智能化多功能電動頸椎牽引裝置的研制

趙東亮，王健智，陳皓宇，趙移畛

河南省正骨研究院 a.生物醫學工程研究室；b.鄭州院區管委會，河南 洛陽 471000

引言

牽引療法以其簡單、安全、無痛、有效得到廣泛的應用，是頸椎病首選或主要的非手術治療手段之一[1]。研究發現：牽引體位、牽引角度、牽引時間、牽引力量是決定頸椎牽引治療效果的四個主要因素；仰臥位牽引的效果明顯優于坐位牽引[2-3]；根據頸椎牽引的治療原理，如果最大的應力位置正好處在病變部位，將獲得最佳治療效果。而牽引時最大應力位置與牽引角度有關，牽引角度小時，最大應力位置在頸椎的上段；牽引角度增大時，最大應力位置將逐漸下移[4]。頸椎角度位移又分為屈曲、側彎和旋轉[5]，對于頸椎生理曲度變直或反弓的病人需要屈曲一定角度牽引，而對于脊柱側彎病人則需要側彎一定角度牽引[6]。因此應根據頸椎病變部位和實際情況來選取最佳的牽引角度。

然而，目前市場上的電動頸椎牽引裝置大部分為坐位牽引[7-9]，可以對牽引力量和牽引時間進行自動精確控制，但牽引角度顯示為刻度盤顯示，不夠直觀，也不便于數據自動存儲，而且只能對頸椎屈曲（上下）角度進行調節，不能對側彎（左右）角度調節控制。

因此，為了提高頸椎牽引治療效果和患者牽引治療時的舒適性、安全性，研究開發一種可實現臥姿牽引，并可對水平和上下牽引角度、牽引時間、牽引力精確測控的多功能電動頸椎牽引裝置顯得尤為重要。

1 機械結構設計

多功能電動頸椎牽引裝置主要由主控箱、次控箱、操控臺組成。主控箱和次空箱通過一根光軸連在一起,主控箱底面固定有光滑的PP板，主控箱可在次空箱上表面繞光軸轉動。次控箱底部四角分別安裝有帶剎車功能的萬向腳輪，便于移動；操控臺通過兩根立柱和次控箱連接固定在一起，操控臺上設置有觸摸屏，其實物如圖1所示。

圖1 電動頸椎牽引裝置實物圖

2 控制系統設計

2.1 硬件設計

控制系統硬件框圖如圖2所示。拉壓力傳感器用來實時檢測頸椎牽引時的牽引力當前值，測量到的信號為mV信號，經稱重模塊信號處理后轉化為數字信號，傳送給PLC，PLC根據牽引力設定值與當前值的偏差大小，自動控制伺服電機的轉速和運轉方向，達到自動恒力控制的目的。傾角傳感器用于測量頸椎牽引時的上下（垂直）角度，輸出信號為0～10 V標準信號，經過模擬量輸入模塊轉換成數字信號，傳送給PLC的CPU。旋轉編碼器用來檢測頸椎牽引時的水平旋轉角度，測量值為數字信號，可直接被PLC接收處理。通過PLC控制3根電動推桿的正反轉實現調整頭枕高度或上下牽引角度的目的。急停按鈕用于緊急停機，當用戶感覺不適時可按下急停按鈕，系統自動復位到初始狀態。人機界面用于參數輸入和人機交互。根據硬件輸入輸出情況，PLC的CPU選用臺達DVP12SA11T，稱重模塊型號為DVP201LC-SL，模擬量輸入模塊型號為DVP04AD-S[10-16]。

圖2 控制系統硬件框圖

2.2 軟件設計

軟件系統采用WPLSoft 2.49編程軟件進行編程，控制流程如圖3所示。系統先進行初始化，將各參數復位到初始狀態。本裝置的牽引角度是通過調整頭枕的前后垂直角度和水平旋轉角度來調節的，調整后變化幅度不大，故設計為開環控制，調整時切換至手動模式，通過手動點動按鈕調整。頸椎牽引的拉力需要精確閉環控制，才能達到理想的治療效果。牽引治療時需切換至自動模式，系統根據拉力設定值的大小，自動控制伺服電機的正反轉，將拉力當前值自動控制在設定值附近。此時牽引開始自動計時，計時結束伺服電機反轉，自動釋放牽引力。

圖3 軟件控制流程

2.3 人機界面設計

為了提高產品性價比，選用臺達DOP-B03S210（4.3寸觸摸屏）作為人機界面。主要包括監控界面、拉力設定界面、水平角度界面、上下角度設定界面。

2.3.1 監控界面

如圖4所示為本設備的監控界面，可即時顯示水平角度、上下角度、牽引力的當前測量值，并可設定治療時間、顯示剩余時間。設置有“手自動轉換”鍵，切換為手動狀態時，設備進入手動牽引模式；切換為自動狀態時，設備進入自動牽引模式。切換為自動牽引模式時，在設備停止狀態下，按下“啟動/停止”鍵，鍵將凹陷，并顯示為“啟動”狀態，設備開始自動牽引，在“啟動”狀態下，按下“啟動/停止”鍵，鍵將突起，并顯示為“停止”狀態。此鍵只在“手自動轉換”鍵切換為自動狀態時才有效。監控面板上設置有5個界面切換鍵，分別為回首頁、稱標定、上下角度、水平角度和拉力設定。

