腦卒中（Stroke）是腦中風(fēng)的學(xué)名，是一種突然起病的腦血液循環(huán)障礙性疾病。又叫腦血管意外。是指在腦血管疾病的病人，因各種誘發(fā)因素引起腦內(nèi)動脈狹窄，閉塞或破裂，而造成急性腦血液循環(huán)障礙，臨床上表現(xiàn)為一過性或永久性腦功能障礙的癥狀和體征。腦卒中分為缺血性腦卒中和出血性腦卒中。臨床表現(xiàn)以猝然昏撲、不省人事或突然發(fā)生口眼歪斜、半身不遂、舌強(qiáng)言蹇、智力障礙為主要特征。腦中風(fēng)包括缺血性中風(fēng)（短暫性腦缺血發(fā)作、動脈粥樣硬化性血栓性腦梗塞、腔隙性腦梗塞、腦栓塞）、出血性中風(fēng)（腦出血、蛛網(wǎng)膜下腔出血）、高血壓腦病和血管性癡呆四大類。如何運用新技術(shù)開發(fā)更有效、更適用的治療儀器來改善患者的生理功能，使患者能在最短時間內(nèi)達(dá)到最滿意的治療效果并最終擺脫病殘的折磨，一直是醫(yī)療研究和實踐的重點。

目前，國內(nèi)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(jī)結(jié)構(gòu)。上位機(jī)是基于PC的生物反饋軟件系統(tǒng)，下位機(jī)是功能電路模塊，隨著嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，具有體積小、功耗低、性能穩(wěn)定、抗干擾強(qiáng)、具有可裁剪定制等特點的嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療電子設(shè)備中越來越受青睞。嵌入式技術(shù)執(zhí)行專用功能并被內(nèi)部計算機(jī)控制的設(shè)備或者系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)不能使用通用型計算機(jī)，而且運行的是固化的軟件，用術(shù)語表示就是固件（firmware），終端用戶很難或者不可能改變固件。盡管絕大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)是用戶針對特定任務(wù)而定制的，但它們一般都是由下面幾個模塊組成的： 一臺計算機(jī)或者微控制器，字長可能是可憐的4位或者8位、16位、32位甚至是64位。 用以保存固件的ROM（非揮發(fā)性只讀存儲器）。 用以存程序數(shù)據(jù)的RAM（揮發(fā)性的隨機(jī)訪問存儲器）。 連接微控制器和開關(guān)、按鈕、傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)化器、控制器、LED（發(fā)光二極管）和顯示器的I/O端口。 一個輕量級的嵌入式操作系統(tǒng)，一般是自行編寫的。 專門的單片微控制器是大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的核心。通過把若干個關(guān)鍵的系統(tǒng)組成部分集成到單個芯片上，系統(tǒng)設(shè)計者就可以得到小而便宜、可以操作較少外圍電子設(shè)備的計算機(jī)。 嵌入式系統(tǒng)的一般模型并不足以定義嵌入式系統(tǒng)本身。例如，某些嵌入式系統(tǒng)常常比標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)箱小不了多少。這類設(shè)備有： 信息查詢以及銷售點終端。 某些工業(yè)控制系統(tǒng)。游戲控制臺（例如基于x86和Windows的Xbox）。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本康復(fù)儀所運用的醫(yī)學(xué)原理是基于生物反饋的心理康復(fù)作用，結(jié)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(hù)作用。

系統(tǒng)工作過程是：首先采集患者的表面肌肉電信號EMG，經(jīng)過模擬放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后，由嵌入式軟件將處理后的肌電信號描繪在LCD屏幕上；患者可以通過屏幕觀看自己在康復(fù)訓(xùn)練過程中的肌電變化情況，更加主動地活動肢體，努力增強(qiáng)自身肌電水平，當(dāng)肌電信號強(qiáng)度超過給定的刺激閾值時，系統(tǒng)按預(yù)設(shè)的治療參數(shù)對病人進(jìn)行電刺激，包括FNS、NMES；綜合的電刺激能增強(qiáng)患肢的活動能力和肌電水平，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(xùn)練肢體，使其逐步達(dá)到康復(fù)效果。

