下腰背痛智能檢查助手設(shè)計(jì)

周煜茗 高凌峰 李舞雩 李新月 宋文豪

摘要：下腰背痛已經(jīng)成為了現(xiàn)階段人們的高發(fā)生活方式病之一。直腿抬高試驗(yàn)是檢測(cè)篩查下腰背痛的一項(xiàng)重要體格檢查方式，現(xiàn)階段直腿抬高試驗(yàn)主要由醫(yī)生人工進(jìn)行檢查。下腰背痛智能檢查助手通過(guò)自動(dòng)抬腿、角度監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)直腿抬高試驗(yàn)，減輕醫(yī)生們的工作負(fù)擔(dān)，提高醫(yī)院自動(dòng)化水平。目前市場(chǎng)上使用的直腿抬高試驗(yàn)設(shè)備較少，為填補(bǔ)這方面的缺口，文章為下腰背痛患者設(shè)計(jì)了一種能夠自助檢測(cè)的下腰背痛智能檢查助手。

關(guān)鍵詞：下腰背痛;直腿抬高實(shí)驗(yàn);抬升裝置;角度測(cè)量

1.引言

下腰背痛也稱下背痛，是一種常見(jiàn)的肌肉骨骼傷病，是現(xiàn)代人主要的文明病之一。目前針對(duì)下腰背痛的診斷方式主要有病史采集、體格檢查（直腿抬高試驗(yàn)）、實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)檢查、X光片、CT、ECT、MRI、肌電圖和運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位等。但是由于病史采集的診斷準(zhǔn)確性低，實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)檢查又需耗費(fèi)大量的資金和時(shí)間，所以目前對(duì)于下腰背痛的診斷主要使用的是X光片、CT、ECT、MRI這類電子影像檢查。但是常規(guī)的電子影像檢查不僅會(huì)增加看病成本，且利用的是放射性物質(zhì)檢測(cè)，放射性物質(zhì)帶來(lái)的輻射本來(lái)也會(huì)對(duì)人體造成傷害。因此具有高實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性和可操作性的直腿抬高試驗(yàn)是下腰背痛篩查診斷的最佳方式之一。目前醫(yī)院上用于直腿抬高試驗(yàn)的設(shè)備較少，直腿抬高試驗(yàn)都是由醫(yī)生手工進(jìn)行操作，抬腿角度由醫(yī)生肉眼觀察大致判斷或者通過(guò)大尺寸的量角器進(jìn)行測(cè)量，校測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性低，且醫(yī)生的工作量會(huì)大大增加。下腰背痛智能檢查助手是一種能夠通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)代替現(xiàn)在骨科醫(yī)生人工進(jìn)行直腿抬高試驗(yàn)診斷檢查的專用醫(yī)療檢測(cè)輔助設(shè)備。目前我國(guó)用于下腰背痛直腿抬高試驗(yàn)的設(shè)備較少，一種擁有自動(dòng)抬腿，且角度檢測(cè)較為準(zhǔn)確，使用簡(jiǎn)單可靠，成本低，功能專一的下腰背痛智能檢查助手將會(huì)改善現(xiàn)階段的下腰背痛檢測(cè)診斷現(xiàn)狀，是未來(lái)下腰背痛直腿抬高試驗(yàn)的重要輔助設(shè)備。能夠提高現(xiàn)在醫(yī)院的自動(dòng)化水平，降低醫(yī)生的工作強(qiáng)度，提高患者就醫(yī)診斷的便攜性。

2.設(shè)計(jì)思路

根據(jù)對(duì)現(xiàn)有醫(yī)用電氣設(shè)備以及臨床檢查方式的調(diào)研，目前人工下腰背痛查體的方式為：患者仰臥，雙下肢平伸，檢查者一手扶住患者膝部使膝關(guān)節(jié)伸直，另一手握住踝部并慢慢抬高，直至患者產(chǎn)生下肢放射痛為止，記錄下此時(shí)下肢與床面的角度。正常人一般80°～90°，若抬高不足70°且伴有下肢后側(cè)的放射性疼痛為陽(yáng)性（陽(yáng)性提示腰間盤突出癥，坐骨神經(jīng)痛也可陽(yáng)性）直腿抬高加強(qiáng)試驗(yàn)使患者仰臥、伸膝、被動(dòng)抬高患肢，當(dāng)抬高到60°以內(nèi)，即出現(xiàn)坐骨神經(jīng)分布區(qū)域的放射性疼痛，為直腿抬高試驗(yàn)陽(yáng)性，直腿抬高加強(qiáng)試驗(yàn)對(duì)于因肌肉等因素引起的病變常為陰性，因此對(duì)鑒別椎間盤突出引起的神經(jīng)根壓迫特異性高于直腿抬高試驗(yàn)。目前直腿抬高試驗(yàn)都是醫(yī)生手工操作進(jìn)行，抬腿角度通過(guò)醫(yī)生肉眼觀察大致判斷或者通過(guò)大尺寸的量角器進(jìn)行測(cè)量，造成校測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性低，且醫(yī)生的工作量會(huì)大大增加。根據(jù)上述情況，提出以下設(shè)計(jì)思路：將裝置進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，主要分為床身主體、抬升機(jī)構(gòu)和角度測(cè)量機(jī)構(gòu)，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行電路控制。具體檢測(cè)流程圖如下：

