多功能頸椎牽引椅的研制

成志新，王京華，韓愛(ài)民，金振華，沈正斌

(山東省藥學(xué)科學(xué)院，濟(jì)南 250000)

1 引 言

頸椎病又稱頸椎綜合征，主要由于頸椎長(zhǎng)期勞損、椎間盤(pán)脫出、韌帶增厚，導(dǎo)致頸椎脊髓、神經(jīng)根或椎動(dòng)脈受壓，從而出現(xiàn)的一系列功能障礙的臨床綜合征[1]。臨床上大多采用牽引、推拿等中醫(yī)方法治療頸椎病。頸椎牽引的原理是利用外力牽拉脊柱頸段及相關(guān)組織結(jié)構(gòu)，使椎間孔和椎間隙增大的同時(shí)，減輕椎間盤(pán)壓力，恢復(fù)頸曲，緩解神經(jīng)、血管的壓迫，緩解肌肉痙攣和疼痛[2]，是目前有效治療頸椎病的方法之一。

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的頸椎牽引裝置大多是在單一方向上對(duì)頸椎進(jìn)行力量牽引，采用固定的垂直頸牽模式，只能起到緩解頸部肌肉痙攣的作用，療效差，滿足不了頸椎生理功能的需要。本研究介紹一種新型多功能頸椎牽引椅的設(shè)計(jì)，它在常規(guī)頸椎牽引基礎(chǔ)上增加了對(duì)角度的控制，不僅對(duì)頸椎進(jìn)行力量牽引，還增加了頸部左右擺動(dòng)和前后傾角的動(dòng)作，醫(yī)生可以根據(jù)不同患者的情況選擇不同功能，進(jìn)行牽引力量、牽引時(shí)間、牽引角度的組合治療。角度牽引符合頸椎的生物力學(xué)特性[3]，可以將頸椎的生理曲度和頸椎內(nèi)外的動(dòng)態(tài)平衡調(diào)節(jié)到有效范圍內(nèi)，提高頸椎病的治療效果。

2 頸椎牽引角度研究進(jìn)展

牽引力量、牽引時(shí)間、牽引角度是頸椎牽引中最重要的三個(gè)參數(shù)，近年來(lái)，關(guān)于頸椎牽引角度的研究非常多，結(jié)論也各有不同。

陳禾麗[4]研究表明最大應(yīng)力的位置和牽引角度有關(guān)系，牽引角度小時(shí)，最大應(yīng)力位置靠近頸椎上段，隨著牽引角度增大最大應(yīng)力位置逐漸下移。倪國(guó)新[5]觀察 X射線片后研究發(fā)現(xiàn)，15°～20°前屈位牽引時(shí)，牽引力與頸椎運(yùn)動(dòng)軸心一致，符合力學(xué)要求，治療效果優(yōu)于垂直牽引。陳完偉[6]認(rèn)為椎動(dòng)脈型適合采用5°以下角度進(jìn)行牽引治療，脊髓型采用頸后仰10°～15°角度牽引，神經(jīng)根型宜采用頸前屈20°～30°牽引等。伍忠東[7]根據(jù)臨床實(shí)驗(yàn)總結(jié)出：正常生理曲度(12±5)mm適合采用5°～15°的牽引角度，頸椎反弓應(yīng)采用 -15°～- 5°的牽引角度，頸椎曲度變直(0～6.9 mm)適合- 5°～5°牽引角度。

角度牽引對(duì)參數(shù)的要求非常嚴(yán)格，選用不適當(dāng)?shù)臓恳嵌葧?huì)對(duì)患者的病情產(chǎn)生不利影響。醫(yī)生在治療過(guò)程中必須對(duì)患者病情進(jìn)行認(rèn)真分析，對(duì)照患者頸椎的X射線片，綜合考慮患者病變部位及頸椎病類型，采用最佳牽引角度、牽引力量和牽引時(shí)間進(jìn)行治療。

3 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

多功能頸椎牽引椅由機(jī)械系統(tǒng) (頭部卡板、座椅、牽引立柱、頸牽執(zhí)行機(jī)構(gòu)等) 、 電氣系統(tǒng) (數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、急停裝置) 兩部分組成。其主要性能參數(shù)根據(jù)患者病情及臨床需求等因素確定。

