張雪芹　葉志明　孟凡利　劉華波

摘要：為了滿足腦卒中出院患者對居家康復(fù)治療及復(fù)發(fā)預(yù)警監(jiān)測的需求，設(shè)計集治療、人體生理信號采集和數(shù)據(jù)分析、預(yù)警等多功能為一體的家用腦卒中治療及遠程監(jiān)測系統(tǒng)。首先，基于經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)設(shè)計治療儀，輸出恒定、精確的直流電，其次，開發(fā)智能手環(huán)作為輔助監(jiān)測設(shè)備，實時記錄患者心率等數(shù)據(jù)，通過藍牙將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機APP，最后，通過手機APP匯總治療記錄以及生命體征數(shù)據(jù)上傳至云端做進一步分析，用于調(diào)整治療方案或進行腦卒中復(fù)發(fā)預(yù)警。設(shè)計結(jié)果表明，所設(shè)計的系統(tǒng)不僅滿足康復(fù)治療需求，且治療儀刺激電流控制精度指標(biāo)優(yōu)于國外設(shè)備，同時實現(xiàn)了云端和設(shè)備端的互聯(lián)互通。所設(shè)計系統(tǒng)為腦卒中個性化治療、復(fù)發(fā)預(yù)警和大數(shù)據(jù)庫建立提供了系統(tǒng)的解決方案，對于實現(xiàn)腦卒中患者的居家治療具有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：自動化技術(shù)應(yīng)用;腦卒中;經(jīng)顱直流電刺激;藍牙通信;APP;遠程監(jiān)測

中圖分類號：TP273文獻標(biāo)識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx02003

Design of stroke treatment and remote monitoring system

ZHANG Xueqin YE Zhiming MENG Fanli LIU Huabo

（1School of Automation，Qingdao University，Qingdao，Shandong 266071，China;2Shandong Key Laboratory of Industrial Control Technology，Qingdao，Shandong 266071，China）

Abstract：In order to meet the needs of home-based rehabilitation treatment and recurrence pre-warning monitoring of discharged stroke patients，a home-based stroke treatment and remote monitoring system integrating treatment，human physiological signal acquisition and data analysis，pre-warning and other functions was designedFirstly，the therapeutic instrument was designed based on transcranial direct current stimulation technology to output constant and accurate direct currentSecondly，the smart bracelet was developed as an auxiliary monitoring device to record the patient′s heart rate and other data in real time，and the data was sent to the mobile APP through bluetoothFinally，the treatment records and vital signs data of patients were uploaded to the cloud database through mobile APP for further analysis，which was used to adjust the treatment plan or pre-warning of stroke recurrenceThe design results show that the system not only meets the needs of rehabilitation treatment of stroke patients，but also excels the foreign equipment in the aspect of stimulation current control accuracy index of the therapeutic instrumentAt the same time，the interconnection between cloud and equipment is realizedThe system provides a systematic solutions for personalized treatment of stroke，recurrence pre-warning and the establishment of large databaseIt has important practical significance in the home treatment of stroke patients

Keywords：automatics application;stroke;transcranial direct current stimulation;bluetooth communication;APP;remote monitoring

腦卒中是由于腦部血管阻塞或血管突然破裂而引起的腦組織損傷疾病，包括缺血性腦卒中和出血性腦卒中2種類型，其中缺血性腦卒中所占比例高達80%[1-2]，具有發(fā)病率高、死亡率高、致殘率高、復(fù)發(fā)率高、經(jīng)濟負擔(dān)高5大特點。目前，由于腦卒中導(dǎo)致的人口死亡率逐年增高[3]，報告顯示，腦卒中已成為60歲以上人群致死、致殘首位病因[4]。20世紀(jì)90年代，REYNOLDS等[5]從成年小鼠紋狀體中成功分離出尚未分化的神經(jīng)干細胞（neural stem cells，NSC），研究發(fā)現(xiàn)，其不僅具有增殖、分化能力并且植入后超敏反應(yīng)的出現(xiàn)率極低。自此，應(yīng)用NSC的增殖、遷移和分化能力治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷成為神經(jīng)科研究的熱點。歷年來，神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者們通過對成熟哺乳動物的神經(jīng)系統(tǒng)進行大量研究證明，雖然缺血性腦損傷后NSC的增殖活性會被激發(fā)，但增殖水平有限，利用其自身的增殖、分化能力不足以建立新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6-8]。經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）是通過電極向顱內(nèi)特定腦區(qū)施加恒定、低強度的直流電（≤2 mA），調(diào)節(jié)大腦皮層神經(jīng)元電活動的一種無創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)[9]。臨床研究顯示，采用tDCS技術(shù)可以改善缺血性腦卒中患者的運動功能[10]、失語癥[11]以及吞咽[12]等功能。大量研究表明，tDCS可激發(fā)腦缺血損傷后體內(nèi)固有的NSC增殖、遷移和定向分化，從而促進神經(jīng)再生并對病變部位進行修復(fù)[13-16]。

