智能化臨床治療踩蹺實驗儀器設計

禮 瑩，張 濤，黃仕磊，李慶兵，李梓千

（1.四川大學 機械工程學院，成都610065；2.四川大學華西康復醫學中心 康復醫學四川省重點實驗室，成都610000）

踩蹺是治療腰椎間盤突出癥最有效的醫療手段之一，作為按摩的一個分支至今已有兩千多年的歷史，是我國醫學寶貴的遺產之一。所謂踩蹺，是雙腳同時在患者腰背部節律性的彈跳踩踏，是以足作為主要工具治療疾病的中醫外治療法。這種推拿的操作手法因人而異。不同手法的操作力度、頻率和作用時間都與臨床療效密切相關[1]，這些都要求醫生具有專業的醫療知識和推拿技法。但由于推拿手法的規范化研究至今并沒有單一的標準，不正確的推拿手法會使得治療無法取得好的療效甚至會對健康造成不必要的損傷[2]。所以對這種推拿手法的規范化是很有必要的，并且具有研究價值。

雖然推拿手法的規范化研究并沒有單一的標準，但可以歸納總結名醫專家的手法特色，在其基礎上繼承和發展，建立一個衡量標準規范的指標體系，比如羅才貴教授獨創的羅氏趾壓踩蹺法[3]。因此，假設用特定的機械裝置模擬特定的技巧和規范化的動作來進行踩蹺實驗和治療疾病，不僅使得踩蹺法更為廣泛地推廣和應用，還可以大大減少醫療人員的人工成本，提高醫療質量，為更多受疾病困擾的病患帶來福音。因此，這套機械系統對踩蹺法規范化具有十分重要的傳承價值和臨床意義。而目前國內外對此裝置研究寥寥無幾，國內研究出了相關力學參數只停留在理論階段，因沒有專業的機械裝置，無法通過大量實驗驗證參數的可靠性。

用機械裝置模擬人工踩蹺對規范化踩蹺技巧是一種有效的途徑。首先，考慮實驗目標為大鼠[4]，大鼠作為與人類基因更為接近的哺乳脊椎動物，機能反應與人體相似，且繁殖快，生長周期短，因此用大鼠作為實驗對象是最好的選擇。觀測機械化踩蹺裝置對大鼠的實驗效果，為以后實現機械化踩蹺造福人類打下基礎[5]。

此裝置研究的難點在于如何精準平穩閉環控制牽引式電磁鐵敲擊的頻率、輕重和作用時間，能夠較好的模擬專業的踩蹺技術。本文采用單片機作為控制器[6-8]，牽引式電磁鐵作為執行器，很好的解決了這個問題，現就該裝置的設計進行論述。

1 總體設計思路

踩蹺系統主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件系統主要由機械部分、主控制器和模擬電路組成，機械部分用作大鼠放置調節試驗臺，STM32 作為主控制器。模擬電路由信號放大電路、場效應管放大電路、電源模塊、壓力傳感器和牽引式電磁鐵組成，模擬電路的作用是對信號進行放大濾波，更好的控制牽引式電磁鐵敲擊[9]。軟件系統對壓力傳感器采集的數據進行邏輯控制和數據處理，其總體結構如圖1所示。

圖1 總體結構圖Fig.1 Block diagram of overall structure

1.1 信號采集部分

可調節固定自動敲擊大鼠的實驗裝置結構如圖2所示。機械裝置包括8 個部分，底座、底座上的有機玻璃和夾具用于承載和固定大鼠，夾具是旋鈕式可調節移動的，5 個夾具分別用于固定大鼠的頭和四肢[10]，且5 個夾具分別對應5 個滑槽，方便調節和固定大鼠， 也可以適應不同體型大鼠的放置，旋鈕是豎桿和橫桿的連接鍵，可以控制電磁鐵上下左右的在三維空間內移動， 電磁鐵上裝有彈簧式觸頭，用于敲擊大鼠，觸頭可拆卸更換，方便滿足不同的實驗需求， 且和電磁鐵之間放置了若干尼龍墊片，具有緩沖減震的作用。觸頭上安裝了薄膜式壓力傳感器，用于測量敲擊時的振動頻率和力度。機械部分3D 渲染如圖3所示。

