多功能頸腰椎牽引治療儀的研制

趙東亮，郭艷幸，馮坤

河南省正骨研究院 生物醫學工程研究室，河南 洛陽 471000

0 前言

人的身體因長期受自身體重、年齡老化及其他外來的重力、壓力、職業習慣性姿勢等因素的影響，使得支撐人體的脊椎及各部位關節間發生擠壓或彎曲變形現象，導致各種不同類型的腰椎、頸椎疾病發生，給患者帶來病痛及不適。醫學上，腰椎間盤突出癥、變性紊亂、勞損、脫位、腰椎間盤后突或脊椎生理彎曲消失等其他與頸、腰椎相關的疾病，主要治療方法是矯正頸、脊、腰椎骨的變形。頸、腰椎牽引作為一種頸腰椎疾患主要的非手術治療手段之一，有著悠久的歷史，由于療效確切，常作為首選或主要的治療方法。牽引療法以其簡單、安全、無痛、有效得到廣泛的應用[1]。

目前，許多醫院仍采用傳統的砝碼式牽引方式治療。此方法治療效果不理想，牽引治療時患者感覺不舒適，而且加大了護理操作人員的勞動強度。近年來，國內外一些廠家生產出了各式各樣的腰椎牽引床、頸椎牽引機等設備，但該類設備大多存在結構復雜、操作不便、體積龐大、不易拆裝，費用高昂等弊端。隨著人類物質生活水平的提高，人們越來越重視身體健康，希望通過一定的理療達到預防疾病的目的。基于現有牽引設備的缺陷，我們設計一種具有連續牽引、間歇式牽引多種治療模式，并具有牽引力自動補償、自動定時、牽引力過大或失控保護等輔助功能，可以實現頸椎、腰椎牽引的多功能頸腰椎牽引治療儀[2]。

1 牽引治療儀機械結構設計

該儀器主要由電氣控制箱、牽引電機、牽引架、牽引繩、滑輪等組成，機械結構示意圖，見圖1；傳動機構示意圖，見圖2。整個儀器可方便地固定在現有的骨科床床頭。頸椎牽引治療時，將頸椎牽引帶固定在患者的頸部，帶牽引繩的牽引鉤固定住頸椎牽引帶上，牽引繩繞過頸椎牽引架上的滑輪I和滑輪III、固定在牽引電機的皮帶輪上。電機正轉，牽引繩張緊，通過調整牽引繩的張緊度來改變牽引力的大小；電機反轉時，牽引繩松弛，停止牽引。腰椎治療時，將腰椎牽引帶固定在患者的腰部，帶牽引繩的牽引鉤分別勾住腰椎牽引帶的兩端，鋼絲繩繞過腰椎牽引架上的滑輪I，再繞過滑輪II，最終集中繞過滑輪III，固定在牽引電機的皮帶輪上，同樣通過牽引電機的正反轉來達到腰椎牽引起停的目的。腰椎牽引架的間距可左右調節，以滿足不同人體腰椎的牽引。頸、腰椎牽引架固定在一個縱向伸縮桿上，伸縮桿的伸縮可以調整整個頸、腰椎牽引架的高度，以改變牽引角度的大小。 電氣、電子元件和牽引電機都固定在電氣控制箱內部，操作面板用來設定牽引力、牽引時間、牽引模式等參數[3-6]。

圖2 傳動機構示意圖

2 控制系統結構及工作流程

控制系統主要由信號采集元件（牽引力傳感器）、中心控制單元（AT89C51單片機）、輸入設備（薄膜按鍵）、信號輸出設備（液晶屏）以及輸出負載（牽引電機）組成，見圖3。