針對腦卒中出院病人康復(fù)周期長、缺乏專業(yè)有效的家用康復(fù)器械以及復(fù)發(fā)率高2個痛點問題，研制基于tDCS技術(shù)和云端的集治療和復(fù)發(fā)預(yù)警等多功能為一體的全新無創(chuàng)、數(shù)字化、智能化可穿戴家用腦卒中治療及監(jiān)測系統(tǒng)。腦卒中出院患者在家中進行治療的同時，該系統(tǒng)可以記錄患者的治療數(shù)據(jù)，監(jiān)控、收集和分析患者心率、血壓和腦電數(shù)據(jù)，記錄結(jié)果將上傳至云端數(shù)據(jù)庫，便于醫(yī)護人員及時、有效地分析病情，調(diào)整治療方案或進行腦卒中復(fù)發(fā)預(yù)警，為腦卒中個性化治療、復(fù)發(fā)預(yù)警和大數(shù)據(jù)庫建立提供系統(tǒng)解決方案。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本文設(shè)計的治療及監(jiān)測系統(tǒng)包括治療儀、監(jiān)測手環(huán)、智能移動終端手機APP以及預(yù)警中心平臺4部分。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示，治療儀基于tDCS技術(shù)，輸出符合參數(shù)設(shè)定的直流電流，并在觸摸屏上顯示當(dāng)前實際輸出電流值，治療完成后將本次運行數(shù)據(jù)存儲在串口屏SD卡中，當(dāng)手機和設(shè)備通過藍牙連接后，刺激器會將本地保存的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機端;監(jiān)測手環(huán)用于采集心率等生理數(shù)據(jù)，并通過藍牙將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機端;手機APP匯總治療儀和手環(huán)上傳的數(shù)據(jù)，通過移動網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到云端分析預(yù)警中心，云端將接收到的心率數(shù)據(jù)、治療數(shù)據(jù)、治療方案等信息進行存儲、顯示并進行大數(shù)據(jù)分析處理，通過手機APP將為患者定制新的治療方案下傳到刺激器，并設(shè)置心率預(yù)警值，當(dāng)心率過高或過低時觸發(fā)預(yù)警信號，用于提醒醫(yī)生及患者家人，從而實現(xiàn)治療、監(jiān)測、預(yù)警、優(yōu)化治療方案等一系列的閉環(huán)服務(wù)功能。

2監(jiān)測手環(huán)設(shè)計

監(jiān)測手環(huán)用于獲取人體生命體征數(shù)據(jù)，為遠程醫(yī)療監(jiān)控提供更全面的信息。手環(huán)主體主要包括微處理器、心率傳感器、OLED顯示模塊、藍牙通信模塊以及電源電路。心率（BPM）指的是1 min內(nèi)的心跳次數(shù)，可以通過測量相鄰兩次脈搏的時間間隔（即IBI，單位：ms），再用1 min除以這個間隔得出心率，即：BPM=60 000/IBI。這樣的好處是可以實時計算脈搏，效率高。監(jiān)測手環(huán)使用PulseSensor傳感器進行心率采集，傳感器對光電信號進行濾波、放大，最終輸出模擬電壓值[17]。單片機通過將采集到的模擬信號值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過計算就可以得到心率數(shù)值。主要代碼如下。

//讀取AD轉(zhuǎn)換值

readData=ADC_ConvertedValue;

//保存當(dāng)前脈沖狀態(tài)

PRE_PULSE = PULSE;

//檢測到1次有效脈搏

[HJ17mm]

if（PRE_PULSE == FALSE && PULSE == TRUE）

{

pulseCount++;

pulseCount%=2;

If（pulseCount == 1）

//記錄第1次脈搏時間

{firstTimeCount = timeCount;}

If（pulseCount == 0）

//記錄第2次脈搏時間

{secondTimeCount = timeCount;

timeCount = 0;}

}

if（（secondTimeCount > firstTimeCount））

{

//計算相鄰2次脈搏的時間，得到IBI

IBI=（secondTimeCount-firstTimeCount） SAMPLE_PERIOD;

//通過IBI得到心率值BPM

BPM = 60000 / IBI;

