下腰背痛智能檢查助手設計

周煜茗 高凌峰 李舞雩 李新月 宋文豪

摘要：下腰背痛已經成為了現階段人們的高發生活方式病之一。直腿抬高試驗是檢測篩查下腰背痛的一項重要體格檢查方式，現階段直腿抬高試驗主要由醫生人工進行檢查。下腰背痛智能檢查助手通過自動抬腿、角度監測來實現直腿抬高試驗，減輕醫生們的工作負擔，提高醫院自動化水平。目前市場上使用的直腿抬高試驗設備較少，為填補這方面的缺口，文章為下腰背痛患者設計了一種能夠自助檢測的下腰背痛智能檢查助手。

關鍵詞：下腰背痛;直腿抬高實驗;抬升裝置;角度測量

1.引言

下腰背痛也稱下背痛，是一種常見的肌肉骨骼傷病，是現代人主要的文明病之一。目前針對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）、實驗室化驗檢查、X光片、CT、ECT、MRI、肌電圖和運動誘發電位等。但是由于病史采集的診斷準確性低，實驗室化驗檢查又需耗費大量的資金和時間，所以目前對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。但是常規的電子影像檢查不僅會增加看病成本，且利用的是放射性物質檢測，放射性物質帶來的輻射本來也會對人體造成傷害。因此具有高實用性、經濟性和可操作性的直腿抬高試驗是下腰背痛篩查診斷的最佳方式之一。目前醫院上用于直腿抬高試驗的設備較少，直腿抬高試驗都是由醫生手工進行操作，抬腿角度由醫生肉眼觀察大致判斷或者通過大尺寸的量角器進行測量，校測結果準確性低，且醫生的工作量會大大增加。下腰背痛智能檢查助手是一種能夠通過自動化技術代替現在骨科醫生人工進行直腿抬高試驗診斷檢查的專用醫療檢測輔助設備。目前我國用于下腰背痛直腿抬高試驗的設備較少，一種擁有自動抬腿，且角度檢測較為準確，使用簡單可靠，成本低，功能專一的下腰背痛智能檢查助手將會改善現階段的下腰背痛檢測診斷現狀，是未來下腰背痛直腿抬高試驗的重要輔助設備。能夠提高現在醫院的自動化水平，降低醫生的工作強度，提高患者就醫診斷的便攜性。

2.設計思路

根據對現有醫用電氣設備以及臨床檢查方式的調研，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節伸直，另一手握住踝部并慢慢抬高，直至患者產生下肢放射痛為止，記錄下此時下肢與床面的角度。正常人一般80°～90°，若抬高不足70°且伴有下肢后側的放射性疼痛為陽性（陽性提示腰間盤突出癥，坐骨神經痛也可陽性）直腿抬高加強試驗使患者仰臥、伸膝、被動抬高患肢，當抬高到60°以內，即出現坐骨神經分布區域的放射性疼痛，為直腿抬高試驗陽性，直腿抬高加強試驗對于因肌肉等因素引起的病變常為陰性，因此對鑒別椎間盤突出引起的神經根壓迫特異性高于直腿抬高試驗。目前直腿抬高試驗都是醫生手工操作進行，抬腿角度通過醫生肉眼觀察大致判斷或者通過大尺寸的量角器進行測量，造成校測結果準確性低，且醫生的工作量會大大增加。根據上述情況，提出以下設計思路：將裝置進行模塊化設計，主要分為床身主體、抬升機構和角度測量機構，通過單片機進行電路控制。具體檢測流程圖如下：

下腰背痛智能檢查助手由電動推桿提供動力，通過抬升機構將電動推桿的直線運動轉換成腿板的擺動運動，實現對患者腿部的的抬升。抬高角度由檢查者自行控制，直至患者感到疼痛或者達到停止點。左右推板分別抬升，互不影響。同時在床身旁裝有角度傳感器，由單片機進行控制測量，通過LED面板實現人機交互。

2.1檢查助手本體設計

床面結構示意圖如圖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。床體尾部（檢查者下肢）方向為x軸正方向，檢查助手寬度方向為y軸方向。檢查助手的抬升機構帶動左腿板2繞著Y軸轉動一定的角度，即抬高患者的左下肢，右側同理。

檢查助手本體為醫用護理床結構，按照醫療標準要求進行設計，需保證其安全性及有效性。根據行業標準要求以及結合市場上有關直腿抬高試驗機的現有產品，確定下腰背痛智能檢查助手的整體尺寸為：長×寬×高：2100mm×900mm×500mm。根據《YY05712013中華人民共和國醫藥行業標準-醫用電氣設備第2部分：醫院電動床安全專用要求》中規定擠壓和剪切點的典型間隙小于8mm或者大于25mm，為適應人體腿部結構，檢查助手左右腿板間隙設定為5mm。

2.2抬升機構設計

對現有市面上電動控制且具有角度抬高功能的醫療產品進行調研發現，其動力原件主要有螺桿帶動、電機直接帶動、電動推桿帶動等，但考慮到結構復雜程度以及成本問題，最終采用的是電動推桿作為動力元件。電動推桿具有低速大推力、噪音小、行程穩定等優點。

但檢查助手是通過抬高腿板實現抬腿動作，而電動推桿的運動是往復直線運動，所以還需要一套相適配的抬升機構。在實際的機械結構中，通過對比各類抬升機構的優缺點，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，這種機構結構簡單，維修養護方便，便于安裝。其抬腿功能的實現是通過電推桿伸長時帶動彎頭腿板轉動，從而實現抬腿動作。電動推桿的安裝位置大致為檢查者平躺時的背部或者臀部，基本處于人體的重心位置，這樣電推桿工作時的推力的反力會與檢查者受到的重力處于兩個不同的方向，在增大檢查助手的整體穩定性的同時也不會占據檢查助手床體下方的太多空間。

2.3角度測量設計

現今市面上關于角度測量的模塊較多，角度測量方案可以分為角度測量和角度顯示兩個部分。下腰背痛智能檢查助手中對于抬腿角度的測量采用一種基于51單片機為主控制器的抬高角度數據采集顯示系統，通過ADXL345三軸加速度傳感器對腿板抬高角進行測量，再通過LCD1026顯示模塊對角度值進行顯示。角度測量系統在長期的使用過程中難免會出現測量誤差的問題，為了保證測量角度的準確性，歸零調校功能是必不可少的。系統的工作流程為上電后由傾角傳感器檢測當前的角度值，單片機讀取數據，然后將讀取出來的數據轉換為相應的角度值，并通過顯示器顯示顯示出來，當歸零功能觸發后，角度重置為0。

3.結語

目前人們的工作勞動強度不斷增大，下腰背痛患者逐漸增多，對于患者們的檢測治療要求也越來越高。所設計的下腰背痛智能檢查助手利用角度傳感器實現對檢查結果的精確監控，在提高檢查準確度的前提下，有效降低了醫生操作難度和勞動強度，同時降低人工成本。在互聯網時代，能夠很好地適應社會的發展。

參考文獻：

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[2]Damian Hoy et al.2012.A systematic review of the global prevalence of low back pain[J].Arthritis & Rheumatism，64（6）：2028-2037.

基金項目：省級大學生創新創業訓練計劃——下腰背痛智能檢查助手（S202010616077）

作者簡介：周煜茗（1999.08—），男，四川省瀘州人，成都理工大學機械工程專業本科生