一種全方位多模式頸肌強度鑒定矯治儀設計

楊光，艾莉，鄧略，周林雪，李雙成，徐東亮，宗姝，楊澤，崔賀，鄭艷蘋

1.長春奧普光電技術股份有限公司 研發(fā)中心，吉林 長春 130033；2.光電裝備與先進制造技術吉林省重點實驗室，吉林 長春 130033；3.中國人民解放軍空軍特色醫(yī)學中心 研究室，北京 100142

引言

目前，高G載荷造成空軍飛行員頸部損傷的問題尚未得到很好的解決，近年來關于飛行員頸部防護和頸椎穩(wěn)固性等問題受到了人們高度關注[1-4]。針對肌肉損傷，康復訓練被認為是最有效的方法[5-6]。因此，研制一種能最大限度地鍛煉頸部肌肉，提高頭頸部快速響應能力及增強頸部肌肉力量的裝備對頸椎病的前期預防與恢復具有重要的意義[7-8]。大量研究表明，提高頸肌強度可作為預防高性能戰(zhàn)斗機飛行員頸部損傷較好的方法[9-10]，且目前主要治療方法有牽引和頸肌增強2種[11]。所用的訓練設備包括液壓阻力計、4通道頸部訓練器（屈、伸、左和右側屈）、等張（砝碼提供阻力的）頸肌訓練器和等長模式的頸肌測力計[12-13]。然而，單獨的等長訓練不能提供頸部關節(jié)全活動范圍的訓練，單獨的等張訓練不能保證超負荷時頸部不受損，即無法保證安全性[14-15]。以上傳統(tǒng)設備存在功能單一，只能進行單模式、單方位訓練的缺點，且全套的頸部訓練時間較長，單調的運動過程讓訓練者難以堅持完成全套的頸部訓練[16]。

本研究旨在通過旋轉座椅及搖擺矯治機構的組合，配以信號檢測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以提供一種能系統(tǒng)、安全、有效地進行頸部肌肉鍛煉，并增強肌肉、韌帶力量的頸肌訓練設備；同時在安全狀態(tài)下對頸肌強度進行精確地測量，訓練過程中能夠實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、訓練過程語音提示、聽覺反饋、視覺反饋功能和數(shù)據(jù)存儲、報告生成等功能，以期實現(xiàn)不同角度下全方位（前屈后伸0°～45°和左右側屈0°～45°）和多模式（等張及等長模式）的訓練。

1 設備設計

1.1 總體設計方案

全方位多模式頸肌強度鑒定矯治儀由機械系統(tǒng)、信號檢測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成，其基本功能是實現(xiàn)對訓練者進行坐姿下的頸部前屈后伸、左右側屈多方位和各個角度下的等張和等長2種模式的力量訓練。采用IC卡刷卡機進行數(shù)據(jù)讀取與儲存，訓練完畢后在主控計算機上刷卡進行信息管理，并具備數(shù)據(jù)庫的增加、修改、查找、刪除和統(tǒng)計功能，同時提供打印功能。訓練器材整體結構穩(wěn)定、安全、可靠。

1.2 設備組成

全方位多模式頸肌強度鑒定矯治儀由機械結構模塊、智能顯示儀表模塊、信息管理系統(tǒng)模塊構成。如圖1所示，機械結構模塊具備進行頸部前屈后伸、左右側屈全方位的訓練功能。主要由主體框架、高度可調可轉動座椅、搖擺矯治機構，智能顯示儀表和肩部固定裝置組成。智能顯示儀表模塊操作屏幕為觸屏，屏幕尺寸≥17.78 cm。具備顯示姓名、年齡、性別、身高、體重、體質指數(shù)、訓練模式、訓練負荷、訓練次數(shù)、消耗能量、訓練行程等信息的功能。信息管理模塊具備數(shù)據(jù)庫的增加、修改、查找、刪除和統(tǒng)計功能，統(tǒng)計功能包括按照周、月、年方式統(tǒng)計訓練強度、訓練量，圖表式訓練報告等內容，并提供上述內容的打印功能。

