多功能足膝浴療機的研制

趙東亮，李無陰，朱太詠，謝艷

河南省正骨研究院 生物醫(yī)學工程研究室，河南 洛陽 471002

多功能足膝浴療機的研制

趙東亮，李無陰，朱太詠，謝艷

河南省正骨研究院 生物醫(yī)學工程研究室，河南 洛陽 471002

目的 研制一種多功能足膝浴療機，使浴液可以沒膝，可實現(xiàn)多部位噴洗，具有自動計時、座椅電動升降和漏電、低液位自動保護等功能的多功能足膝浴療機。方法 治療槽設(shè)計成深度達630mm、足部寬、腿部窄的“靴形”結(jié)構(gòu)，用電動推桿驅(qū)動的安裝有鉸接連接的升降裝置，可使座椅平穩(wěn)升降，治療槽內(nèi)壁四周均設(shè)置有噴嘴，通過循環(huán)泵可以將恒溫的藥液直接噴到病痛部位。治療時間、噴洗壓力、電磁閥的動作等都由單片機控制，采用模糊控制方法對中藥液的溫度進行控制。結(jié)果 研制出的樣機使用方便、安全可靠，可以滿足1.5～1.9m身高的大部分人群的使用需求，中藥液的控溫精度達±1℃。

多功能足膝治療機；藥浴；模糊控制； AT89C51單片機；

本文導讀 >>

科室簡介：生物醫(yī)學工程研究室正式成立于1998年，主要從事骨傷科領(lǐng)域內(nèi)的生物醫(yī)學工程相關(guān)技術(shù)的研究，為中醫(yī)骨傷科臨床科研服務(wù)。主要研究方向為骨傷科醫(yī)學工程學、骨傷科生物力學、骨傷科醫(yī)療器械的研制與開發(fā)等研究。擁有骨質(zhì)量分析技術(shù)、生物力學實驗技術(shù)等多項實驗技術(shù)，是國家中醫(yī)藥管理局骨代謝與骨質(zhì)量分析科研（三級）實驗室主要依托單位。

課題背景：課題受河南省科技攻關(guān)項目（No.0624410061）資助，研究開發(fā)頸椎病、關(guān)節(jié)炎、關(guān)節(jié)僵直、手外傷及斷肢再植術(shù)后手腕功能受限等系列骨科康復的產(chǎn)品，使洛陽正骨康復鍛煉客觀化、器械化，促進骨傷科疾病康復治療水平的提高。

偏倚或不足：足膝浴療機作為系列康復器械其中之一，由于是首臺樣機，經(jīng)過臨床實驗，發(fā)現(xiàn)因藥液較多存在加熱時間長、藥液濃度低等不足。我們將采用新的設(shè)計方案使該器械更小巧、更節(jié)能，以便進入家庭。

藥浴屬于傳統(tǒng)中醫(yī)療法中的外治法之一，它是將水盛于器皿內(nèi)，浸泡身體的某些部位或全身，利用水溫本身對皮膚、經(jīng)絡(luò)、穴位的刺激和藥物的透皮吸收，集藥效、穴效雙效合力作用，從而達到治療疾病、養(yǎng)生保健的目的。按照中醫(yī)辨證施治的原則，根據(jù)不同的疾病，加入不同的藥物，進行治療，因藥物不經(jīng)胃腸破壞，直接作用于皮膚，并通過透皮膚吸收進入血液，故較之內(nèi)服藥有見療效快、舒適、無任何毒副作用的優(yōu)點，也不會增加肝臟負擔，因此被醫(yī)學界譽為“綠色療法”，越來越受到患者的青睞。然而古今藥浴缺乏專業(yè)的藥浴器具，近代借助于浴盆、木桶進行藥浴，市場上的足浴盆也很多，但此類容器太淺（只能沒住腳），治療疾病范圍有限。而小腿的角質(zhì)層較薄，且血管、神經(jīng)、肌肉豐富，更利于藥物透皮吸收，膝關(guān)節(jié)周圍有膝陽關(guān)、足三里、陽陵泉等穴位。因此對包括膝蓋以下部位的藥浴, 可以治療膝關(guān)節(jié)退行性變、骨關(guān)節(jié)炎、鶴膝風、白虎歷節(jié)風、下肢靜脈炎、淋巴管炎以及全身風濕病等癥。于是我們克服現(xiàn)有藥浴設(shè)備的不足，提出一種浴液可以沒膝，可實現(xiàn)多部位噴洗，具有自動恒溫、自動計時和座椅電動升降等功能的多功能足膝浴療器。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為多功能足膝浴療機的主視剖面圖，圖2為其俯視圖[2]。

