趙東亮，王健智，陳皓宇，趙移畛

河南省正骨研究院 a.生物醫(yī)學(xué)工程研究室；b.鄭州院區(qū)管委會，河南 洛陽 471000

引言

牽引療法以其簡單、安全、無痛、有效得到廣泛的應(yīng)用，是頸椎病首選或主要的非手術(shù)治療手段之一[1]。研究發(fā)現(xiàn)：牽引體位、牽引角度、牽引時間、牽引力量是決定頸椎牽引治療效果的四個主要因素；仰臥位牽引的效果明顯優(yōu)于坐位牽引[2-3]；根據(jù)頸椎牽引的治療原理，如果最大的應(yīng)力位置正好處在病變部位，將獲得最佳治療效果。而牽引時最大應(yīng)力位置與牽引角度有關(guān)，牽引角度小時，最大應(yīng)力位置在頸椎的上段；牽引角度增大時，最大應(yīng)力位置將逐漸下移[4]。頸椎角度位移又分為屈曲、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)[5]，對于頸椎生理曲度變直或反弓的病人需要屈曲一定角度牽引，而對于脊柱側(cè)彎病人則需要側(cè)彎一定角度牽引[6]。因此應(yīng)根據(jù)頸椎病變部位和實際情況來選取最佳的牽引角度。

然而，目前市場上的電動頸椎牽引裝置大部分為坐位牽引[7-9]，可以對牽引力量和牽引時間進(jìn)行自動精確控制，但牽引角度顯示為刻度盤顯示，不夠直觀，也不便于數(shù)據(jù)自動存儲，而且只能對頸椎屈曲（上下）角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，不能對側(cè)彎（左右）角度調(diào)節(jié)控制。

因此，為了提高頸椎牽引治療效果和患者牽引治療時的舒適性、安全性，研究開發(fā)一種可實現(xiàn)臥姿牽引，并可對水平和上下牽引角度、牽引時間、牽引力精確測控的多功能電動頸椎牽引裝置顯得尤為重要。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

多功能電動頸椎牽引裝置主要由主控箱、次控箱、操控臺組成。主控箱和次空箱通過一根光軸連在一起,主控箱底面固定有光滑的PP板，主控箱可在次空箱上表面繞光軸轉(zhuǎn)動。次控箱底部四角分別安裝有帶剎車功能的萬向腳輪，便于移動；操控臺通過兩根立柱和次控箱連接固定在一起，操控臺上設(shè)置有觸摸屏，其實物如圖1所示。

圖1 電動頸椎牽引裝置實物圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。拉壓力傳感器用來實時檢測頸椎牽引時的牽引力當(dāng)前值，測量到的信號為mV信號，經(jīng)稱重模塊信號處理后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，傳送給PLC，PLC根據(jù)牽引力設(shè)定值與當(dāng)前值的偏差大小，自動控制伺服電機的轉(zhuǎn)速和運轉(zhuǎn)方向，達(dá)到自動恒力控制的目的。傾角傳感器用于測量頸椎牽引時的上下（垂直）角度，輸出信號為0～10 V標(biāo)準(zhǔn)信號，經(jīng)過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳送給PLC的CPU。旋轉(zhuǎn)編碼器用來檢測頸椎牽引時的水平旋轉(zhuǎn)角度，測量值為數(shù)字信號，可直接被PLC接收處理。通過PLC控制3根電動推桿的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)調(diào)整頭枕高度或上下牽引角度的目的。急停按鈕用于緊急停機，當(dāng)用戶感覺不適時可按下急停按鈕，系統(tǒng)自動復(fù)位到初始狀態(tài)。人機界面用于參數(shù)輸入和人機交互。根據(jù)硬件輸入輸出情況，PLC的CPU選用臺達(dá)DVP12SA11T，稱重模塊型號為DVP201LC-SL，模擬量輸入模塊型號為DVP04AD-S[10-16]。

