多功能頸椎牽引椅的研制

成志新，王京華，韓愛民，金振華，沈正斌

(山東省藥學科學院，濟南 250000)

1 引 言

頸椎病又稱頸椎綜合征，主要由于頸椎長期勞損、椎間盤脫出、韌帶增厚，導致頸椎脊髓、神經根或椎動脈受壓，從而出現的一系列功能障礙的臨床綜合征[1]。臨床上大多采用牽引、推拿等中醫方法治療頸椎病。頸椎牽引的原理是利用外力牽拉脊柱頸段及相關組織結構，使椎間孔和椎間隙增大的同時，減輕椎間盤壓力，恢復頸曲，緩解神經、血管的壓迫，緩解肌肉痙攣和疼痛[2]，是目前有效治療頸椎病的方法之一。

國內市場上的頸椎牽引裝置大多是在單一方向上對頸椎進行力量牽引，采用固定的垂直頸牽模式，只能起到緩解頸部肌肉痙攣的作用，療效差，滿足不了頸椎生理功能的需要。本研究介紹一種新型多功能頸椎牽引椅的設計，它在常規頸椎牽引基礎上增加了對角度的控制，不僅對頸椎進行力量牽引，還增加了頸部左右擺動和前后傾角的動作，醫生可以根據不同患者的情況選擇不同功能，進行牽引力量、牽引時間、牽引角度的組合治療。角度牽引符合頸椎的生物力學特性[3]，可以將頸椎的生理曲度和頸椎內外的動態平衡調節到有效范圍內，提高頸椎病的治療效果。

2 頸椎牽引角度研究進展

牽引力量、牽引時間、牽引角度是頸椎牽引中最重要的三個參數，近年來，關于頸椎牽引角度的研究非常多，結論也各有不同。

陳禾麗[4]研究表明最大應力的位置和牽引角度有關系，牽引角度小時，最大應力位置靠近頸椎上段，隨著牽引角度增大最大應力位置逐漸下移。倪國新[5]觀察 X射線片后研究發現，15°～20°前屈位牽引時，牽引力與頸椎運動軸心一致，符合力學要求，治療效果優于垂直牽引。陳完偉[6]認為椎動脈型適合采用5°以下角度進行牽引治療，脊髓型采用頸后仰10°～15°角度牽引，神經根型宜采用頸前屈20°～30°牽引等。伍忠東[7]根據臨床實驗總結出：正常生理曲度(12±5)mm適合采用5°～15°的牽引角度，頸椎反弓應采用 -15°～- 5°的牽引角度，頸椎曲度變直(0～6.9 mm)適合- 5°～5°牽引角度。

角度牽引對參數的要求非常嚴格，選用不適當的牽引角度會對患者的病情產生不利影響。醫生在治療過程中必須對患者病情進行認真分析，對照患者頸椎的X射線片，綜合考慮患者病變部位及頸椎病類型，采用最佳牽引角度、牽引力量和牽引時間進行治療。

3 系統的總體設計

多功能頸椎牽引椅由機械系統 (頭部卡板、座椅、牽引立柱、頸牽執行機構等) 、 電氣系統 (數據采集模塊、顯示模塊、驅動模塊、急停裝置) 兩部分組成。其主要性能參數根據患者病情及臨床需求等因素確定。

3.1 機械系統

多功能頸椎牽引椅由A 頭部卡板、B傾角執行機構、C座椅、D牽引立柱、E頸牽執行機構、F擺角執行機構組成。

其中A 頭部卡板用于對患者頭部進行固定，卡板的寬度可根據患者頭部大小調節；B傾角執行機構中主要包括傾角傳感器和傾角電機，完成頸椎的傾角功能；D牽引立柱采用可調節高度的機械桿，以滿足各種不同身高患者的要求； E頸牽執行機構主要包括力量傳感器和牽引電機，完成頸椎的力量牽引；F擺角執行機構主要包括擺角傳感器和擺角電機，完成頸椎的擺角功能。各功能執行機構都具有機械限位功能，保證整個治療過程的安全可靠。

多功能頸椎牽引椅機械圖見1。

圖1 多功能頸椎牽引椅機械圖

系統摒棄了傳統鋼絲繩牽引的弊端，傳動機構直接作用于頭部，增加了頸部的左右擺動、頸部的前后傾角功能，治療時根據患者的實際情況進行不同力量、角度的組合，實現多方位牽引，從根本上解決頸椎病的問題。

