腰部推頂牽引治療裝置控制系統研究

嚴澤宇，喻洪流

（1.上海理工大學康復工程與技術研究所；2.上海康復器械工程技術研究中心；3.民政部神經功能信息與康復工程重點實驗室，上海 200093）

0 引言

腰椎間盤突出癥病因主要是長期外力損傷以及自身免疫調節功能失衡，出現無菌性炎癥，繼而導致神經根局部粘連、瘢痕增生、外膜增厚，導致腰椎病變［1］。腰椎間盤突出癥患者10%～15%存在腰腿痛，是骨科常見病和多發病［2］。腰椎間盤突出癥治療分為手術治療和非手術治療兩種。手術治療通過摘除髓核解除對神經根的壓迫，緩解疼痛，但會對身體造成一定的創傷，術后恢復時間長，費用相對高［3-4］；非手術治療方法有牽引治療、針灸治療、藥物治療、手法治療等［5］，其原理是采用非創傷手段，通過物理療法或藥物、針灸對患處進行減輕痛感治療。在腰椎間盤突出癥患者中，85%～90%的人經過積極適當的非手術療法即可恢復正常［6］，其中大多數可在6 周內獲得滿意效果［7］。研究表明，在常規的牽引治療中增加模擬點法治療的腰部推頂可以有效治療急性腰椎間盤突出癥，顯著緩解患者疼痛感［8-9］。

1 相關研究

對腰椎間盤突出癥的治療裝置的研究較多。2019 年翔宇醫療研發了YHZ-IV 型多功能牽引床，該牽引床將人體生理學與機械物理學相結合，采用機械傳動、電機進行牽引，能實現8 種不同的牽引模式［10］。在牽引過程中可實現牽引力自動補償，存儲與讀取多達20 種治療方案，是目前市場上較為高端的產品，但此產品缺少腰部推頂治療項目；美國梅特勒Mettler 公司設計的MTD4000 脊柱減壓牽引系統可在患者脊柱減壓的同時進行靜態或間歇式牽引治療［11］。牽引過程中患者還可自主控制其牽引或休息時間，可提供不同的牽引方式和多種速度選擇模式，設置多種傳感器和多項安全控制措施，閉環控制，保證安全性。但此產品牽引維度單一且沒有腰部推頂功能。

綜合比較國內外現有設備后發現幾乎所有的牽引設備都不能進行腰部推頂按摩，無法實現牽引與腰部推頂組合治療方案。因此，本文設計了一款腰椎推頂牽引治療裝置，利用電機與液壓結合的方式完成牽引與腰部推頂結合的治療。本裝置將傳統的板法和點法結合起來［12-13］，在腰椎牽引過程中增加模擬點法按摩模式，可實現傳統牽引床的快速/慢速四維牽引與腰部推頂按摩振幅0～30mm 與頻率2～5Hz 可調的五維立體牽引推頂治療，在多傳感器配合下實現牽引力牽引距離角度與推頂按摩的振幅與頻率的精準控制，實現推頂與牽引的配合治療。

本文介紹了腰部推頂牽引治療裝置控制系統的模塊化設計和軟件設計，并通過樣機測試證明控制系統的有效性。

2 總體設計

2.1 機械結構設計

腰部推頂牽引裝置是用于腰椎疾病治療的康復訓練系統，該裝置把推拿手法中的腰部背伸法、腰部斜扳法、骨盆牽引法等分解為縱向牽引、左右旋轉、左右擺角、上下成角和腰部推頂按摩5 個動作。裝置設計主要分為頭胸板和臀腿板，頭胸板靠近臀腿板處為腰部推頂裝置，整個床體可以進行縱向牽引，左右旋轉、左右擺角、上下成角動作，整體結構如圖1 所示，腰部推頂按摩結構如圖2 所示。

