张雪芹　叶志明　孟凡利　刘华波

摘要：为了满足脑卒中出院患者对居家康复治疗及复发预警监测的需求，设计集治疗、人体生理信号采集和数据分析、预警等多功能为一体的家用脑卒中治疗及远程监测系统。首先，基于经颅直流电刺激技术设计治疗仪，输出恒定、精确的直流电，其次，开发智能手环作为辅助监测设备，实时记录患者心率等数据，通过蓝牙将数据发送至手机APP，最后，通过手机APP汇总治疗记录以及生命体征数据上传至云端做进一步分析，用于调整治疗方案或进行脑卒中复发预警。设计结果表明，所设计的系统不仅满足康复治疗需求，且治疗仪刺激电流控制精度指标优于国外设备，同时实现了云端和设备端的互联互通。所设计系统为脑卒中个性化治疗、复发预警和大数据库建立提供了系统的解决方案，对于实现脑卒中患者的居家治疗具有重要的现实意义。

关键词：自动化技术应用;脑卒中;经颅直流电刺激;蓝牙通信;APP;远程监测

中图分类号：TP273文献标识码：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

脑卒中是由于脑部血管阻塞或血管突然破裂而引起的脑组织损伤疾病，包括缺血性脑卒中和出血性脑卒中2种类型，其中缺血性脑卒中所占比例高达80%[1-2]，具有发病率高、死亡率高、致残率高、复发率高、经济负擔高5大特点。目前，由于脑卒中导致的人口死亡率逐年增高[3]，报告显示，脑卒中已成为60岁以上人群致死、致残首位病因[4]。20世纪90年代，REYNOLDS等[5]从成年小鼠纹状体中成功分离出尚未分化的神经干细胞（neural stem cells，NSC），研究发现，其不仅具有增殖、分化能力并且植入后超敏反应的出现率极低。自此，应用NSC的增殖、迁移和分化能力治疗中枢神经系统损伤成为神经科研究的热点。历年来，神经科学领域的学者们通过对成熟哺乳动物的神经系统进行大量研究证明，虽然缺血性脑损伤后NSC的增殖活性会被激发，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经网络[6-8]。经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）是通过电极向颅内特定脑区施加恒定、低强度的直流电（≤2 mA），调节大脑皮层神经元电活动的一种无创神经调控技术[9]。临床研究显示，采用tDCS技术可以改善缺血性脑卒中患者的运动功能[10]、失语症[11]以及吞咽[12]等功能。大量研究表明，tDCS可激发脑缺血损伤后体内固有的NSC增殖、迁移和定向分化，从而促进神经再生并对病变部位进行修复[13-16]。

针对脑卒中出院病人康复周期长、缺乏专业有效的家用康复器械以及复发率高2个痛点问题，研制基于tDCS技术和云端的集治疗和复发预警等多功能为一体的全新无创、数字化、智能化可穿戴家用脑卒中治疗及监测系统。脑卒中出院患者在家中进行治疗的同时，该系统可以记录患者的治疗数据，监控、收集和分析患者心率、血压和脑电数据，记录结果将上传至云端数据库，便于医护人员及时、有效地分析病情，调整治疗方案或进行脑卒中复发预警，为脑卒中个性化治疗、复发预警和大数据库建立提供系统解决方案。

1系统总体方案设计

本文设计的治疗及监测系统包括治疗仪、监测手环、智能移动终端手机APP以及预警中心平台4部分。系统整体架构如图1所示，治疗仪基于tDCS技术，输出符合参数设定的直流电流，并在触摸屏上显示当前实际输出电流值，治疗完成后将本次运行数据存储在串口屏SD卡中，当手机和设备通过蓝牙连接后，刺激器会将本地保存的数据发送到手机端;监测手环用于采集心率等生理数据，并通过蓝牙将数据发送至手机端;手机APP汇总治疗仪和手环上传的数据，通过移动网络将数据传送到云端分析预警中心，云端将接收到的心率数据、治疗数据、治疗方案等信息进行存储、显示并进行大数据分析处理，通过手机APP将为患者定制新的治疗方案下传到刺激器，并设置心率预警值，当心率过高或过低时触发预警信号，用于提醒医生及患者家人，从而实现治疗、监测、预警、优化治疗方案等一系列的闭环服务功能。

2监测手环设计

监测手环用于获取人体生命体征数据，为远程医疗监控提供更全面的信息。手环主体主要包括微处理器、心率传感器、OLED显示模块、蓝牙通信模块以及电源电路。心率（BPM）指的是1 min内的心跳次数，可以通过测量相邻两次脉搏的时间间隔（即IBI，单位：ms），再用1 min除以这个间隔得出心率，即：BPM=60 000/IBI。这样的好处是可以实时计算脉搏，效率高。监测手环使用PulseSensor传感器进行心率采集，传感器对光电信号进行滤波、放大，最终输出模拟电压值[17]。单片机通过将采集到的模拟信号值转换为数字信号，再通过计算就可以得到心率数值。主要代码如下。

//读取AD转换值

readData=ADC_ConvertedValue;

//保存当前脉冲状态

PRE_PULSE = PULSE;

//检测到1次有效脉搏

[HJ17mm]

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

{

pulseCount++;

pulseCount%=2;

If（pulseCount == 1）

//记录第1次脉搏时间

{firstTimeCount = timeCount;}

If（pulseCount == 0）

//记录第2次脉搏时间

{secondTimeCount = timeCount;

timeCount = 0;}

}

if（（secondTimeCount > firstTimeCount））

{

//计算相邻2次脉搏的时间，得到IBI

IBI=（secondTimeCount-firstTimeCount） SAMPLE_PERIOD;

