【作　者】顧琳燕，阮兆明，賈桂鋒，夏　靜，裘利堅，吳長旺，金肖青，寧鋼民

1 浙江大學，杭州市，310027

2 浙江醫(yī)院，杭州市，310027

3 江蘇德長醫(yī)療科技有限公司，常熟市，215513

輔以功能電刺激的實時步態(tài)訓練與反饋分析系統(tǒng)

【作者】顧琳燕1，阮兆明2，賈桂鋒1，夏靜1，裘利堅1，吳長旺3，金肖青2，寧鋼民1

1 浙江大學，杭州市，310027

2 浙江醫(yī)院，杭州市，310027

3 江蘇德長醫(yī)療科技有限公司，常熟市，215513

該文研究設(shè)計了同步實現(xiàn)足下垂患者步態(tài)訓練和康復評估的綜合系統(tǒng)，以解決目前存在的足下垂治療與步態(tài)分析分離的不足。系統(tǒng)采用多傳感器采集各運動部位的參數(shù)，并設(shè)計了多重模式的功能性電刺激裝置，引入了體域網(wǎng)技術(shù)協(xié)調(diào)傳感器和刺激器的數(shù)據(jù)通訊及控制，同步實現(xiàn)步態(tài)實時分析與足下垂治療。體域網(wǎng)應用了藍牙4.0技術(shù)以降低系統(tǒng)功耗。系統(tǒng)實現(xiàn)了治療與評估的同步，能夠?qū)崟r采集并分析訓練時踝、膝、髖等部位運動參數(shù)，并同時對患病部位進行功能性電刺激治療。

足下垂步態(tài)分析；體域網(wǎng)；功能電刺激；低功耗

0　引言

步態(tài)是人類步行的行為特征，與人類的行為習慣、年齡、性別等多種因素有關(guān)，同時也受到人體自身疾病的影響[1]。步行的控制包括了中樞命令、身體平衡及協(xié)調(diào)控制，以及下肢各關(guān)節(jié)和肌肉的協(xié)同運作，過程非常復雜，而其中任何一個環(huán)節(jié)的失調(diào)都可能影響步行與步態(tài)。

腦卒中、腦外傷和脊髓損傷等中樞神經(jīng)損傷會造成足下垂，主要表現(xiàn)為踝關(guān)節(jié)不能背屈[2]，并常與足內(nèi)翻、足外翻同時存在。這些運動功能性障礙使患者在步行時出現(xiàn)異常步態(tài)，表現(xiàn)為下肢的步行能力較弱，穩(wěn)定性較差[3]。而下肢的步行能力影響著患者的獨立生活能力，因而，對于足下垂的治療是至關(guān)重要的。足下垂常規(guī)療法主要有：足部溫熱療法、康復鍛煉、針刺與按摩[4]、佩戴支具[5]、手術(shù)治療以及功能性電刺激[6]等。功能性電刺激(Functional Electrical Stimulation，F(xiàn)ES)屬于神經(jīng)肌肉刺激，是利用一定強度的低頻脈沖電流，通過預先設(shè)定的程序來刺激一組或者多組肌肉。

步態(tài)分析是指測量和描述運動中人體的骨骼肌肉功能并進行定量評估[7]，旨在通過生物力學和運動學方法，揭示步態(tài)異常的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和影響因素，從而指導康復評估和治療，有助于臨床診斷和療效評估等[1]。三維步態(tài)分析是一種新興的步態(tài)分析手段，具有客觀、定量、準確的特點，因而正被逐步廣泛的用于骨科康復和神經(jīng)康復等領(lǐng)域。

將足下垂治療與步態(tài)分析結(jié)合，可以動態(tài)評估療效，實時調(diào)整治療策略，從而提高康復質(zhì)量。然而，現(xiàn)有研究存在治療與步態(tài)分析分離的缺陷，即使在治療時同步記錄患者步行參數(shù)，但治療裝置和檢測裝置往往相互獨立，有各自的控制系統(tǒng)及通訊系統(tǒng)，因此難以依據(jù)步態(tài)分析結(jié)果即時調(diào)整治療。

針對以上問題，我們提出了基于體域網(wǎng)(Body Area Network，BAN)[8-9]技術(shù)同步足下垂治療與步態(tài)評估的方案，可實時同步完成足下垂治療與步態(tài)分析等功能。體域網(wǎng)由人體傳感器及其通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成[8]，提供了一個集成硬件、軟件和無線通信技術(shù)的泛在計算機平臺，主要應用于綜合生理信號檢測。本研究應用體域網(wǎng)技術(shù)集成了功能電刺激模塊、步態(tài)檢測模塊、控制與通信模塊，實現(xiàn)了附著于人體的各功能模塊間的相互信息交換[10]，以及體域網(wǎng)與外部計算機的通信管理。