Fig.1 Lumbar pushing traction treatment device圖1 腰部推頂牽引治療裝置

Fig.2 Design drawing and physical object of lumbar pushing device圖2 腰部推頂裝置設計與實物

2.2 液壓控制系統設計

液壓系統具有元件布置靈活、結構緊湊、重量輕、控制容易、動作平穩、能實現無級調速、反應速度快、可自動實現過載保護等特點［14］。

腰椎推頂牽引治療裝置液壓系統主要由動力元件、執行元件、控制元件、輔助元件和液壓油組成。動力元件采用內嚙合齒輪泵，能將電動機輸出的機械能轉化為液體壓力能，噪聲低、效率高。執行元件有液壓缸和液壓馬達，液壓缸用于配合機械結構驅動床體運動。控制元件是各類液壓閥，包括換向閥、溢流閥、比例閥、單向閥等，對系統中液體的流量、壓力和方向進行控制和調節，如圖3 所示。

Fig.3 Schematic diagram of hydraulic system圖3 液壓系統原理

圖3 中，液壓缸19 執行縱向快速/慢速牽引動作，液壓缸20 執行左右擺角動作，液壓缸21 執行左右旋轉動作，液壓缸22 執行左側腰部推頂按摩動作，液壓缸23 執行右側腰部推頂按摩動作。給液壓泵3 通三相電，液壓泵3 從油箱1 吸油，溢流閥4 控制系統整體的總壓力。節流閥10、11、12 和13 可手動控制開口大小，改變液壓缸20、21、22 和23 的流量，調節液壓缸動作速度。通過脈寬調制電信號（PWM）調節電控比例閥9 控制油液的壓力、流量等參數，并采集壓力—位移反饋信號，實現自動精準控制。通過改變電磁鐵的通斷電控制三位四通換向閥14、15、16、17 和18，變換閥體上各主油口的通斷關系，實現牽引換向功能。電磁換向閥是腰椎推頂牽引治療裝置系統控制的主要目標之一。通過控制不同電磁換向閥電磁鐵電流的通斷來控制不同液壓缸的正向運動、反向運動和停止，配合電控溢流閥控制液壓缸運行的方向、速度。

液壓系統執行縱向牽引、左右擺角、左右旋轉、左右腰部推頂按摩和卸荷時對應的電磁鐵動作，如表1 所示。其中“+”代表通電，“-”代表斷電。

Table 1 Electromagnet action表1 電磁鐵動作

2.3 控制系統總體設計

腰椎推頂牽引治療裝置需要完成縱向牽引、左右擺角、左右旋轉、上下成角和腰部推頂按摩等動作。為保證系統運行的穩定性和安全性，控制系統采用模塊化設計思想，系統主要由電源模塊、腰部推頂模塊、牽引模塊、人機交互模塊組成。控制系統總體設計如圖4 所示。

Fig.4 General design of control system圖4 控制系統總體設計

3 控制系統模塊化設計

3.1 電源模塊

電源模塊主要由強電部分和弱電部分組成。強電部分包括斷路器、交流接觸器和開關電源，弱點部分主要由電源轉化芯片和穩壓芯片組成。腰部采用液—電混合驅動方式，其中液壓馬達采用380V 三相交流電，其余控制系統采用弱電。電源模塊先將三相交流電轉化為單相電，再經過不同的開關為控制系統各個部件提供所需的工作電壓，如圖5 所示。

Fig.5 System power module圖5 系統電源模塊

3.2 人機交互模塊

人機交互模塊指人與治療裝置之間的交互，治療裝置信息包括牽引力大小、床板運行速度和角度、腰椎推頂速度、頻率和壓力等信息。本系統采用多種交互方式，包括上位機交互、觸摸屏交互、手持控制器交互等。

3.2.1 上位機模塊

上位機為醫生操作平臺，醫生可以在上位機上建立患者病歷，針對不同患者情況制定處方，本文通過PyQt5 平臺開發上位機，并通過RS485 通訊協議與主控板通訊，執行相應的處方治療方案；記錄患者的治療數據，建立患者個人病歷與治療記錄，以供制定后續治療方案。

