多功能頸腰椎牽引治療儀的研制

趙東亮，郭艷幸，馮坤

河南省正骨研究院 生物醫(yī)學(xué)工程研究室，河南 洛陽(yáng) 471000

0 前言

人的身體因長(zhǎng)期受自身體重、年齡老化及其他外來(lái)的重力、壓力、職業(yè)習(xí)慣性姿勢(shì)等因素的影響，使得支撐人體的脊椎及各部位關(guān)節(jié)間發(fā)生擠壓或彎曲變形現(xiàn)象，導(dǎo)致各種不同類型的腰椎、頸椎疾病發(fā)生，給患者帶來(lái)病痛及不適。醫(yī)學(xué)上，腰椎間盤(pán)突出癥、變性紊亂、勞損、脫位、腰椎間盤(pán)后突或脊椎生理彎曲消失等其他與頸、腰椎相關(guān)的疾病，主要治療方法是矯正頸、脊、腰椎骨的變形。頸、腰椎牽引作為一種頸腰椎疾患主要的非手術(shù)治療手段之一，有著悠久的歷史，由于療效確切，常作為首選或主要的治療方法。牽引療法以其簡(jiǎn)單、安全、無(wú)痛、有效得到廣泛的應(yīng)用[1]。

目前，許多醫(yī)院仍采用傳統(tǒng)的砝碼式牽引方式治療。此方法治療效果不理想，牽引治療時(shí)患者感覺(jué)不舒適，而且加大了護(hù)理操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些廠家生產(chǎn)出了各式各樣的腰椎牽引床、頸椎牽引機(jī)等設(shè)備，但該類設(shè)備大多存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不便、體積龐大、不易拆裝，費(fèi)用高昂等弊端。隨著人類物質(zhì)生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越重視身體健康，希望通過(guò)一定的理療達(dá)到預(yù)防疾病的目的。基于現(xiàn)有牽引設(shè)備的缺陷，我們?cè)O(shè)計(jì)一種具有連續(xù)牽引、間歇式牽引多種治療模式，并具有牽引力自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)定時(shí)、牽引力過(guò)大或失控保護(hù)等輔助功能，可以實(shí)現(xiàn)頸椎、腰椎牽引的多功能頸腰椎牽引治療儀[2]。

1 牽引治療儀機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該儀器主要由電氣控制箱、牽引電機(jī)、牽引架、牽引繩、滑輪等組成，機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖，見(jiàn)圖1；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖，見(jiàn)圖2。整個(gè)儀器可方便地固定在現(xiàn)有的骨科床床頭。頸椎牽引治療時(shí)，將頸椎牽引帶固定在患者的頸部，帶牽引繩的牽引鉤固定住頸椎牽引帶上，牽引繩繞過(guò)頸椎牽引架上的滑輪I和滑輪III、固定在牽引電機(jī)的皮帶輪上。電機(jī)正轉(zhuǎn)，牽引繩張緊，通過(guò)調(diào)整牽引繩的張緊度來(lái)改變牽引力的大?。浑姍C(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，牽引繩松弛，停止?fàn)恳?。腰椎治療時(shí)，將腰椎牽引帶固定在患者的腰部，帶牽引繩的牽引鉤分別勾住腰椎牽引帶的兩端，鋼絲繩繞過(guò)腰椎牽引架上的滑輪I，再繞過(guò)滑輪II，最終集中繞過(guò)滑輪III，固定在牽引電機(jī)的皮帶輪上，同樣通過(guò)牽引電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)達(dá)到腰椎牽引起停的目的。腰椎牽引架的間距可左右調(diào)節(jié)，以滿足不同人體腰椎的牽引。頸、腰椎牽引架固定在一個(gè)縱向伸縮桿上，伸縮桿的伸縮可以調(diào)整整個(gè)頸、腰椎牽引架的高度，以改變牽引角度的大小。 電氣、電子元件和牽引電機(jī)都固定在電氣控制箱內(nèi)部，操作面板用來(lái)設(shè)定牽引力、牽引時(shí)間、牽引模式等參數(shù)[3-6]。

