嚴(yán)澤宇，喻洪流

（1.上海理工大學(xué)康復(fù)工程與技術(shù)研究所；2.上?？祻?fù)器械工程技術(shù)研究中心；3.民政部神經(jīng)功能信息與康復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093）

0 引言

腰椎間盤突出癥病因主要是長(zhǎng)期外力損傷以及自身免疫調(diào)節(jié)功能失衡，出現(xiàn)無(wú)菌性炎癥，繼而導(dǎo)致神經(jīng)根局部粘連、瘢痕增生、外膜增厚，導(dǎo)致腰椎病變［1］。腰椎間盤突出癥患者10%～15%存在腰腿痛，是骨科常見(jiàn)病和多發(fā)病［2］。腰椎間盤突出癥治療分為手術(shù)治療和非手術(shù)治療兩種。手術(shù)治療通過(guò)摘除髓核解除對(duì)神經(jīng)根的壓迫，緩解疼痛，但會(huì)對(duì)身體造成一定的創(chuàng)傷，術(shù)后恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)用相對(duì)高［3-4］；非手術(shù)治療方法有牽引治療、針灸治療、藥物治療、手法治療等［5］，其原理是采用非創(chuàng)傷手段，通過(guò)物理療法或藥物、針灸對(duì)患處進(jìn)行減輕痛感治療。在腰椎間盤突出癥患者中，85%～90%的人經(jīng)過(guò)積極適當(dāng)?shù)姆鞘中g(shù)療法即可恢復(fù)正常［6］，其中大多數(shù)可在6 周內(nèi)獲得滿意效果［7］。研究表明，在常規(guī)的牽引治療中增加模擬點(diǎn)法治療的腰部推頂可以有效治療急性腰椎間盤突出癥，顯著緩解患者疼痛感［8-9］。

1 相關(guān)研究

對(duì)腰椎間盤突出癥的治療裝置的研究較多。2019 年翔宇醫(yī)療研發(fā)了YHZ-IV 型多功能牽引床，該牽引床將人體生理學(xué)與機(jī)械物理學(xué)相結(jié)合，采用機(jī)械傳動(dòng)、電機(jī)進(jìn)行牽引，能實(shí)現(xiàn)8 種不同的牽引模式［10］。在牽引過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)牽引力自動(dòng)補(bǔ)償，存儲(chǔ)與讀取多達(dá)20 種治療方案，是目前市場(chǎng)上較為高端的產(chǎn)品，但此產(chǎn)品缺少腰部推頂治療項(xiàng)目；美國(guó)梅特勒Mettler 公司設(shè)計(jì)的MTD4000 脊柱減壓牽引系統(tǒng)可在患者脊柱減壓的同時(shí)進(jìn)行靜態(tài)或間歇式牽引治療［11］。牽引過(guò)程中患者還可自主控制其牽引或休息時(shí)間，可提供不同的牽引方式和多種速度選擇模式，設(shè)置多種傳感器和多項(xiàng)安全控制措施，閉環(huán)控制，保證安全性。但此產(chǎn)品牽引維度單一且沒(méi)有腰部推頂功能。

綜合比較國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有設(shè)備后發(fā)現(xiàn)幾乎所有的牽引設(shè)備都不能進(jìn)行腰部推頂按摩，無(wú)法實(shí)現(xiàn)牽引與腰部推頂組合治療方案。因此，本文設(shè)計(jì)了一款腰椎推頂牽引治療裝置，利用電機(jī)與液壓結(jié)合的方式完成牽引與腰部推頂結(jié)合的治療。本裝置將傳統(tǒng)的板法和點(diǎn)法結(jié)合起來(lái)［12-13］，在腰椎牽引過(guò)程中增加模擬點(diǎn)法按摩模式，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)牽引床的快速/慢速四維牽引與腰部推頂按摩振幅0～30mm 與頻率2～5Hz 可調(diào)的五維立體牽引推頂治療，在多傳感器配合下實(shí)現(xiàn)牽引力牽引距離角度與推頂按摩的振幅與頻率的精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)推頂與牽引的配合治療。