RS485 是半雙工、多點通信總線，具有接口電平低、支持節點多、傳輸速率高、抗干擾能力強、傳輸距離遠、通用性和穩定性高的特點［15］，本文選用RS485 實現主控板與上位機通訊。RS485 通訊電路原理如圖6 所示。本文采用SP3485 低功耗收發器，該芯片支持3.3V 供電，最大傳輸速度可達10Mbps，支持多達32 個節點，并且有輸出短路保護。DE 引腳輸入高電平使能發射器，RE 引腳輸入高電平使能接收器。禁用時，發射器和接收器輸出為高阻抗。SP3485 僅支持半雙工通訊，所以在同一時刻只能使能發射器或接收器。在電路設計上，將DE 引腳和RE 引腳取反后短接在一起，實現同一時刻僅有一引腳收到高電平。120Ω電阻為RS-485 匹配電阻，用于抑制通信中的回波干擾。本文設計的Modbus 協議格式如圖7 所示。

Fig.6 Schematic diagram of RS-485 communication circuit圖6 RS-485 通訊電路原理

Fig.7 Modbus protocol format圖7 Modbus 協議格式

3.2.2 觸摸屏

觸摸屏為醫生操作平臺，通過便攜式觸摸屏，醫生可以在觀察病人情況的同時查看記錄的實時數據，進行處方修改或保持當前訓練模式。觸摸屏支持按鈕控件、進度條控件、文本控件、指針控件等多種組態控件。結合基本的GUI 指令、串口下載、PC 端模擬調試和上位機編寫好的軟件，通過藍牙通訊實現指令交互。

本文采用HC-05 藍牙模塊，該模塊性價比高，尺寸小，靈敏度高［16］。通過此模塊先將串口輸出的數字信號轉換為模擬信號在空間傳輸，再將接收到的模擬信號轉換為數字信號送回主控板，其硬件電路如圖8 所示。

Fig.8 Bluetooth communication circuit圖8 藍牙通訊電路

3.2.3 手持控制器

手持控制器通過數據線直連主板，為患者手持用，除了開始、結束外，還有一個急停按鈕，用于患者緊急停止訓練。

3.3 牽引模塊

牽引模塊由主控板、從控板、驅動模塊、電控溢流閥、電磁換向閥、液壓缸、光柵尺、拉壓力傳感器、液壓力傳感器組成。通過PWM 波調節電控溢流閥的閥芯電機［17］，改變閥芯的偏轉角度線性改變輸出液壓力大小，通過液壓力傳感器和拉壓力傳感器的反饋修正閥芯位置，維持液壓力輸出穩定可調。為了得到穩定的牽引力，本文采用PID 控制算法來控制閥芯電機［18］。

3.4 腰部推頂模塊

腰部推頂按摩模塊包含左、右共兩個腰部推頂裝置，由主控板2、從控板、驅動板、2 個直流電機、2 個電機、2 個換向閥、2 個液壓缸、4 個接近開關、兩個磁性開關和2 個壓力傳感器組成。通過兩組電機分別驅動并控制腰部推頂裝置的振幅和頻率，通過兩個液壓缸控制上升單元的起始高度，并實現一定推頂高度下的快速推頂動作。

為實現腰部推頂的頻率和振幅可調，需要控制直流電機的轉速和另外兩個電機帶動機構運行的位移量。直流電機轉速決定腰部推頂的頻率，電機機構的位移量決定腰部推頂的振幅。通過同時控制兩個直流電機實現兩個腰部推頂的交替運動或一起運動。在腰部推頂按摩過程中，針對左右兩個推頂裝置的控制問題，本系統采用PWM 調壓方法改變兩個直流電機的電壓，通過調壓改變電機的轉速，改變腰椎推頂頻率，實現腰椎推頂頻率可調。PWM 工作原理如圖9 所示。

從圖9 可以看出，當CNT＜CCRx 時，IO 邏輯輸出低電平0；當CNT＞CCRx 時，IO 邏輯輸出高電平1，其中CNT 是計數器的值，在定時器時鐘源下不斷累加。當CNT 的值大于ARR 時，定時器將重新計數；ARR 為自動重裝載值，CCRx是定時器所設定的計數比較值。PWM 調壓采用XL4013 芯片，調壓原理如圖10 所示。