圖2 可調節固定自動敲擊大鼠實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of adjustable fixed automatic percussion mouse experimental device

圖3 機械部分3D 渲染圖Fig.3 3D render map of mechanic part

1.2 硬件電路

1.2.1 牽引式電磁鐵

本實驗的執行裝置選用的是牽引式電磁鐵。電磁鐵由復位彈簧、動鐵芯、靜鐵芯及勵磁線圈4 部分組成。其應用了螺旋管的漏磁通原理，利用電磁鐵動鐵芯和靜鐵心長距離吸合，以實現牽引桿的直線往復運動。簡單的來說，就是通過對內部勵磁線圈輸入電壓信號來產生電磁力，銜鐵在電磁力與彈簧彈力的共同作用下進行運動，不僅能頻繁啟動工作，也可長期通電吸合[11]。牽引式電磁鐵的原理如圖4所示。

圖4 牽引式電磁鐵原理圖Fig.4 Schematic diagram of tractive electromagnet

本實驗裝置的電磁鐵的線圈選用的是銅線圈，銅的發熱量低，可以有效延長工作時間。電磁鐵體積較小，可以安裝到這種空間較小的場合，通過彈簧可實現快速的變換，達到較高的頻率。電磁牽引力計算如下[12]：根據：

式中：B0為氣隙中的磁感應強度 （T）；μ0為導磁率4π×10-7H/m；F 為電磁力（N）；S0為氣隙面積（mm2）。又因為：

所以：

式中：d 為漆包線直徑（mm）；U 為電壓（V）；ρ 為銅的電阻率0.0178 Ω·mm2/m；D2 為繞線外徑（mm）；D1 為繞線內徑（mm）；δ 為氣隙長度（mm）即行程。通過計算得出行程為40 mm～60 mm 以上。

電磁鐵控制原理如圖5所示，是一個閉環系統，R 是勵磁線圈的電阻值，k 是電磁牽引力與驅動電流之比。該系統將試驗要求參數作為閉環控制對象，且這個區間所有干擾因素都會被反饋環節抑制，因此電磁鐵最后將輸出一個穩定精確的電磁牽引力[13]。

圖5 電磁鐵控制系統原理圖Fig.5 Schematic diagram of electromagnet control system

1.2.2 信號放大電路

單片機輸出的信號電壓是0～3.3 V，而電磁鐵的驅動電壓是5 V，所以為了更靈活的控制電磁鐵，需要對單片機的輸出信號進行放大。如圖6所示，這里用到的是同相比例運算電路，電容C1起到濾波的作用。

圖6 NMOS 放大電路Fig.6 NMOS amplifier circuit

采用的芯片型號OP07，是一種低噪聲，非斬波穩零的雙極性運算放大器[14]。由于OP07 具有非常低的輸入失調電壓，所以OP07 在很多應用場合不需要額外的調零措施。同相比例放大電路計算公式[15]為

因此，R1為100 kΩ；R2為400 kΩ。

1.2.3 NMOS 共源極放大電路

要靈活的控制電磁鐵需要放大電流，且電磁鐵的敲擊力度和電流的幅值是成正比的。此時需要電壓放大電流電路，本實驗選用的是場效應管放大電路。在典型的功率應用中，當一個MOS 管接地，而負載連接到干線電壓上時，該MOS 管就構成了低壓側開關[16]。在低壓側開關中，應采用N 溝道MOS 管，這是出于對關閉或導通器件所需電壓的考慮。N 溝道增強型MOS 管具有輸入阻抗高、噪聲低等特點。增強型MOS 管只有在柵-源電壓達到其開啟電壓VT時，才有漏極電流ID產生，因此這類管子不能用于自偏壓電路中，應當使用分壓式偏置電路。下一步是確定所需的額定電壓，額定電壓越大，器件的成本就越高。根據實踐經驗，額定電壓應當大于干線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護，使MOS 管不會失效[17]。就選擇MOS 管而言，必須確定漏極至源極間可能承受的 最大電壓， 即最大VDS。由于本實驗的額定電壓和額定電流要求比較小，因此一般的MOS 管都能滿足要求。