3.1 機(jī)械系統(tǒng)

多功能頸椎牽引椅由A 頭部卡板、B傾角執(zhí)行機(jī)構(gòu)、C座椅、D牽引立柱、E頸牽執(zhí)行機(jī)構(gòu)、F擺角執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。

其中A 頭部卡板用于對(duì)患者頭部進(jìn)行固定，卡板的寬度可根據(jù)患者頭部大小調(diào)節(jié)；B傾角執(zhí)行機(jī)構(gòu)中主要包括傾角傳感器和傾角電機(jī)，完成頸椎的傾角功能；D牽引立柱采用可調(diào)節(jié)高度的機(jī)械桿，以滿足各種不同身高患者的要求； E頸牽執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括力量傳感器和牽引電機(jī)，完成頸椎的力量牽引；F擺角執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括擺角傳感器和擺角電機(jī)，完成頸椎的擺角功能。各功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)都具有機(jī)械限位功能，保證整個(gè)治療過(guò)程的安全可靠。

多功能頸椎牽引椅機(jī)械圖見(jiàn)1。

圖1 多功能頸椎牽引椅機(jī)械圖

系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)鋼絲繩牽引的弊端，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直接作用于頭部，增加了頸部的左右擺動(dòng)、頸部的前后傾角功能，治療時(shí)根據(jù)患者的實(shí)際情況進(jìn)行不同力量、角度的組合，實(shí)現(xiàn)多方位牽引，從根本上解決頸椎病的問(wèn)題。

3.2 電器系統(tǒng)

多功能頸椎牽引椅的電器控制部分是在ATMEGA16單片機(jī)作為主控制器的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了一些外圍電路，包括數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、急停裝置。數(shù)據(jù)采集模塊由頸牽拉力傳感器、擺角角度傳感器、傾角角度傳感器以及其相對(duì)應(yīng)的濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路組成，用于實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的采集及調(diào)理，以便在單片機(jī)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；顯示模塊由RS232串口通訊電路和觸摸屏組成，用戶可以通過(guò)觸摸屏進(jìn)行治療模式的選擇、設(shè)置治療參數(shù)、系統(tǒng)校準(zhǔn)等操作，并實(shí)時(shí)顯示牽引力，界面直觀，操作方便；驅(qū)動(dòng)模塊由繼電器和頸牽電機(jī)、擺角電機(jī)、傾角電機(jī)組成，當(dāng)單片機(jī)接收到控制信號(hào)后，發(fā)出動(dòng)作指令，通過(guò)繼電器控制各直流電機(jī)的動(dòng)作，分別完成頸椎力量牽引、左右擺動(dòng)、前后傾角的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者頸椎的組合牽引；急停裝置的作用是在牽引的過(guò)程中將系統(tǒng)緊急復(fù)位，避免意外狀況對(duì)患者頸部造成損傷。

多功能頸椎牽引椅的電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖2。

圖2 電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分包括主控制程序、數(shù)據(jù)采集及處理程序、校準(zhǔn)程序、牽引程序的設(shè)計(jì)。主控制程序接收串口屏發(fā)送的操作指令，并調(diào)用相應(yīng)的功能函數(shù)；數(shù)據(jù)采集部分實(shí)現(xiàn)信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、計(jì)算等操作；校準(zhǔn)程序?qū)崿F(xiàn)觸摸屏的校準(zhǔn)以及系統(tǒng)參數(shù)的校準(zhǔn)；牽引程序根據(jù)接收到的牽引模式和參數(shù)發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作指令。

4.1 系統(tǒng)主控制程序

系統(tǒng)上電復(fù)位之后，在主控制程序中需要對(duì)硬件進(jìn)行初始化，包括外設(shè)接口初始化、定時(shí)器初始化、串口通訊設(shè)置、存儲(chǔ)器初始化、中斷初始化等操作。在初始化完成之后,系統(tǒng)開(kāi)串口中斷，然后進(jìn)入主循環(huán)程序。采用循環(huán)隊(duì)列的方式接收觸摸屏發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，在程序中對(duì)每一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取出功能代碼和數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)通訊協(xié)議調(diào)用相應(yīng)的功能函數(shù)。另外在主程序中定時(shí)檢測(cè)頸牽拉力傳感器測(cè)得的數(shù)值，以便在牽引的過(guò)程中對(duì)頸牽力量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)反饋補(bǔ)償。