Fig.9 The working principle of PWM圖9 PWM 工作原理

Fig.10 Schematic diagram of PWM wave voltage regulation圖10 PWM 波調壓原理

其中R1、R2、R3、R4 和C3 為PWM 調壓電路，R1、R2 在電路中起到分壓作用，VA 為模擬調壓信號，VPWM 為PWM調壓信號。VIN 為輸入電源，VOUT 為輸出電源。按下列公式計算R1、R3、R4 的阻值大小：

已知VFB=1.25V、R2=20K、C3=105，且外加0～5V 的VPWM 信號，代入上面公式可計算出R1、R3、R4 的阻值。圖11 為PWM 占空比與從控板輸出的電壓值的對應關系。從圖中可以看出，PWM 調壓值與理論值較相符，且PWM 占空比與腰部推頂從控板輸出的電壓值成比例關系。

Fig.11 Relationship between PWM duty cycle and voltage value圖11 PWM 波占空比與電壓值關系曲線

根據計算結果可知輸出的可調電壓隨輸入電壓的增大而增大。腰部推頂模塊需要在腰部推頂治療過程中改變推頂的頻率，因此需要對直流電機進行調速。本文采用PID 控制算法對直流電機進行控制并進行實驗驗證。PID反饋控制流程如圖12 所示。

Fig.12 PID feedback control flow圖12 PID 反饋控制流程

4 實驗

4.1 牽引實驗

結合文獻［19-22］醫學臨床經驗得到本文牽引治療周期如圖13 所示。本系統選擇3 個治療周期進行實驗。牽引治療的首個周期時間為90s，其后兩個治療周期為60s。選擇體重為50kg 的治療對象通過PID 參數整定，實驗結果如圖14 所示。從圖14 可以看出，系統輸出的牽引力能夠較好跟蹤設定的牽引力曲線，牽引力的控制誤差較小，實驗結果滿足牽引治療要求。

Fig.13 Traction treatment cycle圖13 牽引治療周期

Fig.14 Traction curve of PID control圖14 PID 控制牽引力曲線

4.2 腰部推頂配合牽引實驗

通過上位機控制腰椎推頂裝置，設定好預定的頻率和振幅，受試者仰臥在裝置上，給定一個牽引距離值，在慢速牽引逐漸達到這個距離時牽引力發生變化，牽引速度減慢，此時腰椎推頂介入，幅度由小到大并配合頻率的變化。不同受試者結合多種不同的參數設置方案進行，減緩腰椎壓力。PID 算法明顯改善了兩個腰部推頂直流電機的速度控制，提高了直流電機異步運動穩定性。加速、減速情況下推頂位移曲線分別如圖15、圖16 所示，治療姿態如圖17所示。

Fig.15 Displacement curve of lumbar pushing under acceleration圖15 加速下腰部推頂位移曲線

Fig.16 Displacement curve of lumbar pushing under deceleration圖16 減速下腰部推頂位移曲線

Fig.17 Treatment posture圖17 治療姿態

5 結語

本文設計了一種新型腰椎推頂牽引治療裝置控制系統，通過電—液混合驅動，可實現穩定牽引與腰部推頂相配合的模擬手法動作，補充現有牽引裝置腰部推頂空白。通過PID 算法控制，實現對腰部推頂裝置的同步或異步控制，通過RS485 和藍牙通訊可與牽引模塊實現組合運動。目前已制作出實驗樣機一臺，通過實機測試獲得相應數據。與之前相比，腰部推頂加速和減速調節時間分別減少了7.75ms 和7.8ms，可以完成模擬牽引配合腰椎推頂的加減速手法動作。但是在實際推頂治療中，因不同患者治療的負載不同，有時手法需要保證在不同負載情況下的推頂速度恒定，因此單純的PID 控制并不能完美滿足要求。后續研究要通過優化控制算法，增加系統反饋值，通過多層PID 控制來適應不同負載下的速度控制，達到真正模擬手法的目的。