圖3 控制系統結構框圖

系統工作過程：通過薄膜按鍵設定治療需求的牽引模式、牽引力值和牽引時間等信息，按下啟動鍵，多功能頸腰椎牽引治療儀便進入全自動運行狀態。8279芯片是可編程的通用鍵盤與顯示器輸入/輸出接口芯片，內有一個16×8的顯示RAM，可為CPU送數據或查詢。設備工作時，當鍵盤被按下，鍵盤信息被送入FIFO的同時向CPU提出中斷，CPU響應中斷后調用中斷服務程序，該程序先從FIFO中讀出鍵盤信息，經判斷后根據按鍵的信息做出相應的動作，如果是需要顯示的信息則被存入顯示RAM中。牽引力傳感器測到的牽引力數據經過信號調理、放大和A/D轉換后送入單片機CPU。單片機將采集到的牽引值與設定值做比較，判斷其是否達到設定值；單片機P1口的輸出經電機邏輯控制電路變換后形成電機控制信號去驅動電機運轉。電機正轉，鋼絲繩張緊，牽引力增加，當牽引力值達到預設大小時，進入持續狀態。此狀態下，電機停止轉動，牽引力保持不變。如選擇間歇牽引模式，持續牽引一段時間后，電機反轉，自動松弛一會兒，牽引時間和間歇時間可根據治療需求任意設置，達到設定的總治療時間時，聲光報警提示，同時電機反轉2s，自動松弛，結束治療。液晶屏用來顯示當前牽引力值、牽引時間、工作狀態等信息[7-8]。

3 控制系統軟件設計

為了便于程序的維護和移植，控制系統的軟件采用模塊化結構設計，主要由主程序、中斷服務程序和控制子程序等組成。主程序對CPU初始化、判斷設備狀態并顯示，實現設置參數輸入并進行各種數據處理和子程序的調用。牽引模式的轉換（連續還是間歇）通過撥碼開關來實現，液晶屏可以顯示出當前所處的牽引模式。頸椎牽引和腰椎牽引在控制上的區別主要體現在牽引力的大小設置上，頸椎牽引力較小（一般在1～25 kg力），腰椎牽引引力較大（一般在3～100 kg力之間任意設置）。牽引總時間初始默認為30 min，可以根據需要任意調整。其主程序流程[8-9]，見圖4。

圖4 主程序流程圖

4 主要創新點,

該治療儀結構緊湊、體積小巧、攜帶使用方便，可直接懸掛固定在現有的病床床頭。功能齊全：既可實現頸椎牽引，又可實現腰椎牽引，同時具有牽引力自動補償、自動定時；具有牽引力過大或失控保護、短路保護、漏電保護、間歇牽引時間任意可調等智能化保護控制措施。該治療儀價格低廉、占用空間小，便于推廣應用。

5 結論

該多功能頸、腰椎牽引治療儀設計制作成功后，經過反復調試和修改程序，使恒力牽引、連續牽引、間歇牽引、自動定時報警等各項功能都達到了預期設計要求。用戶可以根據治療需求任意設置牽引力、牽引模式和牽引時間，牽引力可以被恒定控制在設定值附近，控制精度可達±1N。當儀器工作在間歇牽引模式時，牽引、間歇時間可精確控制到1s。牽引力可逐漸加大，具備智能化儀器的特征，使患者使用更安全、更方便。

[1]許建中,許振華.骨牽引的歷史現狀[J].中國骨傷,1999,12(6):78-79.

[2]劉正,文懷興.牽引、按摩器械的發展現狀與趨勢[J].頸腰痛雜志,2005,26(2):150-151.

[3]蘇盛昌.仰臥便攜式頸椎牽引器的研制及療效[J].按摩與導引,2008,24(9):21.

[4]章明,祁兆建,王維佳.全自動頸椎牽引器的臨床應用[J].中醫正骨,2007,19(09):12,14.

[5]李國亮.頸腰牽引器的研制[J].中醫正骨,2010,22(12):79,83.

[6]洪時清,張繼嫄.家用腰椎牽引床的的研制及其臨床應用[J].中醫正骨,2004,16(8):27-28.

[7]胡壽松.自動控制原理[M].北京:國防工業出版社,2000:1-11.

[8]陸銀春,李建平,朱國興,等.間歇式、加熱型頸椎治療儀及應用[J].中國醫療設備,2008,23(1):108-109.

[9]周興華.手把手教你學單片機[M].北京:北京北京航空航天大學出版社, 2007:141-152.