}

3治療儀設(shè)計

治療儀包含上位機和下位機兩部分。上位機采用陶晶馳醫(yī)療級USART HMI智能串口屏作為控制核心[18]，其自身搭載的處理器可以實現(xiàn)顯示、觸控、定時器、中斷、串口通信等服務(wù)事項，內(nèi)部功能強大。下位機由單片機最小系統(tǒng)、恒流控制電路、電流檢測電路、藍牙模塊以及電源電路等部分構(gòu)成。上位機和下位機之間采用串口通信?？傮w設(shè)計方案如圖2所示。

3.1治療儀恒流模塊硬件設(shè)計

根據(jù)常規(guī)用于腦卒中治療的tDCS刺激參數(shù)[19-21]（刺激電流強度≤2 mA，刺激時長≤40 min），治療儀恒流輸出模塊采用負反饋H橋電路與壓控恒流源電路結(jié)合的方式，如圖3所示。刺激模式由H橋電路控制，當(dāng)設(shè)置左側(cè)為陽極刺激模式、右側(cè)為陰極刺激模式時，Q1和Q5導(dǎo)通，Q2和Q6關(guān)斷，電流由左電極流向右電極;反之，Q2和Q6導(dǎo)通，Q1和Q5關(guān)斷，電流由右電極流向左電極。以左半橋為例，單片機根據(jù)設(shè)定電流值調(diào)整PWM占空比[22]，經(jīng)RC濾波輸出為V，根據(jù)運放的特性，有：

由式（2）可知，電路實際輸出電流I由輸入電壓V和精密采樣電阻阻值確定，不隨負載的變化而變化，從而實現(xiàn)壓控恒流。為保證輸出電流的精度和穩(wěn)定性，在下橋臂場效應(yīng)管Q2及Q5前端采用開環(huán)增益高、輸出阻抗低的運算放大器，采樣電阻R6及R11選用0.1%精度的精密電阻。

3.2藍牙模塊硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用的藍牙通信模塊是基于Dialog公司最低功耗DA14580芯片研發(fā)的E104-BT02藍牙模塊。該藍牙模塊自帶PCB板載天線，無需外接天線，是一款串口轉(zhuǎn)BLE 模塊，可使用串口收發(fā)藍牙數(shù)據(jù)，降低了藍牙應(yīng)用的門檻，且支持BLE 4.2協(xié)議，簡單配置后可與符合藍牙4.2協(xié)議的主機建立藍牙連接，實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)透傳。藍牙模塊連接示意圖如圖4所示，STC15W4K48S4單片機的P0.0（RXD3），P0.1（TXD3）分別連接藍牙模塊E104-BT02的引腳TXD，RXD，實現(xiàn)刺激器與手機APP之間無線通信。

3.3上位機程序設(shè)計

上位機程序設(shè)計主要包括用戶界面設(shè)計、串口通信程序設(shè)計、電流曲線繪制程序設(shè)計、數(shù)據(jù)存儲等。上位機中存儲醫(yī)生制定的6種固定治療方案，使用時可以直接選擇。當(dāng)治療儀與手機APP連接時，預(yù)警中心平臺會通過手機APP將最新的治療方案推送到治療儀。治療開始時，上位機不斷監(jiān)測下位機發(fā)送的實際電流數(shù)據(jù)，并在監(jiān)控界面繪制電流曲線。當(dāng)電流超出報警值時，上位機觸發(fā)報警信息并向下位機發(fā)送停止輸出電流命令。治療結(jié)束后保存治療數(shù)據(jù)至本地SD卡。

3.4下位機控制程序設(shè)計

下位機程序設(shè)計主要分為主程序、中斷服務(wù)子程序、定時器子程序、串口中斷子程序、壓控恒流輸出子程序、電流檢測子程序等。下位機串口中斷程序流程圖如圖5所示。

4手機APP設(shè)計

手機APP設(shè)計是利用Google推出的一款在線開發(fā)手機APP的軟件工具App Inventor[23]。該工具拋棄復(fù)雜的程式代碼，通過圖形化積木式的拖放組件來完成APP開發(fā)。設(shè)計完成后直接生成下載鏈接二維碼，掃描后進行下載安裝。手機APP主要包含心率數(shù)據(jù)查看和治療儀控制兩部分。如圖6所示，心率數(shù)據(jù)查看界面用于顯示監(jiān)測手環(huán)上傳的心率數(shù)據(jù)，手機APP通過移動網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至預(yù)警中心平臺。治療儀控制器界面兼具治療儀上位機的功能，通過藍牙連接治療儀后，可以控制治療儀的工作狀態(tài)、采集治療數(shù)據(jù)、查看歷史數(shù)據(jù)、查看/刪除/更新治療方案以及將數(shù)據(jù)上傳預(yù)警中心平臺等。

