丘永亮

(廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院，廣州 510510)

0 引言

在現(xiàn)代社會生活中，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的生活節(jié)奏也不斷加快。辦公室中的文職工作者和靜態(tài)工作者不斷增多，且隨著“手機控”一族的出現(xiàn)，頸椎病患者的數(shù)量不僅在逐年增加，而且還在不斷地朝著年輕化的方向發(fā)展。而對于頸椎病的康復治療，在臨床上，一般都是通過對于頸椎的牽引來實現(xiàn)治療，且一直被認為是頸椎病的主要治療方法之一。對于患者頸椎的牽引是通過機械手段給頸椎施加應力，使患者頸椎發(fā)生相對伸長，從而達到分離關(guān)節(jié)面、牽伸周圍軟組織和改變骨結(jié)構(gòu)之間角度或列線等目的的一種康復治療技術(shù)[1－2]。

現(xiàn)如今在醫(yī)療器械市場上，各類頸椎牽引康復的產(chǎn)品很多。但從整體來看，大致可將市面上的頸椎康復器分為兩類：一類為便攜式康復器，如手動充氣氣囊式的頸椎康復器或以硬膠支撐為主的治療儀器；另一類為牽引床或牽引椅。第一類雖然有便攜的優(yōu)點，但卻不具有智能控制功能，未能確定對于患都頸椎的牽引力，難以讓對于患者的頸椎治療達到有據(jù)可依的效果。第二類往往有智能控制功能，也能確定對于患者的頸椎牽引力，但卻往往不方便攜帶[3－5]。

綜合以上情況，筆者在充分收集、分析了市面上現(xiàn)有頸椎康復器的資料，并在相關(guān)骨科專家、教授提供理論支持的基礎上，提出設計一種既可實現(xiàn)智能控制又方便攜帶的頸椎康復器。其主要技術(shù)思路是，通過微型氣泵、微型氣缸（或氣囊，滿足對于不同使用者，其受力面積都不變）及壓力傳感器來實現(xiàn)牽引力的智能控制，同時實現(xiàn)便攜的功能。

1 頸椎康復器的研究與設計

1.1 頸椎康復器的理論研究

本產(chǎn)品的頸椎康復器是通過對于人體頸椎的牽引，來達到對于頸椎的康復治療。因此在本頸椎康復器的設計前期，要先確定人體頸椎受牽引的力以及牽引的時間，同時對其牽引力的產(chǎn)生及控制理論進行一定的分析研究。

1.1.1 頸椎牽引力以及牽引治療時間

國內(nèi)外的相關(guān)人體頸椎的牽引研究[6－8]表明，人體在坐位或站立情況下，頸椎關(guān)節(jié)之間要實現(xiàn)分離，需要人體質(zhì)量7%左右的拉力來實現(xiàn)。如再考慮要克服頭部的質(zhì)量，那么對于對于我國大部分的成年人的拉力6～10 kg范圍內(nèi)。

對于人體的頸椎牽引治療，從國內(nèi)相關(guān)的頸椎牽引治療來看，頸椎的牽引治療應該要有適當?shù)臅r間控制，李晶等[8－10]從生物力學的觀點為基礎，深入研究頸椎牽引治療時間的變化：在剛開始的10～20 min內(nèi)，頸椎應變隨著時間的增加變化較快，但之后變化速度逐步減慢，并趨于平緩，應變不再增加。因此本頸椎康復器的牽引治療時間可實現(xiàn)的治療時間不應少于20 min。

1.1.2 頸椎牽引力的產(chǎn)生

本頸椎康復器通過主電路板控制的微型氣泵給氣缸提供具有一定氣壓的氣體，對于人體頸椎的牽引力的計算則是通過對于氣缸的氣體壓強的檢測，同時結(jié)合氣缸的受力面積來計算出來的。對于氣體壓強的檢測是由安裝在氣缸里的氣壓壓力傳感器來完成。

頸椎康復器的牽引力的計算則出下式來實現(xiàn)：

式中：F為氣缸對于人體頸椎的牽引力，N；P為氣缸內(nèi)氣體的壓強，它由氣壓壓力傳感器檢測，Pa；S為本頸椎康復器內(nèi)氣缸內(nèi)部的氣壓面積，m2。

1.2 頸椎康復器的結(jié)構(gòu)設計及組成

本文研究設計的產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)上主要由5部分組成，包括：肩托、控制器組件、頸前托、頸后托和微型氣缸,如圖1所示。肩托在使用時置于患者肩上，通過患者的肩部給予頸椎牽引支持力。頸前托用于支撐患者下頜骨兩側(cè)，而頸后托用物支撐患者枕骨位置。頸前托與頸后托通過剛性鉸鏈相連在一起，在佩戴時，可將剛性鉸鏈打開，易于佩戴。微型氣缸缸體與肩托固定一起，其推桿與頸前托固定在一起，在氣缸推桿的作用下，頸前托帶動頸后托在肩托提供的固定軌道上上升或下降,從而實現(xiàn)對于頸椎的牽引治療。微型氣泵通過氣管對肩托兩側(cè)的兩個微型氣缸進行充氣，而氣泵則置于控制器內(nèi)。

