腦卒中治療與遠程監測系統設計

張雪芹　葉志明　孟凡利　劉華波

摘要：為了滿足腦卒中出院患者對居家康復治療及復發預警監測的需求，設計集治療、人體生理信號采集和數據分析、預警等多功能為一體的家用腦卒中治療及遠程監測系統。首先，基于經顱直流電刺激技術設計治療儀，輸出恒定、精確的直流電，其次，開發智能手環作為輔助監測設備，實時記錄患者心率等數據，通過藍牙將數據發送至手機APP，最后，通過手機APP匯總治療記錄以及生命體征數據上傳至云端做進一步分析，用于調整治療方案或進行腦卒中復發預警。設計結果表明，所設計的系統不僅滿足康復治療需求，且治療儀刺激電流控制精度指標優于國外設備，同時實現了云端和設備端的互聯互通。所設計系統為腦卒中個性化治療、復發預警和大數據庫建立提供了系統的解決方案，對于實現腦卒中患者的居家治療具有重要的現實意義。

關鍵詞：自動化技術應用;腦卒中;經顱直流電刺激;藍牙通信;APP;遠程監測

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx02003

Design of stroke treatment and remote monitoring system

ZHANG Xueqin YE Zhiming MENG Fanli LIU Huabo

（1School of Automation，Qingdao University，Qingdao，Shandong 266071，China;2Shandong Key Laboratory of Industrial Control Technology，Qingdao，Shandong 266071，China）

Abstract：In order to meet the needs of home-based rehabilitation treatment and recurrence pre-warning monitoring of discharged stroke patients，a home-based stroke treatment and remote monitoring system integrating treatment，human physiological signal acquisition and data analysis，pre-warning and other functions was designedFirstly，the therapeutic instrument was designed based on transcranial direct current stimulation technology to output constant and accurate direct currentSecondly，the smart bracelet was developed as an auxiliary monitoring device to record the patient′s heart rate and other data in real time，and the data was sent to the mobile APP through bluetoothFinally，the treatment records and vital signs data of patients were uploaded to the cloud database through mobile APP for further analysis，which was used to adjust the treatment plan or pre-warning of stroke recurrenceThe design results show that the system not only meets the needs of rehabilitation treatment of stroke patients，but also excels the foreign equipment in the aspect of stimulation current control accuracy index of the therapeutic instrumentAt the same time，the interconnection between cloud and equipment is realizedThe system provides a systematic solutions for personalized treatment of stroke，recurrence pre-warning and the establishment of large databaseIt has important practical significance in the home treatment of stroke patients

Keywords：automatics application;stroke;transcranial direct current stimulation;bluetooth communication;APP;remote monitoring

腦卒中是由于腦部血管阻塞或血管突然破裂而引起的腦組織損傷疾病，包括缺血性腦卒中和出血性腦卒中2種類型，其中缺血性腦卒中所占比例高達80%[1-2]，具有發病率高、死亡率高、致殘率高、復發率高、經濟負擔高5大特點。目前，由于腦卒中導致的人口死亡率逐年增高[3]，報告顯示，腦卒中已成為60歲以上人群致死、致殘首位病因[4]。20世紀90年代，REYNOLDS等[5]從成年小鼠紋狀體中成功分離出尚未分化的神經干細胞（neural stem cells，NSC），研究發現，其不僅具有增殖、分化能力并且植入后超敏反應的出現率極低。自此，應用NSC的增殖、遷移和分化能力治療中樞神經系統損傷成為神經科研究的熱點。歷年來，神經科學領域的學者們通過對成熟哺乳動物的神經系統進行大量研究證明，雖然缺血性腦損傷后NSC的增殖活性會被激發，但增殖水平有限，利用其自身的增殖、分化能力不足以建立新的神經網絡[6-8]。經顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）是通過電極向顱內特定腦區施加恒定、低強度的直流電（≤2 mA），調節大腦皮層神經元電活動的一種無創神經調控技術[9]。臨床研究顯示，采用tDCS技術可以改善缺血性腦卒中患者的運動功能[10]、失語癥[11]以及吞咽[12]等功能。大量研究表明，tDCS可激發腦缺血損傷后體內固有的NSC增殖、遷移和定向分化，從而促進神經再生并對病變部位進行修復[13-16]。