本文介紹了腰部推頂牽引治療裝置控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并通過(guò)樣機(jī)測(cè)試證明控制系統(tǒng)的有效性。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

腰部推頂牽引裝置是用于腰椎疾病治療的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，該裝置把推拿手法中的腰部背伸法、腰部斜扳法、骨盆牽引法等分解為縱向牽引、左右旋轉(zhuǎn)、左右擺角、上下成角和腰部推頂按摩5 個(gè)動(dòng)作。裝置設(shè)計(jì)主要分為頭胸板和臀腿板，頭胸板靠近臀腿板處為腰部推頂裝置，整個(gè)床體可以進(jìn)行縱向牽引，左右旋轉(zhuǎn)、左右擺角、上下成角動(dòng)作，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，腰部推頂按摩結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

Fig.1 Lumbar pushing traction treatment device圖1 腰部推頂牽引治療裝置

Fig.2 Design drawing and physical object of lumbar pushing device圖2 腰部推頂裝置設(shè)計(jì)與實(shí)物

2.2 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)具有元件布置靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、控制容易、動(dòng)作平穩(wěn)、能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、反應(yīng)速度快、可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)等特點(diǎn)［14］。

腰椎推頂牽引治療裝置液壓系統(tǒng)主要由動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件和液壓油組成。動(dòng)力元件采用內(nèi)嚙合齒輪泵，能將電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體壓力能，噪聲低、效率高。執(zhí)行元件有液壓缸和液壓馬達(dá)，液壓缸用于配合機(jī)械結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)床體運(yùn)動(dòng)。控制元件是各類液壓閥，包括換向閥、溢流閥、比例閥、單向閥等，對(duì)系統(tǒng)中液體的流量、壓力和方向進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，如圖3 所示。

Fig.3 Schematic diagram of hydraulic system圖3 液壓系統(tǒng)原理

圖3 中，液壓缸19 執(zhí)行縱向快速/慢速牽引動(dòng)作，液壓缸20 執(zhí)行左右擺角動(dòng)作，液壓缸21 執(zhí)行左右旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，液壓缸22 執(zhí)行左側(cè)腰部推頂按摩動(dòng)作，液壓缸23 執(zhí)行右側(cè)腰部推頂按摩動(dòng)作。給液壓泵3 通三相電，液壓泵3 從油箱1 吸油，溢流閥4 控制系統(tǒng)整體的總壓力。節(jié)流閥10、11、12 和13 可手動(dòng)控制開(kāi)口大小，改變液壓缸20、21、22 和23 的流量，調(diào)節(jié)液壓缸動(dòng)作速度。通過(guò)脈寬調(diào)制電信號(hào)（PWM）調(diào)節(jié)電控比例閥9 控制油液的壓力、流量等參數(shù)，并采集壓力—位移反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精準(zhǔn)控制。通過(guò)改變電磁鐵的通斷電控制三位四通換向閥14、15、16、17 和18，變換閥體上各主油口的通斷關(guān)系，實(shí)現(xiàn)牽引換向功能。電磁換向閥是腰椎推頂牽引治療裝置系統(tǒng)控制的主要目標(biāo)之一。通過(guò)控制不同電磁換向閥電磁鐵電流的通斷來(lái)控制不同液壓缸的正向運(yùn)動(dòng)、反向運(yùn)動(dòng)和停止，配合電控溢流閥控制液壓缸運(yùn)行的方向、速度。

液壓系統(tǒng)執(zhí)行縱向牽引、左右擺角、左右旋轉(zhuǎn)、左右腰部推頂按摩和卸荷時(shí)對(duì)應(yīng)的電磁鐵動(dòng)作，如表1 所示。其中“+”代表通電，“-”代表斷電。

Table 1 Electromagnet action表1 電磁鐵動(dòng)作

2.3 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

腰椎推頂牽引治療裝置需要完成縱向牽引、左右擺角、左右旋轉(zhuǎn)、上下成角和腰部推頂按摩等動(dòng)作。為保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)主要由電源模塊、腰部推頂模塊、牽引模塊、人機(jī)交互模塊組成。控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖4 所示。

