新型快速神经反射检查方式
——电子式腱反射仪的设计及临床应用

刘志超 张天然 廖皓磊 周文俊

腱反射是一种简单的反射[1],其传入神经和传出神经为股神经,神经中枢位于脊髓的灰质内[2]。腱反射受脊髓影响,其强弱可反映中枢神经系统的功能状态[3]。在传统医学的神经反射检查中,临床医师会经常使用一种深反射检查,即腱反射检查,这是通过刺激骨膜、肌腱,经深部感受器完成的神经反射。让检查者取坐位(床边),小腿完全松弛下垂与大腿呈直角;如果患者取仰卧位,检查者以左手托起其膝关节,使之屈曲120°,用右手持叩诊锤,叩击膝盖髌骨下方股四头肌的肌腱处,可引起小腿伸展[4]。

使用传统叩诊锤进行神经反射检查方法的弊端:既不客观也不精准,十分容易受到检查者有限临床经验的“误读误判”,以致影响“精准医学”的落实,依赖叩诊锤传统的神经反射检查,已经跟不上当今“精准健康”的现实需要了。鉴此,我们开发并研制出了新型快速电子的神经反射检查仪——电子式腱反射检测仪。至今无实用电子式测试腱反射的装置,仅有研究引起反射最小叩击力量的叩诊锤[5],几乎没有量化反射强度的电子装置及相关文献。医师对患者的股四头肌肌腱内的感受器进行刺激,通过肉眼观察患者小腿动作的幅度和速度,此时可能会忽略小腿肌肉发出的微弱反应,需多次叩击膝盖下边附近,延误诊断时间甚至损伤病患的膝盖。量化腱反射强度有利于医师进行临床诊断。

笔者采用叩击膝盖下边时小腿动作方向的加速度来量化表征腱反射强弱。若小腿加速度小于阈值则未发生腱反射,小腿加速度大于阈值且处于各层设定值范围内则分层次显示腱反射强度。基于此方法设计制作了腱反射电子测试仪,通过准确测试小腿的反应加速度来表征腱反射强度,从而诊断神经系统的功能。

一、下肢腱反射测试原理

反射测试是通过刺激膝盖处大腿肌肉的感受器(股四头肌肌腱内感受器),肌肉受到肌健的牵拉,肌肉中的肌梭同时受到牵拉而产生兴奋,冲动由传入神经纤维传输到脊髓的灰质,使支配股四头肌的许多运动神经元同步产生冲动,引起股四头肌收缩,使小腿前伸[6]。

医学临床上可用锤击膝盖附近小腿动作方向的速度或幅度表征腱反射的强度。小腿踢出的方向与小腿垂直,其运动方向速度为做圆周运动的切向速度,腱反射测试时需腿部静止,在初速度为0且小腿动作时间t一定的情况下,小腿动作方向的速度V与小腿动作的加速度a成正比:

V=at

(1)

因此本文提出的判断腱反射强弱的方法为:在小腿上固定腱反射测试仪,利用测试仪精确测出叩击膝盖附近时小腿动作方向的加速度,用其大小表征腱反射强度。见图1。

图1 反射原理图

二、下肢腱反射测试仪的硬件设计

(一)总体结构

测试仪佩戴在小腿上。测试仪内单片机应用算法分层判定腱反射强度;传感器需要精确、快速采集加速度;单片机与传感器直接相连,单片机经过运算,通过LED灯将腱反射测试的结果显示出来。见图2。

图2 腱反射测试仪硬件结构

(二)单片机设计

选用的单片机为STC90C51RD+芯片,是STC推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机[7]。其参数及特点如下:增强型8051单片机,指令代码完全兼容传统8051。正常工作模式:典型功耗4～7 mA,工作电压为3.3～5.5 V,工作频率范围0～40 MHz,用户应用程序空间可达61 K字节,可以实现ISP(在系统可编程)或者IAP(在应用可编程),通过串口(Rx,Tx)直接下载用户程序,仅需数秒。

单片机内部结构包含中央处理器、程序储存器、数据储存器、定时/计数器、UART串口、I/O口、EEPROM、看门狗等模块[7]。MCU的晶振频率为12 MHz,对应并联的两个电容均为30 pF。3位LED发光二极管阴极接P20(33)～P27(40)口,阳极接1 kΩ的排阻。见图3。