針對腦卒中出院病人康復周期長、缺乏專業有效的家用康復器械以及復發率高2個痛點問題，研制基于tDCS技術和云端的集治療和復發預警等多功能為一體的全新無創、數字化、智能化可穿戴家用腦卒中治療及監測系統。腦卒中出院患者在家中進行治療的同時，該系統可以記錄患者的治療數據，監控、收集和分析患者心率、血壓和腦電數據，記錄結果將上傳至云端數據庫，便于醫護人員及時、有效地分析病情，調整治療方案或進行腦卒中復發預警，為腦卒中個性化治療、復發預警和大數據庫建立提供系統解決方案。

1系統總體方案設計

本文設計的治療及監測系統包括治療儀、監測手環、智能移動終端手機APP以及預警中心平臺4部分。系統整體架構如圖1所示，治療儀基于tDCS技術，輸出符合參數設定的直流電流，并在觸摸屏上顯示當前實際輸出電流值，治療完成后將本次運行數據存儲在串口屏SD卡中，當手機和設備通過藍牙連接后，刺激器會將本地保存的數據發送到手機端;監測手環用于采集心率等生理數據，并通過藍牙將數據發送至手機端;手機APP匯總治療儀和手環上傳的數據，通過移動網絡將數據傳送到云端分析預警中心，云端將接收到的心率數據、治療數據、治療方案等信息進行存儲、顯示并進行大數據分析處理，通過手機APP將為患者定制新的治療方案下傳到刺激器，并設置心率預警值，當心率過高或過低時觸發預警信號，用于提醒醫生及患者家人，從而實現治療、監測、預警、優化治療方案等一系列的閉環服務功能。

2監測手環設計

監測手環用于獲取人體生命體征數據，為遠程醫療監控提供更全面的信息。手環主體主要包括微處理器、心率傳感器、OLED顯示模塊、藍牙通信模塊以及電源電路。心率（BPM）指的是1 min內的心跳次數，可以通過測量相鄰兩次脈搏的時間間隔（即IBI，單位：ms），再用1 min除以這個間隔得出心率，即：BPM=60 000/IBI。這樣的好處是可以實時計算脈搏，效率高。監測手環使用PulseSensor傳感器進行心率采集，傳感器對光電信號進行濾波、放大，最終輸出模擬電壓值[17]。單片機通過將采集到的模擬信號值轉換為數字信號，再通過計算就可以得到心率數值。主要代碼如下。

//讀取AD轉換值

readData=ADC_ConvertedValue;

//保存當前脈沖狀態

PRE_PULSE = PULSE;

//檢測到1次有效脈搏

[HJ17mm]

if（PRE_PULSE == FALSE && PULSE == TRUE）

{

pulseCount++;

pulseCount%=2;

If（pulseCount == 1）

//記錄第1次脈搏時間

{firstTimeCount = timeCount;}

If（pulseCount == 0）

//記錄第2次脈搏時間

{secondTimeCount = timeCount;

timeCount = 0;}

}

if（（secondTimeCount > firstTimeCount））

{

//計算相鄰2次脈搏的時間，得到IBI

IBI=（secondTimeCount-firstTimeCount） SAMPLE_PERIOD;

//通過IBI得到心率值BPM

BPM = 60000 / IBI;

}

3治療儀設計

治療儀包含上位機和下位機兩部分。上位機采用陶晶馳醫療級USART HMI智能串口屏作為控制核心[18]，其自身搭載的處理器可以實現顯示、觸控、定時器、中斷、串口通信等服務事項，內部功能強大。下位機由單片機最小系統、恒流控制電路、電流檢測電路、藍牙模塊以及電源電路等部分構成。上位機和下位機之間采用串口通信?？傮w設計方案如圖2所示。

3.1治療儀恒流模塊硬件設計

根據常規用于腦卒中治療的tDCS刺激參數[19-21]（刺激電流強度≤2 mA，刺激時長≤40 min），治療儀恒流輸出模塊采用負反饋H橋電路與壓控恒流源電路結合的方式，如圖3所示。刺激模式由H橋電路控制，當設置左側為陽極刺激模式、右側為陰極刺激模式時，Q1和Q5導通，Q2和Q6關斷，電流由左電極流向右電極;反之，Q2和Q6導通，Q1和Q5關斷，電流由右電極流向左電極。以左半橋為例，單片機根據設定電流值調整PWM占空比[22]，經RC濾波輸出為V，根據運放的特性，有：