圖2 控制系統(tǒng)硬件框圖

2.2 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)采用WPLSoft 2.49編程軟件進(jìn)行編程，控制流程如圖3所示。系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，將各參數(shù)復(fù)位到初始狀態(tài)。本裝置的牽引角度是通過調(diào)整頭枕的前后垂直角度和水平旋轉(zhuǎn)角度來調(diào)節(jié)的，調(diào)整后變化幅度不大，故設(shè)計為開環(huán)控制，調(diào)整時切換至手動模式，通過手動點動按鈕調(diào)整。頸椎牽引的拉力需要精確閉環(huán)控制，才能達(dá)到理想的治療效果。牽引治療時需切換至自動模式，系統(tǒng)根據(jù)拉力設(shè)定值的大小，自動控制伺服電機的正反轉(zhuǎn)，將拉力當(dāng)前值自動控制在設(shè)定值附近。此時牽引開始自動計時，計時結(jié)束伺服電機反轉(zhuǎn)，自動釋放牽引力。

圖3 軟件控制流程

2.3 人機界面設(shè)計

為了提高產(chǎn)品性價比，選用臺達(dá)DOP-B03S210（4.3寸觸摸屏）作為人機界面。主要包括監(jiān)控界面、拉力設(shè)定界面、水平角度界面、上下角度設(shè)定界面。

2.3.1 監(jiān)控界面

如圖4所示為本設(shè)備的監(jiān)控界面，可即時顯示水平角度、上下角度、牽引力的當(dāng)前測量值，并可設(shè)定治療時間、顯示剩余時間。設(shè)置有“手自動轉(zhuǎn)換”鍵，切換為手動狀態(tài)時，設(shè)備進(jìn)入手動牽引模式；切換為自動狀態(tài)時，設(shè)備進(jìn)入自動牽引模式。切換為自動牽引模式時，在設(shè)備停止?fàn)顟B(tài)下，按下“啟動/停止”鍵，鍵將凹陷，并顯示為“啟動”狀態(tài)，設(shè)備開始自動牽引，在“啟動”狀態(tài)下，按下“啟動/停止”鍵，鍵將突起，并顯示為“停止”狀態(tài)。此鍵只在“手自動轉(zhuǎn)換”鍵切換為自動狀態(tài)時才有效。監(jiān)控面板上設(shè)置有5個界面切換鍵，分別為回首頁、稱標(biāo)定、上下角度、水平角度和拉力設(shè)定。

圖4 監(jiān)控界面

2.3.2 上下角度設(shè)定界面

在設(shè)備停止?fàn)顟B(tài)下，觸按監(jiān)控界面左下角的上下角度切換鍵，進(jìn)入上下角度設(shè)定界面，見圖5。觸按推桿1上升鍵或推桿1下降鍵，頭枕前端將被升起或降下。觸按推桿2上升鍵或推桿2下降鍵，頭枕后端將被升起或降下。頭枕固定板下端安裝有一個傾角傳感器，當(dāng)推桿1和推桿2升降至同一水平面時，傾角傳感器測量到的上下角度為0，兩個推桿同時升降時可調(diào)節(jié)頭枕高度，以適應(yīng)不同高度的治療床。當(dāng)頭枕后端高于前端時，傾角傳感器測量到的上下角度為正，當(dāng)頭枕后端低于前端時，傾角傳感器測量到的上下角度為負(fù)，從而實現(xiàn)電動調(diào)節(jié)上下牽引角度的目的。界面左上角黑色顯示窗顯示的為傾角傳感器測量到的電壓值經(jīng)模擬量模塊轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，界面中間的黑色顯示窗顯示的為經(jīng)程序算法換算后的上下角度測量值。

圖5 上下角度設(shè)定界面

2.3.3 水平角度界面

觸按“水平角度”切換鍵，進(jìn)入水平角度界面，見圖6。調(diào)節(jié)水平角度時，手動轉(zhuǎn)動頭枕箱體，轉(zhuǎn)動軸上固定的旋轉(zhuǎn)編碼器將測量到的水平旋轉(zhuǎn)角度傳送給PLC的CPU，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，在界面上的黑色顯示窗顯示出當(dāng)前水平角度測量值?！岸x當(dāng)前為0度”鍵用于零點校準(zhǔn)，調(diào)節(jié)頭枕旋轉(zhuǎn)角度，并用角度測量儀測量出實際水平角度為0時，按下“定義當(dāng)前為0度”鍵，便起到零點校準(zhǔn)的作用。