主程序的流程圖見(jiàn)圖3。

4.2 數(shù)據(jù)采集及處理程序

數(shù)據(jù)采集模塊用于采集力量、擺角和傾角信號(hào)并完成傳感器信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換。我們利用ATMEGA16內(nèi)部的ADC進(jìn)行采樣及A/D轉(zhuǎn)換，采樣精度可以達(dá)到10位。ATMEGA16的內(nèi)部ADC包括四個(gè)寄存器，其中ADMUX為多工選擇寄存器，用于選擇參考電壓及模擬通道；ADCSRA為控制和狀態(tài)寄存器A；ADCL及ADCH為數(shù)據(jù)寄存器，用于存放AD轉(zhuǎn)換值；SFIOR為特殊功能IO寄存器。在完成ADC的相關(guān)寄存器初始化后,就可以啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。

傳感器本身的誤差以及運(yùn)行環(huán)境中存在的干擾源都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的采集精度造成影響，系統(tǒng)在硬件方面采用了濾波器，并加入適當(dāng)?shù)慕拥睾推帘未胧?，但是硬件上的措施不能完全解決干擾問(wèn)題，在軟件上采用平均濾波算法，以期提高數(shù)據(jù)采集的精度。

圖3 主控制程序流程圖

4.3 牽引程序

在初始狀態(tài)下，系統(tǒng)各牽引機(jī)構(gòu)處于零位，用戶通過(guò)觸摸屏設(shè)定牽引力量、牽引時(shí)間、牽引角度等參數(shù)，單片機(jī)接收到控制信號(hào)后，輸出動(dòng)作指令，控制相應(yīng)電機(jī)的動(dòng)作，同時(shí)對(duì)相應(yīng)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集并實(shí)時(shí)監(jiān)控。

用戶在觸摸屏上完成模式選擇及參數(shù)設(shè)置之后，系統(tǒng)將按照設(shè)定的工作模式運(yùn)行。系統(tǒng)有兩種工作模式，第一種首先將擺角或傾角牽拉至指定位置，然后啟動(dòng)頸牽電機(jī)，將頸椎牽拉至指定牽引力，在設(shè)定的保持時(shí)間內(nèi)完成治療，并將系統(tǒng)復(fù)位至初始位置；第二種首先啟動(dòng)頸牽電機(jī)，將頸椎牽拉至指定牽引力，然后在治療保持時(shí)間范圍內(nèi)根據(jù)已設(shè)定次數(shù)進(jìn)行擺角或傾角的間歇牽引，完成治療后將系統(tǒng)復(fù)位至初始位置。

在整個(gè)治療過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生牽引力的變化，并通過(guò)傳感器的數(shù)值大小反映出來(lái)，單片機(jī)將采集到的力量傳感器數(shù)值與用戶設(shè)定的牽引參數(shù)比對(duì)，進(jìn)而調(diào)節(jié)頸牽電機(jī)的動(dòng)作，達(dá)到預(yù)設(shè)數(shù)值時(shí)發(fā)出停止信號(hào)，使電機(jī)停止動(dòng)作。牽引力量到達(dá)設(shè)定值之后進(jìn)入牽引保持，牽引保持過(guò)程中每間隔5 s進(jìn)行一次力反饋信息采集，以便補(bǔ)償病人的輕微動(dòng)作對(duì)牽引力量造成的改變。

5 結(jié)論

多方位頸椎牽引椅是在基于ATMEGA16單片機(jī)的硬件平臺(tái)上，根據(jù)生物力學(xué)原理設(shè)計(jì)而成的，利用程序進(jìn)行組合控制，可以實(shí)現(xiàn)頸椎力量、角度的組合牽引。系統(tǒng)采用高精度的傳感器對(duì)牽引力、牽引角度信號(hào)進(jìn)行多通道的數(shù)據(jù)采集，在牽引過(guò)程中對(duì)各牽引參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精確控制，保證了系統(tǒng)的精度和可靠性。經(jīng)專家論證和臨床試驗(yàn)，該設(shè)備功能齊全、精度高、運(yùn)行平穩(wěn)可靠、操作方便，符合臨床要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。