3.2 電器系統

多功能頸椎牽引椅的電器控制部分是在ATMEGA16單片機作為主控制器的基礎上，擴展了一些外圍電路，包括數據采集模塊、顯示模塊、驅動模塊、急停裝置。數據采集模塊由頸牽拉力傳感器、擺角角度傳感器、傾角角度傳感器以及其相對應的濾波電路、A/D轉換電路組成，用于實現傳感器信號的采集及調理，以便在單片機中對數據進行分析處理；顯示模塊由RS232串口通訊電路和觸摸屏組成，用戶可以通過觸摸屏進行治療模式的選擇、設置治療參數、系統校準等操作，并實時顯示牽引力，界面直觀，操作方便；驅動模塊由繼電器和頸牽電機、擺角電機、傾角電機組成，當單片機接收到控制信號后，發出動作指令，通過繼電器控制各直流電機的動作，分別完成頸椎力量牽引、左右擺動、前后傾角的功能，實現對患者頸椎的組合牽引；急停裝置的作用是在牽引的過程中將系統緊急復位，避免意外狀況對患者頸部造成損傷。

多功能頸椎牽引椅的電器系統結構框圖見圖2。

圖2 電器系統結構框圖

4 系統的軟件設計

系統軟件部分包括主控制程序、數據采集及處理程序、校準程序、牽引程序的設計。主控制程序接收串口屏發送的操作指令，并調用相應的功能函數；數據采集部分實現信號的A/D轉換，并對數據進行濾波、計算等操作；校準程序實現觸摸屏的校準以及系統參數的校準；牽引程序根據接收到的牽引模式和參數發出相應的動作指令。

4.1 系統主控制程序

系統上電復位之后，在主控制程序中需要對硬件進行初始化，包括外設接口初始化、定時器初始化、串口通訊設置、存儲器初始化、中斷初始化等操作。在初始化完成之后,系統開串口中斷，然后進入主循環程序。采用循環隊列的方式接收觸摸屏發送來的數據，在程序中對每一幀數據進行分析，提取出功能代碼和數據，對應通訊協議調用相應的功能函數。另外在主程序中定時檢測頸牽拉力傳感器測得的數值，以便在牽引的過程中對頸牽力量進行實時監測，實現反饋補償。

主程序的流程圖見圖3。

4.2 數據采集及處理程序

數據采集模塊用于采集力量、擺角和傾角信號并完成傳感器信號的A/D轉換。我們利用ATMEGA16內部的ADC進行采樣及A/D轉換，采樣精度可以達到10位。ATMEGA16的內部ADC包括四個寄存器，其中ADMUX為多工選擇寄存器，用于選擇參考電壓及模擬通道；ADCSRA為控制和狀態寄存器A；ADCL及ADCH為數據寄存器，用于存放AD轉換值；SFIOR為特殊功能IO寄存器。在完成ADC的相關寄存器初始化后,就可以啟動A/D轉換。

傳感器本身的誤差以及運行環境中存在的干擾源都會對數據的采集精度造成影響，系統在硬件方面采用了濾波器，并加入適當的接地和屏蔽措施，但是硬件上的措施不能完全解決干擾問題，在軟件上采用平均濾波算法，以期提高數據采集的精度。

圖3 主控制程序流程圖

4.3 牽引程序

在初始狀態下，系統各牽引機構處于零位，用戶通過觸摸屏設定牽引力量、牽引時間、牽引角度等參數，單片機接收到控制信號后，輸出動作指令，控制相應電機的動作，同時對相應傳感器信號進行采集并實時監控。

用戶在觸摸屏上完成模式選擇及參數設置之后，系統將按照設定的工作模式運行。系統有兩種工作模式，第一種首先將擺角或傾角牽拉至指定位置，然后啟動頸牽電機，將頸椎牽拉至指定牽引力，在設定的保持時間內完成治療，并將系統復位至初始位置；第二種首先啟動頸牽電機，將頸椎牽拉至指定牽引力，然后在治療保持時間范圍內根據已設定次數進行擺角或傾角的間歇牽引，完成治療后將系統復位至初始位置。

在整個治療過程中，電機轉動產生牽引力的變化，并通過傳感器的數值大小反映出來，單片機將采集到的力量傳感器數值與用戶設定的牽引參數比對，進而調節頸牽電機的動作，達到預設數值時發出停止信號，使電機停止動作。牽引力量到達設定值之后進入牽引保持，牽引保持過程中每間隔5 s進行一次力反饋信息采集，以便補償病人的輕微動作對牽引力量造成的改變。

5 結論

多方位頸椎牽引椅是在基于ATMEGA16單片機的硬件平臺上，根據生物力學原理設計而成的，利用程序進行組合控制，可以實現頸椎力量、角度的組合牽引。系統采用高精度的傳感器對牽引力、牽引角度信號進行多通道的數據采集，在牽引過程中對各牽引參數進行實時監測和精確控制，保證了系統的精度和可靠性。經專家論證和臨床試驗，該設備功能齊全、精度高、運行平穩可靠、操作方便，符合臨床要求，具有廣闊的應用前景。