孫遠(yuǎn)韜， 郭晨睿，李云生，牛文鑫

1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院(上海， 201804) 2.同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院(上海， 200092)

一種可穿戴智能頸部治療裝置開發(fā)研究

孫遠(yuǎn)韜1， 郭晨睿1，李云生1，牛文鑫2

1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院(上海， 201804) 2.同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院(上海， 200092)

當(dāng)前頸椎牽引器大都只能實(shí)現(xiàn)中立位或單一角度的牽引， 不能實(shí)現(xiàn)變力、 旋轉(zhuǎn)、 變角度等牽引功能的需要， 且自動化控制程度較低。該文提出了一種基于提拉牽引療法的可穿戴式智能頸部治療裝置。該智能頸部治療裝置包括機(jī)械支撐及傳動單元、 驅(qū)動單元、 傳感測試單元和控制單元， 通過肌電傳感裝置及力學(xué)信號的反饋,實(shí)現(xiàn)了以牽引為主附加旋轉(zhuǎn)提拉功能， 同時輔以熱敷的治療方案。從而提高了療效及牽引治療的智能化程度。

頸椎病治療裝置； 提拉牽引療法； 肌電信號； 旋轉(zhuǎn)療法

0 引言

頸椎病在人們生活中是一種常見的疾病， 卻也是復(fù)雜的、 難以治愈的疾病。隨著生活節(jié)奏的加快和工作方式的改變， 頸椎病已成為現(xiàn)代職業(yè)病， 呈多發(fā)、 年輕化趨勢， 它嚴(yán)重影響了人們的正常生活和工作學(xué)習(xí)。在其眾多的治療方法中， 相較于風(fēng)險(xiǎn)較大、 耽誤時間多的手術(shù)療法， 非手術(shù)療法更符合患者的需求。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域， 頸椎提拉牽引療法由于其療效好和安全性高， 得到醫(yī)院和患者的普遍認(rèn)可。有效地牽引能解除神經(jīng)、 血管、 脊髓的壓迫， 并快速緩解頸椎病癥狀[1]。除此之外， 旋轉(zhuǎn)提拉療法、 熱敷療法等方式對頸椎病的治療也大有裨益[2]。

目前基于提拉牽引法的頸椎牽引器大體分為兩種： 固定式牽引器和家庭式便攜式牽引器。醫(yī)院常用的是大型的固定式支架牽引器， 治療效果較好， 但是患者需要去醫(yī)院在醫(yī)護(hù)人員的幫助下才可接受治療[3]。家庭式牽引器有兩種， 一種是氣囊支撐式牽引， 使用方便， 適合在家中使用； 另一種是利用機(jī)械加力裝置制作的牽引器， 通過加力裝置， 以肩膀和鎖骨為支點(diǎn)， 對上顎后腦進(jìn)行提拉， 以這種方式進(jìn)行牽引治療， 加力方向?yàn)榍昂蠡蜃笥覂蓚?cè)， 相對氣囊牽引， 雖然對頸椎的牽引作用力能達(dá)到要求， 但缺點(diǎn)是機(jī)械加力裝置加力過于生硬[4-5]。

可以看到， 盡管在醫(yī)學(xué)頸椎牽引的治療理論上有各種各樣的突破， 但是在實(shí)際應(yīng)用中無論是醫(yī)院的頸椎牽引機(jī)， 還是家用的頸椎牽引器大都只能實(shí)現(xiàn)中立位或單一角度的牽引。能夠?qū)崿F(xiàn)變力、 旋轉(zhuǎn)、 變角度等功能的設(shè)備依然沒有跟上理論的需要。同時目前醫(yī)院的使用固定式牽引器自動化控制程度依然較低， 便攜式的牽引器更是少有實(shí)現(xiàn)自動化控制的， 這使得這些已經(jīng)在臨床得到印證的醫(yī)學(xué)理論進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用遇到了困難[6]。

所以針對目前牽引器的不足之處， 本文提出了一種可穿戴式智能頸部治療裝置， 該智能頸部治療裝置包括機(jī)械支撐及傳動單元、 傳感測試單元和控制單元， 通過肌電傳感裝置及力學(xué)信號的反饋,實(shí)現(xiàn)了以牽引為主附加旋轉(zhuǎn)提拉同時輔以熱敷的治療方案,從而提高療效， 提高了設(shè)備的智能化程度。