圖1 頸椎康復器的主要部分結(jié)構(gòu)圖

1.3 頸椎康復器的控制原理

本文的研究設計為使頸椎康復器在牽引時間、牽引力等參數(shù)上實現(xiàn)智能控制，并適應其便攜功能，采用智能控制微型氣泵的工作來實現(xiàn)對于微型氣缸的氣壓調(diào)整，從而實現(xiàn)對頸椎的牽引拉伸。

圖2 頸椎康復器的控制原理圖

本文的研究設計，如圖2所示，通過MCU板（主控制電路板）控制微型氣泵給微型氣缸充氣，并控制電磁閥1對微型氣缸進行氣密性控制。氣壓壓力傳感器偵測的微型氣缸里的氣體壓強數(shù)據(jù)，并反饋給MCU板；MCU板對收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析處理，同時將分析處理結(jié)果與用戶的設定值進行比較，接著根據(jù)比較結(jié)果發(fā)出繼續(xù)充氣或停止充氣的控制指令。LCD顯示屏幕則會在MCU板的控制下，把牽引時間和牽引力等參數(shù)實時地顯示在屏幕上。與微型氣缸連接在一起的電磁閥2也由MCU板控制，主要起放氣作用，當微型氣缸里的氣體壓強超出設定值規(guī)定的大小或接收到頸椎康復器停止工作的指令時，電磁閥2打開實現(xiàn)放氣。

1.4 頸椎康復器的主程序控制流程圖

在本產(chǎn)品在主控程序上，如圖3所示，其過程控制邏輯如下：

1）開始運行時，主控制電路板通過氣壓壓力傳感器，判斷微型氣缸里的氣體壓強是否達到設定值上限，如已達到設定值上限則不啟動微型氣泵進行充氣，當氣缸里的氣體壓強大于設定值時，則啟動電磁閥2進行放氣，使其達到設定值；氣缸里的氣體壓強低于設定值，則使微型氣泵得電，同時打開電磁閥1，關(guān)閉電磁閥2，對微型氣缸進行充氣;并每隔0.1 s,判斷微型氣缸里的氣體壓強是否達到設定值上限;當?shù)竭_設定值時則停止充氣，關(guān)閉電磁閥1及電磁閥2。

圖3 主程序控制流程圖

2）治療維持過程中，氣壓壓力傳感器每隔0.1 s對微型氣缸進行氣壓壓強檢測，如氣缸里的氣體壓強經(jīng)換算后，低于設定值2 N，則啟動微型氣泵、電磁閥1進行充氣，電磁閥2關(guān)閉；如氣壓壓強經(jīng)換算后，超過設定值2 N，則打開電磁閥2進行放氣，電磁閥1關(guān)閉，待氣壓壓強達到設定值時，關(guān)閉電磁閥2。

3）結(jié)束運行時，關(guān)閉微型氣泵、電磁閥1，同時打開電磁閥2對微型氣缸進行放氣，并延時3 s關(guān)機。

1.5 本產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)參數(shù)

本項目的主要技術(shù)參數(shù)如下[6-11]：1）頸椎康復器牽引力可調(diào)范圍為0～99 N（約0～10 kg)，具體可根據(jù)患者的使用需求、或醫(yī)生的指導進行選擇設定；2）頸椎康復器的牽引時間可調(diào)范圍為0～99 min，根據(jù)醫(yī)生的指導進行選擇設定。

本文研究設計的產(chǎn)品其它相關(guān)參數(shù)如下：1）產(chǎn)品凈質(zhì)量不超過1.0 kg；2)供電方式為7號AA電池兩顆或USB供電；3）產(chǎn)品長寬高為200 mm×250 mm×200 mm。

1.6 產(chǎn)品的獨特性及創(chuàng)新性

本研究設計的先進性及獨特之處在于：相對于市面上現(xiàn)有頸椎康復器或可實現(xiàn)智能控制牽引卻無法方便攜帶，或方便攜帶卻未能實現(xiàn)智能控制。本研究設計的產(chǎn)品集兩者之長，去兩者之短，實現(xiàn)了智能可控且又方便攜帶。其主要是運用氣動原理，通過氣壓壓力傳感器偵測微型氣缸的氣體壓強，換算成牽引力，從而準確計算康復器對于患者的頸椎牽引力。

2 結(jié)語

本文的研究設計，基于對市場上現(xiàn)有頸椎康復器的的分析研究，開發(fā)設計出一款新型既能實現(xiàn)智能控制，又方便攜帶的頸椎康復器。該產(chǎn)品通過兩個微型氣缸作用于頸前托來支撐人體下頜骨兩側(cè)，從而實現(xiàn)對于人體頸椎的牽引，而兩個微型氣缸則固定在作用于人體雙肩的肩托上，這是本研究設計實現(xiàn)智能且便攜的最為關(guān)鍵的一步設計。

本文研究設計的產(chǎn)品，有確實可靠的醫(yī)療技術(shù)支撐，綜合了市面上現(xiàn)有頸椎康復器的優(yōu)點，既可用于醫(yī)院，為醫(yī)生進行椎頸治療及研究提供確實可靠的研究數(shù)據(jù)，也可用于患者居家或辦公室的使用，為患者的治療提供方便性及心理依靠，該研究設計的產(chǎn)品必將具有廣闊的市場前景。