徐飛，張定國(guó)，高雪官，殷善開

1 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海市，200240

2 上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院，上海市，200233

0 引言

良性陣發(fā)性位置性眩暈是一種常見的前庭末梢病變，發(fā)生的主要原因是由于脫落的耳食晶體進(jìn)入運(yùn)動(dòng)感應(yīng)的半規(guī)管，且在大多情況下為進(jìn)入后半規(guī)管。當(dāng)病人的頭部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，脫落的耳食會(huì)在半規(guī)管內(nèi)移動(dòng)，從而影響半規(guī)管的工作，一般引起人對(duì)空間感知能力的下降，并伴隨著頭暈、嘔吐以及眼震等癥狀[1]。良性陣發(fā)性位置性眩暈最早由Barany[2]于1921年提出，在他的基礎(chǔ)上后來Dix、Hallpike以及Eply等[3]都提出了自己的認(rèn)識(shí)，并創(chuàng)建了相應(yīng)的療法，如著名的Epley療法。

目前為止，對(duì)于良性陣發(fā)性位置性眩暈的發(fā)病機(jī)理還未有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，主要有兩種流行的假說，分別是Schuknecht[4]于1969年提出的壺腹嵴頂結(jié)石假說和Hall等[5]在1979年提出的半規(guī)管結(jié)石假說。壺腹嵴頂結(jié)石假說認(rèn)為，脫落的耳石碎片附著在半規(guī)管的壺腹嵴頂結(jié)石處，導(dǎo)致內(nèi)淋巴的密度與壺腹嵴頂密度不同，從而導(dǎo)致壺腹嵴頂處對(duì)重力的感應(yīng)發(fā)生異常。當(dāng)人體的頭部空間改變位置時(shí)，會(huì)發(fā)生壺腹嵴頂耳石變位，導(dǎo)致眩暈與眼震。而半規(guī)管結(jié)石假說則認(rèn)為，耳石顆粒并非粘結(jié)在后半規(guī)管里面，而是懸浮在半規(guī)管的淋巴中，當(dāng)頭部位置變動(dòng)時(shí)，耳石顆粒會(huì)受重力影響向壺腹嵴頂?shù)姆较蛞苿?dòng)，從而導(dǎo)致上述癥狀。兩種假說都各有側(cè)重點(diǎn)，但都是建立在耳石脫落的基礎(chǔ)上的，所以近些年來推廣的耳石復(fù)位方法主要是手法復(fù)位，即通過移動(dòng)病人的頭部從而將脫落的耳石回到原來的位置，達(dá)到治療良性陣發(fā)性位置性眩暈的目的。通常的手段除了上述的Epley療法，還有Semont管石解脫法以及兩者結(jié)合使用等的方法[6]。事實(shí)證明，采用手法復(fù)位有高達(dá)90%以上的治愈率[7-8]。

基于手法復(fù)位的耳石復(fù)位方面的研究，Todd M.Squires等[9]建立了耳石復(fù)位的二維數(shù)學(xué)模型，指出耳石的偏移以及伴隨的眼震能夠被定量地計(jì)算出來。而Giovanni Berselli等[10]分析了耳石復(fù)位的剛體動(dòng)力學(xué)模型，提出了導(dǎo)向的耳石復(fù)位轉(zhuǎn)椅的設(shè)計(jì)模型。在治療儀方面，T.Russomanol等[11]設(shè)計(jì)的電控旋轉(zhuǎn)椅，在治療良性陣發(fā)性位置性眩暈方面取得良好的效果。M.C.Tavares等[12]闡述了基于電腦控制的旋轉(zhuǎn)椅報(bào)告的控制設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)，單希征等[13-14]采用三維滾輪耳石復(fù)位系統(tǒng)治療，也取得了不錯(cuò)的效果。

本文報(bào)告了一款新型自動(dòng)控制三維轉(zhuǎn)椅的設(shè)計(jì)，以協(xié)助手法復(fù)位療法，它可實(shí)現(xiàn)一鍵控制，極大地方便了醫(yī)師和患者。文章內(nèi)容主要介紹了旋轉(zhuǎn)椅機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、用戶界面設(shè)計(jì)以及分析了基于PLC控制系統(tǒng)的框架以及控制流程，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制和電腦控制。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

三維旋轉(zhuǎn)椅系統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)需要滿足以下幾點(diǎn)要求：(1)水平方向360o旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速較低；(2)垂直方向360°旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速較低；(3)人的座椅能調(diào)整，以便適用于不同身高體重的人。如圖1所示，三維旋轉(zhuǎn)椅機(jī)械機(jī)構(gòu)共有七個(gè)部分組成，即內(nèi)外框架、內(nèi)外框架動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置、底座、力柱以及可調(diào)座椅。三維旋轉(zhuǎn)椅系統(tǒng)有四個(gè)自由度，兩個(gè)軸向旋轉(zhuǎn)自由度和座椅的兩個(gè)移動(dòng)自由度，其中通過調(diào)節(jié)座椅的移動(dòng)自由度來滿足個(gè)人需要，以及改變重心來減小施加在電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩。

圖1 旋轉(zhuǎn)椅的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The main mechanical structure of the rotatory chair