Fig.4 General design of control system圖4 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3 控制系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

3.1 電源模塊

電源模塊主要由強(qiáng)電部分和弱電部分組成。強(qiáng)電部分包括斷路器、交流接觸器和開(kāi)關(guān)電源，弱點(diǎn)部分主要由電源轉(zhuǎn)化芯片和穩(wěn)壓芯片組成。腰部采用液—電混合驅(qū)動(dòng)方式，其中液壓馬達(dá)采用380V 三相交流電，其余控制系統(tǒng)采用弱電。電源模塊先將三相交流電轉(zhuǎn)化為單相電，再經(jīng)過(guò)不同的開(kāi)關(guān)為控制系統(tǒng)各個(gè)部件提供所需的工作電壓，如圖5 所示。

Fig.5 System power module圖5 系統(tǒng)電源模塊

3.2 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊指人與治療裝置之間的交互，治療裝置信息包括牽引力大小、床板運(yùn)行速度和角度、腰椎推頂速度、頻率和壓力等信息。本系統(tǒng)采用多種交互方式，包括上位機(jī)交互、觸摸屏交互、手持控制器交互等。

3.2.1 上位機(jī)模塊

上位機(jī)為醫(yī)生操作平臺(tái)，醫(yī)生可以在上位機(jī)上建立患者病歷，針對(duì)不同患者情況制定處方，本文通過(guò)PyQt5 平臺(tái)開(kāi)發(fā)上位機(jī)，并通過(guò)RS485 通訊協(xié)議與主控板通訊，執(zhí)行相應(yīng)的處方治療方案；記錄患者的治療數(shù)據(jù)，建立患者個(gè)人病歷與治療記錄，以供制定后續(xù)治療方案。

RS485 是半雙工、多點(diǎn)通信總線，具有接口電平低、支持節(jié)點(diǎn)多、傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、通用性和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)［15］，本文選用RS485 實(shí)現(xiàn)主控板與上位機(jī)通訊。RS485 通訊電路原理如圖6 所示。本文采用SP3485 低功耗收發(fā)器，該芯片支持3.3V 供電，最大傳輸速度可達(dá)10Mbps，支持多達(dá)32 個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且有輸出短路保護(hù)。DE 引腳輸入高電平使能發(fā)射器，RE 引腳輸入高電平使能接收器。禁用時(shí)，發(fā)射器和接收器輸出為高阻抗。SP3485 僅支持半雙工通訊，所以在同一時(shí)刻只能使能發(fā)射器或接收器。在電路設(shè)計(jì)上，將DE 引腳和RE 引腳取反后短接在一起，實(shí)現(xiàn)同一時(shí)刻僅有一引腳收到高電平。120Ω電阻為RS-485 匹配電阻，用于抑制通信中的回波干擾。本文設(shè)計(jì)的Modbus 協(xié)議格式如圖7 所示。

Fig.6 Schematic diagram of RS-485 communication circuit圖6 RS-485 通訊電路原理

Fig.7 Modbus protocol format圖7 Modbus 協(xié)議格式

3.2.2 觸摸屏

觸摸屏為醫(yī)生操作平臺(tái)，通過(guò)便攜式觸摸屏，醫(yī)生可以在觀察病人情況的同時(shí)查看記錄的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行處方修改或保持當(dāng)前訓(xùn)練模式。觸摸屏支持按鈕控件、進(jìn)度條控件、文本控件、指針控件等多種組態(tài)控件。結(jié)合基本的GUI 指令、串口下載、PC 端模擬調(diào)試和上位機(jī)編寫好的軟件，通過(guò)藍(lán)牙通訊實(shí)現(xiàn)指令交互。

本文采用HC-05 藍(lán)牙模塊，該模塊性價(jià)比高，尺寸小，靈敏度高［16］。通過(guò)此模塊先將串口輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)在空間傳輸，再將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送回主控板，其硬件電路如圖8 所示。