圖1 設備實物圖

1.3 工作原理

為滿足智能顯示儀表模塊的功能要求，設備通過IC卡刷卡機進行人員信息采集和數(shù)據(jù)的存儲，在等長模式下采用角位移傳感器、扭矩傳感器進行信號采集，通過一體機進行語音提示和視覺反饋；在等張模式下選擇配重質量，通過角位移傳感器、扭矩傳感器進行信號采集，一體機進行語音提示和視覺反饋。

2 機械結構設計

頸肌強度鑒定矯治儀采用純機械系統(tǒng)實現(xiàn)頸部前屈后伸0°～45°、左右側屈0°～45°、不同角度下等長和等張2種模式的訓練。等長訓練模式可滿足運動范圍內的不同角度進行等長訓練，并且具有5檔調節(jié)精度（0°、±15°、±30°、±45°、±60°）；等張訓練模式采用封閉牽引式配重砝碼，總配重80 kg，最小配重5 kg，調節(jié)間隔2.5 kg。2種模式均可滿足不同角度訓練起始位置可調，調節(jié)精度10°，頸肌強度鑒定矯治儀工作原理如圖2所示。

圖2 工作原理圖

2.1 主體框架

頸肌強度鑒定矯治儀主體框架如圖3a所示，主體框架采用160 mm×60 mm×4.5 mm的型材矩管焊接而成，材質為Q235。對主體框架的受力情況進行仿真分析，結果如圖3b～c，最大變形量為0.12 mm，局部最大應力為7.14 MPa，遠低于材料的屈服強度235.00 MPa。由此可得出結論，主體框架的強度和剛度均滿足使用要求，穩(wěn)定性極高。

圖3 主體框架結構及分析圖

2.2 配重牽引傳動機構

配重牽引傳動機構如圖4所示，主要由配重塊、導向桿、導向桿固定架、導向滑輪、凸輪及牽引鋼絲繩組成；訓練過程中，頸部發(fā)力使頭環(huán)與力臂帶動凸輪轉動，帶動鋼絲將配重塊拉起，配重塊提升過程中利用導向桿進行導向并使用多個導向滑輪實現(xiàn)鋼絲繩換向。

圖4 配重牽引傳動機構圖

2.3 搖擺矯治機構

搖擺矯治機構是將頭部作用力傳遞給扭矩傳感器的機構，如圖5所示，主要由頭環(huán)、扭矩傳遞機構、力臂、調節(jié)盤、角度傳感器和轉軸組成。在訓練過程中，通過脫開/鎖定調節(jié)盤即可實現(xiàn)等張和等長模式的訓練轉換。將調節(jié)盤鎖定，轉軸固定，實現(xiàn)頸肌前屈后伸的等長模式訓練；將調節(jié)盤鎖定脫開，頭環(huán)與力臂帶動轉軸和凸輪轉動，牽引配重塊上下運動，實現(xiàn)頸肌前屈后伸的等張模式訓練。

圖5 搖擺矯治機構圖

扭矩傳遞機構如圖6a所示，繞第7頸椎椎體屈伸運動的切向力通過頭環(huán)、右工型力杠桿傳遞給扭矩傳感器，即右工型力杠桿繞轉軸（與扭矩傳感器同軸心）轉動，其下方卡槽與扭矩傳感器相適配，將力矩傳遞給扭矩傳感器，檢測頸部相應肌群肌力的大小。如圖6b～c所示，對其進行分析，工型力杠桿的最大變形為0.56 mm，局部最大應力為186.05 MPa，遠小于此件材料的屈服強度355.00 MPa，即此件的強度和剛度均滿足使用要求。此外角度傳感器與轉軸相連，當力臂帶動轉軸旋轉時，角度傳感器即可測量頸部屈伸的角度；同時調節(jié)盤有定位孔，旋轉力臂利用彈簧插銷固定，可實現(xiàn)不同角度訓練起始位置可調，調節(jié)精度10°。

