智能便攜式頸椎康復器的研究與設計

丘永亮

(廣東工貿職業技術學院，廣州 510510)

0 引言

在現代社會生活中，隨著經濟的快速發展，人們的生活節奏也不斷加快。辦公室中的文職工作者和靜態工作者不斷增多，且隨著“手機控”一族的出現，頸椎病患者的數量不僅在逐年增加，而且還在不斷地朝著年輕化的方向發展。而對于頸椎病的康復治療，在臨床上，一般都是通過對于頸椎的牽引來實現治療，且一直被認為是頸椎病的主要治療方法之一。對于患者頸椎的牽引是通過機械手段給頸椎施加應力，使患者頸椎發生相對伸長，從而達到分離關節面、牽伸周圍軟組織和改變骨結構之間角度或列線等目的的一種康復治療技術[1－2]。

現如今在醫療器械市場上，各類頸椎牽引康復的產品很多。但從整體來看，大致可將市面上的頸椎康復器分為兩類：一類為便攜式康復器，如手動充氣氣囊式的頸椎康復器或以硬膠支撐為主的治療儀器；另一類為牽引床或牽引椅。第一類雖然有便攜的優點，但卻不具有智能控制功能，未能確定對于患都頸椎的牽引力，難以讓對于患者的頸椎治療達到有據可依的效果。第二類往往有智能控制功能，也能確定對于患者的頸椎牽引力，但卻往往不方便攜帶[3－5]。

綜合以上情況，筆者在充分收集、分析了市面上現有頸椎康復器的資料，并在相關骨科專家、教授提供理論支持的基礎上，提出設計一種既可實現智能控制又方便攜帶的頸椎康復器。其主要技術思路是，通過微型氣泵、微型氣缸（或氣囊，滿足對于不同使用者，其受力面積都不變）及壓力傳感器來實現牽引力的智能控制，同時實現便攜的功能。

1 頸椎康復器的研究與設計

1.1 頸椎康復器的理論研究

本產品的頸椎康復器是通過對于人體頸椎的牽引，來達到對于頸椎的康復治療。因此在本頸椎康復器的設計前期，要先確定人體頸椎受牽引的力以及牽引的時間，同時對其牽引力的產生及控制理論進行一定的分析研究。

1.1.1 頸椎牽引力以及牽引治療時間

國內外的相關人體頸椎的牽引研究[6－8]表明，人體在坐位或站立情況下，頸椎關節之間要實現分離，需要人體質量7%左右的拉力來實現。如再考慮要克服頭部的質量，那么對于對于我國大部分的成年人的拉力6～10 kg范圍內。

對于人體的頸椎牽引治療，從國內相關的頸椎牽引治療來看，頸椎的牽引治療應該要有適當的時間控制，李晶等[8－10]從生物力學的觀點為基礎，深入研究頸椎牽引治療時間的變化：在剛開始的10～20 min內，頸椎應變隨著時間的增加變化較快，但之后變化速度逐步減慢，并趨于平緩，應變不再增加。因此本頸椎康復器的牽引治療時間可實現的治療時間不應少于20 min。

1.1.2 頸椎牽引力的產生

本頸椎康復器通過主電路板控制的微型氣泵給氣缸提供具有一定氣壓的氣體，對于人體頸椎的牽引力的計算則是通過對于氣缸的氣體壓強的檢測，同時結合氣缸的受力面積來計算出來的。對于氣體壓強的檢測是由安裝在氣缸里的氣壓壓力傳感器來完成。

頸椎康復器的牽引力的計算則出下式來實現：

式中：F為氣缸對于人體頸椎的牽引力，N；P為氣缸內氣體的壓強，它由氣壓壓力傳感器檢測，Pa；S為本頸椎康復器內氣缸內部的氣壓面積，m2。

1.2 頸椎康復器的結構設計及組成

本文研究設計的產品，結構上主要由5部分組成，包括：肩托、控制器組件、頸前托、頸后托和微型氣缸,如圖1所示。肩托在使用時置于患者肩上，通過患者的肩部給予頸椎牽引支持力。頸前托用于支撐患者下頜骨兩側，而頸后托用物支撐患者枕骨位置。頸前托與頸后托通過剛性鉸鏈相連在一起，在佩戴時，可將剛性鉸鏈打開，易于佩戴。微型氣缸缸體與肩托固定一起，其推桿與頸前托固定在一起，在氣缸推桿的作用下，頸前托帶動頸后托在肩托提供的固定軌道上上升或下降,從而實現對于頸椎的牽引治療。微型氣泵通過氣管對肩托兩側的兩個微型氣缸進行充氣，而氣泵則置于控制器內。