圖4 監控界面

2.3.2 上下角度設定界面

在設備停止狀態下，觸按監控界面左下角的上下角度切換鍵，進入上下角度設定界面，見圖5。觸按推桿1上升鍵或推桿1下降鍵，頭枕前端將被升起或降下。觸按推桿2上升鍵或推桿2下降鍵，頭枕后端將被升起或降下。頭枕固定板下端安裝有一個傾角傳感器，當推桿1和推桿2升降至同一水平面時，傾角傳感器測量到的上下角度為0，兩個推桿同時升降時可調節頭枕高度，以適應不同高度的治療床。當頭枕后端高于前端時，傾角傳感器測量到的上下角度為正，當頭枕后端低于前端時，傾角傳感器測量到的上下角度為負，從而實現電動調節上下牽引角度的目的。界面左上角黑色顯示窗顯示的為傾角傳感器測量到的電壓值經模擬量模塊轉換后的數字量，界面中間的黑色顯示窗顯示的為經程序算法換算后的上下角度測量值。

圖5 上下角度設定界面

2.3.3 水平角度界面

觸按“水平角度”切換鍵，進入水平角度界面，見圖6。調節水平角度時，手動轉動頭枕箱體，轉動軸上固定的旋轉編碼器將測量到的水平旋轉角度傳送給PLC的CPU，經數據處理后，在界面上的黑色顯示窗顯示出當前水平角度測量值。“定義當前為0度”鍵用于零點校準，調節頭枕旋轉角度，并用角度測量儀測量出實際水平角度為0時，按下“定義當前為0度”鍵，便起到零點校準的作用。

圖6 上下角度設定界面

2.3.4 拉力設定界面

觸按“拉力設定”切換鍵，進入拉力設定界面，見圖7。觸按設定牽引力量對應的黑色顯示窗，便會彈出一個數字輸入鍵盤，根據治療需求，在鍵盤上輸入相應數字，按下“Enter”鍵，該顯示窗便自動顯示出牽引力設定值。同理，可設定牽引快速頻率和牽引慢速頻率，當實際牽引力遠小于牽引力設定值時，啟動快速牽引，當牽引力臨近牽引力設定值時，啟動慢速牽引。同理，在該界面可設定治療時間。“手動拉緊”和“手動松開”鍵只有當切換為手動模式時才有效。該功能主要用于手動調節牽引繩的伸出量。

圖7 拉力設定界面

3 實驗驗證

3.1 實驗方法

將研制好的電動頸椎牽引裝置樣機固定在一平板床床頭，并將牽引裝置頭枕調節至合適高度，病人躺在平板床上，頭部系好頸椎牽引帶，頭枕在電動頸椎牽引裝置的頭枕上。將GIM60型傾角水平尺固定在頭枕表面；將GAM220型可折疊數字顯示角度測量儀主臂與牽引裝置次空箱固定在一起，折疊臂與主控箱固定在一起；將NK-200型數顯式拉力計串聯在牽引回路里。電動調節上下角度，分別記錄人機界面上的水平角度當前值和傾角水平尺測量值；手動調節水平角度，分別記錄人機界面上的垂直角度當前值和角度測量儀測量值；將牽引力分別設定為2 kgf和5 kgf，牽引時間均設定為20 min，記錄牽引過程。

3.2 實驗結果

水平角度誤差≤1°；上下角度誤差≤1°；牽引力為2 kgf和5 kgf時的牽引曲線如圖8～9所示。

圖8 LZFM-A型電動頸椎牽引裝置加載2 kgf時的牽引曲線

圖9 LZFM-A型電動頸椎牽引裝置加載5 kgf力時的牽引曲線

4 討論

采用氣壓工作原理制作的頸椎牽引裝置[17]實現了便攜式，但因受力面積大，牽引角度控制不夠精準。河南華智生物科技有限公司發明的頸椎牽引裝置[18]體積小巧，自動化程度高，實現了牽引力、牽引時間、屈曲牽引角度的精準控制，且為仰臥牽引，不足之處是不能夠實現對側彎牽引角度的調節控制。哈爾濱天愈康復醫療機器人有限公司發明的頸椎牽引康復機器人及其旋轉平臺機構[19]可實現頸椎屈曲牽引角度、側彎牽引角度、牽引力、牽引時間的精準控制，但為坐位牽引，且體積龐大、價格昂貴，不便于普及推廣。本文設計的智能化多功能電動頸椎牽引裝置實現了水平（側彎）牽引角度和上下（屈曲）牽引角度的精準測量控制；實現了牽引力的自動補償和閉環測量控制，牽引力有波動，但很快能修正到設定值附近；實現了精準定時控制；且為仰臥牽引；提高了頸椎牽引設備的自動化程度和舒適安全性。根據電動頸腰椎牽引治療設備行業標準[20]要求牽引力控制要有漸進期、牽引相和減退期，在牽引相期間要保持牽引力恒定，因此本設計的牽引力控制還需要進一步優化設計。