根據(jù)康復(fù)儀的功能需求，將系統(tǒng)設(shè)計為如圖1所示結(jié)構(gòu)。中央控制部分以嵌入式ARM處理器為核心，有足夠的內(nèi)部集成資源來擴(kuò)展各個外圍功能模塊。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(tǒng)通過這些功能實現(xiàn)康復(fù)治療的作用。擴(kuò)展接口部分包括了USB、RS232以及網(wǎng)卡等，主要針對開發(fā)階段操作系統(tǒng)和軟件的下載、交叉編譯、調(diào)試等操作以及設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程控制。液晶顯示器，或稱LCD（Liquid Crystal Display），為平面超薄的顯示設(shè)備，它由一定數(shù)量的彩色或黑白像素組成，放置于光源或者反射面前方。液晶顯示器功耗很低，因此倍受工程師青睞，適用于使用電池的電子設(shè)備。它的主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點、線、面配合背部燈管構(gòu)成畫面。LCD（ Liquid Crystal Display），對于許多的用戶而言可能是一個并不算新鮮的名詞了，不過這種技術(shù)存在的歷史可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了我們的想像 －早在19世紀(jì)末，奧地利植物學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了液晶，即液態(tài)的晶體，也就是說一種物質(zhì)同時具備了液體的流動性和類似晶體的某種排列特性。在電場的作用下，液晶分子的排列會產(chǎn)生變化。從而影響到它的光學(xué)性質(zhì)，這種現(xiàn)象叫做電光效應(yīng)。利用液晶的電光效應(yīng)，英國科學(xué)家在上世紀(jì)制造了第一塊液晶顯示器即LCD。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 中央控制部分

系統(tǒng)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(nèi)核，最高處理速度達(dá)到203 MHz；支持5級流水線操作，包括存儲器管理單元；具有低成本、低功耗、集成性高的特性。

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(jù)系統(tǒng)要求放大1 250～10 000倍。增益控制電路由S3C2410的GPIO控制，系統(tǒng)利用S3C2410的SPI總線擴(kuò)展12位串行A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7453采集肌電放大器輸出的SEMG信號，然后經(jīng)過濾波處理后傳送到實時處理模塊，并在LCD上顯示出來。

脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。

NMES電路產(chǎn)生一種低頻可漸變的調(diào)制矩形波。S3C2410的PWM輸出一路脈寬可調(diào)的矩型波到該電路，同時4通道12位串行D/A轉(zhuǎn)換芯片MAX5742輸出一路梯形調(diào)制波，兩路波形經(jīng)調(diào)幅電路、高壓恒流源電路就能得到調(diào)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，與A/D芯片分時復(fù)用。該電路的刺激波形、刺激強(qiáng)度、頻率、脈寬、時間等參數(shù)均通過系統(tǒng)軟件來調(diào)節(jié)。

FNS電路輸出調(diào)幅的無極性微分型指數(shù)脈沖的中頻電刺激波形。系統(tǒng)向MAX5742輸出一路隨機(jī)波形生成調(diào)制波；同時，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(shù)脈沖；最后，調(diào)制波與指數(shù)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(jī)交互接口

系統(tǒng)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，可提供4/8/12/16位顏色模式。

本系統(tǒng)需要鍵盤來輸入數(shù)據(jù)或者控制命令，實現(xiàn)設(shè)置參數(shù)和控制系統(tǒng)的目的。除了數(shù)字0～9外，再加上幾個功能鍵即可滿足系統(tǒng)需求，所以不需要使用專用的PC鍵盤，而是開發(fā)具有針對性的小鍵盤。

2.4 擴(kuò)展接口

S3C2410接口豐富，用戶可根據(jù)需要方便地擴(kuò)展各種接口。本系統(tǒng)通過S3C2410的USB控制器擴(kuò)展USB HOST接口，為系統(tǒng)提供存儲數(shù)據(jù)功能；利用S3C2410的URAT控制器擴(kuò)展RS232，利用總線擴(kuò)展網(wǎng)卡芯片DM9000給系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)接口，方便系統(tǒng)調(diào)試和儀器數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

康復(fù)儀通過軟件界面實現(xiàn)視覺信號的反饋作用，為肌電生物反饋治療提供技術(shù)支撐。該康復(fù)儀的軟件系統(tǒng)主要由嵌入式Linux操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序和應(yīng)用程序三部分組成。

3.1 嵌入式操作系統(tǒng)

為了滿足系統(tǒng)對實時性和安全性的要求，系統(tǒng)采用了嵌入式Linux操作系統(tǒng)。嵌入式Linux繼承了Linux的穩(wěn)定性優(yōu)點，且其內(nèi)核相當(dāng)精簡，因此在嵌入式領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5]。

本系統(tǒng)采用了Linux2.6.x內(nèi)核，針對S3C2410的硬件情況，裁剪并編譯了適合ARM 處理器的Linux內(nèi)核，再借助于華恒公司的ppc bootloader將其傳輸至開發(fā)板的FLASH并啟動內(nèi)核，通過busybox制作文件系統(tǒng)。通過配置宿主機(jī)NFS（network filesystem）文件服務(wù)器的方式，可將該文件系統(tǒng)傳輸至FLASH，從而完成對開發(fā)板上操作系統(tǒng)的配置。