圖6 力矩傳遞機構應力分析

2.4 肩部固定裝置

如圖7所示，肩部固定裝置主要由水平導軌、固定臂、棘齒條升降機構和垂直導軌組成，其作用是在訓練過程中為了防止訓練者身體前后左右側傾。肩部固定采用棘齒條機構實現(xiàn)垂直升降，水平方向依靠平行導軌進行寬度調節(jié)，并用插銷鎖緊實現(xiàn)肩部固定。

圖7 肩部固定裝置結構圖

2.5 升降轉動座椅

升降轉動座椅如圖8a所示，座椅由升降機構和轉動機構組成，對座椅組件的穩(wěn)定性進行分析，座椅固定后垂直上方加載2倍人體質量載荷200 kg，即2000 N的力進行分析，結果如圖8b～c所示，座椅組件最大變形量為0.62 mm，局部最大應力為84.52 MPa，遠遠低于材料的屈服強度235.00 MPa，表明結構并不會被破壞，滿足使用要求。

圖8 升降座椅應力分析

2.6 智能顯示儀表

如圖9所示，智能顯示儀表配有刷卡機來讀取當前訓練者的信息。智能顯示儀表利用壁掛氣壓式伸縮萬向旋轉支架固定在主體框架上，可實現(xiàn)智能儀表的伸縮、升降、俯仰角度的任意懸停，使智能顯示儀表可以保持在訓練者前方，方便訓練者了解訓練情況。

圖9 智能顯示儀表裝置機構圖

3 電子學設計

3.1 電控設計

控制系統(tǒng)原理如圖10所示，頸肌一體機采集扭矩傳感器上傳的數(shù)據(jù)，可通過計算得到訓練出力；采集角位移傳感器的數(shù)據(jù)，通過計算可得到訓練距離，最后計算得到訓練過程中消耗的能量。設備通過IC卡刷卡機進行人員信息采集和數(shù)據(jù)的存儲，在等長模式下采用角位移傳感器、扭矩傳感器進行信號采集，通過一體機進行語音提示和視覺反饋。在等張模式下選擇配重質量，通過角位移傳感器、扭矩傳感器進行信號采集，一體機進行語音提示和視覺反饋。

圖10 控制系統(tǒng)原理圖

3.2 測量原理

在醫(yī)療康復領域中[17]，經(jīng)常需要測量傾斜狀態(tài)下的受力大小，在頸部訓練中，在受試者的頸部運動到不同角度時，會要求實時反饋訓練負荷的大小。傾斜測力原理如圖11所示，在桿2終端添加角度傳感器，可測量附加在桿終端任一角度的力N，扭矩傳感器測量值T，預先測得桿1自身質心位置為L1/2。α為力N與桿之間的角度，α為已知測量值，m1為桿1的質量，m1作用在轉軸上的力矩計算方式如式（1）所示，N作用在轉軸上的力矩如式（2）所示，測得角位移傳感器測量的角度值和扭矩傳感器測量的力矩值T如公式（3）所示，并經(jīng)過公式換算后實時顯示任意角度值α的力值N如公式（4）所示，通過測量系統(tǒng)可實時測量受試者頸部在不同角度時對測量系統(tǒng)所施加的力，實時反饋訓練負荷的大小。

圖11 傾斜力測量原理圖

3.3 操控軟件

頸肌訓練儀智能顯示系統(tǒng)是安裝在頸肌訓練儀上面的可視化顯示系統(tǒng)，在訓練人員訓練過程中顯示其訓練數(shù)據(jù)并進行相應的指導訓練。訓練機端軟件主界面如圖12所示，該軟件界面包括基本信息功能區(qū)、訓練設置功能區(qū)、訓練信息功能區(qū)和待導出訓練信息功能區(qū)這四大功能區(qū)。