圖1 多功能足膝浴療機主視剖面圖

圖2 多功能足膝浴療機俯視圖

具體實施方案：多功能足膝浴療機主要由設(shè)置在機殼10上的治療槽11、加熱元件14、萬向腳輪5、座椅4和控制箱12組成。浴療器機殼10采用薄鋼板包裹而成，表面全部噴塑處理，既美觀又防潮。治療槽11采用不銹鋼材料制作，便于加熱又防腐防潮，其底部寬、出口窄，為“靴形”結(jié)構(gòu)，不但節(jié)約能源，而且用戶在使用時腿可以伸開，感覺舒適，深度達630mm以上，方便膝關(guān)節(jié)的治療。在治療槽11內(nèi)部四周均設(shè)置有與循環(huán)增壓泵17連通的噴嘴2，通過循環(huán)增壓泵17可以將治療槽11內(nèi)恒溫的藥液直接噴到病痛部位，對人體有靜水壓力作用、水流沖擊作用、浮力作用等機械效應(yīng)，進一步提高治療效果。循環(huán)增壓泵17連接在治療槽11底部的出藥口端。在治療槽11內(nèi)設(shè)置有多孔結(jié)構(gòu)的腳踏板3，該腳踏板3采用膠木板制作，避免人體直接接觸不銹鋼材料而感覺發(fā)燙。在腳踏板3下面設(shè)置有溫度傳感器13，用于測量治療槽11內(nèi)中藥液的溫度。加熱元件14為電磁爐，其設(shè)置在治療槽11的下面的底座支架16上，在底座支架16上設(shè)置有四個調(diào)整螺栓15，通過調(diào)整調(diào)整螺栓15可使加熱元件14與治療槽11底部緊密接觸，提高熱效率。由于整個浴療機較高，很難找到合適的凳子，于是在機殼10上設(shè)置可升降的座椅4，把座椅和治療槽設(shè)計為一體，且座椅的高度可以電動調(diào)節(jié)，座椅升降裝置帶動座椅很平穩(wěn)地升降，不會出現(xiàn)座椅前后左右搖晃現(xiàn)象。

具體制作：在座椅4的下面安裝有鉸接連接的升降裝置9，電動推桿8的一端與電機輸出端連接，另一端與升降桿9裝置的鉸接連接點連接，在升降裝置9的右側(cè)底部連接有滑輪7，該滑輪7與固定在機殼10上的軌道6滑動連接。用于控制加熱元件14自動加熱、循環(huán)增壓泵17循環(huán)工作及座椅4自動升降的電器元件設(shè)置在控制箱12內(nèi)，其上設(shè)置有控制面板1，控制箱固定在機殼10上。在機殼10底部固定有四個帶剎車功能的萬向腳輪5，移動時很方便，使用時將剎車踩下，設(shè)備便固定在原地不動，可防止用戶在使用時滑倒。

使用：根據(jù)用戶的治療需求向治療槽11內(nèi)加入適量中藥液，通過控制面板設(shè)定合適的治療溫度和治療時間。待溫度顯示窗顯示的實際溫度達到設(shè)定值時，可開始治療。治療時，先按下控制面板上的“下降”鍵將座椅降到最低處，再側(cè)坐到座椅上，按下“上升”鍵，升到合適位置后將腿放入治療槽內(nèi)開始治療。循環(huán)增壓泵將治療槽11內(nèi)溫度適宜的中藥液加壓到噴嘴處，實現(xiàn)噴洗治療，噴洗壓力可根據(jù)治療需求自由調(diào)節(jié)[3、6]。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

功能足膝浴療機控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示，主要由信號采集元件（溫度和壓力傳感器）、中心控制單元（AT89C51單片機）、輸入設(shè)備（薄膜按鍵）、信號輸出設(shè)備（數(shù)碼管）以及輸出負載（加熱裝置、電磁閥、蜂鳴器、電動推桿）等組成[4、5]。

我們選擇高性價比的AT89C51單片機作為控制核心，該芯片是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4K bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器(EPROM)和128bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大。采用HD7279對數(shù)碼管進行驅(qū)動，HD7279是一片具有串行接口的，可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管的智能顯示驅(qū)動芯片，該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣[1]。