1 治療裝置系統(tǒng)架構(gòu)

可穿戴智能頸部綜合治療器由四部分組成： 包括機(jī)械支撐及傳動單元、 氣路單元、 傳感測試單元和自動控制單元。

機(jī)械支撐及傳動單元執(zhí)行治療動作， 是整個裝置的主體， 通過整個機(jī)械結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)工作， 可以實(shí)現(xiàn)對頸部的牽引、 頭部的俯仰和扭轉(zhuǎn)三種方式的運(yùn)動， 這樣實(shí)現(xiàn)了在提拉牽引的同時可以進(jìn)行頭部旋轉(zhuǎn)的療法， 充分滿足了治療方案的運(yùn)動需要。

為了解決驅(qū)動過程中結(jié)構(gòu)驅(qū)動過剛的問題， 本文采用氣動的方式即通過氣泵和電磁閥組成的氣路為傳動系統(tǒng)提供運(yùn)動所需的驅(qū)動力。傳感測試單元用于測量牽引過程中人體的表面肌電信號和對頸椎的實(shí)時牽引狀況， 如實(shí)時測量得到的應(yīng)力和角度數(shù)據(jù)， 并將這些信號與在此壓力和角度的牽引狀態(tài)下的人體表面的肌電信號反饋給控制單元。控制單元主要用于根據(jù)傳感單元的反饋數(shù)據(jù)及預(yù)先設(shè)定的牽引方案， 控制氣動單元與傳動單元以適時調(diào)節(jié)牽引的力度角度大小， 頻率及整個牽引時間， 實(shí)現(xiàn)治療方案的命令執(zhí)行。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 機(jī)械支撐及傳動單元

機(jī)械支撐及傳動單元有以下幾個部分： 底部是貼合人體肩部輪廓的肩墊， 用于支撐整個智能頸部治療裝置。肩墊上方有一個扇形環(huán)狀的內(nèi)部腔體， 內(nèi)部腔體中設(shè)置有浮動件和支撐件。浮動件與內(nèi)部腔體的內(nèi)側(cè)壁在豎直方向上活動連接； 支撐件與浮動件固定連接。如此浮動件可以帶動著支撐件沿著內(nèi)部腔體上下運(yùn)動。支撐件向上伸出肩墊外， 并在上部連接頜托， 頜托用轉(zhuǎn)動圈連接著背托， 轉(zhuǎn)動圈由驅(qū)動裝置帶動可以轉(zhuǎn)動背托， 讓牽引力產(chǎn)生角度變化。浮動件的下部設(shè)置有氣囊， 由氣囊的膨脹和收縮控制浮動件、 支撐件和頜托的上升和下降。內(nèi)部腔體的上端設(shè)置有肩墊扣蓋， 用來限位活動件的向上活動距離， 避免出現(xiàn)牽引過度的危險(xiǎn)情況。

內(nèi)部腔體被扭轉(zhuǎn)平臺分為上下兩個部分， 將內(nèi)部腔體的下部分割為處于內(nèi)側(cè)的第一腔體和位于外側(cè)的第二腔體， 內(nèi)部腔體的上部為第三腔體。氣囊位于第一腔體中， 浮動件和所支撐件位于第三腔體中。

圖2 可穿戴智能頸部治療裝置

第二腔體中設(shè)置有固定板和至少一對用于扭轉(zhuǎn)的驅(qū)動裝置對稱分布在左右兩側(cè)。腔體內(nèi)側(cè)兩個內(nèi)壁上有凹槽， 插有固定板。驅(qū)動裝置一端通過伸縮件與扭轉(zhuǎn)平臺連接； 另一端固定在固定板上。當(dāng)至少一對扭轉(zhuǎn)用驅(qū)動裝置在使用時， 一個充氣收縮， 另一個放氣舒張， 就可以帶動扭轉(zhuǎn)平臺扭轉(zhuǎn)。

通過這樣的機(jī)械裝置， 牽引器可以實(shí)現(xiàn)上下、 左右旋轉(zhuǎn)、 俯仰的三個自由度的運(yùn)動。由此， 牽引器本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)以牽引為主， 輔以旋轉(zhuǎn)提拉的治療方式。同時在背托上加上發(fā)熱墊片還可以提供熱敷的功效。