1　系統(tǒng)設(shè)計

1.1三維步態(tài)分析系統(tǒng)整體設(shè)計結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要應用于醫(yī)院和康復機構(gòu)，對腓總神經(jīng)及脛骨前肌進行功能性電刺激治療足下垂(足內(nèi)翻、足外翻，同時也可刺激股四頭肌、上肢肌肉等以輔助膝關(guān)節(jié)和手的協(xié)調(diào)運動幫助患者行走訓練)，并檢測患者步行時的步態(tài)參數(shù)從而對訓練效果進行反饋。系統(tǒng)基于體域網(wǎng)設(shè)計，在硬件層面，依據(jù)體域網(wǎng)強調(diào)身體傳感器的輕量、無創(chuàng)、無線通信和低功耗[11]，低功耗是主要的技術(shù)要求[12]。系統(tǒng)的硬件部分主要包括，由步態(tài)觸發(fā)的功能性電刺激器、三維運動傳感器，以及下位機控制中心編程器和計算機。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　步態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of gait system

體域網(wǎng)通信可從廣義上分為三個部分：Intra-BAN，Inter-BAN以及Beyond-BAN[13]。Intra-BAN主要指人體周圍2 m范圍內(nèi)的硬件部分通信[13]，具體包括：①體表所有傳感器之間的通信；②體表傳感器與外部處理器之間的通信。Inter-BAN是指人體傳感器或處理中心與計算機等其他設(shè)備間的通信。Beyond-BAN是指計算機互聯(lián)網(wǎng)通信。系統(tǒng)目前未涉及數(shù)據(jù)上傳，因而分為兩個部分，Intra-BAN以及Inter-BAN。Intra-BAN保證了附著于人體的各功能模塊間的相互信息交換，利用處理中心編程器方便了管理，使得各獨立模塊與后續(xù)模塊通信優(yōu)化。Inter-BAN則用于實現(xiàn)體域網(wǎng)與外部計算機的通信管理。

1.2佩戴式硬件系統(tǒng)

在體域網(wǎng)的定義中，體域網(wǎng)的節(jié)點主要是指傳感器，但是在本設(shè)計中，人體體表不僅僅只放置了傳感器，還存在促動器[9]，促動器根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)對人體進行反饋刺激。促動器在本系統(tǒng)中即刺激器。體域網(wǎng)節(jié)點通過編程器進行管理控制。

基層城關(guān)鎮(zhèn)站(辦)所在中國行政體制當中屬于股級建制，站(辦)所長相當于股長。股長還是科員，只是資歷較老，工作經(jīng)驗豐富，同時是基層站(辦)所的直接負責人，掌握一定的資源與權(quán)力。站(辦)所長的管理方式直接決定著基層干部職工做事的積極性，其中最忌諱的就是獨裁式管理，獨斷專行、一人獨大。反之，“要求別人做的自己首先要做到,要求別人不做的自己堅決不做”[9]12-15，不能妄自尊大但也不能放任自流，遇事應當民主管理，共同協(xié)商。

系統(tǒng)傳感器采用加速度傳感器和陀螺儀、磁力計的結(jié)合，因為單獨的陀螺儀與加速度傳感器有時不能得到最優(yōu)姿態(tài)角度。評估足下垂時，傳感器主要放置在足背部。采集運動中足背部在三維方向的運動參數(shù)，可計算背屈角度，內(nèi)、外翻角度和內(nèi)、外八字角度。在開始測試前，傳感器采集患者的標準體位下各參數(shù)作為參考值，通過運動過程中采集到的各值與參考值的差值計算出各參數(shù)值。

系統(tǒng)刺激器主要由兩部分構(gòu)成：電流輸出控制裝置和電流傳輸電極。電流輸出控制裝置包括電刺激模塊和觸發(fā)控制模塊。本研究中，在大腿和小腿各放置了電刺激模塊。每個電刺激模塊各自可連接多個電極，形成電流回路。

觸發(fā)控制模塊檢測到患者患腿邁步時，輸出觸發(fā)信號給腿部電刺激模塊，腿部電刺激模塊輸出電刺激至腿部電極，對有功能障礙肌群和神經(jīng)進行電刺激，增強和改善肌肉活動能力，幫助患者進行運動。觸發(fā)控制模塊在檢測到患腿停止邁步時，輸出刺激停止信號給腿部電刺激模塊，腿部電刺激模塊停止產(chǎn)生電刺激。大腿部電刺激模塊先輸出使膝蓋彎曲的大腿背面電刺激，再輸出使膝蓋伸展邁步的大腿正面電刺激。刺激器的電流大小經(jīng)由編程器控制，肌群功能相對較弱時可增大刺激電流。