5實物制作與功能測試

治療儀樣機外殼采用SketchUp軟件建模，通過3D打印制作，外殼大小為22.3 cm×12.5 cm×3.8 cm（W×D×H），如圖7所示。

利用式（3）計算輸出的刺激電流誤差r。結(jié)果表明刺激電流誤差絕對值不超過0.37%，與德國Neuro Conn公司研發(fā)的用于腦卒中治療的直流電刺激器CX-6650的電流輸出精度0.50%相比，本設(shè)備控制精度提高了0.13%。

其次測試云端監(jiān)測系統(tǒng)，云平臺采用開放平臺OneNET[24]，客戶端軟件應(yīng)用Visual studio 2010的開發(fā)環(huán)境，C++語言編寫，測試步驟如下。

進入OneNET開發(fā)者中心，添加設(shè)備，選擇設(shè)備接入?yún)f(xié)議，為設(shè)備設(shè)置名稱和參數(shù)、添加數(shù)據(jù)流，OneNET自動為設(shè)備分配設(shè)備ID和設(shè)備key。

1）手機端配置服務(wù)器URL：api.Heclouds.com，端口號：80，建立TCP連接。

2）打開手機藍牙，同時設(shè)備進入綁定手機界面，運行手機APP，搜索從機藍牙SSID，將手機和設(shè)備通過藍牙連接。

3）連接成功后手機APP即通過http協(xié)議將收集的心率、治療數(shù)據(jù)、歷史記錄等信息上傳到云平臺。

4）進入預(yù)警中心平臺查看上傳數(shù)據(jù)。

預(yù)警中心平臺如圖8所示。

6結(jié)語

本系統(tǒng)將經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)應(yīng)用在腦卒中患者的康復(fù)治療當(dāng)中，與市場上經(jīng)顱直流電刺激設(shè)備相比，具有體積小巧、便于攜帶、用戶界面友好、控制精度更高等優(yōu)點。除此之外，設(shè)備結(jié)合移動終端和互聯(lián)網(wǎng)云端，實現(xiàn)了集腦卒中治療與預(yù)警一體化的技術(shù)創(chuàng)新，適合腦卒中出院患者居家進行康復(fù)治療。

經(jīng)過測試，設(shè)備已實現(xiàn)既定功能，但目前處于研發(fā)階段，尚未應(yīng)用于臨床，下一步將應(yīng)用于臨床，進一步完成臨床大數(shù)據(jù)分析和治療有效性分析，力圖達到以低成本獲得良好康復(fù)治療效果的目的。

參考文獻/References：

[1]蘇曉梅，張丹參星形膠質(zhì)細胞線粒體作為缺血性腦卒中治療靶點的探討[J].河北科技大學(xué)學(xué)報，2021，42（4）：400-409SU Xiaomei，ZHANG DanshenDiscussion of astrocytic mitochondria as a therapeutic target for ischemic stroke[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2021，42（4）：400-409.

[2]ZHANG?Jinjing，ZHU Juanjuan，HU Yuanbo，et alTransplantation of bFGF-expressing neural stem cells promotes cell migration?and functional recovery in rat brain after transient ischemic?stroke[J].Oncotarget，2017，8（60）：102067-102077.

[3]中國心血管健康與疾病報告編寫組中國心血管健康與疾病報告2019概要[J].中國循環(huán)雜志，2020，35（9）：833-854The Writing Committee of the Report on Cardiovascular Health and Diseases in ChinaReport on cardiovascular health and diseases in China 2019：An updated summary[J]Chinese Circulation Journal，2020，35（9）：833-854.

[4]VIRANI?S S，ALONSO A，BENJAMIN E J，et alHeart disease and stroke statistics-2020 update：A report from the American?heart association[J].Circulation，2020，141（9）：e139-e596.

[5]REYNOLDS?B A，WEISS SGeneration of neurons and astrocytes from isolated cells of the adult mammalian central nervous system[J].Science，1992，255（5052）：1707-1710.

[6]RICE?A C，KHALDI A，HARVEY H B，et alProliferation and neuronal differentiation of mitotically active cells following traumatic brain injury[J].Experimental Neurology，2003，183（2）：406-417.

[7]ZHANG?Y，PARDRIDGE W MBlood-brain barrier targeting of BDNF improves motor function in rats with middle cerebral artery occlusion[J].Brain Research，2006，1111（1）：227-229.