Fig.8 Bluetooth communication circuit圖8 藍(lán)牙通訊電路

3.2.3 手持控制器

手持控制器通過(guò)數(shù)據(jù)線直連主板，為患者手持用，除了開(kāi)始、結(jié)束外，還有一個(gè)急停按鈕，用于患者緊急停止訓(xùn)練。

3.3 牽引模塊

牽引模塊由主控板、從控板、驅(qū)動(dòng)模塊、電控溢流閥、電磁換向閥、液壓缸、光柵尺、拉壓力傳感器、液壓力傳感器組成。通過(guò)PWM 波調(diào)節(jié)電控溢流閥的閥芯電機(jī)［17］，改變閥芯的偏轉(zhuǎn)角度線性改變輸出液壓力大小，通過(guò)液壓力傳感器和拉壓力傳感器的反饋修正閥芯位置，維持液壓力輸出穩(wěn)定可調(diào)。為了得到穩(wěn)定的牽引力，本文采用PID 控制算法來(lái)控制閥芯電機(jī)［18］。

3.4 腰部推頂模塊

腰部推頂按摩模塊包含左、右共兩個(gè)腰部推頂裝置，由主控板2、從控板、驅(qū)動(dòng)板、2 個(gè)直流電機(jī)、2 個(gè)電機(jī)、2 個(gè)換向閥、2 個(gè)液壓缸、4 個(gè)接近開(kāi)關(guān)、兩個(gè)磁性開(kāi)關(guān)和2 個(gè)壓力傳感器組成。通過(guò)兩組電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)并控制腰部推頂裝置的振幅和頻率，通過(guò)兩個(gè)液壓缸控制上升單元的起始高度，并實(shí)現(xiàn)一定推頂高度下的快速推頂動(dòng)作。

為實(shí)現(xiàn)腰部推頂?shù)念l率和振幅可調(diào)，需要控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和另外兩個(gè)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的位移量。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定腰部推頂?shù)念l率，電機(jī)機(jī)構(gòu)的位移量決定腰部推頂?shù)恼穹?。通過(guò)同時(shí)控制兩個(gè)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)腰部推頂?shù)慕惶孢\(yùn)動(dòng)或一起運(yùn)動(dòng)。在腰部推頂按摩過(guò)程中，針對(duì)左右兩個(gè)推頂裝置的控制問(wèn)題，本系統(tǒng)采用PWM 調(diào)壓方法改變兩個(gè)直流電機(jī)的電壓，通過(guò)調(diào)壓改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變腰椎推頂頻率，實(shí)現(xiàn)腰椎推頂頻率可調(diào)。PWM 工作原理如圖9 所示。

從圖9 可以看出，當(dāng)CNT＜CCRx 時(shí)，IO 邏輯輸出低電平0；當(dāng)CNT＞CCRx 時(shí)，IO 邏輯輸出高電平1，其中CNT 是計(jì)數(shù)器的值，在定時(shí)器時(shí)鐘源下不斷累加。當(dāng)CNT 的值大于ARR 時(shí)，定時(shí)器將重新計(jì)數(shù)；ARR 為自動(dòng)重裝載值，CCRx是定時(shí)器所設(shè)定的計(jì)數(shù)比較值。PWM 調(diào)壓采用XL4013 芯片，調(diào)壓原理如圖10 所示。

Fig.9 The working principle of PWM圖9 PWM 工作原理

Fig.10 Schematic diagram of PWM wave voltage regulation圖10 PWM 波調(diào)壓原理

其中R1、R2、R3、R4 和C3 為PWM 調(diào)壓電路，R1、R2 在電路中起到分壓作用，VA 為模擬調(diào)壓信號(hào)，VPWM 為PWM調(diào)壓信號(hào)。VIN 為輸入電源，VOUT 為輸出電源。按下列公式計(jì)算R1、R3、R4 的阻值大?。?/p>

