下肢循環運動結合功能性電刺激康復治療儀的設計研究

北京大學第一醫院（100034）王寧華 謝斌

江蘇天瑞醫療器械有限公司（222000）秦宏平

據統計，我國腦卒中引起的偏癱患者占全國人口數的3‰～10‰。腦卒中所造成的偏癱不僅給患者的行動和日常生活帶來極大的不便，還給患者本人及其家庭帶來心理、經濟及其他方面的沖擊[1]。目前，進行偏癱康復訓練時通常是由醫師或治療師對患者進行一對一的訓練，或者利用簡單康復器械進行訓練。這種訓練方式人力資源占用大，訓練效率低，患者往往被動接受治療，康復評定指標主觀性較強，不利于治療方案的確定、改進和偏癱患者神經康復規律的深入研究[2]。因此，在原有康復技術的基礎上，有必要尋求更有效的康復治療手段，使患者最大程度地恢復自主運動能力。

附圖1 MOTOmed流程圖

附圖2 MOTOmed與FES結合流程圖

隨著社會的進步和生活水平的不斷提高，人類對自身疾病預防、診斷、治療給予越來越多的關注。人們嘗試將傳統醫療器械與信息、微電子、新材料、自動化、機器人等技術有機結合，以提高醫療診斷的準確性和治療的質量[3]。腦卒中后偏側肢體力弱或癱瘓導致患者運動障礙，繼而出現肌肉萎縮、肌肉軟組織攣縮、關節活動范圍縮小、骨質疏松、心肺功能下降等合并癥，嚴重影響其日常生活活動能力。針對這些問題，上下肢循環運動訓練器及功能性電刺激已在臨床廣泛應用并證實了其有效性。基于結合技術的成熟和發展，在康復治療中，把這兩項治療技術的特點相結合，對偏癱患者的肢體功能康復達到優化治療是本課題設計的思路。

1 材料與方法

本研究涉及的功能性電刺激下肢循環運動系統包括下肢循環運動儀和功能性電刺激儀兩部分。下肢循環智能運動訓練儀采用德國產MOTOmed viva2，有三種運動方式，分別是：被動運動、發動機助力運動和主動運動，主動運動中包含抗阻運動。其機構原理示意圖如附圖1。功能性電刺激儀（FES）是神經肌肉電刺激（Neuromuscular Electrical Stimulation, NMES）的一種電刺激形式，屬低頻電刺激范疇。

2 結果

2.1 工作原理設計 利用下肢循環智能運動訓練儀MOTOmed和功能性電刺激儀（FES）有機結合。二者結合的目的是為腦卒中患者提供更好的心肺功能訓練，有效增加癱瘓下肢股四頭肌和腘繩肌的肌力，改善下肢的神經運動控制能力及雙下肢協調運動能力。患者做循環運動時，下肢的電刺激是通過角度傳感器檢測到肢體在循環運動時的各個位置后，系統第一時間計算參與運動的肌肉需要刺激的起始位置和時間，并由刺激器發送相應的電子刺激信號。系統還可以實時計算出雙側下肢的做功情況及患者的運動速度并與既定角速度相比較，從而做出調整，順利完成周期性重塑運動。系統流程圖見附圖2。

MOTOmed與FES結合有三種工作方式：自適應模式、恒定模式和脫機模式。自適應模式的特點是隨著下肢運動速度的改變FES所給的刺激強度會自動調整，即下肢運動速度越快，刺激越小，反之亦然。此時FES刺激強度調整的信號來源是MOTOmed的電機電流，與電機電流大小正相關。恒定模式表現為無論下肢運動速度如何，刺激強度不變，此時FES設定為固定值，只是隨MOTOmed開啟而開啟。脫機模式即FES單獨作用，不與MOTOmed相關。

2.2 測量角度速度的實現 光電編碼器，是一種通過光電轉換,將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。在MOTOmed的轉軸位置，安裝測量角度的裝置，我們采用光電編碼器，其基本原理就是在特制的碼盤上按一定規律編排光柵圖案，將這些圖案用光電頭讀取，轉變為高低有序排列的電平信號。光電編碼器輸出信號為A，B，Z 三個信號，其中A，B為相位差90°的方波信號，Z為過零脈沖信號。光電編碼器每旋轉一周，A、B相輸出同樣數量的脈沖，Z相輸出一個脈沖，脈沖的個數和電機旋轉角度，電機的運行距離成正比關系，因此，通過計算脈沖數就能計算出電機實際運行的距離。

在我們研制的功能性電刺激下肢循環運動系統中，從編碼器光電碼盤輸出的A，B，A-，B-連到FES主控芯片，對脈沖進行計數，處理，計算，得到被控對象的位移結果。位移結果可通過串口送到FES，便于在FES中進行統計、計算，給患者發出準確的電脈沖。

2.3 主控芯片及外圍電路 主控芯片（見附圖3）具有處理能力強，運行速度快，功耗低等特點；為了滿足整個系統部分供電的穩定性，本系統采用穩壓芯片LP3988的需要,升壓部分采用恒流源設計,保證在供電電壓波動較大的幅度或者不同皮膚電阻改變的情況下輸出很精確的刺激電流。