[8]BOLDRINI?M，F(xiàn)ULMORE C A，TARTT A N，et alHuman hippocampal neurogenesis persists throughout aging[J].Cell Stem Cell，2018，22（4）：589-599.

[9]黃可馨，李思穎，李素素，等用于動物實驗的經(jīng)顱直流刺激儀研制[J].傳感器與微系統(tǒng)，2018，37（8）：72-75HUANG Kexin，LI Siying，LI Susu，et alResearch and fabrication of transcranial direct current stimulation device for animal experiments[J].Transducer and Microsystem Technologies，2018，37（8）：72-75.

[10]LEE?J，PARK E，LEE A，et alModulating brain connectivity by simultaneous dual-mode stimulation over bilateral primary motor cortices in subacute stroke patients[J].Neural Plasticity，2018，2018：1458061.

[11]MARANGOLO?PThe potential effects of transcranial direct current stimulation （tDCS） on language functioning：Combiningneuromodulation and behavioral intervention in aphasia[J].Neuroscience Letters，2020，719：133329.

[12]SUNTRUP-KRUEGER S，RINGMAIER C，MUHLE P，et alRandomized trial of transcranial direct current stimulation for poststroke dysphagia[J].Annals of Neurology，2018，83（2）：328-340.

[13]LI?Lei，el HAYEK Y H，LIU Baosong，et alDirect-current electrical?field guides neuronal stem/progenitor cell migration[J].Stem Cells，2008，26（8）：2193-2200.

[14]芮剛，張克英，郭玲，等經(jīng)顱直流電刺激促進缺血性腦卒中大鼠海馬區(qū)神經(jīng)發(fā)生[J]神經(jīng)解剖學(xué)雜志，2018，34（6）：672-678RUI Gang，ZHANG Keying，GUO Ling，et alTranscranial direct current stimulation promoted neurogenesis in hippocampus of rats after ischemic stroke[J].Chinese Journal of Neuroanatomy，2018，34（6）：672-678.

[15]FENG?Junfeng，LIU Jing，ZHANG Lei，et alElectrical guidance of human stem cells in the rat brain[J].Stem Cell Reports，2017，9（1）：177-189.

[16]張克英tDCS對缺血性腦卒中大鼠運動功能康復(fù)的促進作用及機制研究[D].西安：中國人民解放軍空軍軍醫(yī)大學(xué)，2018ZHANG KeyingThe Mechanism and Rehabilitation Effect of tDCS on Motor Function Deficit after Ischemic Stroke[D].Xi′an：Air Force Medical University，2018.

[17]呂洋獨居老人生命體征遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子制作，2021（9）：82-84.

[18]衛(wèi)建華，劉文玥，徐薇，等基于USART HMI的空氣質(zhì)量測量系統(tǒng)的設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2020，39（1）：77-81WEI Jianhua，LIU Wenyue，XU Wei，et alDesign of air quality measurement system based on USART HMI[J].Foreign Electronic Measurement Technology，2020，39（1）：77-81.

[19]BIKSON?M，GROSSMAN P，THOMAS C，et alSafety of transcranial direct current stimulation：Evidence based update 2016[J].Brain Stimulation，2016，9（5）：641-661.

[20]NITSCHE?M A，BIKSON MExtending the parameter range for tDCS：Safety and tolerability of 4 Ma stimulation[J].Brain Stimulation，2017，10（3）：541-542.

[21]ZHAO?Haichao，QIAO Lei，F(xiàn)AN Dongqiong，et alModulation of brain activity with noninvasive transcranial direct current stimulation （tDCS）：Clinical applications and safety concerns[J].Frontiers in Psychology，2017，8：685.

[22]徐秀林，周岳平，張東衡，等基于單片機控制的腦卒中康復(fù)治療儀的設(shè)計[J].微計算機信息，2010，26（26）：94-97XU Xiulin，ZHOU Yueping，ZHANG Dongheng，et alDesign of the rehabilitative apparatus for stroke based on the control of SCM[J].Microcomputer Information，2010，26（26）：94-97.

[23]吳明暉App Inventor：零基礎(chǔ)Android移動應(yīng)用開發(fā)[M].北京：高等教育出版社，2018.

[24]熊強強，尹建平，徐文磊，等一種基于onenet云平臺的老人安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2019（6）：45-49XIONG Qiangqiang，YIN Jianping，XU Wenlei，et alDesign and implementation of an elderly security monitoring system based on onenet cloud platform[J].Industrial Instrumentation & Automation，2019（6）：45-49.