下肢循环运动结合功能性电刺激康复治疗仪的设计研究

北京大学第一医院（100034）王宁华 谢斌

江苏天瑞医疗器械有限公司（222000）秦宏平

据统计，我国脑卒中引起的偏瘫患者占全国人口数的3‰～10‰。脑卒中所造成的偏瘫不仅给患者的行动和日常生活带来极大的不便，还给患者本人及其家庭带来心理、经济及其他方面的冲击[1]。目前，进行偏瘫康复训练时通常是由医师或治疗师对患者进行一对一的训练，或者利用简单康复器械进行训练。这种训练方式人力资源占用大，训练效率低，患者往往被动接受治疗，康复评定指标主观性较强，不利于治疗方案的确定、改进和偏瘫患者神经康复规律的深入研究[2]。因此，在原有康复技术的基础上，有必要寻求更有效的康复治疗手段，使患者最大程度地恢复自主运动能力。

附图1 MOTOmed流程图

附图2 MOTOmed与FES结合流程图

随着社会的进步和生活水平的不断提高，人类对自身疾病预防、诊断、治疗给予越来越多的关注。人们尝试将传统医疗器械与信息、微电子、新材料、自动化、机器人等技术有机结合，以提高医疗诊断的准确性和治疗的质量[3]。脑卒中后偏侧肢体力弱或瘫痪导致患者运动障碍，继而出现肌肉萎缩、肌肉软组织挛缩、关节活动范围缩小、骨质疏松、心肺功能下降等合并症，严重影响其日常生活活动能力。针对这些问题，上下肢循环运动训练器及功能性电刺激已在临床广泛应用并证实了其有效性。基于结合技术的成熟和发展，在康复治疗中，把这两项治疗技术的特点相结合，对偏瘫患者的肢体功能康复达到优化治疗是本课题设计的思路。

1 材料与方法

本研究涉及的功能性电刺激下肢循环运动系统包括下肢循环运动仪和功能性电刺激仪两部分。下肢循环智能运动训练仪采用德国产MOTOmed viva2，有三种运动方式，分别是：被动运动、发动机助力运动和主动运动，主动运动中包含抗阻运动。其机构原理示意图如附图1。功能性电刺激仪（FES）是神经肌肉电刺激（Neuromuscular Electrical Stimulation, NMES）的一种电刺激形式，属低频电刺激范畴。

2 结果

2.1 工作原理设计 利用下肢循环智能运动训练仪MOTOmed和功能性电刺激仪（FES）有机结合。二者结合的目的是为脑卒中患者提供更好的心肺功能训练，有效增加瘫痪下肢股四头肌和腘绳肌的肌力，改善下肢的神经运动控制能力及双下肢协调运动能力。患者做循环运动时，下肢的电刺激是通过角度传感器检测到肢体在循环运动时的各个位置后，系统第一时间计算参与运动的肌肉需要刺激的起始位置和时间，并由刺激器发送相应的电子刺激信号。系统还可以实时计算出双侧下肢的做功情况及患者的运动速度并与既定角速度相比较，从而做出调整，顺利完成周期性重塑运动。系统流程图见附图2。

MOTOmed与FES结合有三种工作方式：自适应模式、恒定模式和脱机模式。自适应模式的特点是随着下肢运动速度的改变FES所给的刺激强度会自动调整，即下肢运动速度越快，刺激越小，反之亦然。此时FES刺激强度调整的信号来源是MOTOmed的电机电流，与电机电流大小正相关。恒定模式表现为无论下肢运动速度如何，刺激强度不变，此时FES设定为固定值，只是随MOTOmed开启而开启。脱机模式即FES单独作用，不与MOTOmed相关。

2.2 测量角度速度的实现 光电编码器，是一种通过光电转换,将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。在MOTOmed的转轴位置，安装测量角度的装置，我们采用光电编码器，其基本原理就是在特制的码盘上按一定规律编排光栅图案，将这些图案用光电头读取，转变为高低有序排列的电平信号。光电编码器输出信号为A，B，Z 三个信号，其中A，B为相位差90°的方波信号，Z为过零脉冲信号。光电编码器每旋转一周，A、B相输出同样数量的脉冲，Z相输出一个脉冲，脉冲的个数和电机旋转角度，电机的运行距离成正比关系，因此，通过计算脉冲数就能计算出电机实际运行的距离。

在我们研制的功能性电刺激下肢循环运动系统中，从编码器光电码盘输出的A，B，A-，B-连到FES主控芯片，对脉冲进行计数，处理，计算，得到被控对象的位移结果。位移结果可通过串口送到FES，便于在FES中进行统计、计算，给患者发出准确的电脉冲。

2.3 主控芯片及外围电路 主控芯片（见附图3）具有处理能力强，运行速度快，功耗低等特点；为了满足整个系统部分供电的稳定性，本系统采用稳压芯片LP3988的需要,升压部分采用恒流源设计,保证在供电电压波动较大的幅度或者不同皮肤电阻改变的情况下输出很精确的刺激电流。