3.2 設(shè)備驅(qū)動程序

在完成操作系統(tǒng)裁剪后，需要對Linux下的各種設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動程序編程。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(tǒng)在Linux內(nèi)核基礎(chǔ)上二次開發(fā)的設(shè)備驅(qū)動程序是按照模塊方式實現(xiàn)的。模塊化驅(qū)動程序的設(shè)計和實現(xiàn)流程主要有編寫模塊化編程子程序、編寫自動配置和初始化子程序、編寫服務(wù)于I/O請求的子程序和編寫中斷服務(wù)子程序四個步驟。

3.3 應(yīng)用程序

便攜式腦卒中康復(fù)儀要為患者和操作人員提供友好、簡便的圖形用戶界面（GUI）。GUI要求簡單、直觀、可靠、占用資源小且反應(yīng)快速，并且可以根據(jù)硬件具有較好的可移植性和裁剪性。

Qt/Embedded是Trolltech公司開發(fā)的面向嵌入式系統(tǒng)的Qt版本。Qt/Embedded是Server/Client結(jié)構(gòu)，在底層摒棄了X lib，僅采用framebuffer作為底層圖形接口。Qt使用特有信號/槽（singal/slot）機(jī)制，對象間的通信非常簡便和靈活。Qt/Embedded將外部輸入設(shè)備抽象為keyboard和mouse輸入事件，底層接口可以較好地支持用戶自定義的設(shè)備。

應(yīng)用軟件采用了模塊化的設(shè)計思想，把整個軟件系統(tǒng)劃分為系統(tǒng)自檢模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、實時處理模塊、顯示模塊和刺激模塊。功能模塊圖如圖2所示。

操作系統(tǒng)啟動完畢后，系統(tǒng)自檢模塊加載各個外圍設(shè)備，并對設(shè)備進(jìn)行測試。設(shè)備自檢正常運行之后，按給定的初始值對設(shè)備進(jìn)行參數(shù)初始化，等待治療過程的開始。治療程序運行之前，用戶可以通過參數(shù)設(shè)置模塊修改治療參數(shù)，外設(shè)驅(qū)動程序根據(jù)加載的參數(shù)配置外設(shè)。治療程序運行過程中，通過實時處理模塊將采集到的肌電信號經(jīng)過濾波處理后顯示在屏幕上，實現(xiàn)肌電的視覺反饋。

康復(fù)治療儀根據(jù)用戶的設(shè)定參數(shù)運行，然后采集并顯示實時的肌電信號，將患者的肌電信號通過LCD反饋給患者。當(dāng)患者肌電超過預(yù)先設(shè)定的刺激閾值時，系統(tǒng)按照治療方案給予患者一次電刺激?？祻?fù)治療流程如圖3所示。

GUI是系統(tǒng)與用戶相互交流和溝通的平臺，是系統(tǒng)的重要組成部分。GUI的廣泛應(yīng)用是當(dāng)今計算機(jī)發(fā)展的重大成就之一，他極大地方便了非專業(yè)用戶的使用人們從此不再需要死記硬背大量的命令，取而代之的是可以通過窗口、菜單、按鍵等方式來方便地進(jìn)行操作。而嵌入式GUI具有下面幾個方面的基本要求：輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特點。

Y=log10（X）

當(dāng)X取值為10、100、1 000時，所對應(yīng)的Y值分別為1、2、3。即在X=10~100和X=100~1 000內(nèi)，Y的增量都等于1，這樣就可以在等間距的情況下突出2 μV~200 μV這部分的數(shù)值，又可以照顧到整個輸出范圍的要求。界面中，橫軸為時間，而且設(shè)計成1min剛好顯示1屏治療數(shù)據(jù)的方式。這樣使患者既能觀察到一段時間內(nèi)的治療情況，也有較充裕的時間來主動活動患肢，能誘發(fā)NMES進(jìn)行治療，而不會因為顯示過快等造成視覺和身體的疲勞。主界面的設(shè)計結(jié)果如圖4所示。

便攜式腦卒中康復(fù)儀采用了嵌入式ARM-Linux系統(tǒng)及Qt/Ebedded開發(fā)設(shè)計，與目前國內(nèi)外同類儀器相比較，具有體積小、可靠性高、效率高、成本低、功耗低等特點，便于將治療儀推廣到社區(qū)醫(yī)院、鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院甚至患者家庭使用，符合我國醫(yī)療衛(wèi)生改革的發(fā)展要求。

系統(tǒng)實現(xiàn)了在LCD上實時顯示采集到的肌電信號，并同時顯示刺激閾值；兩種電刺激輸出的各項參數(shù)均能達(dá)到預(yù)期水平；圖形用戶界面簡便友好、操作方便，人機(jī)交互效果良好，完全能滿足腦卒中康復(fù)系統(tǒng)要求，達(dá)到了預(yù)期效果。