下腰背痛智能檢查助手由電動(dòng)推桿提供動(dòng)力，通過(guò)抬升機(jī)構(gòu)將電動(dòng)推桿的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成腿板的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者腿部的的抬升。抬高角度由檢查者自行控制，直至患者感到疼痛或者達(dá)到停止點(diǎn)。左右推板分別抬升，互不影響。同時(shí)在床身旁裝有角度傳感器，由單片機(jī)進(jìn)行控制測(cè)量，通過(guò)LED面板實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

2.1檢查助手本體設(shè)計(jì)

床面結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，左腿板2和右腿板3鉸接于主體床板1上，均可繞著Y軸擺動(dòng)。床體尾部（檢查者下肢）方向?yàn)閤軸正方向，檢查助手寬度方向?yàn)閥軸方向。檢查助手的抬升機(jī)構(gòu)帶動(dòng)左腿板2繞著Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，即抬高患者的左下肢，右側(cè)同理。

檢查助手本體為醫(yī)用護(hù)理床結(jié)構(gòu)，按照醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，需保證其安全性及有效性。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求以及結(jié)合市場(chǎng)上有關(guān)直腿抬高試驗(yàn)機(jī)的現(xiàn)有產(chǎn)品，確定下腰背痛智能檢查助手的整體尺寸為：長(zhǎng)×寬×高：2100mm×900mm×500mm。根據(jù)《YY05712013中華人民共和國(guó)醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-醫(yī)用電氣設(shè)備第2部分：醫(yī)院電動(dòng)床安全專用要求》中規(guī)定擠壓和剪切點(diǎn)的典型間隙小于8mm或者大于25mm，為適應(yīng)人體腿部結(jié)構(gòu)，檢查助手左右腿板間隙設(shè)定為5mm。

2.2抬升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)現(xiàn)有市面上電動(dòng)控制且具有角度抬高功能的醫(yī)療產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，其動(dòng)力原件主要有螺桿帶動(dòng)、電機(jī)直接帶動(dòng)、電動(dòng)推桿帶動(dòng)等，但考慮到結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度以及成本問(wèn)題，最終采用的是電動(dòng)推桿作為動(dòng)力元件。電動(dòng)推桿具有低速大推力、噪音小、行程穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

但檢查助手是通過(guò)抬高腿板實(shí)現(xiàn)抬腿動(dòng)作，而電動(dòng)推桿的運(yùn)動(dòng)是往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，所以還需要一套相適配的抬升機(jī)構(gòu)。在實(shí)際的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，通過(guò)對(duì)比各類抬升機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇的抬升方案如下：

如圖，1是帶有一定角度的彎頭腿板，2是電推桿，這種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修養(yǎng)護(hù)方便，便于安裝。其抬腿功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)電推桿伸長(zhǎng)時(shí)帶動(dòng)彎頭腿板轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)抬腿動(dòng)作。電動(dòng)推桿的安裝位置大致為檢查者平躺時(shí)的背部或者臀部，基本處于人體的重心位置，這樣電推桿工作時(shí)的推力的反力會(huì)與檢查者受到的重力處于兩個(gè)不同的方向，在增大檢查助手的整體穩(wěn)定性的同時(shí)也不會(huì)占據(jù)檢查助手床體下方的太多空間。

2.3角度測(cè)量設(shè)計(jì)

現(xiàn)今市面上關(guān)于角度測(cè)量的模塊較多，角度測(cè)量方案可以分為角度測(cè)量和角度顯示兩個(gè)部分。下腰背痛智能檢查助手中對(duì)于抬腿角度的測(cè)量采用一種基于51單片機(jī)為主控制器的抬高角度數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)，通過(guò)ADXL345三軸加速度傳感器對(duì)腿板抬高角進(jìn)行測(cè)量，再通過(guò)LCD1026顯示模塊對(duì)角度值進(jìn)行顯示。角度測(cè)量系統(tǒng)在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)測(cè)量誤差的問(wèn)題，為了保證測(cè)量角度的準(zhǔn)確性，歸零調(diào)校功能是必不可少的。系統(tǒng)的工作流程為上電后由傾角傳感器檢測(cè)當(dāng)前的角度值，單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)，然后將讀取出來(lái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角度值，并通過(guò)顯示器顯示顯示出來(lái)，當(dāng)歸零功能觸發(fā)后，角度重置為0。

3.結(jié)語(yǔ)

目前人們的工作勞動(dòng)強(qiáng)度不斷增大，下腰背痛患者逐漸增多，對(duì)于患者們的檢測(cè)治療要求也越來(lái)越高。所設(shè)計(jì)的下腰背痛智能檢查助手利用角度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)檢查結(jié)果的精確監(jiān)控，在提高檢查準(zhǔn)確度的前提下，有效降低了醫(yī)生操作難度和勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)降低人工成本。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，能夠很好地適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展。

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基金項(xiàng)目：省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃——下腰背痛智能檢查助手（S202010616077）

作者簡(jiǎn)介：周煜茗（1999.08—），男，四川省瀘州人，成都理工大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)本科生