一種五維腰椎牽引治療裝置控制系統的設計

杜妍辰，周琦，喻洪流

1.上海理工大學 健康科學與工程學院（上海，200093）

2.上?？祻推餍倒こ碳夹g研究中心（上海，200093）

0 引言

腰 椎 間 盤 突 出 癥（lumbar disc herniation，LDH）是由于椎間盤退變，纖維環破裂，髓核突出，椎間盤組織因生化刺激或神經根機械受壓而引發的一系列相應癥狀和體征［1］。LDH 的治療方式主要分為手術療法和非手術療法兩種［2］。牽引治療作為非手術治療腰椎間盤突出癥臨床治療方式的一種，治療溫和，安全可靠［3］。在牽引治療中，牽引床的應用是很普遍的，如華西衛材有限公司生產的SDF/JYZ-A ⅢY 多功能牽引床，該牽引床為二維牽引；杭州力勝醫療器械有限公司研發的HLS-V型全自動頸腰椎牽引床能夠實現旋轉、伸屈側彎三維牽引，操作簡單，患者痛苦小，但不能實現左右側擺牽引［4］?，F有的腰椎牽引床牽引模式單一，對中醫牽引推拿手法的還原度不夠理想，對牽引治療的效果也是有限的。

為了豐富牽引模式，使之更好地結合中醫推拿手法以滿足更高的治療需求，設計了一種五維腰椎牽引治療裝置，該裝置能夠實現水平牽引、旋轉、擺角、成角、和腰部推頂按摩動作。通過幾種牽引動作組合，可模擬中醫推拿按摩手法，如骨盆牽引法、斜板法、背伸法和按壓叩擊法等［5］。該設計將中國傳統中醫推拿治療手法和現代科學技術相結合，促進康復醫學的推廣與應用。在人口老齡化加深，腰椎間盤突出患者的數量逐年增加的大環境下，本設計能夠減輕醫生的工作負擔。

1 機械結構設計

電機驅動適用性強，液壓驅動傳動平穩且控制簡單，綜合考慮2 種驅動方式的特性后，本設計選擇液壓驅動為主，電機驅動為輔的驅動方式。其中液壓驅動水平快慢速牽引、旋轉、擺角模塊，電機驅動成角模塊，液- 電混合驅動腰部推頂按摩模塊。將各模塊組合到上下2 張床板下方，完成機械結構總體設計，如圖1 所示。

圖1 床體整體實物圖和運動分解圖Fig.1 Overall physical diagram and motion decomposition diagram of the bed

水平快慢速牽引動作為上床板沿XO方向運動；旋轉牽引動作為下床板以OX軸為軸心旋轉；擺角牽引動作為下床板以OZ軸為軸心擺動；成角牽引動作為下床板以OY軸為軸心旋轉；腰部推頂模塊沿豎直軸上下運動。各個模塊的具體功能參數見表1。

表1 床姿調節功能及參數Tab. 1 Bed posture adjustment functions and parameters

2 控制系統總體設計

腰椎牽引治療裝置的整個控制系統包括了上位機、調壓控制系統、牽引控制系統和按摩推頂控制系統，如圖2 所示。上位機通過RS485 通訊來控制各個系統模塊，使用Modbus 通訊協議。上位機發出指令給各個控制系統模塊，控制板驅動各液壓缸和各電機，使裝置進行牽引治療和腰部推頂按摩動作，各傳感器將采集到的位移速度、角度、壓力信號返回至控制板，實時對比上位機輸入信號，不斷修正參數，閉環控制，保證了牽引治療控制系統的準確性和快速響應性能。