圖2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程

控制系統(tǒng)主要由信號(hào)采集元件（牽引力傳感器）、中心控制單元（AT89C51單片機(jī)）、輸入設(shè)備（薄膜按鍵）、信號(hào)輸出設(shè)備（液晶屏）以及輸出負(fù)載（牽引電機(jī)）組成，見(jiàn)圖3。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)工作過(guò)程：通過(guò)薄膜按鍵設(shè)定治療需求的牽引模式、牽引力值和牽引時(shí)間等信息，按下啟動(dòng)鍵，多功能頸腰椎牽引治療儀便進(jìn)入全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。8279芯片是可編程的通用鍵盤(pán)與顯示器輸入/輸出接口芯片，內(nèi)有一個(gè)16×8的顯示RAM，可為CPU送數(shù)據(jù)或查詢。設(shè)備工作時(shí)，當(dāng)鍵盤(pán)被按下，鍵盤(pán)信息被送入FIFO的同時(shí)向CPU提出中斷，CPU響應(yīng)中斷后調(diào)用中斷服務(wù)程序，該程序先從FIFO中讀出鍵盤(pán)信息，經(jīng)判斷后根據(jù)按鍵的信息做出相應(yīng)的動(dòng)作，如果是需要顯示的信息則被存入顯示RAM中。牽引力傳感器測(cè)到的牽引力數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理、放大和A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)CPU。單片機(jī)將采集到的牽引值與設(shè)定值做比較，判斷其是否達(dá)到設(shè)定值；單片機(jī)P1口的輸出經(jīng)電機(jī)邏輯控制電路變換后形成電機(jī)控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)正轉(zhuǎn)，鋼絲繩張緊，牽引力增加，當(dāng)牽引力值達(dá)到預(yù)設(shè)大小時(shí)，進(jìn)入持續(xù)狀態(tài)。此狀態(tài)下，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，牽引力保持不變。如選擇間歇牽引模式，持續(xù)牽引一段時(shí)間后，電機(jī)反轉(zhuǎn)，自動(dòng)松弛一會(huì)兒，牽引時(shí)間和間歇時(shí)間可根據(jù)治療需求任意設(shè)置，達(dá)到設(shè)定的總治療時(shí)間時(shí)，聲光報(bào)警提示，同時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)2s，自動(dòng)松弛，結(jié)束治療。液晶屏用來(lái)顯示當(dāng)前牽引力值、牽引時(shí)間、工作狀態(tài)等信息[7-8]。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了便于程序的維護(hù)和移植，控制系統(tǒng)的軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由主程序、中斷服務(wù)程序和控制子程序等組成。主程序?qū)PU初始化、判斷設(shè)備狀態(tài)并顯示，實(shí)現(xiàn)設(shè)置參數(shù)輸入并進(jìn)行各種數(shù)據(jù)處理和子程序的調(diào)用。牽引模式的轉(zhuǎn)換（連續(xù)還是間歇）通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，液晶屏可以顯示出當(dāng)前所處的牽引模式。頸椎牽引和腰椎牽引在控制上的區(qū)別主要體現(xiàn)在牽引力的大小設(shè)置上，頸椎牽引力較?。ㄒ话阍?～25 kg力），腰椎牽引引力較大（一般在3～100 kg力之間任意設(shè)置）。牽引總時(shí)間初始默認(rèn)為30 min，可以根據(jù)需要任意調(diào)整。其主程序流程[8-9]，見(jiàn)圖4。

圖4 主程序流程圖

4 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn),

該治療儀結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、攜帶使用方便，可直接懸掛固定在現(xiàn)有的病床床頭。功能齊全：既可實(shí)現(xiàn)頸椎牽引，又可實(shí)現(xiàn)腰椎牽引，同時(shí)具有牽引力自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)定時(shí)；具有牽引力過(guò)大或失控保護(hù)、短路保護(hù)、漏電保護(hù)、間歇牽引時(shí)間任意可調(diào)等智能化保護(hù)控制措施。該治療儀價(jià)格低廉、占用空間小，便于推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論

該多功能頸、腰椎牽引治療儀設(shè)計(jì)制作成功后，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試和修改程序，使恒力牽引、連續(xù)牽引、間歇牽引、自動(dòng)定時(shí)報(bào)警等各項(xiàng)功能都達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。用戶可以根據(jù)治療需求任意設(shè)置牽引力、牽引模式和牽引時(shí)間，牽引力可以被恒定控制在設(shè)定值附近，控制精度可達(dá)±1N。當(dāng)儀器工作在間歇牽引模式時(shí)，牽引、間歇時(shí)間可精確控制到1s。牽引力可逐漸加大，具備智能化儀器的特征，使患者使用更安全、更方便。

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