圖1 頸椎康復器的主要部分結構圖

1.3 頸椎康復器的控制原理

本文的研究設計為使頸椎康復器在牽引時間、牽引力等參數上實現智能控制，并適應其便攜功能，采用智能控制微型氣泵的工作來實現對于微型氣缸的氣壓調整，從而實現對頸椎的牽引拉伸。

圖2 頸椎康復器的控制原理圖

本文的研究設計，如圖2所示，通過MCU板（主控制電路板）控制微型氣泵給微型氣缸充氣，并控制電磁閥1對微型氣缸進行氣密性控制。氣壓壓力傳感器偵測的微型氣缸里的氣體壓強數據，并反饋給MCU板；MCU板對收集到的相關數據進行分析處理，同時將分析處理結果與用戶的設定值進行比較，接著根據比較結果發出繼續充氣或停止充氣的控制指令。LCD顯示屏幕則會在MCU板的控制下，把牽引時間和牽引力等參數實時地顯示在屏幕上。與微型氣缸連接在一起的電磁閥2也由MCU板控制，主要起放氣作用，當微型氣缸里的氣體壓強超出設定值規定的大小或接收到頸椎康復器停止工作的指令時，電磁閥2打開實現放氣。

1.4 頸椎康復器的主程序控制流程圖

在本產品在主控程序上，如圖3所示，其過程控制邏輯如下：

1）開始運行時，主控制電路板通過氣壓壓力傳感器，判斷微型氣缸里的氣體壓強是否達到設定值上限，如已達到設定值上限則不啟動微型氣泵進行充氣，當氣缸里的氣體壓強大于設定值時，則啟動電磁閥2進行放氣，使其達到設定值；氣缸里的氣體壓強低于設定值，則使微型氣泵得電，同時打開電磁閥1，關閉電磁閥2，對微型氣缸進行充氣;并每隔0.1 s,判斷微型氣缸里的氣體壓強是否達到設定值上限;當到達設定值時則停止充氣，關閉電磁閥1及電磁閥2。

圖3 主程序控制流程圖

2）治療維持過程中，氣壓壓力傳感器每隔0.1 s對微型氣缸進行氣壓壓強檢測，如氣缸里的氣體壓強經換算后，低于設定值2 N，則啟動微型氣泵、電磁閥1進行充氣，電磁閥2關閉；如氣壓壓強經換算后，超過設定值2 N，則打開電磁閥2進行放氣，電磁閥1關閉，待氣壓壓強達到設定值時，關閉電磁閥2。

3）結束運行時，關閉微型氣泵、電磁閥1，同時打開電磁閥2對微型氣缸進行放氣，并延時3 s關機。

1.5 本產品的相關技術參數

本項目的主要技術參數如下[6-11]：1）頸椎康復器牽引力可調范圍為0～99 N（約0～10 kg)，具體可根據患者的使用需求、或醫生的指導進行選擇設定；2）頸椎康復器的牽引時間可調范圍為0～99 min，根據醫生的指導進行選擇設定。

本文研究設計的產品其它相關參數如下：1）產品凈質量不超過1.0 kg；2)供電方式為7號AA電池兩顆或USB供電；3）產品長寬高為200 mm×250 mm×200 mm。

1.6 產品的獨特性及創新性

本研究設計的先進性及獨特之處在于：相對于市面上現有頸椎康復器或可實現智能控制牽引卻無法方便攜帶，或方便攜帶卻未能實現智能控制。本研究設計的產品集兩者之長，去兩者之短，實現了智能可控且又方便攜帶。其主要是運用氣動原理，通過氣壓壓力傳感器偵測微型氣缸的氣體壓強，換算成牽引力，從而準確計算康復器對于患者的頸椎牽引力。

2 結語

本文的研究設計，基于對市場上現有頸椎康復器的的分析研究，開發設計出一款新型既能實現智能控制，又方便攜帶的頸椎康復器。該產品通過兩個微型氣缸作用于頸前托來支撐人體下頜骨兩側，從而實現對于人體頸椎的牽引，而兩個微型氣缸則固定在作用于人體雙肩的肩托上，這是本研究設計實現智能且便攜的最為關鍵的一步設計。

本文研究設計的產品，有確實可靠的醫療技術支撐，綜合了市面上現有頸椎康復器的優點，既可用于醫院，為醫生進行椎頸治療及研究提供確實可靠的研究數據，也可用于患者居家或辦公室的使用，為患者的治療提供方便性及心理依靠，該研究設計的產品必將具有廣闊的市場前景。