由式（2）可知，電路實際輸出電流I由輸入電壓V和精密采樣電阻阻值確定，不隨負載的變化而變化，從而實現壓控恒流。為保證輸出電流的精度和穩定性，在下橋臂場效應管Q2及Q5前端采用開環增益高、輸出阻抗低的運算放大器，采樣電阻R6及R11選用0.1%精度的精密電阻。

3.2藍牙模塊硬件設計

系統采用的藍牙通信模塊是基于Dialog公司最低功耗DA14580芯片研發的E104-BT02藍牙模塊。該藍牙模塊自帶PCB板載天線，無需外接天線，是一款串口轉BLE 模塊，可使用串口收發藍牙數據，降低了藍牙應用的門檻，且支持BLE 4.2協議，簡單配置后可與符合藍牙4.2協議的主機建立藍牙連接，實現串口數據透傳。藍牙模塊連接示意圖如圖4所示，STC15W4K48S4單片機的P0.0（RXD3），P0.1（TXD3）分別連接藍牙模塊E104-BT02的引腳TXD，RXD，實現刺激器與手機APP之間無線通信。

3.3上位機程序設計

上位機程序設計主要包括用戶界面設計、串口通信程序設計、電流曲線繪制程序設計、數據存儲等。上位機中存儲醫生制定的6種固定治療方案，使用時可以直接選擇。當治療儀與手機APP連接時，預警中心平臺會通過手機APP將最新的治療方案推送到治療儀。治療開始時，上位機不斷監測下位機發送的實際電流數據，并在監控界面繪制電流曲線。當電流超出報警值時，上位機觸發報警信息并向下位機發送停止輸出電流命令。治療結束后保存治療數據至本地SD卡。

3.4下位機控制程序設計

下位機程序設計主要分為主程序、中斷服務子程序、定時器子程序、串口中斷子程序、壓控恒流輸出子程序、電流檢測子程序等。下位機串口中斷程序流程圖如圖5所示。

4手機APP設計

手機APP設計是利用Google推出的一款在線開發手機APP的軟件工具App Inventor[23]。該工具拋棄復雜的程式代碼，通過圖形化積木式的拖放組件來完成APP開發。設計完成后直接生成下載鏈接二維碼，掃描后進行下載安裝。手機APP主要包含心率數據查看和治療儀控制兩部分。如圖6所示，心率數據查看界面用于顯示監測手環上傳的心率數據，手機APP通過移動網絡將數據上傳至預警中心平臺。治療儀控制器界面兼具治療儀上位機的功能，通過藍牙連接治療儀后，可以控制治療儀的工作狀態、采集治療數據、查看歷史數據、查看/刪除/更新治療方案以及將數據上傳預警中心平臺等。

5實物制作與功能測試

治療儀樣機外殼采用SketchUp軟件建模，通過3D打印制作，外殼大小為22.3 cm×12.5 cm×3.8 cm（W×D×H），如圖7所示。

利用式（3）計算輸出的刺激電流誤差r。結果表明刺激電流誤差絕對值不超過0.37%，與德國Neuro Conn公司研發的用于腦卒中治療的直流電刺激器CX-6650的電流輸出精度0.50%相比，本設備控制精度提高了0.13%。

其次測試云端監測系統，云平臺采用開放平臺OneNET[24]，客戶端軟件應用Visual studio 2010的開發環境，C++語言編寫，測試步驟如下。

進入OneNET開發者中心，添加設備，選擇設備接入協議，為設備設置名稱和參數、添加數據流，OneNET自動為設備分配設備ID和設備key。

1）手機端配置服務器URL：api.Heclouds.com，端口號：80，建立TCP連接。

2）打開手機藍牙，同時設備進入綁定手機界面，運行手機APP，搜索從機藍牙SSID，將手機和設備通過藍牙連接。

3）連接成功后手機APP即通過http協議將收集的心率、治療數據、歷史記錄等信息上傳到云平臺。

4）進入預警中心平臺查看上傳數據。

預警中心平臺如圖8所示。

6結語

本系統將經顱直流電刺激技術應用在腦卒中患者的康復治療當中，與市場上經顱直流電刺激設備相比，具有體積小巧、便于攜帶、用戶界面友好、控制精度更高等優點。除此之外，設備結合移動終端和互聯網云端，實現了集腦卒中治療與預警一體化的技術創新，適合腦卒中出院患者居家進行康復治療。

經過測試，設備已實現既定功能，但目前處于研發階段，尚未應用于臨床，下一步將應用于臨床，進一步完成臨床大數據分析和治療有效性分析，力圖達到以低成本獲得良好康復治療效果的目的。

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