腦卒中（Stroke）是腦中風的學名，是一種突然起病的腦血液循環障礙性疾病。又叫腦血管意外。是指在腦血管疾病的病人，因各種誘發因素引起腦內動脈狹窄，閉塞或破裂，而造成急性腦血液循環障礙，臨床上表現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。臨床表現以猝然昏撲、不省人事或突然發生口眼歪斜、半身不遂、舌強言蹇、智力障礙為主要特征。腦中風包括缺血性中風（短暫性腦缺血發作、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（腦出血、蛛網膜下腔出血）、高血壓腦病和血管性癡呆四大類。如何運用新技術開發更有效、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達到最滿意的治療效果并最終擺脫病殘的折磨，一直是醫療研究和實踐的重點。

目前，國內外比較先進的生物反饋腦卒中治療儀普遍基于上下位機結構。上位機是基于PC的生物反饋軟件系統，下位機是功能電路模塊，隨著嵌入式技術的快速發展，具有體積小、功耗低、性能穩定、抗干擾強、具有可裁剪定制等特點的嵌入式系統在醫療電子設備中越來越受青睞。嵌入式技術執行專用功能并被內部計算機控制的設備或者系統。嵌入式系統不能使用通用型計算機，而且運行的是固化的軟件，用術語表示就是固件（firmware），終端用戶很難或者不可能改變固件。盡管絕大多數嵌入式系統是用戶針對特定任務而定制的，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（非揮發性只讀存儲器）。 用以存程序數據的RAM（揮發性的隨機訪問存儲器）。 連接微控制器和開關、按鈕、傳感器、模數轉化器、控制器、LED（發光二極管）和顯示器的I/O端口。 一個輕量級的嵌入式操作系統，一般是自行編寫的。 專門的單片微控制器是大多數嵌入式系統的核心。通過把若干個關鍵的系統組成部分集成到單個芯片上，系統設計者就可以得到小而便宜、可以操作較少外圍電子設備的計算機。 嵌入式系統的一般模型并不足以定義嵌入式系統本身。例如，某些嵌入式系統常常比標準PC機箱小不了多少。這類設備有： 信息查詢以及銷售點終端。 某些工業控制系統。游戲控制臺（例如基于x86和Windows的Xbox）。

1 系統總體設計

本康復儀所運用的醫學原理是基于生物反饋的心理康復作用，結合神經肌肉電刺激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）誘發條件性中樞神經源性神經保護作用。

系統工作過程是：首先采集患者的表面肌肉電信號EMG，經過模擬放大、濾波、A/D轉換后，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訓練過程中的肌電變化情況，更加主動地活動肢體，努力增強自身肌電水平，當肌電信號強度超過給定的刺激閾值時，系統按預設的治療參數對病人進行電刺激，包括FNS、NMES；綜合的電刺激能增強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，從而幫助患者訓練肢體，使其逐步達到康復效果。

根據康復儀的功能需求，將系統設計為如圖1所示結構。中央控制部分以嵌入式ARM處理器為核心，有足夠的內部集成資源來擴展各個外圍功能模塊。主要部分包括肌電采集、神經肌肉電刺激、小腦頂核電刺激三大功能模塊，系統通過這些功能實現康復治療的作用。擴展接口部分包括了USB、RS232以及網卡等，主要針對開發階段操作系統和軟件的下載、交叉編譯、調試等操作以及設備網絡化和遠程控制。液晶顯示器，或稱LCD（Liquid Crystal Display），為平面超薄的顯示設備，它由一定數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備。它的主要原理是以電流刺激液晶分子產生點、線、面配合背部燈管構成畫面。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，不過這種技術存在的歷史可能遠遠超過了我們的想像 －早在19世紀末，奧地利植物學家就發現了液晶，即液態的晶體，也就是說一種物質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生變化。從而影響到它的光學性質，這種現象叫做電光效應。利用液晶的電光效應，英國科學家在上世紀制造了第一塊液晶顯示器即LCD。

2 系統硬件設計

2.1 中央控制部分

系統使用三星公司的S3C2410處理器作為中央控制單元。該芯片以32位ARM920T為內核，最高處理速度達到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系統要求放大1 250～10 000倍。增益控制電路由S3C2410的GPIO控制，系統利用S3C2410的SPI總線擴展12位串行A/D轉換芯片AD7453采集肌電放大器輸出的SEMG信號，然后經過濾波處理后傳送到實時處理模塊，并在LCD上顯示出來。

脈沖寬度調制是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變化來調制晶體管柵極或基極的偏置，來實現開關穩壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，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字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。PWM控制技術以其控制簡單，靈活和動態響應好的優點而成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當今科學技術的發展已經沒有了學科之間的界限，結合現代控制理論思想或實現無諧振軟開關技術將會成為PWM控制技術發展的主要方向之一。

