集肌電放大器輸出的SEMG信號，然后經(jīng)過(guò)濾波處理后傳送到實(shí)時(shí)處理模塊，并在LCD上顯示出來(lái)。系統通過(guò)控制相關(guān)電路的工作來(lái)控制肌電采集的開(kāi)始和停止等操作。
NMES電路產(chǎn)生一種低頻可漸變的調制矩形波。S3C2410的PWM輸出一路脈寬可調的矩型波到該電路，同時(shí)4通道12位串行D/A轉換芯片MAX5742輸出一路梯形調制波，兩路波形經(jīng)調幅電路、高壓恒流源電路就能得到調制方波作為刺激波。MAX5742是SPI接口的串行D/A芯片，也接到S3C2410的SPI總線(xiàn)，與A/D芯片分時(shí)復用。該電路的刺激波形、刺激強度、頻率、脈寬、時(shí)間等參數均通過(guò)系統軟件來(lái)調節。
FNS電路輸出調幅的無(wú)極性微分型指數脈沖的中頻電刺激波形。系統向MAX5742輸出一路隨機波形生成調制波；同時(shí)，S3C2410的PWM輸出一路頻率為1 kHz的方波，方波由微分電路整形為微分型指數脈沖；最后，調制波與指數脈沖經(jīng)波形合成電路、恒流源電路得到所需的刺激波形。
2.3 人機交互接口
系統采用了SHARP公司生產(chǎn)的一款9.4英寸TFT-LCD 640×480彩色液晶顯示屏。S3C2410帶有LCD控制器，支持STN型和TFT型LCD。支持彩色TFT時(shí)，可提供4/8/12/16位顏色模式。LCD控制器的功能是產(chǎn)生顯示驅動(dòng)信號，驅動(dòng)LCD顯示器。用戶(hù)只需要通過(guò)讀寫(xiě)一系列的寄存器，便可完成配置和顯示控制。
本系統需要鍵盤(pán)來(lái)輸入數據或者控制命令，實(shí)現設置參數和控制系統的目的。除了數字0～9外，再加上幾個(gè)功能鍵即可滿(mǎn)足系統需求，所以不需要使用專(zhuān)用的PC鍵盤(pán)，而是開(kāi)發(fā)具有針對性的小鍵盤(pán)。本系統直接通過(guò)S3C2410的8個(gè)GPIO口來(lái)擴展4×4矩陣鍵盤(pán)。
2.4 擴展接口
S3C2410接口豐富，用戶(hù)可根據需要方便地擴展各種接口。本系統通過(guò)S3C2410的USB控制器擴展USB HOST接口，為系統提供存儲數據功能；利用S3C2410的URAT控制器擴展RS232，利用總線(xiàn)擴展網(wǎng)卡芯片DM9000給系統提供網(wǎng)絡(luò )接口，方便系統調試和儀器數據的網(wǎng)絡(luò )共享。
3 系統軟件設計
康復儀通過(guò)軟件界面實(shí)現視覺(jué)信號的反饋作用，為肌電生物反饋治療提供技術(shù)支撐。該康復儀的軟件系統主要由嵌入式Linux操作系統、驅動(dòng)程序和應用程序三部分組成。
3.1 嵌入式操作系統
為了滿(mǎn)足系統對實(shí)時(shí)性和安全性的要求，系統采用了嵌入式Linux操作系統。嵌入式Linux繼承了Linux的穩定性?xún)?yōu)點(diǎn)，且其內核相當精簡(jiǎn)，因此在嵌入式領(lǐng)域得到廣泛應用[5]。
本系統采用了Linux2.6.x內核，針對S3C2410的硬件情況，裁剪并編譯了適合ARM 處理器的Linux內核，再借助于華恒公司的ppc bootloader將其傳輸至開(kāi)發(fā)板的FLASH并啟動(dòng)內核，通過(guò)busybox制作文件系統。這里根據需要制作一款簡(jiǎn)單的只讀文件系統，即cramfs文件系統。通過(guò)配置宿主機NFS(network filesystem)文件服務(wù)器的方式，可將該文件系統傳輸至FLASH，從而完成對開(kāi)發(fā)板上操作系統的配置。
3.2 設備驅動(dòng)程序
在完成操作系統裁剪后，需要對Linux下的各種設備進(jìn)行驅動(dòng)程序編程。由于模塊方式要比靜態(tài)編譯鏈接方式更加方便靈活，因此本系統在Linux內核基礎上二次開(kāi)發(fā)的設備驅動(dòng)程序是按照模塊方式實(shí)現的。模塊化驅動(dòng)程序的設計和實(shí)現流程主要有編寫(xiě)模塊化編程子程序、編寫(xiě)自動(dòng)配置和初始化子程序、編寫(xiě)服務(wù)于I/O請求的子程序和編寫(xiě)中斷服務(wù)子程序四個(gè)步驟。按照這四個(gè)基本步驟編寫(xiě)肌電增益控制驅動(dòng)、A/D和D/A轉換驅動(dòng)、PWM調制波產(chǎn)生驅動(dòng)、鍵盤(pán)驅動(dòng)、LCD驅動(dòng)以及網(wǎng)卡及串口驅動(dòng)程序等。
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