//通过IBI得到心率值BPM

BPM = 60000 / IBI;

}

3治疗仪设计

治疗仪包含上位机和下位机两部分。上位机采用陶晶驰医疗级USART HMI智能串口屏作为控制核心[18]，其自身搭载的处理器可以实现显示、触控、定时器、中断、串口通信等服务事项，内部功能强大。下位机由单片机最小系统、恒流控制电路、电流检测电路、蓝牙模块以及电源电路等部分构成。上位机和下位机之间采用串口通信。总体设计方案如图2所示。

3.1治疗仪恒流模块硬件设计

根据常规用于脑卒中治疗的tDCS刺激参数[19-21]（刺激电流强度≤2 mA，刺激时长≤40 min），治疗仪恒流输出模块采用负反馈H桥电路与压控恒流源电路结合的方式，如图3所示。刺激模式由H桥电路控制，当设置左侧为阳极刺激模式、右侧为阴极刺激模式时，Q1和Q5导通，Q2和Q6关断，电流由左电极流向右电极;反之，Q2和Q6导通，Q1和Q5关断，电流由右电极流向左电极。以左半桥为例，单片机根据设定电流值调整PWM占空比[22]，经RC滤波输出为V，根据运放的特性，有：

由式（2）可知，电路实际输出电流I由输入电压V和精密采样电阻阻值确定，不随负载的变化而变化，从而实现压控恒流。为保证输出电流的精度和稳定性，在下桥臂场效应管Q2及Q5前端采用开环增益高、输出阻抗低的运算放大器，采样电阻R6及R11选用0.1%精度的精密电阻。

3.2蓝牙模块硬件设计

系统采用的蓝牙通信模块是基于Dialog公司最低功耗DA14580芯片研发的E104-BT02蓝牙模块。该蓝牙模块自带PCB板载天线，无需外接天线，是一款串口转BLE 模块，可使用串口收发蓝牙数据，降低了蓝牙应用的门槛，且支持BLE 4.2协议，简单配置后可与符合蓝牙4.2协议的主机建立蓝牙连接，实现串口数据透传。蓝牙模块连接示意图如图4所示，STC15W4K48S4单片机的P0.0（RXD3），P0.1（TXD3）分别连接藍牙模块E104-BT02的引脚TXD，RXD，实现刺激器与手机APP之间无线通信。

3.3上位机程序设计

上位机程序设计主要包括用户界面设计、串口通信程序设计、电流曲线绘制程序设计、数据存储等。上位机中存储医生制定的6种固定治疗方案，使用时可以直接选择。当治疗仪与手机APP连接时，预警中心平台会通过手机APP将最新的治疗方案推送到治疗仪。治疗开始时，上位机不断监测下位机发送的实际电流数据，并在监控界面绘制电流曲线。当电流超出报警值时，上位机触发报警信息并向下位机发送停止输出电流命令。治疗结束后保存治疗数据至本地SD卡。

3.4下位机控制程序设计

下位机程序设计主要分为主程序、中断服务子程序、定时器子程序、串口中断子程序、压控恒流输出子程序、电流检测子程序等。下位机串口中断程序流程图如图5所示。

4手机APP设计

手机APP设计是利用Google推出的一款在线开发手机APP的软件工具App Inventor[23]。该工具抛弃复杂的程式代码，通过图形化积木式的拖放组件来完成APP开发。设计完成后直接生成下载链接二维码，扫描后进行下载安装。手机APP主要包含心率数据查看和治疗仪控制两部分。如图6所示，心率数据查看界面用于显示监测手环上传的心率数据，手机APP通过移动网络将数据上传至预警中心平台。治疗仪控制器界面兼具治疗仪上位机的功能，通过蓝牙连接治疗仪后，可以控制治疗仪的工作状态、采集治疗数据、查看历史数据、查看/删除/更新治疗方案以及将数据上传预警中心平台等。

5实物制作与功能测试

治疗仪样机外壳采用SketchUp软件建模，通过3D打印制作，外壳大小为22.3 cm×12.5 cm×3.8 cm（W×D×H），如图7所示。

利用式（3）计算输出的刺激电流误差r。结果表明刺激电流误差绝对值不超过0.37%，与德国Neuro Conn公司研发的用于脑卒中治疗的直流电刺激器CX-6650的电流输出精度0.50%相比，本设备控制精度提高了0.13%。

其次测试云端监测系统，云平台采用开放平台OneNET[24]，客户端软件应用Visual studio 2010的开发环境，C++语言编写，测试步骤如下。

进入OneNET开发者中心，添加设备，选择设备接入协议，为设备设置名称和参数、添加数据流，OneNET自动为设备分配设备ID和设备key。

1）手机端配置服务器URL：api.Heclouds.com，端口号：80，建立TCP连接。

2）打开手机蓝牙，同时设备进入绑定手机界面，运行手机APP，搜索从机蓝牙SSID，将手机和设备通过蓝牙连接。

3）连接成功后手机APP即通过http协议将收集的心率、治疗数据、历史记录等信息上传到云平台。

4）进入预警中心平台查看上传数据。

预警中心平台如图8所示。

6结语

本系统将经颅直流电刺激技术应用在脑卒中患者的康复治疗当中，与市场上经颅直流电刺激设备相比，具有体积小巧、便于携带、用户界面友好、控制精度更高等优点。除此之外，设备结合移动终端和互联网云端，实现了集脑卒中治疗与预警一体化的技术创新，适合脑卒中出院患者居家进行康复治疗。

经过测试，设备已实现既定功能，但目前处于研发阶段，尚未应用于临床，下一步将应用于临床，进一步完成临床大数据分析和治疗有效性分析，力图达到以低成本获得良好康复治疗效果的目的。

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