2.4 通讯模块 串行通讯模块用于实现MOTOmed与FES之间的数据传送。MOTOmed可根据FES的需要，将数值上传给FES，用于识别患者的肢体所处于的角度和当前患者肢体运动的速度。系统采用中断方式进行数据传递。

2.5 系统软件实现 系统采用C语言进行程序设计，整个系统程序包括主程序，鉴相计数程序，显示子程序，串行通讯程序，脉冲输出几个模块组成。程序流程图见附图4。

3 讨论

近一个多世纪来，有研究表明：无论是成年哺乳动物还是非哺乳动物，它们的中枢神经系统受到损伤以后，在适当的条件下其结构和功能等都可以重组再生，这一理论被称为脑的可塑性理论。中枢神经系统的可塑性是中枢神经受损后进行康复训练和功能恢复的重要理论依据[5]。脑卒中后的康复治疗主要基于两种假说：一种是损伤区对侧相应部位的功能重组，即一侧脑损伤后，可由对侧未受损的大脑经由不同的路径下传指令到运动神经元；另外一种假说则是损伤区周围组织的功能重组，即大脑损伤的邻近部分的未受损皮质功能重建可以取代失去的功能。影响大脑可塑性的因素很多，包括自身因素如挽救神经细胞，增强其抗损伤的能力，控制损伤区微环境促进神经再生；以及外部环境，如丰富的外部环境刺激及功能训练等。我国学者缪鸿石认为功能恢复训练无论在损伤治疗的早期、中期和晚期都能发挥极为重要的作用，并且特别强调大量训练的重要性[6]。临床实验也证明，特定的功能训练在中枢神经系统受损后的功能恢复过程中必不可少，并且尽早介入康复训练不仅能够维持关节活动度、防止关节挛缩，而且能够明显提高患者运动功能的最终康复程度[7～11]。

附图3 主线路图

附图4 系统主程序图

下肢循环运动训练在临床上应用广泛，可以减轻偏瘫患者的肢体痉挛，维持关节活动范围和软组织长度，减缓或消除运动障碍所引起的合并症。患者可以完成不同模式下的周期性蹬踏运动，看到自己能完成力所能及的事情，对身心健康有积极的影响。我们选用MOTOmed作为此系统的运动组件，因为它可提供从0～60rpm的广范围适用转速和角速度，能够适时准确地评估双下肢的做功输出，重新发现残余肌肉力量。而且它的三种运动模式可允许患者根据其自身状况接受从被动运动到抗阻运动的不同运动训练。

我们在所设计的系统中使用的电刺激器和通常所用FES类似，其刺激电流、脉宽、刺激时间、间断时间等参数均连续可调。通过特殊的导线连接和微电脑处理器将下肢循环运动仪和FES相结合，在原有训练功能的基础上，更增加了一些优势特点，为偏瘫患者提供更优化的运动训练方式和训练环境，促进中枢功能重组，改善康复训练效果。训练开始时，设定蹬踏运动的速度、时间、电刺激强度等参数，在下肢循环运动的同时，给予相关肌群一定的电刺激，辅助其完成此运动；当患者患肢的力量和能力不足以维持既定速度时，通过改变脉宽以增加刺激强度来帮助完成循环蹬踏，当患者的力量足以保持既定速度时，则脉宽减少以降低刺激强度。这样既可以调动患者的主动参与，在认知水平上促进中枢的功能重建，患者又可同时接受在电刺激下诱发肌肉主动收缩完成运动所产生的神经肌肉再教育训练以及在运动仪电机带动下的被动或辅助运动。循环运动仪可以适时准确地计算评估在运动当时双下肢的做功和力矩并以柱状图的形式表示出来，给患者提供恰当的视觉反馈，从而让患者知道患肢应如何用力以尽量维持双侧对称的循环运动。脑卒中后偏瘫患者无论是上肢还是下肢的双侧对称性运动都受到明显影响，除了患侧下肢的肌力训练非常重要外。任务导向性的对称性运动训练也至关重要，因为大脑支配单侧运动和双侧运动有不同的运动控制通路，因而此研发系统从这方面也提供了一个促进功能重塑康复疗效的途径。当然，功能性电刺激下肢循环运动仪的有效性还需临床实验的进一步验证。

4 结论

本研究设计是针对MOTOmed智能运动系统结合功能性电刺激，采用430系列微功耗功能性电刺激，合理规划了患者的运动训练方式，具有很高的实用性，是一种成功结合医疗技术和信息技术的治疗性方案。特别是针对脑损伤患者不能自主完成主动运动时，持续被动运动的训练与针对完成该功能的肌肉电刺激同时作用，可以增强肌肉、运动功能恢复效果，是对原有器械性能的一个巨大提升，是医疗器械的一个很好的组合运用。当然，本技术还需要通过进一步的临床验证。