基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式腦卒中康復(fù)儀的設(shè)計(jì)
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目前，國(guó)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，如生理信號(hào)采集器、電刺激器等，這種儀器的康復(fù)治療效果良好，但體積比較大，價(jià)格也比較昂貴。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(diǎn)的嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療電子設(shè)備中越來(lái)越受青睞[2]。本康復(fù)儀選用嵌入式平臺(tái)開(kāi)發(fā)，具有較好的便攜性和穩(wěn)定性，減小了儀器的成本、體積，使其不僅面向普通醫(yī)院，而且能面向社區(qū)醫(yī)院和家庭用戶，讓更多的腦卒中患者能得到方便、有效的治療。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本康復(fù)儀所運(yùn)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。三種治療相互補(bǔ)充，以期達(dá)到更好的康復(fù)治療效果[3]。
系統(tǒng)工作過(guò)程是：首先采集患者的表面肌肉電信號(hào)EMG，經(jīng)過(guò)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(hào)描繪在LCD屏幕上；患者可以通過(guò)屏幕觀看自己在康復(fù)訓(xùn)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(qiáng)自身肌電水平，當(dāng)肌電信號(hào)強(qiáng)度超過(guò)給定的刺激閾值時(shí)，系統(tǒng)按預(yù)設(shè)的治療參數(shù)對(duì)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(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(xùn)練肢體，使其逐步達(dá)到康復(fù)效果。各種電刺激的啟動(dòng)、停止、治療參數(shù)配置和治療模式的選擇等工作均依靠系統(tǒng)軟件控制完成。
根據(jù)康復(fù)儀的功能需求，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(lái)擴(kuò)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(tǒng)通過(guò)這些功能實(shí)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(duì)開(kāi)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。交互操作部分主要是鍵盤和LCD顯示器，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作，醫(yī)護(hù)人員和設(shè)備維護(hù)人員通過(guò)這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)治療參數(shù)的修改、正確治療方法的設(shè)定等功能；通過(guò)LCD顯示器將視覺(jué)信號(hào)反饋給患者。顯示設(shè)備也是“生物反饋”治療方法的必要設(shè)備。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
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(jí)流水線操作，包括存儲(chǔ)器管理單元；具有低成本、低功耗、集成性高的特性[4]。系統(tǒng)外擴(kuò)32 MB Flash空間，用于存儲(chǔ)Linux內(nèi)核、應(yīng)用程序；系統(tǒng)外擴(kuò)64 MB SDRAM，用于系統(tǒng)和程序的執(zhí)行。
2.2 主要功能部分
肌電采集電路用于檢測(cè)和采集患者的體表肌電信號(hào)，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(hào)，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(tǒng)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(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(shí)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(shí)復(fù)用。該電路的刺激波形、刺激強(qiáng)度、頻率、脈寬、時(shí)間等參數(shù)均通過(guò)系統(tǒng)軟件來(lái)調(diào)節(jié)。
FNS電路輸出調(diào)幅的無(wú)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(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(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(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(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)LCD顯示器。用戶只需要通過(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(tǒng)需要鍵盤來(lái)輸入數(shù)據(jù)或者控制命令，實(shí)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(gè)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(kāi)發(fā)具有針對(duì)性的小鍵盤。本系統(tǒng)直接通過(guò)S3C2410的8個(gè)GPIO口來(lái)擴(kuò)展4×4矩陣鍵盤。
2.4 擴(kuò)展接口
S3C2410接口豐富，用戶可根據(jù)需要方便地?cái)U(kuò)展各種接口。本系統(tǒng)通過(guò)S3C2410的USB控制器擴(kuò)展USB HOST接口，為系統(tǒng)提供存儲(chǔ)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(jì)
康復(fù)儀通過(guò)軟件界面實(shí)現(xiàn)視覺(jué)信號(hào)的反饋?zhàn)饔?，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(dòng)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(duì)實(shí)時(shí)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(diǎn)，且其內(nèi)核相當(dāng)精簡(jiǎn)，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(duì)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(kāi)發(fā)板的FLASH并啟動(dòng)內(nèi)核，通過(guò)busybox制作文件系統(tǒng)。這里根據(jù)需要制作一款簡(jiǎn)單的只讀文件系統(tǒng)，即cramfs文件系統(tǒng)。通過(guò)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(duì)開(kāi)發(fā)板上操作系統(tǒng)的配置。
3.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
在完成操作系統(tǒng)裁剪后，需要對(duì)Linux下的各種設(shè)備進(jìn)行驅(qū)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(tǒng)在Linux內(nèi)核基礎(chǔ)上二次開(kāi)發(fā)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是按照模塊方式實(shí)現(xiàn)的。模塊化驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)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(qǐng)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(qū)動(dòng)、A/D和D/A轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)、PWM調(diào)制波產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)、鍵盤驅(qū)動(dòng)、LCD驅(qū)動(dòng)以及網(wǎng)卡及串口驅(qū)動(dòng)程序等。
評(píng)論