由圖6可知，柵源電壓VGS由Rg1，Rg2組成的分壓式偏置電路提供。因此有：

場效應管T 的開啟電壓為VT，NMOS 管工作于飽和區，因此漏極電流為

漏源電壓為

電磁鐵的驅動電流ID為0.3 A， 已知負載電磁鐵17 Ω，因此Rg1為65 kΩ，Rg2為47 kΩ。

1.3 軟件系統設計

1.3.1 算法設計

從人體踩蹺實驗折算下來，最大加壓力度約為受力物體的2.5 倍，人體真實操作能達到120 bar 的總壓強，面積也大概120 cm2，所以折算下來單位面積的平均壓強為1 bar。

根據羅氏踩蹺法[18]的技術參數要求按人體與大鼠的重量折算，總共有2 個檔位，分別適用于不同體積的大鼠，每個檔位的一個周期敲3 下，具體實驗技術參數如表1所示。

表1 實驗要求Tab.1 Experimental requirements

1.3.2 程序設計

在主程序啟動后， 首先執行系統初始化操作，然后執行按鍵掃描模式。當KEY1 按下時，電磁鐵處于1 檔控制模式[19]；若KEY1 沒有按下，系統將處于待機模式，壓力傳感器檢測模塊檢測后，采集數據傳至上位機，即可觀察實時敲擊的波形圖。當敲擊力超出閾值，即敲擊的力過大或過小時，系統將發出警報聲，并通過調整占空比完成誤差修正后返回單片機[20]。單片機輸出修正后的信號發送給功率放大電路控制牽引式電磁鐵繼續敲擊。

圖7 主程序流程Fig.7 Main program flow chart

2 實驗結果

為了驗證本文設計的踩蹺系統是否符合實驗要求，本文進行了實驗對象為大鼠的智能化踩蹺實驗。

如圖8所示，將大鼠氣體麻醉后放置機械部分的試驗臺上，將大鼠的頭部、四肢和尾部分別固定在凸起的圓柱底座上，固定好大鼠后，調節底座豎桿上的連接件旋鈕，使觸頭的位置正對大鼠尾椎的兩側，并預留合適的空間距離，然后打開電源開關，最后啟動儀器后即可開始試驗。

圖8 實驗示意圖Fig.8 Experimental diagram

如圖9所示，壓力傳感器實時發送至上位機的數據，分別為1 檔和2 檔的測試曲線，橫坐標為時間刻度，縱坐標為敲擊力的大小。相對誤差不超過0.6%，根據實驗結果證實此裝置能較好的按照預設的實驗要求對實驗對象實現精準平穩的敲擊振動。

圖9 不同檔位的測試曲線Fig.9 Test curves of different gears

通過測試單片機的輸出電壓和電磁鐵敲擊產生的力的關系，如圖10所示，線性度控制在99.7%，且誤差的變化較為平穩，未出現大的抖動，說明裝置有較高的穩定性。

圖10 裝置的線性擬合曲線Fig.10 Linear fitting curve of device

3 結語

本文設計了一種能實現自動控制的智能化踩蹺系統， 解決了對電磁鐵精準平穩的敲擊控制問題，有利于規范踩敲手法，驗證了用智能化機電裝置代替人工操作的可行性。該裝置已應用在大鼠實驗上，在多次實驗中能夠達到用于大鼠的踩蹺實驗要求。利用人工智能算法模擬羅氏踩敲法，使得裝置的靈敏性和高效性得到更好的提升。本裝置為智能化踩蹺精準醫療技術應用于臨床試驗和后續的治療奠定了基礎。踩蹺將成為患者健康和醫療保健中不可缺少的一種醫療方法。隨著踩蹺裝置的智能化程度不斷提高。富有濃郁中華民族特色的按摩踩蹺術，會在全世界范圍內得以迅速的推廣和發展。