系統(tǒng)運行過程是：用戶根據(jù)治療需求通過薄膜按鍵設(shè)定治療溫度和時間，設(shè)置完畢后，足膝浴療機便進入全自動運行狀態(tài)，同時加熱器開始工作。通過溫度傳感器對治療槽內(nèi)的中藥溫度進行測量，判斷溫度是否超限，若超限則進行報警處理，否則進入模糊控制狀態(tài)，利用模糊控制的查表法確定恒溫控制。溫度達到設(shè)定值后，開始治療并自動計時，用戶可以根據(jù)需求打開對應(yīng)部位的治療噴嘴進行噴洗治療，噴洗壓力可由單片機自動控制調(diào)節(jié)。達到設(shè)定的治療時間后，報警提示，同時關(guān)閉電源[7]。具有過熱保護功能，當治療槽內(nèi)藥液的溫度過高時，加熱器自動停止加熱，并報警提示。 用戶可以根據(jù)自己的身高按下“升”、“降”鍵控制電動推桿來調(diào)節(jié)座椅的高度，從而保持很舒適的坐姿。

圖3 多功能足膝浴療機控制系統(tǒng)原理框圖

控制系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)[7-9]：采用智能集成溫度傳感器DS18B20進行溫度采集，只需一根信號線和CPU相連，不需要外部元件，直接輸出串行數(shù)據(jù)，不需要外部電源，直接通過信號線供電。測溫精度高，測溫范圍為：-55℃～+125℃,精度為±0.5℃。采用模糊控制的方法對中藥液的溫度進行控制，模糊控制器采用兩輸入單輸出型，兩個輸入量為溫度偏差和溫度變化率，輸出直接控制固態(tài)繼電器。在設(shè)計中不需要建立被控對象的精確的數(shù)學模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解。具有良好的魯棒性和適應(yīng)性，可使被控溫度達到調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量小且穩(wěn)態(tài)誤差在±1℃的技術(shù)要求。

3 結(jié)論

該多功能足膝浴療機制作成功后，經(jīng)過反復調(diào)試和修改，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,座椅升降裝置傳動平穩(wěn),可以滿足身高1.5～1.9m的大部分人群的使用需求,各項控制指標達到了設(shè)計要求， 控溫精度達到±1℃，定時精確度達到±1min，防漏電、防干燒等各種保護功能都能自動實現(xiàn)。由于中藥液的溫度、噴洗壓力等數(shù)據(jù)的采集、運算處理和循環(huán)泵、電磁閥等負載的起停都由單片機統(tǒng)一控制，軟件設(shè)計采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計理念，使得足膝浴療機的自動化程度、可靠性、穩(wěn)定性都大大提高，具備智能化設(shè)備的特征, 功能增強，減少了護理人員的勞動強度，使患者使用更安全、更方便。

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Development of Multi-function Foot and Knee Treatment System

ZHAO Dong-liang, LI Wu-yin,ZHU Tai-yong, XIE Yan
Biomedical Engineering Laboratory,Orthopedic Traumatological Institute of Henan Province, Luoyang Henan 471002,China

Objective To develop a kind of multi-function foot and knee treatment system,which can spray many parts of the body and its washing water can submerge knees. This system has functions of automatic controlling time,electric seat,electric lift seat and leakage,low liquid level protection. Methods treatment trough are desighed as broad foot place and narrow leg place “shoe model” structure whose deepness reaches 630mm. The lift device which was drived by the electric handspike and was installed the gemel can make the seat up and down placidly. There are four nozzles aroud the treatment through wall. The traditional Chinese medicine(TCM) liquid with constant temperature was sprayed to the aching part by a circulator pump. The treatment time and spraying pressure and the action of electromagnetic valves are controlled by the MCU. The fuzzy control method is used to process the temperature of TCM liquid. Results The developed sampling machine has facility of safety and reliability and can satisfy most people of 1.5m-1.9m height. The temperature control accuracy of TCM liquid reachs ±1℃.

multi-function foot and knee treatment system; medicated bath;fuzzy control; AT89C51 singlechip

1674-1633(2010)04-0018-03

2009-10-09

2009-12-13

河南省科技攻關(guān)項目（0624410061）。

本文作者：趙東亮，工程碩士，主要從事醫(yī)療設(shè)備控制系統(tǒng)研發(fā)。

作者郵箱：ngnzdl@163.com

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.04.007