牽引式頸椎治療儀

唐圣護 林 云 郭凱豐 王 萌

（哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

1 項目背景

隨著社會科學(xué)的發(fā)展，人們生活水平的提高，人們的自我保健意識越來越強。頸椎病這種常見病越來越引起人們的重視，由于社會競爭力加劇，中青年患者的工作壓力大，長期伏案工作，有的甚至通宵在電腦前工作，所至頸椎病嚴重影響了人們的正常工作和生活質(zhì)量，已成為社會問題。結(jié)合臨床治療手段的匱乏，常規(guī)的治療方法藥物和推拿已不滿足患者的需求，人們希望有一種方便、適用的治療儀器，既能用于醫(yī)院又能用于家庭，而且是有省時、省力、省錢、無毒副作用、療效好的治療方法，因此研制適合大眾需求的頸椎治療儀是一項具有積極意義的工作。

2 項目介紹

2.1 項目簡介

本項目旨在研發(fā)一種攜帶方便，外型美觀，智能程度高，能夠醫(yī)生遠程協(xié)助治療，簡單實用的脊椎牽引治療儀。治療儀由以下幾部分組成。主控系統(tǒng)，信息交流，多任務(wù)處理；動力系統(tǒng)接收主控系統(tǒng)的信號，使下巴受力均勻穩(wěn)定；拉力傳感系統(tǒng)，包括拉力傳感器以及相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換放大電路；人機交互系統(tǒng)主要完成用戶與治療儀的信息交流；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，醫(yī)生在醫(yī)院即可了解并做出相應(yīng)的調(diào)整等；遠程客戶端為醫(yī)院主治醫(yī)師PC出的操作系統(tǒng)。

2.2 基本思路

本項目通過治療儀給頸部施加予一定的上托力，來糾正頸部的非正常姿勢，從而達到治療頸椎病的效果。上托力由主控系統(tǒng)控制渦輪蝸桿電機產(chǎn)生，系統(tǒng)通過拉力傳感器反饋電機作用力大小。醫(yī)生在醫(yī)院通過遠程客戶端給系統(tǒng)發(fā)送治療方案，系統(tǒng)識別方案中上托力與時間關(guān)系并控制電機執(zhí)行該方案。

2.3 項目介紹

治療儀由主控系統(tǒng)，動力系統(tǒng)，拉力傳感系統(tǒng)，人機交互系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，遠程控制端組成。

2.3.1 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)為治療儀核心：接收動力傳感器放大后的信后，并通過內(nèi)部AD轉(zhuǎn)化為能夠被識別的數(shù)字信號，將該信號與治療計劃曲線中的信號進行比較，做出相應(yīng)判斷后向動力系統(tǒng)發(fā)送指令，通過渦輪蝸桿電機的轉(zhuǎn)動調(diào)整拉力的大小；與人機交互系統(tǒng)的交流，用戶通過人機交互系統(tǒng)選擇自己需要的治療計劃，主控系統(tǒng)對其加以實施，并將當(dāng)前狀況反饋給用戶；同時保持與遠程客戶端的互聯(lián)網(wǎng)通信，將當(dāng)前治療狀況反饋給主治醫(yī)師，主治醫(yī)師同時也可以通過客戶端給治療儀控制系統(tǒng)添加或刪除治療計劃。

2.3.2 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的執(zhí)行裝置，其功能為接收單片機給出的信號，并進行直接的轉(zhuǎn)動，控制牽引帶的上下運動。

本項目中所需的動力并不大，但對其穩(wěn)定性要求較高，扭矩相對要求較大，綜合考慮，我們采用了渦輪蝸桿減速電機作為動力輸出端。蝸輪蝸桿減速機是一種動力傳達機構(gòu)，利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將電機（馬達）的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的回轉(zhuǎn)數(shù)，并得到較大轉(zhuǎn)矩的機構(gòu)。在目前用于傳遞動力與運動的機構(gòu)中，減速機的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛。

2.3.3 拉力傳感系統(tǒng)

拉力傳感系統(tǒng)為整個系統(tǒng)的主要信息來源，其輸出的拉力參數(shù)為系統(tǒng)運行的根本依據(jù)。本系統(tǒng)中，拉力傳感器安裝在牽引帶上方，系統(tǒng)對拉力傳感器的要求為快速響應(yīng)，精度高，綜上考慮我們采用了較為常用的稱重傳感器HL-8，傳感器原理如圖所示，為應(yīng)變電阻橋組成，四個應(yīng)變電阻大大提升了其精度。

2.3.4 人機交互系統(tǒng)

人機交互系統(tǒng)主要完成用戶與治療儀的信息交流，用戶可通過操作界面選擇治療計劃、治療強度、與醫(yī)院醫(yī)生的信息反饋等，主要由顯示屏、按鍵等構(gòu)成。

2.3.5 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)則將治療儀打造成一個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，用戶的治療計劃、治療過程以及療效等信息，醫(yī)生在醫(yī)院即可了解并做出相應(yīng)的調(diào)整等。

2.3.6 遠程客戶端

遠程客戶端為醫(yī)院主治醫(yī)師PC出的操作系統(tǒng)，醫(yī)生通過客戶端動態(tài)了解患者當(dāng)前的治療狀況，并根據(jù)療效做出相應(yīng)的治療計劃調(diào)整，該調(diào)整信息將發(fā)送至治療儀主控系統(tǒng)，用戶通過人機交互系統(tǒng)即可了解需要接受的治療，客戶端程序由C#編寫，基于.Net framework4.0。

3 項目總結(jié)

3.1 項目難點

該作品設(shè)計的團隊涉及電子電路、自動化、控制、網(wǎng)絡(luò)、軟件等眾多領(lǐng)域，并有哈爾濱程天科技發(fā)展有限公司的技術(shù)支持，開發(fā)團隊實力強大。從前期開發(fā)上來看，整個項目的技術(shù)關(guān)鍵在于以下幾點：主控系統(tǒng)的編程，動力系統(tǒng)電機驅(qū)動的設(shè)計，傳感器信號的處理，網(wǎng)絡(luò)通信以及遠程控制上位機的編寫。

3.2 項目的優(yōu)勢

系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)勢：治療儀構(gòu)造中并無大量的機械結(jié)構(gòu)，較為小巧，安裝在家中、辦公室的座椅背部即可；治療儀簡易，與人體接觸部分僅僅只有治療儀的一個彈性牽引帶，托住下巴處，當(dāng)人的頭隨意移動時，主控系統(tǒng)通過牽引帶上方的傳感器測得拉力并調(diào)整動力系統(tǒng)，使?fàn)恳龓ο掳偷臓恳Ρ３植蛔儯恢悄芑?，人機交互界面方便用戶隨時了解治療儀當(dāng)前工作狀況，并接受用戶指令進行選擇，醫(yī)生遠在醫(yī)院即可對患者當(dāng)前狀況完全了解，遠程即可更改治療計劃等；治療能力上，醫(yī)生通過對患者頸椎損傷情況的了解，指定動態(tài)的拉力-時間治療曲線，將該信息傳輸給主控系統(tǒng)即可，單片機通過對數(shù)據(jù)的處理，可將該治療計劃中的每一個細節(jié)都完美無暇的實現(xiàn)，不存在治療過程中拉力不穩(wěn)，或是拉力大小不可度量的情況。

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