自動耳石復位旋轉椅的設計與研發

徐飛，張定國，高雪官，殷善開

1 上海交通大學機械與動力工程學院，上海市，200240

2 上海交通大學附屬第六人民醫院，上海市，200233

0 引言

良性陣發性位置性眩暈是一種常見的前庭末梢病變，發生的主要原因是由于脫落的耳食晶體進入運動感應的半規管，且在大多情況下為進入后半規管。當病人的頭部轉動時，脫落的耳食會在半規管內移動，從而影響半規管的工作，一般引起人對空間感知能力的下降，并伴隨著頭暈、嘔吐以及眼震等癥狀[1]。良性陣發性位置性眩暈最早由Barany[2]于1921年提出，在他的基礎上后來Dix、Hallpike以及Eply等[3]都提出了自己的認識，并創建了相應的療法，如著名的Epley療法。

目前為止，對于良性陣發性位置性眩暈的發病機理還未有統一的認識，主要有兩種流行的假說，分別是Schuknecht[4]于1969年提出的壺腹嵴頂結石假說和Hall等[5]在1979年提出的半規管結石假說。壺腹嵴頂結石假說認為，脫落的耳石碎片附著在半規管的壺腹嵴頂結石處，導致內淋巴的密度與壺腹嵴頂密度不同，從而導致壺腹嵴頂處對重力的感應發生異常。當人體的頭部空間改變位置時，會發生壺腹嵴頂耳石變位，導致眩暈與眼震。而半規管結石假說則認為，耳石顆粒并非粘結在后半規管里面，而是懸浮在半規管的淋巴中，當頭部位置變動時，耳石顆粒會受重力影響向壺腹嵴頂的方向移動，從而導致上述癥狀。兩種假說都各有側重點，但都是建立在耳石脫落的基礎上的，所以近些年來推廣的耳石復位方法主要是手法復位，即通過移動病人的頭部從而將脫落的耳石回到原來的位置，達到治療良性陣發性位置性眩暈的目的。通常的手段除了上述的Epley療法，還有Semont管石解脫法以及兩者結合使用等的方法[6]。事實證明，采用手法復位有高達90%以上的治愈率[7-8]。

基于手法復位的耳石復位方面的研究，Todd M.Squires等[9]建立了耳石復位的二維數學模型，指出耳石的偏移以及伴隨的眼震能夠被定量地計算出來。而Giovanni Berselli等[10]分析了耳石復位的剛體動力學模型，提出了導向的耳石復位轉椅的設計模型。在治療儀方面，T.Russomanol等[11]設計的電控旋轉椅，在治療良性陣發性位置性眩暈方面取得良好的效果。M.C.Tavares等[12]闡述了基于電腦控制的旋轉椅報告的控制設計。國內，單希征等[13-14]采用三維滾輪耳石復位系統治療，也取得了不錯的效果。

本文報告了一款新型自動控制三維轉椅的設計，以協助手法復位療法，它可實現一鍵控制，極大地方便了醫師和患者。文章內容主要介紹了旋轉椅機械結構設計、用戶界面設計以及分析了基于PLC控制系統的框架以及控制流程，實現手動控制和電腦控制。

1 機械結構

三維旋轉椅系統的機械機構需要滿足以下幾點要求：(1)水平方向360o旋轉，轉速較低；(2)垂直方向360°旋轉，轉速較低；(3)人的座椅能調整，以便適用于不同身高體重的人。如圖1所示，三維旋轉椅機械機構共有七個部分組成，即內外框架、內外框架動力驅動裝置、底座、力柱以及可調座椅。三維旋轉椅系統有四個自由度，兩個軸向旋轉自由度和座椅的兩個移動自由度，其中通過調節座椅的移動自由度來滿足個人需要，以及改變重心來減小施加在電機上的轉矩。