图3 单片机系统原理图

注：a为STC90C51RD+芯片，b为晶振回路，c为3位LED管显示

(三)传感器设计

加速度传感器的核心模块是JY901B芯片,体积小,可用USB充电或电池直接供电。能够精确测量三轴加速度、三轴角速度、三轴角度。拥有32位高性能MCU,最高200 Hz数据输出速率,动态测角度的精度达到0.05度,并集成了高精度卡尔曼铝箔姿态融合算法[9-10],其参数如下:工作电压3.3～5 V,工作电流<40 mA,加速度三维加速度量程为-16 g～16 g,加速度分辨率6.1e-5g,数据接口为串口TTL电平,波特率支持2 400～921 600。见图4。

(四)测试装置的设计

测试仪内部将1、2、3、5、6与4对应的管脚相接,在盒表面可见的仅有1、3。测试仪长100 mm,宽77 mm,厚30 mm。见图5。

图4 传感器电路原理图

注：VCC模块电源输入为3.3～5 V,SCL为时钟线,SDA为数据线,A0为VCC,A1为RX串行数据输入,A2为TX串行数据输出,且均为TTL电平,GND接地

图5 腱反射电子测试仪

注：1为LED显示,2为USB口(既供电又可烧写程序),3为开关,4为单片机,5为加速度传感器,6为+5 V电池

三、腱反射电子测试仪的软件设计

(一)软件总体结构

为使单片机STC90C51编程方便快捷,使用C语言编程。采用Keil uVision4编译器,支持众多公司的51架构芯片,能编译和仿真,使用方法与Vc++类似,界面友好,编程效率高[11]。

腱反射程序流程主要包括:自检单元、基准面标定单元、腱反射强度判定单元和显示单元。见图6。

图6 腱反射流程图

(二)腱反射强度计算程序结构

1.自检单元

首先开启固定在小腿的腱反射测试仪电源,进入自检单元。单片机控制3个LED灯全亮,通过延时程序使1～3号灯持续2 s后使之熄灭。自检单元检查MCU和LED灯的运行状况正常。

2.基准面标定单元

在测试腱反射之前需要排除人腿动作或震动的干扰,通过比较加速度传感器前后两次采集的x轴和y轴的加速度值来标定基准。若两次采集的x轴和y轴的加速度差值小于足够小的设定值,则认为传感器未动作,此时可开始进行叩诊测试腱反射,若两次采集x轴和y轴的加速度差值大于设定值,则认为加速度传感器仍在动作,不能进行叩诊测试。通过试验,得到前后两次采集的x轴和y轴加速度差值设定为1%时,既能灵敏判定小腿是否动作,又能快速开始叩诊测试腱反射。见图7。

图7 基准面标定流程图

3.腱反射强度判定

腱反射发生是由肌肉(股四头肌)收缩带动股二头肌舒张,从而引起小腿动作。根据腱反射强度可用小腿动作的加速度大小表征。利用固定在小腿上的加速度传感器实时采集垂直于传感器界面的z轴加速度,根据重力加速度g对其进行归一(即g为1),得到az。要得到小腿动作方向的加速度,需利用z轴加速度az减去重力加速度g在z轴的分量,θz为g与z轴方向的夹角。推导出小腿动作方向的加速度azx为:

azx=az-cosθz

(2)

据azx大小来判定腱反射的强度,并显示出来。利用LED的亮灯情况来表征腱反射强度。腱反射越强(小腿反应的速度越快),对应azx的值越大。通过小样本测试,初步设置azx<0.15时,无亮灯;0.15≤azx<0.3时,1号LED灯亮;0.3≤azx<0.9时,2号LED灯亮;azx>0.9时,3号LED灯亮。根据面板上亮灯情况分层表征腱反射的强度:无灯亮表示很弱,1号灯亮为“弱”,2号灯亮为“中”,3号灯亮为“强”。每一次叩击测试完成后,1～3号灯熄灭,等待两秒即可进行下次测试,设计为循环测试,直至关闭腱反射测试仪的开关。见图8。

图8 反射强度判定流程图

四、腱反射测试仪的应用

(一)不同叩击方式的测试

设计制作的腱反射测试仪在小样本范围进行测试。为检测不同叩击方式对腱反射装置的影响,将叩击方式分为:被测对象自我叩击,医师对其进行叩击。在武汉大学人民医院随机对5位成年人进行了腱反射检测,年龄25～57岁,标号1～5号,测试结果见表1。