NMES電路產生一種低頻可漸變的調制矩形波。S3C2410的PWM輸出一路脈寬可調的矩型波到該電路，同時4通道12位串行D/A轉換芯片MAX5742輸出一路梯形調制波，兩路波形經調幅電路、高壓恒流源電路就能得到調制方波作為刺激波。MAX5742是SPI接口的串行D/A芯片，也接到S3C2410的SPI總線，與A/D芯片分時復用。該電路的刺激波形、刺激強度、頻率、脈寬、時間等參數均通過系統軟件來調節。

FNS電路輸出調幅的無極性微分型指數脈沖的中頻電刺激波形。系統向MAX5742輸出一路隨機波形生成調制波；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脈沖；最后，調制波與指數脈沖經波形合成電路、恒流源電路得到所需的刺激波形。

2.3 人機交互接口

系統采用了SHARP公司生產的一款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。

本系統需要鍵盤來輸入數據或者控制命令，實現設置參數和控制系統的目的。除了數字0～9外，再加上幾個功能鍵即可滿足系統需求，所以不需要使用專用的PC鍵盤，而是開發具有針對性的小鍵盤。

2.4 擴展接口

S3C2410接口豐富，用戶可根據需要方便地擴展各種接口。本系統通過S3C2410的USB控制器擴展USB HOST接口，為系統提供存儲數據功能；利用S3C2410的URAT控制器擴展RS232，利用總線擴展網卡芯片DM9000給系統提供網絡接口，方便系統調試和儀器數據的網絡共享。

3 系統軟件設計

康復儀通過軟件界面實現視覺信號的反饋作用，為肌電生物反饋治療提供技術支撐。該康復儀的軟件系統主要由嵌入式Linux操作系統、驅動程序和應用程序三部分組成。

3.1 嵌入式操作系統

為了滿足系統對實時性和安全性的要求，系統采用了嵌入式Linux操作系統。嵌入式Linux繼承了Linux的穩定性優點，且其內核相當精簡，因此在嵌入式領域得到廣泛應用[5]。

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

3.2 設備驅動程序

在完成操作系統裁剪后，需要對Linux下的各種設備進行驅動程序編程。由于模塊方式要比靜態編譯鏈接方式更加方便靈活，因此本系統在Linux內核基礎上二次開發的設備驅動程序是按照模塊方式實現的。模塊化驅動程序的設計和實現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、編寫服務于I/O請求的子程序和編寫中斷服務子程序四個步驟。

3.3 應用程序

便攜式腦卒中康復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、占用資源小且反應快速，并且可以根據硬件具有較好的可移植性和裁剪性。

Qt/Embedded是Trolltech公司開發的面向嵌入式系統的Qt版本。Qt/Embedded是Server/Client結構，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）機制，對象間的通信非常簡便和靈活。Qt/Embedded將外部輸入設備抽象為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備。

應用軟件采用了模塊化的設計思想，把整個軟件系統劃分為系統自檢模塊、參數設置模塊、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。

操作系統啟動完畢后，系統自檢模塊加載各個外圍設備，并對設備進行測試。設備自檢正常運行之后，按給定的初始值對設備進行參數初始化，等待治療過程的開始。治療程序運行之前，用戶可以通過參數設置模塊修改治療參數，外設驅動程序根據加載的參數配置外設。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過濾波處理后顯示在屏幕上，實現肌電的視覺反饋。

康復治療儀根據用戶的設定參數運行，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。當患者肌電超過預先設定的刺激閾值時，系統按照治療方案給予患者一次電刺激?？祻椭委熈鞒倘鐖D3所示。

GUI是系統與用戶相互交流和溝通的平臺，是系統的重要組成部分。GUI的廣泛應用是當今計算機發展的重大成就之一，他極大地方便了非專業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X取值為10、100、1 000時，所對應的Y值分別為1、2、3。即在X=10~100和X=100~1 000內，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，而且設計成1min剛好顯示1屏治療數據的方式。這樣使患者既能觀察到一段時間內的治療情況，也有較充裕的時間來主動活動患肢，能誘發NMES進行治療，而不會因為顯示過快等造成視覺和身體的疲勞。主界面的設計結果如圖4所示。

便攜式腦卒中康復儀采用了嵌入式ARM-Linux系統及Qt/Ebedded開發設計，與目前國內外同類儀器相比較，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醫院、鄉鎮醫院甚至患者家庭使用，符合我國醫療衛生改革的發展要求。

系統實現了在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均能達到預期水平；圖形用戶界面簡便友好、操作方便，人機交互效果良好，完全能滿足腦卒中康復系統要求，達到了預期效果。