編程器是本系統(tǒng)的一個數(shù)據(jù)交換中心和控制節(jié)點，向下控制刺激器與傳感器并接收體域網(wǎng)各節(jié)點的數(shù)據(jù)，向上通過藍牙與計算機進行通信。通過編程器可選擇不同通道傳感器和刺激器，并設(shè)置刺激器的刺激強度。一個編程器可與多個傳感器與刺激器進行通信。

1.3體域網(wǎng)通信

系統(tǒng)通信包括兩個部分，Intra-BAN通信和Inter-BAN通信。Intra-BAN的通信方式主要有：有線通信、紫峰通信等。系統(tǒng)的Intra-BAN主要采用紫峰通信。紫峰技術(shù)是目前傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的主流通信。Inter-BAN通信即編程器與計算機的通信，強調(diào)通信的低功耗以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，因而我們采用低功耗藍牙4.0。

編程器端使用低功耗藍牙4.0，計算機端使用藍牙Dongle與之通信。藍牙Dongle利用USB無線連接，簡單快速地使計算機增加藍牙4.0模塊。在計算機內(nèi)部，藍牙Dongle映射為一個串口，計算機通過對串口進行操作來控制藍牙Dongle，并讀取藍牙Dongle所接收數(shù)據(jù)。編程器與計算機之間的數(shù)據(jù)通信，即藍牙4.0的通信，最快可在3毫秒內(nèi)完成連接并開始傳輸數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)的通信指令主要根據(jù)藍牙4.0的高效通信流程建立，連接過程必須經(jīng)過“握手操作”。首先計算機上層軟件部分向串口發(fā)送查詢命令，查詢藍牙Dongle狀態(tài)，當Dongle狀態(tài)處于“OK”時，開始掃描請求，并返回所有可用設(shè)備的名稱地址和個數(shù)，然后對可用設(shè)備進行選擇連接，連接成功后返回已連接狀態(tài)。

藍牙傳輸遵從自定義協(xié)議。協(xié)議由校驗頭、通道號、傳感器數(shù)據(jù)、校驗尾組成。校驗頭與校驗尾用于標記一幀完整數(shù)據(jù)，通道號表征所傳感器編號，傳感器數(shù)據(jù)包括XYZ三個參數(shù)。

1.4軟件系統(tǒng)設(shè)計

計算機上位軟件主要接收并處理來自體域網(wǎng)的數(shù)據(jù)。包括各參數(shù)波形的實時顯示以及數(shù)值實時計算等。同時可查看患者歷史記錄并生成報告。

軟件系統(tǒng)主要分為三個部分，分別為：步態(tài)實時分析部分、歷史記錄部分和系統(tǒng)設(shè)置部分。其中步態(tài)實時分析部分與歷史記錄部分的主要流程如圖2所示。

圖2　步態(tài)系統(tǒng)流程圖。Fig.2　The flow chart of gait training system.

在實時步態(tài)分析與歷史記錄中，軟件系統(tǒng)主要包含以下參數(shù)：左、右踝的背屈趾屈、內(nèi)翻外翻、內(nèi)八外八角度，左、右髖和膝的外內(nèi)、前后、上下角度，左右腳的站立相和擺動相時間，起步角、落地角以及跨步均勻度和左右均勻度等。實時步態(tài)分析過程中，系統(tǒng)可同時顯示六個通道數(shù)據(jù)波形。

步態(tài)軟件系統(tǒng)管理部分主要控制管理藍牙Dongle，通過指令集操作來改變藍牙工作狀態(tài)。

圖3　系統(tǒng)實樣Fig.3　The prototype

2　系統(tǒng)實現(xiàn)

基于上述原則，本研究設(shè)計了完整的三維步態(tài)訓練系統(tǒng)，硬件部分包括傳感器、刺激器、編程器及基于體域網(wǎng)的通信機制。由江蘇德長醫(yī)療科技有限公司最終研制的系統(tǒng)實樣如圖3所示，表1給出了系統(tǒng)硬件部分主要性能指標。在上位機開發(fā)了較為完善的界面，可對下位機進行控制，以功能電刺激方式幫助患者進行步態(tài)訓練，可記錄患者在步態(tài)訓練過程中的參數(shù)，如足背屈角度、足內(nèi)翻角度、足外翻角度、起步角度、落地角度、跨步均勻度、左右均勻度、站立時間、擺動時間和總步數(shù)等。并能實時顯示左、右踝的背屈趾屈、內(nèi)翻外翻、內(nèi)八外八角度波形，左、右髖的外內(nèi)、前后、上下角度波形，左、右膝的外內(nèi)、前后、上下角度波形等。醫(yī)護人員可對記錄的信號和參數(shù)進行回放和分析，對訓練效果進行評價并及時調(diào)整治療策略。軟件界面如圖4所示。

表1　系統(tǒng)主要性能指標Tab.1　The main properties index of the system

3　結(jié)論

本研究設(shè)計的一種基于體域網(wǎng)的帶有功能性電刺激的足下垂治療和步態(tài)分析系統(tǒng)，具有低功耗、治療與評估實時同步等特點，為足下垂的康復治療和步態(tài)分析提供了新的方法。今后，結(jié)合足底壓力測試等技術(shù)，該系統(tǒng)可對足下垂和偏癱患者的康復狀況進行更為全面的評估，造福廣大患者。

圖4　軟件主要界面Fig.4　The main interface of the software system

[1] 勵建安, 孟殿懷. 步態(tài)分析的臨床應用[J]. 中華物理醫(yī)學與康復雜志, 2006. 28(7): 500-503.