圖2 控制系統總體結構簡圖Fig.2 Sketch of the overall structure of control system

3 控制系統硬件設計

腰椎牽引治療裝置的調壓控制系統、牽引控制系統和按摩推頂控制系統都單獨進行的電路設計，根據控制對象的不同，使用了更具針對性的設計。

3.1 牽引控制模塊設計

牽引控制模塊采用的主控芯片為STM32F103ZET6，牽引控制模塊結構如圖3 所示。微控制單元（MCU）采用如下資源：8 路I/O 口來控制繼電器驅動模塊；4 路I/O 口來接收復位信號；4 組定時器采用編碼器模式；2 路12 位ADC 通道用來采集傳感器數據和其他通訊接口實現RS485 通訊。該模塊中ZKD-62-H 光柵旋轉編碼器用來采集成角、擺角和旋角的數值。SGC-4.2型光柵尺用來采集牽引的長度，從而實時監測治療過程中的數據。NS-WL5-500kg 拉壓力傳感器用來測量牽引時的牽引力大小，反饋給主控芯片，控制牽引力大小。繼電器驅動模塊用來控制電磁閥和推桿電機，實現成角、擺角、旋角和牽引等動作。

圖3 牽引控制模塊結構圖Fig.3 Structure diagram of traction control module

3.2 按摩推頂控制模塊設計

按摩推頂控制模塊也采用STM32F103ZET6 作為主控芯片，按摩推頂控制模塊結構如圖4 所示。該模塊使用接近開關和磁性開關作為系統復位信號開關，當開關觸發，主控芯片接收到開關信號，確定系統復位。副電機用來調節振幅，控制按摩機構的振動幅度。按摩頻率調節，由PWM 調速模塊來控制主電機速度，從而控制按摩頻率。PWM調速模塊電路采用L298 內部電路邏輯，可輸出占通比0～100%的PWM 信號。

圖4 按摩推頂控制模塊結構圖Fig.4 Structure diagram of massage push control module

3.3 調壓控制模塊設計

調壓控制模塊選用的是STM32F103C8T6 芯片，因為該模塊所連接外設數量較少，無需使用過多芯片。該模塊也是調壓閥的驅動模塊，通過控制調壓閥從而調節牽引力，調壓控制模塊結構如圖5 所示。調壓控制模塊包含一個閥芯調壓電機，一個聯測SIN-P300-B 壓力傳感器和一對光電對管。其中，調壓電機控制閥芯的開口大小，從而實現對流量的調節。液壓傳感器可實時檢測壓力大小，并將數據反饋到主控芯片，用于進一步調節電機，實現壓力的閉環控制。光電對管用來控制電機復位，當電機到達初始位置，光電對管觸發產生電信號。

圖5 模糊PID 控制框圖Fig.5 Block diagram of fuzzy PID control

圖5 調壓控制模塊結構圖Fig.5 Structure diagram of voltage regulation control module

4 控制系統軟件設計

4.1 模糊PID 牽引控制

腰椎牽引治療裝置的液壓牽引系統是由流體系統和電控系統組成的電液伺服系統。其中流體系統包括液壓泵、液壓閥、液壓缸等，電控系統包括拉壓力傳感器、液壓傳感器、位移光柵、調壓電機、驅動器等。

通過使用傳統的PID 控制器，就能實現對控制對象的穩定控制。但是，PID 控制器基本上適用于線性且動態特性不隨時間變化的系統，并且依賴于精確的數學模型。由于液壓系統的穩定性問題、品質問題，以及患者腰椎周圍肌肉的疲勞、牽引床運動的摩擦力和綁帶在拉伸過程中的彈力等問題都會對牽引產生影響，使得傳統的PID 控制無法滿足該液壓牽引系統。因此，本研究使用模糊PID 控制，即使用模糊算法輔助PID 進行參數整定。

輸入的是牽引的理想位移，即液壓缸的理想位移，輸出為液壓缸的實際位移。系統通過光柵尺采集位移距離，確定當前牽引的偏差E以及當前偏差和上次偏差的變化Ec，根據給定的模糊規則進行模糊推理，最后對模糊參數進行解模糊，輸出PID 控制參數，模糊控制規則見表2［6］模。其中Kp 代表PID 控制的比例，Ki 代表積分，Kd代表微分參數。