3 傳感信號反饋

在傳感測試單元中， 除了壓力傳感器和角度傳感器， 還有一個比較特殊的傳感器——肌電傳感器。肌電信號傳輸接收端可以產(chǎn)生表面肌電圖(sEMG)， 這是一種從肌肉表面獲取肌肉收縮時產(chǎn)生的電信號， 并對其進(jìn)行分析以反映相應(yīng)肌肉的生理學(xué)信息的評估手段。

頸椎病在治療之后有許多的評估治療效果的方法， 在眾多的評估方法中， 表面肌電圖因其客觀性和實(shí)用性日漸成為頸椎病評估的主要方法之一， 它不僅可以用于頸椎病的早期篩查， 指導(dǎo)醫(yī)生治療方案， 還可以作為療效評價(jià)的手段。這種手段越來越受到國內(nèi)康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重視[7]。

在治療的過程中， 將肌電傳感器貼在患者的胸鎖乳突肌和頸豎脊肌兩個部位。通過觀察頸部肌肉最大等長收縮時平均肌電值(AEMG)、 積分肌電值(RMS)等對患者肌力進(jìn)行評價(jià)。并通過觀察中位頻率(MF)、 平均功率頻率(MPF)、 中位頻率斜率(MFs)等值以對患者肌耐力進(jìn)行評價(jià)。

通過傳感系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控和調(diào)節(jié)， 使?fàn)恳b置能夠自動的實(shí)行預(yù)定的治療方案， 并且智能精確的控制牽引過程， 根據(jù)患者狀況及時調(diào)節(jié)。這種綜合式的、 精確式的牽引裝置能夠大幅度的提高牽引的療效。此外， 所測定的數(shù)據(jù)能夠保存在存儲器中， 供醫(yī)生后續(xù)讀取、 診斷使用。

4 控制單元

控制單元分為四大部分： 一是數(shù)據(jù)輸入模塊， 通過放大、 測量電路及適當(dāng)?shù)腁/D轉(zhuǎn)換電路將傳感系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可為ICU處理的數(shù)據(jù)； 二是人機(jī)交互模塊， 將單片機(jī)與觸控屏和按鈕相連，

圖3 肌電傳感器

編寫康復(fù)算法使用戶能通過觸控屏直接實(shí)現(xiàn)與控制系統(tǒng)的通信， 自行選擇牽引方案、 調(diào)整牽引角度和力度等， 并運(yùn)用Arduino的通信拓展模塊， 將數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫， 實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的收集， 處理和統(tǒng)計(jì)功能， 為研究人員或醫(yī)生深入研究提供大數(shù)據(jù)； 三是控制模塊， 以Arduino單片機(jī)為核心， 將單片機(jī)的I/O接口與需要控制的幾個電磁閥相連， 根據(jù)所選的預(yù)設(shè)牽引方案加載對應(yīng)程序段， 實(shí)現(xiàn)對電磁閥的精準(zhǔn)控； 四是安全電路模塊。

考慮到人體頸部的脆弱， 對頸部治療承擔(dān)很大的風(fēng)險(xiǎn)， 所以頸椎病的治療裝裝置的對于安全性的問題格外的重視。本裝置的安全系統(tǒng)分為三個部分。首先是機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全： 在機(jī)械結(jié)構(gòu)上， 上下移動和左右轉(zhuǎn)動的自由度都有限位設(shè)置， 轉(zhuǎn)動平臺的轉(zhuǎn)動行程為相對于人體冠狀面±30°， 防止機(jī)械運(yùn)動過程中可能出現(xiàn)問題， 傷害到患者的頸部， 從根本上避免了牽引過度的風(fēng)險(xiǎn)； 其次是氣路系統(tǒng)安全： 氣路系統(tǒng)中設(shè)置有調(diào)速閥， 控制充氣速度， 放置氣囊和氣動肌肉施力過猛、 過大。既保證了安全， 又保證了裝置的使用壽命； 最后在控制單元當(dāng)中的安全電路模塊， 運(yùn)用看門狗芯片， 設(shè)置過流檢測電路， 并在外端設(shè)置異步急停按鈕， 保障機(jī)器的安全性和可控性。其中， 實(shí)際應(yīng)用的集成芯片中都會有的過流檢測功能， 用邏輯門將芯片中對應(yīng)管腳的輸出接回單片機(jī)， 一旦過流即停止單片機(jī)工作。中斷服務(wù)程序里可對具體執(zhí)行方式進(jìn)行定義。異步急停按鈕保證了儀器使用安全， 用戶按下這個按鈕就能立即給上述邏輯門輸入一個信號， 不管有沒有過流輸入， 都能立刻使單片機(jī)中斷服務(wù)。