圖6 上下角度設(shè)定界面

2.3.4 拉力設(shè)定界面

觸按“拉力設(shè)定”切換鍵，進(jìn)入拉力設(shè)定界面，見圖7。觸按設(shè)定牽引力量對應(yīng)的黑色顯示窗，便會彈出一個數(shù)字輸入鍵盤，根據(jù)治療需求，在鍵盤上輸入相應(yīng)數(shù)字，按下“Enter”鍵，該顯示窗便自動顯示出牽引力設(shè)定值。同理，可設(shè)定牽引快速頻率和牽引慢速頻率，當(dāng)實際牽引力遠(yuǎn)小于牽引力設(shè)定值時，啟動快速牽引，當(dāng)牽引力臨近牽引力設(shè)定值時，啟動慢速牽引。同理，在該界面可設(shè)定治療時間?！笆謩永o”和“手動松開”鍵只有當(dāng)切換為手動模式時才有效。該功能主要用于手動調(diào)節(jié)牽引繩的伸出量。

圖7 拉力設(shè)定界面

3 實驗驗證

3.1 實驗方法

將研制好的電動頸椎牽引裝置樣機固定在一平板床床頭，并將牽引裝置頭枕調(diào)節(jié)至合適高度，病人躺在平板床上，頭部系好頸椎牽引帶，頭枕在電動頸椎牽引裝置的頭枕上。將GIM60型傾角水平尺固定在頭枕表面；將GAM220型可折疊數(shù)字顯示角度測量儀主臂與牽引裝置次空箱固定在一起，折疊臂與主控箱固定在一起；將NK-200型數(shù)顯式拉力計串聯(lián)在牽引回路里。電動調(diào)節(jié)上下角度，分別記錄人機界面上的水平角度當(dāng)前值和傾角水平尺測量值；手動調(diào)節(jié)水平角度，分別記錄人機界面上的垂直角度當(dāng)前值和角度測量儀測量值；將牽引力分別設(shè)定為2 kgf和5 kgf，牽引時間均設(shè)定為20 min，記錄牽引過程。

3.2 實驗結(jié)果

水平角度誤差≤1°；上下角度誤差≤1°；牽引力為2 kgf和5 kgf時的牽引曲線如圖8～9所示。

圖8 LZFM-A型電動頸椎牽引裝置加載2 kgf時的牽引曲線

圖9 LZFM-A型電動頸椎牽引裝置加載5 kgf力時的牽引曲線

4 討論

采用氣壓工作原理制作的頸椎牽引裝置[17]實現(xiàn)了便攜式，但因受力面積大，牽引角度控制不夠精準(zhǔn)。河南華智生物科技有限公司發(fā)明的頸椎牽引裝置[18]體積小巧，自動化程度高，實現(xiàn)了牽引力、牽引時間、屈曲牽引角度的精準(zhǔn)控制，且為仰臥牽引，不足之處是不能夠?qū)崿F(xiàn)對側(cè)彎牽引角度的調(diào)節(jié)控制。哈爾濱天愈康復(fù)醫(yī)療機器人有限公司發(fā)明的頸椎牽引康復(fù)機器人及其旋轉(zhuǎn)平臺機構(gòu)[19]可實現(xiàn)頸椎屈曲牽引角度、側(cè)彎牽引角度、牽引力、牽引時間的精準(zhǔn)控制，但為坐位牽引，且體積龐大、價格昂貴，不便于普及推廣。本文設(shè)計的智能化多功能電動頸椎牽引裝置實現(xiàn)了水平（側(cè)彎）牽引角度和上下（屈曲）牽引角度的精準(zhǔn)測量控制；實現(xiàn)了牽引力的自動補償和閉環(huán)測量控制，牽引力有波動，但很快能修正到設(shè)定值附近；實現(xiàn)了精準(zhǔn)定時控制；且為仰臥牽引；提高了頸椎牽引設(shè)備的自動化程度和舒適安全性。根據(jù)電動頸腰椎牽引治療設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[20]要求牽引力控制要有漸進(jìn)期、牽引相和減退期，在牽引相期間要保持牽引力恒定，因此本設(shè)計的牽引力控制還需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。