表2 模糊控制規則表Tab. 2 Fuzzy control rule table

4.2 推頂按摩PWM 調頻

腰部推壓模塊將傳統的板法和穴位法相結合，在腰椎牽引過程中加入模擬穴位法的按摩模式，形成全新的治療方案。具體方案為，患者仰臥于多維腰椎牽引床上，給定牽引距離值，當緩慢牽引逐漸達到此距離時，牽引力發生變化；在牽引減慢甚至停止時，推頂按摩開始配合治療，配合的按摩推頂頻率可自由調節，針對不同的患者進行不同的頻率配置。為了靈活控制按摩推頂的頻率，采用脈沖寬度調制(PWM) 來調節控制按摩推頂的電機。STM32F103ZET6 芯片開啟定時器的PWM 模式，可以產生多路PWM 波信號，利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制，從而控制電機。主控芯片中定時器工作，開啟向上計數PWM 模式。PWM 原理如圖7 所示，CCRx 是捕獲比較寄存器的值，ARR 是自動重裝載值，CNT是設定的計數值。當CNT＜CCRx 時，輸出0，當CNT ≥CCRx 時輸出1。當CNT 值小于CCRx 的時候，IO 輸出低電平，當CNT 值大于等于CCRx的時候，IO 輸出高電平，當CNT 達到ARR 值的時候，重新歸零，然后重新向上計數，依次循環。若要改變PWM 輸出的占空比，可以改變CCRx 的值；若要改變PWM 輸出的頻率，可以改變ARR的值。

圖7 PWM 工作原理Fig.7 Working principle of PWM

4.3 上位機

控制系統基于PyQt 開發上位機，為了更好地設計友好的人機交互界面以及上位機數據處理，在PyCharmIDEA 軟件編程環境下進行開發。上位機和下位機之間的通訊采用的是RS485 通訊，通訊協議為MODEBUS 協議。RS485 具有接口電平低、支持節點多、傳輸速率高、抗干擾能力強、傳輸距離遠、通用性和穩定性高等特點［7］。該上位機分為主界面和子界面，主界面為模式選擇界面，子界面有手動牽引模式界面，復合牽引模式界面和推頂按摩模式界面。手動牽引模式下可以直接遙控裝置的動作；復合牽引模式下只需輸入牽引角度、牽引力度和治療時間就可開始整個治療過程；推頂按摩模式可以設定按摩推頂的幅度和頻率，自定義按摩模式。

5 實驗測試

縱向牽引過程中，每個治療周期的牽引力保持慢速從小到大- 保持最大- 慢速從大到小- 保持最小。其采用的牽引理念是通過慢拉- 保持- 慢放的過程治療腰椎間盤突出，這樣可以在腰椎間盤中慢慢形成一定的負壓，促使腰椎間盤突出物回納和營養液回流，完成腰椎間盤的恢復治療。

為了更好地顯示牽引力治療曲線，結合文獻［8-11］給出的醫學臨床經驗得到牽引治療周期如圖8所示，分別為第一個90 s 的治療周期，第二和第三個60 s 的治療周期。為了保證牽引過程的安全性，臨床上選擇的牽引力一般不大于68 kg［12］。實驗牽引力控制曲線如圖9 所示，虛線為設定力曲線，實線為實際力曲線?？梢钥闯?，系統輸出的牽引力能夠較好地跟蹤設定的牽引力曲線，牽引力的控制誤差較小，實驗結果滿足牽引治療的要求。

圖8 牽引治療周期圖Fig.8 Traction treatment cycle

圖9 實驗控制曲線圖Fig.9 Experimental control curve

6 結語

設計了一種五維腰椎牽引治療裝置控制系統，對牽引裝置的控制系統功能進行模塊化設計，完成硬件電路的設計安裝。根據需要實現的功能，完成底層驅動程序的設計，實現整套系統RS485通訊；設計了專用的上位機，可實現裝置姿態的調節，牽引功能的實現以及按摩系統的正常工作。

設計的五維腰椎牽引治療裝置實現了液電混合控制系統，通過仿生中醫治療手法的方式，將按摩推拿手法還原到機器上。相對于其他單維度、無按摩的牽引治療裝置，本設計功能更豐富，可為患者提供更多的治療選擇。