圖12 訓練機端軟件主界面

3.4 信息管理軟件

信息管理系統(tǒng)可對訓練數(shù)據(jù)庫進行增加、修改、查找、刪除和統(tǒng)計功能，并提供打印功能。管理界面中輸入姓名、模式、時間等信息可以檢索訓練人員在一定條件下的訓練結果并生成相應訓練曲線，可以對相關記錄進行刪除，統(tǒng)計等操作。生成曲線后可以生成訓練報告如圖13所示。

圖13 信息管理界面

4 使用方法

進行前屈后伸訓練時，訓練者坐在升降座椅后，將頭部置于頭環(huán)中，再將肩部固定裝置的固定臂調節(jié)到適合的位置，將身體固定在座椅上，確保訓練者身體不會前后傾斜，然后擺動頭部，按照訓練模式的要求進行頸部前屈后伸訓練。如圖14所示，旋轉座椅底部轉盤，調整座椅的方向，即可實現(xiàn)頸部左右側屈的訓練。進行左右側屈訓練時，訓練者坐在升降座椅后，將頭部置于頭環(huán)之中，再將肩部固定裝置的固定臂調節(jié)到適合的位置，確保訓練者身體不會左右傾斜，然后擺動頭部，按照訓練模式的要求進行左右側屈訓練如圖15所示。訓練時根據(jù)需要選擇等長/等張訓練模式，其中進行等張訓練時，需根據(jù)等張模式下測得的鑒定值和個人身體情況增減配重負荷。

圖14 前屈后伸訓練

圖15 左右側屈訓練

5 訓練結果

選取10名健康志愿者作為被試者，年齡28～50歲，體重55～83 kg，進行了實際的頸肌前屈后伸和左右側屈訓練。首先記錄了訓練前的初始值，經(jīng)過2周的訓練后，記錄訓練后的訓練值，詳細參數(shù)如表1～2所示，分析實際訓練數(shù)據(jù)可知，通過頸肌前屈后伸和左右側屈訓練可起到鍛煉頸部肌肉的作用，能明顯提高頸部肌肉力量值，有效預防頸椎病的發(fā)生。應用該頸肌強度矯治儀進行2周頸肌強度訓練，頸肌相對強度增長率相當于瑞典Karolindka研究所飛行員頸肌訓練12周的效果[18]，見表3。

表1 頸部前屈后伸初始/訓練值對比

表2 頸部左右側屈初始/訓練值對比

表3 頸肌強度訓練增長率與相關研究對照表（%）

6 討論

目前針對頸部肌肉治療方法主要是通過牽引及頸肌增強。相比于液壓阻力計和4通道頸部訓練器，該設備創(chuàng)新點在于采用旋轉座椅及搖擺矯治機構組合的方法，可以在前屈后伸、左右側屈（0°～45°）各方位下進行頸肌訓練，運動方式更加靈活。此外，國內外先前所用的等張頸肌訓練器[19]和我國空軍所用的等長模式的頸肌測力計[20-22]功能單一，訓練枯燥，只能進行單模式、單方位訓練。該設備創(chuàng)新點在于可以在多個角度下（0°、±15°、±30°、±45°、±60°）進行等張及等長模式頸肌訓練，提供頸部關節(jié)全活動范圍的訓練。同時，該設備采用了角位移傳感器和扭矩傳感器進行信號采集，可以對頸肌強度進行精確的測量。訓練過程中能夠實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、訓練過程語音提示、聽覺反饋、視覺反饋、數(shù)據(jù)存儲和報告生成。但本研究還存在以下不足：頭環(huán)組件設計尚需改善，下一步將結合人體工程學對設備進行進一步完善，給予訓練者更好地用戶體驗。

7 結論

本文研制了一種全方位多模式頸肌強度矯治儀，該儀器整體結構穩(wěn)定、安全可靠、智能化程度高，可實現(xiàn)頸肌強度的鑒定矯治功能，對提高頭頸部的快速反應能力、增強頸部肌肉力量和頸椎病的前期預防與恢復具有重要的作用，在醫(yī)療設備市場具有很好地發(fā)展前景。