表1 不同叩击方式的测试结果

由表1可知,虽然腱反射测试仪的使用者不同,但测试结果基本相同。其中1号被测人员自我叩击与被叩击时测试结果不吻合是由于叩击位置不准确或叩击前的自我心理暗示,再次自行叩击测试得到与医师叩击测试一致的结果。1、2、4、5号被测人员腱反射正常,询问其病史,可知身体状况无碍,小腿的反应和电子测试仪显示结果一致。而3号被测人员在三种叩击方式测试下,结果均很弱,小腿没有反射动作,后询问其原因,3号被测人员曾患急性特发性多神经炎,证明电子测试仪能够准确分辨腱反射强度并可推断脊髓神经系统的状况。

由以上试验可得出:叩击方式对腱反射的测试影响很小,可以随时随地利用该装置测试腱反射强度,快速检查神经系统状况。

(二)不同性别的测试

为探究腱反射测试仪检测男性与女性的腱反射强度差别,在武汉大学人民医院随机寻找到30名测试对象,男女各15名,年龄21～55岁,使用的叩击方式为试验员对被测人员进行叩击。见图9。

图9 不同性别腱反射测试结果

由图9可知,极少数男性和女性腱反射强度处于很弱层次。问询调查对象得知,或因久坐、运动量过少,或由病毒感染的格林巴利氏综合症,或由于脊髓、颈椎受过创伤。由上图还可知男性测试对象的腱反射强度普遍为中或强,而女性测试对象多数腱反射强度为弱,可能因为男性运动更加频繁、身体也比较灵活,神经系统状况一般比女性亢奋,敏锐。通过该新型快速的电子测试仪提供的各种客观数据,让传统的神经反射检查更加精准化,可有效地避免各科临床医师出现“误读误判”的现象,有效地避免各地各级医院检查水准的参差不一的现象,达到“精准医学”的既客观又准确的新水平。

根据上述两次临床测试后的数据,对腱反射测试仪分层判断的azx设定值进行修正,并进一步验证其腱反射测试的准确度。

为验证腱反射仪的腱反射测试数据准确度以及在临床上应用的效率,在武汉大学人民医院神经内科对100名不同年龄和性别的测试对象进行了腱反射测试仪测试和医师常规测试(图10)。横坐标代表不同的测试对象,分别编号1～100。图中代表医师检查的结果,代表腱反射仪测试结果,纵坐标表示腱反射的强度,将反射很弱和无反射的反射强度归为反射强度0,将反射正常时的反射强度归为1。对比两种腱反射测试方法的效率,医师在测试时既需要利用锤头叩击,还需要凭经验观察和判断,最终确认该检测对象的检查结果,每次检测一定数量被测对象后需要休息,导致了医师做常规检测腱反射的耗时超过了使用腱反射仪测试的两倍。

图10结果显示,腱反射测试仪在对100名不同测试对象的检测中仅误判一次,其原因可能是佩戴腱反射仪进行测试时,叩击测试的次数不足影响了检测结果,但该腱反射测试仪的准确率仍高达99%,能够高效率、准确地检测出腱反射很弱以及神经系统病患者。

五、结论

为实现神经腱反射“精准诊断”的医学目标,我们研制出了这台电子式腱反射测试仪,本文通过研究腱反射原理提出了采用测量小腿加速度来量化腱反射强度的方法。

1.根据腱反射发生时股四头肌收缩同时带动股二头肌舒张引起小腿动作的现象,通过在小腿上固定腱反射测试仪,根据小腿动作加速度,精确测试出腱反射强度。

图10 腱反射测试结果

2.基于腱反射强度测试方法研制的电子测试仪,经不同叩击方式、不同性别测试,可分层显示很弱、弱、中、强,能快速检测出患有脊髓神经系统疾病的人员,并发现小样本中女性的腱反射强度较弱。

3.该测试仪在医院进行的大量临床测试下,调整算法程序中的分层设定值,使测试结果更加精确,在与医师常规检查腱反射方法对比后发现,腱反射测试仪检测的效率明显比医师常规检查方法高,且准确度达到99%,实现了精准诊断和高效诊断的医学目标。