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 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

1 項目背景

隨著社會科學的發展，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量，已成為社會問題。結合臨床治療手段的匱乏，常規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

本項目旨在研發一種攜帶方便，外型美觀，智能程度高，能夠醫生遠程協助治療，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，信息交流，多任務處理；動力系統接收主控系統的信號，使下巴受力均勻穩定；拉力傳感系統，包括拉力傳感器以及相應的信號轉換放大電路；人機交互系統主要完成用戶與治療儀的信息交流；網絡系統，醫生在醫院即可了解并做出相應的調整等；遠程客戶端為醫院主治醫師PC出的操作系統。

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。上托力由主控系統控制渦輪蝸桿電機產生，系統通過拉力傳感器反饋電機作用力大小。醫生在醫院通過遠程客戶端給系統發送治療方案，系統識別方案中上托力與時間關系并控制電機執行該方案。

2.3 項目介紹

治療儀由主控系統，動力系統，拉力傳感系統，人機交互系統，網絡系統，遠程控制端組成。

2.3.1 主控系統

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

2.3.2 動力系統

動力系統作為整個系統的執行裝置，其功能為接收單片機給出的信號，并進行直接的轉動，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，利用齒輪的速度轉換器，將電機（馬達）的回轉數減速到所要的回轉數，并得到較大轉矩的機構。在目前用于傳遞動力與運動的機構中，減速機的應用范圍相當廣泛。

2.3.3 拉力傳感系統

拉力傳感系統為整個系統的主要信息來源，其輸出的拉力參數為系統運行的根本依據。本系統中，拉力傳感器安裝在牽引帶上方，系統對拉力傳感器的要求為快速響應，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，為應變電阻橋組成，四個應變電阻大大提升了其精度。

2.3.4 人機交互系統

人機交互系統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、與醫院醫生的信息反饋等，主要由顯示屏、按鍵等構成。

2.3.5 網絡系統

網絡系統則將治療儀打造成一個物聯網系統，用戶的治療計劃、治療過程以及療效等信息，醫生在醫院即可了解并做出相應的調整等。

2.3.6 遠程客戶端

遠程客戶端為醫院主治醫師PC出的操作系統，醫生通過客戶端動態了解患者當前的治療狀況，并根據療效做出相應的治療計劃調整，該調整信息將發送至治療儀主控系統，用戶通過人機交互系統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

3.1 項目難點

該作品設計的團隊涉及電子電路、自動化、控制、網絡、軟件等眾多領域，并有哈爾濱程天科技發展有限公司的技術支持，開發團隊實力強大。從前期開發上來看，整個項目的技術關鍵在于以下幾點：主控系統的編程，動力系統電機驅動的設計，傳感器信號的處理，網絡通信以及遠程控制上位機的編寫。

3.2 項目的優勢

系統設計優勢：治療儀構造中并無大量的機械結構，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，當人的頭隨意移動時，主控系統通過牽引帶上方的傳感器測得拉力并調整動力系統，使牽引帶對下巴的牽引力保持不變；智能化，人機交互界面方便用戶隨時了解治療儀當前工作狀況，并接受用戶指令進行選擇，醫生遠在醫院即可對患者當前狀況完全了解，遠程即可更改治療計劃等；治療能力上，醫生通過對患者頸椎損傷情況的了解，指定動態的拉力-時間治療曲線，將該信息傳輸給主控系統即可，單片機通過對數據的處理，可將該治療計劃中的每一個細節都完美無暇的實現，不存在治療過程中拉力不穩，或是拉力大小不可度量的情況。

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