2.4 通訊模塊 串行通訊模塊用于實現MOTOmed與FES之間的數據傳送。MOTOmed可根據FES的需要，將數值上傳給FES，用于識別患者的肢體所處于的角度和當前患者肢體運動的速度。系統采用中斷方式進行數據傳遞。

2.5 系統軟件實現 系統采用C語言進行程序設計，整個系統程序包括主程序，鑒相計數程序，顯示子程序，串行通訊程序，脈沖輸出幾個模塊組成。程序流程圖見附圖4。

3 討論

近一個多世紀來，有研究表明：無論是成年哺乳動物還是非哺乳動物，它們的中樞神經系統受到損傷以后，在適當的條件下其結構和功能等都可以重組再生，這一理論被稱為腦的可塑性理論。中樞神經系統的可塑性是中樞神經受損后進行康復訓練和功能恢復的重要理論依據[5]。腦卒中后的康復治療主要基于兩種假說：一種是損傷區對側相應部位的功能重組，即一側腦損傷后，可由對側未受損的大腦經由不同的路徑下傳指令到運動神經元；另外一種假說則是損傷區周圍組織的功能重組，即大腦損傷的鄰近部分的未受損皮質功能重建可以取代失去的功能。影響大腦可塑性的因素很多，包括自身因素如挽救神經細胞，增強其抗損傷的能力，控制損傷區微環境促進神經再生；以及外部環境，如豐富的外部環境刺激及功能訓練等。我國學者繆鴻石認為功能恢復訓練無論在損傷治療的早期、中期和晚期都能發揮極為重要的作用，并且特別強調大量訓練的重要性[6]。臨床實驗也證明，特定的功能訓練在中樞神經系統受損后的功能恢復過程中必不可少，并且盡早介入康復訓練不僅能夠維持關節活動度、防止關節攣縮，而且能夠明顯提高患者運動功能的最終康復程度[7～11]。

附圖3 主線路圖

附圖4 系統主程序圖

下肢循環運動訓練在臨床上應用廣泛，可以減輕偏癱患者的肢體痙攣，維持關節活動范圍和軟組織長度，減緩或消除運動障礙所引起的合并癥。患者可以完成不同模式下的周期性蹬踏運動，看到自己能完成力所能及的事情，對身心健康有積極的影響。我們選用MOTOmed作為此系統的運動組件，因為它可提供從0～60rpm的廣范圍適用轉速和角速度，能夠適時準確地評估雙下肢的做功輸出，重新發現殘余肌肉力量。而且它的三種運動模式可允許患者根據其自身狀況接受從被動運動到抗阻運動的不同運動訓練。

我們在所設計的系統中使用的電刺激器和通常所用FES類似，其刺激電流、脈寬、刺激時間、間斷時間等參數均連續可調。通過特殊的導線連接和微電腦處理器將下肢循環運動儀和FES相結合，在原有訓練功能的基礎上，更增加了一些優勢特點，為偏癱患者提供更優化的運動訓練方式和訓練環境，促進中樞功能重組，改善康復訓練效果。訓練開始時，設定蹬踏運動的速度、時間、電刺激強度等參數，在下肢循環運動的同時，給予相關肌群一定的電刺激，輔助其完成此運動；當患者患肢的力量和能力不足以維持既定速度時，通過改變脈寬以增加刺激強度來幫助完成循環蹬踏，當患者的力量足以保持既定速度時，則脈寬減少以降低刺激強度。這樣既可以調動患者的主動參與，在認知水平上促進中樞的功能重建，患者又可同時接受在電刺激下誘發肌肉主動收縮完成運動所產生的神經肌肉再教育訓練以及在運動儀電機帶動下的被動或輔助運動。循環運動儀可以適時準確地計算評估在運動當時雙下肢的做功和力矩并以柱狀圖的形式表示出來，給患者提供恰當的視覺反饋，從而讓患者知道患肢應如何用力以盡量維持雙側對稱的循環運動。腦卒中后偏癱患者無論是上肢還是下肢的雙側對稱性運動都受到明顯影響，除了患側下肢的肌力訓練非常重要外。任務導向性的對稱性運動訓練也至關重要，因為大腦支配單側運動和雙側運動有不同的運動控制通路，因而此研發系統從這方面也提供了一個促進功能重塑康復療效的途徑。當然，功能性電刺激下肢循環運動儀的有效性還需臨床實驗的進一步驗證。

4 結論

本研究設計是針對MOTOmed智能運動系統結合功能性電刺激，采用430系列微功耗功能性電刺激，合理規劃了患者的運動訓練方式，具有很高的實用性，是一種成功結合醫療技術和信息技術的治療性方案。特別是針對腦損傷患者不能自主完成主動運動時，持續被動運動的訓練與針對完成該功能的肌肉電刺激同時作用，可以增強肌肉、運動功能恢復效果，是對原有器械性能的一個巨大提升，是醫療器械的一個很好的組合運用。當然，本技術還需要通過進一步的臨床驗證。