圖1 旋轉椅的主要機械結構圖Fig.1 The main mechanical structure of the rotatory chair

該系統除了要實現基本功能外，無論是在機械機構方面還是在軟件設計方面，最主要是能保證安全性。在機械機構上，動力裝置包含步進電機和蝸輪蝸桿減速器，除了能在斷電時自鎖外，還能抵消一部分施加在電機上的作用力。由于該系統采用開口結構，這對鉸接處的作用力非常大，而且內外框架在旋轉過程中，鉸接處受到的是軸向和徑向的作用力，故在鉸接處的軸承都采用角接觸球軸承。特別是在外框架的鉸接處，由于還承受非常大的傾覆力矩，變形是不可避免的，所以采用法蘭式角接觸球軸承，這樣可以在框架由于重力變形時調節法蘭抵消變形。

由于在治療時要將偏移的耳石復位，需要采用較大的加速度，這樣對電機的轉矩是個較大的負荷。所以，除了在機械設計要保證每個旋轉系統的軸對稱，在治療前將座椅左右、上下位置調節好，從而減少由于人體體重的差異而引起的重心的偏移。兩個電機在動態旋轉過程中所受的力矩，如式(1)、(2)所示：

為了簡化計算的難度，整個系統分為三個部分，即外框架、內框架以及人與座椅部分，其質量分別為M1、M2、M3，其相對于各自的旋轉軸的轉動慣量分別為Ixxi、Iyyi、Izzi，αi代表各自的旋轉角加速度，Tf代表旋轉過程中軸承的摩擦力矩。

通過式(1)和式(2)，可以求得式(3)的最大最小值，從而求得兩個力矩的相對最小值，如式(4)所示，得到上述最小值下的最佳即得到在治療前調節的座椅位置。

2 控制系統

系統的硬件結構框架如圖2所示。

圖2 控制系統的硬件結構框架Fig.2 The structure of hardware of controlling system

圖3 控制系統的軟件結構框架Fig.3 The flow diagram of software of the controlling system

控制電機采用FX3U系列(三菱，日本)的PLC。PLC的控制源主要有兩個，一個是電腦端的上位機軟件，另一個是無線繼電器。PLC的軟件控制方案如圖3所示，通過改變軟件的參數，從而修改PLC的內部寄存器，能快速啟動預定的治療方案，同時也能根據具體的情況設置不同的治療方案，PLC控制的整個過程采用如圖4所示的步進式順序控制法，簡化了PLC編程的復雜度。

不管電機的勻速運動還是加速運動，PLC的輸出頻率與時間的關系圖都如圖5所示，這樣可保證電機運轉的平穩。可以求得在框架轉動過程中的角度為：

其中φ為轉動的角度，t1為加減速時間，t2為勻速運動時間，N為步進電機的軸旋轉一周所需的步數，i為蝸輪蝸桿減速器的減速比。

根據式(3)，也能計算式(1)和(2)中的角加速度：

圖4 PLC步進式順序控制法示意圖Fig.4 The schematic diagram of stepping control for PLC

圖5 PLC輸出的頻率與時間的關系圖Fig.5 The relationship between frequency and time for PLC

3 用戶界面

圖6 三維旋轉椅的軟件控制界面Fig.6 The user interface of software for rotatory chair

三維旋轉椅的用戶界面采用Visual Studio2008匯編完成，如圖6所示，分為一鍵控制和高級控制兩種方式。一鍵控制主要是在保證所有的手法復位的過程恒定的基礎上，通過上位機軟件或者無線繼電器來控制PLC內部的繼電器，從而能開啟手法復位的治療。由于病人的個體差異性，高級控制能通過輸入角度信息、旋轉時間以及停止時間等信息，改變PLC內部寄存器的值，從而實現自定義的手法復位治療，其中前兩者之間的關系如式(3)所示。為了保證電機在旋轉過程中有足夠的轉矩，PLC的輸出頻率不能過大，需要通過軟件限制以確保安全。

4 結論

本文完成了自動耳石復位系統的機械結構，軟件控制以及用戶界面的設計。在測試中轉椅基本能滿足機械設計要求，實現兩維的360o旋轉。良好的用戶界面可以使醫師更為方便地實施醫療操作，保存醫學數據和管理患者信息。

本文所述的機械結構和軟件框架的設計簡單易行，安全可靠，對類似于角度精確度要求不高的設備也有一定的參考價值。

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