[2] 黃怡, 萬新爐, 潘翠環(huán), 等. 功能性電刺激對腦卒中足下垂患者步行能力的影響[J]. 神經(jīng)損傷與功能重建, 2014. 9(03): 231-232, 248.

[3] 許光旭, 顧紹欽, 孟殿懷, 等.下肢痙攣偏癱患者的步行效率[J].中國組織工程研究與臨床康復, 2009, 13(11): 2166-2169.

[4] 吳運景, 劉世文, 藺勇. 腦卒中后足下垂的治療方法[J]. 吉林醫(yī)學, 2007, 28(2): 159-161.

[5] Ramdharry GM, Day BL, Reilly MM, et al. Foot drop splints improve proximal as well as distal leg control during gait in Charcot‐Marie‐Tooth Disease[J]. Muscl Nerv, 2012, 46(4): 512-519.

[6] Bogataj U, Gros N, Kljajic M, et al. The rehabilitation of gait in patients with hemiplegia: A comparison between conventional therapy and multichannel functional electrical stimulation therapy[J]. Phys Therapy, 1995, 75(6): 490-502.

[7] Shaban HA, El-Nasr MA, Buehrer RM. Toward a highly accurate ambulatory system for clinical gait analysis via UWB radios[J]. IEEE Trans Inform Tech Biomed, 2010, 14(2): 284-291.

[8] Ouvry L, Zhen B, Cotton S. Body area networks and technologies[J]. Ann Telecommun-annales des télécommunications, 2011, 66(3-4): 137-138.

[9] Latré B, Braem B, Moerman I, et al. A survey on wireless body area networks[J]. Wireless Networks, 2011 17(1): 1-18.

[10] Akyildiz IF, Su W, Sankarasubramaniam Y, et al. Wireless sensor networks: a survey[J]. Computer Networks, 2002, 38(4): 393-422.

[11] Reichman A. Standardization of body area networks[C]. IEEE COMCAS, 2009, 1-4.

[12] Patel M,Wang J, Applications, challenges, and prospective in emerging body area networking technologies[J]. IEEE Wireless Communications, 2010, 17(1): 80-88.

[13] Chen M, Gonzalez S, Vasilakos A, et al. Body area networks: a survey[J]. Mobile Networks Appl, 2011, 16(2): 171-193.

[14] Yu B, Xu L, Li Y. Bluetooth low energy (BLE) based mobile electrocardiogram monitoring system[C]. IEEE ICIA, 2012. 763-767.

[15] Puccinelli D, Haenggi M. Wireless sensor networks: applications and challenges of ubiquitous sensing[J]. IEEE Circuit Syst Mag, 2005, 5(3): 19-31.

Real-time Gait Training System with Embedded Functional Electrical Stimulation

【 Writers 】GU Linyan1, RUAN Zhaomin2, JIA Guifeng1, XIA Jing1, QIU Lijian1, WU Changwang3, JIN Xiaoqing2, NING Gangmin1
1 Zhejiang University, Hangzhou, 310027
2 Zhejiang Hospital, Hangzhou, 310027
3 Jiangsu DeChang Medical Science Co. Ltd., Changshu, 215513

To solve the problem that mostly gait analysis is independent from the treatment, this work proposes a system that integrates the functions of gait training and assessment for foot drop treatment. The system uses a set of sensors to collect gait parameters and designes multi-mode functional electrical stimulators as actuator. Body area network technology is introduced to coordinate the data communication and execution of the sensors and stimulators, synchronize the gait analysis and foot drop treatment. Bluetooth 4.0 is applied to low the power consumption of the system. The system realizes the synchronization of treatment and gait analysis. It is able to acquire and analyze the dynamic parameters of ankle, knee and hip in real-time, and treat patients by guiding functional electrical stimulation delivery to the specific body locations of patients.

gait analysis of foot drop, body area network, functional electrical stimulation, low-power consumption

TP242

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.04.005

1671-7104(2015)04-0253-04

2015-05-04

浙江省重大專項(2013C03049-2)；科技部國際合作項目(2014DFT30100)

顧琳燕，E-mail: gulinyan5@163.com

寧鋼民，博士、教授，E-mail: gmning@zju.edu.cn