該系統(tǒng)除了要實(shí)現(xiàn)基本功能外，無論是在機(jī)械機(jī)構(gòu)方面還是在軟件設(shè)計(jì)方面，最主要是能保證安全性。在機(jī)械機(jī)構(gòu)上，動(dòng)力裝置包含步進(jìn)電機(jī)和蝸輪蝸桿減速器，除了能在斷電時(shí)自鎖外，還能抵消一部分施加在電機(jī)上的作用力。由于該系統(tǒng)采用開口結(jié)構(gòu)，這對(duì)鉸接處的作用力非常大，而且內(nèi)外框架在旋轉(zhuǎn)過程中，鉸接處受到的是軸向和徑向的作用力，故在鉸接處的軸承都采用角接觸球軸承。特別是在外框架的鉸接處，由于還承受非常大的傾覆力矩，變形是不可避免的，所以采用法蘭式角接觸球軸承，這樣可以在框架由于重力變形時(shí)調(diào)節(jié)法蘭抵消變形。

由于在治療時(shí)要將偏移的耳石復(fù)位，需要采用較大的加速度，這樣對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是個(gè)較大的負(fù)荷。所以，除了在機(jī)械設(shè)計(jì)要保證每個(gè)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的軸對(duì)稱，在治療前將座椅左右、上下位置調(diào)節(jié)好，從而減少由于人體體重的差異而引起的重心的偏移。兩個(gè)電機(jī)在動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)過程中所受的力矩，如式(1)、(2)所示：

為了簡(jiǎn)化計(jì)算的難度，整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)部分，即外框架、內(nèi)框架以及人與座椅部分，其質(zhì)量分別為M1、M2、M3，其相對(duì)于各自的旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為Ixxi、Iyyi、Izzi，αi代表各自的旋轉(zhuǎn)角加速度，Tf代表旋轉(zhuǎn)過程中軸承的摩擦力矩。

通過式(1)和式(2)，可以求得式(3)的最大最小值，從而求得兩個(gè)力矩的相對(duì)最小值，如式(4)所示，得到上述最小值下的最佳即得到在治療前調(diào)節(jié)的座椅位置。

2 控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框架Fig.2 The structure of hardware of controlling system

圖3 控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框架Fig.3 The flow diagram of software of the controlling system

控制電機(jī)采用FX3U系列(三菱，日本)的PLC。PLC的控制源主要有兩個(gè)，一個(gè)是電腦端的上位機(jī)軟件，另一個(gè)是無線繼電器。PLC的軟件控制方案如圖3所示，通過改變軟件的參數(shù)，從而修改PLC的內(nèi)部寄存器，能快速啟動(dòng)預(yù)定的治療方案，同時(shí)也能根據(jù)具體的情況設(shè)置不同的治療方案，PLC控制的整個(gè)過程采用如圖4所示的步進(jìn)式順序控制法，簡(jiǎn)化了PLC編程的復(fù)雜度。

不管電機(jī)的勻速運(yùn)動(dòng)還是加速運(yùn)動(dòng)，PLC的輸出頻率與時(shí)間的關(guān)系圖都如圖5所示，這樣可保證電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)。可以求得在框架轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的角度為：

其中φ為轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，t1為加減速時(shí)間，t2為勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間，N為步進(jìn)電機(jī)的軸旋轉(zhuǎn)一周所需的步數(shù)，i為蝸輪蝸桿減速器的減速比。

根據(jù)式(3)，也能計(jì)算式(1)和(2)中的角加速度：

圖4 PLC步進(jìn)式順序控制法示意圖Fig.4 The schematic diagram of stepping control for PLC

圖5 PLC輸出的頻率與時(shí)間的關(guān)系圖Fig.5 The relationship between frequency and time for PLC

3 用戶界面

圖6 三維旋轉(zhuǎn)椅的軟件控制界面Fig.6 The user interface of software for rotatory chair

三維旋轉(zhuǎn)椅的用戶界面采用Visual Studio2008匯編完成，如圖6所示，分為一鍵控制和高級(jí)控制兩種方式。一鍵控制主要是在保證所有的手法復(fù)位的過程恒定的基礎(chǔ)上，通過上位機(jī)軟件或者無線繼電器來控制PLC內(nèi)部的繼電器，從而能開啟手法復(fù)位的治療。由于病人的個(gè)體差異性，高級(jí)控制能通過輸入角度信息、旋轉(zhuǎn)時(shí)間以及停止時(shí)間等信息，改變PLC內(nèi)部寄存器的值，從而實(shí)現(xiàn)自定義的手法復(fù)位治療，其中前兩者之間的關(guān)系如式(3)所示。為了保證電機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中有足夠的轉(zhuǎn)矩，PLC的輸出頻率不能過大，需要通過軟件限制以確保安全。

4 結(jié)論

本文完成了自動(dòng)耳石復(fù)位系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，軟件控制以及用戶界面的設(shè)計(jì)。在測(cè)試中轉(zhuǎn)椅基本能滿足機(jī)械設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)兩維的360o旋轉(zhuǎn)。良好的用戶界面可以使醫(yī)師更為方便地實(shí)施醫(yī)療操作，保存醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)和管理患者信息。

本文所述的機(jī)械結(jié)構(gòu)和軟件框架的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行，安全可靠，對(duì)類似于角度精確度要求不高的設(shè)備也有一定的參考價(jià)值。

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