已知VFB=1.25V、R2=20K、C3=105，且外加0～5V 的VPWM 信號(hào)，代入上面公式可計(jì)算出R1、R3、R4 的阻值。圖11 為PWM 占空比與從控板輸出的電壓值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖中可以看出，PWM 調(diào)壓值與理論值較相符，且PWM 占空比與腰部推頂從控板輸出的電壓值成比例關(guān)系。

Fig.11 Relationship between PWM duty cycle and voltage value圖11 PWM 波占空比與電壓值關(guān)系曲線

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知輸出的可調(diào)電壓隨輸入電壓的增大而增大。腰部推頂模塊需要在腰部推頂治療過(guò)程中改變推頂?shù)念l率，因此需要對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。本文采用PID 控制算法對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。PID反饋控制流程如圖12 所示。

Fig.12 PID feedback control flow圖12 PID 反饋控制流程

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 牽引實(shí)驗(yàn)

結(jié)合文獻(xiàn)［19-22］醫(yī)學(xué)臨床經(jīng)驗(yàn)得到本文牽引治療周期如圖13 所示。本系統(tǒng)選擇3 個(gè)治療周期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。牽引治療的首個(gè)周期時(shí)間為90s，其后兩個(gè)治療周期為60s。選擇體重為50kg 的治療對(duì)象通過(guò)PID 參數(shù)整定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14 所示。從圖14 可以看出，系統(tǒng)輸出的牽引力能夠較好跟蹤設(shè)定的牽引力曲線，牽引力的控制誤差較小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足牽引治療要求。

Fig.13 Traction treatment cycle圖13 牽引治療周期

Fig.14 Traction curve of PID control圖14 PID 控制牽引力曲線

4.2 腰部推頂配合牽引實(shí)驗(yàn)

通過(guò)上位機(jī)控制腰椎推頂裝置，設(shè)定好預(yù)定的頻率和振幅，受試者仰臥在裝置上，給定一個(gè)牽引距離值，在慢速牽引逐漸達(dá)到這個(gè)距離時(shí)牽引力發(fā)生變化，牽引速度減慢，此時(shí)腰椎推頂介入，幅度由小到大并配合頻率的變化。不同受試者結(jié)合多種不同的參數(shù)設(shè)置方案進(jìn)行，減緩腰椎壓力。PID 算法明顯改善了兩個(gè)腰部推頂直流電機(jī)的速度控制，提高了直流電機(jī)異步運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。加速、減速情況下推頂位移曲線分別如圖15、圖16 所示，治療姿態(tài)如圖17所示。

Fig.15 Displacement curve of lumbar pushing under acceleration圖15 加速下腰部推頂位移曲線

Fig.16 Displacement curve of lumbar pushing under deceleration圖16 減速下腰部推頂位移曲線

Fig.17 Treatment posture圖17 治療姿態(tài)

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新型腰椎推頂牽引治療裝置控制系統(tǒng)，通過(guò)電—液混合驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定牽引與腰部推頂相配合的模擬手法動(dòng)作，補(bǔ)充現(xiàn)有牽引裝置腰部推頂空白。通過(guò)PID 算法控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)腰部推頂裝置的同步或異步控制，通過(guò)RS485 和藍(lán)牙通訊可與牽引模塊實(shí)現(xiàn)組合運(yùn)動(dòng)。目前已制作出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)一臺(tái)，通過(guò)實(shí)機(jī)測(cè)試獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。與之前相比，腰部推頂加速和減速調(diào)節(jié)時(shí)間分別減少了7.75ms 和7.8ms，可以完成模擬牽引配合腰椎推頂?shù)募訙p速手法動(dòng)作。但是在實(shí)際推頂治療中，因不同患者治療的負(fù)載不同，有時(shí)手法需要保證在不同負(fù)載情況下的推頂速度恒定，因此單純的PID 控制并不能完美滿足要求。后續(xù)研究要通過(guò)優(yōu)化控制算法，增加系統(tǒng)反饋值，通過(guò)多層PID 控制來(lái)適應(yīng)不同負(fù)載下的速度控制，達(dá)到真正模擬手法的目的。