本裝置在全方位都考慮到了安全隱患， 并針對此采取了應(yīng)對措施， 可以完全避免了患者在使用過程中可能發(fā)生的意外危險(xiǎn)情況。

5 結(jié)論

通過試用與改進(jìn)， 本文研制成功的可穿戴式智能頸部治療裝置， 能夠通過肌電傳感裝置及力學(xué)信號的反饋,實(shí)現(xiàn)了以牽引為主附加旋轉(zhuǎn)提拉同時輔以熱敷的治療方案,從而在提高療效的同時， 提高了設(shè)備的智能化程度。

該產(chǎn)品經(jīng)過同濟(jì)大學(xué)附屬上海市養(yǎng)志康復(fù)醫(yī)院(上海市陽光康復(fù)中心)12名患者自愿無償試用， 療效與現(xiàn)有產(chǎn)品相當(dāng)， 具有靈活方便的優(yōu)勢， 并能存儲生理數(shù)據(jù)為醫(yī)生后續(xù)診療提供參考。2016年底， 該治療器獲得上海市“創(chuàng)造杯”比賽三等獎。

[1] 胡堅(jiān)勇，孫幼貞.頸椎病不同牽引方式的療效觀察[J].頸腰痛雜志，2003,24(1):27-28.

[2] 朱國苗，房敏，孫武權(quán).旋轉(zhuǎn)手法治療神經(jīng)根型頸椎病的機(jī)制及特點(diǎn)[J].中國臨床康復(fù)，2006，10(39):154-156.

[3] 張炳然，魏淑珍，劉丁錄，等.旋轉(zhuǎn)式頸椎牽引機(jī):中國，89213697.9[P].1990-11-21.

[4] 王正道.智能型頸椎牽引治療儀:中國，201410168283.0[P].2014-10-01.

[5] 鄭玉平.旋轉(zhuǎn)可調(diào)式頸椎康復(fù)器:中國，97250165.7[P].1997-11-28.

[6] 張燕，鄒于民，姜培培，等.采用變力、旋轉(zhuǎn)、變換角度牽引方式治療頸椎病療效觀察[J].中國冶金工業(yè)醫(yī)學(xué)雜志，2004，21(3):242-243.

[7] 楊騰飛，王金武，胡志剛，等.頸椎牽引過程中頸部肌電信號變化規(guī)律與力學(xué)特點(diǎn)[J].醫(yī)用生物力學(xué)，2016 ，31(5):421-425.

Research and Development of a Wearable Intelligent Neck Treatment Device

SUN Yuantao1, GUO Chenrui1, LI Yunsheng1, NIU Wenxin2

1.School of Mechanical and Power Engineering, Tongji University(Shanghai,201804) 2.School of Medicine, Tongji University(Shanghai,200092)

Currently, most of the cervical tractor can only achieve neutral or single angle traction but cannot realize traction, rotation, angle change and other traction functions and the degree of automation is low. This paper proposes a wearable intelligent neck therapy device based on pull traction therapy. This intelligent neck treatment device comprises of a mechanical support and transmission unit, a drive unit, a sensor unit and a control unit. Through EMG sensing device and the feedback of mechanical signals, the traction treatment scheme is complemented with additional rotating lifting hot compress. Therefore, the curative effects and the intelligence degree of the traction treatment are improved.

apparatus for treating cervical vertebra disease, traction therapy, EMG signal, rotation therapy

10.3969/j.issn.1674-1242.2017.02.002

2015年中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金-學(xué)科交叉項(xiàng)目(1508219074)

孫遠(yuǎn)韜，E-mail:sun1979@sina.com

牛文鑫，博士，副教授；研究方向：生物力學(xué)，康復(fù)工程； E-mail：niu@tougji.edu.cn

R318.6

A

1674-1242(2017)02-0066-04

2017-03-01)