伺服控制系統(tǒng)在脊柱牽引治療中的應(yīng)用

成志新，王京華，陳劍英，劉傳永，韓愛(ài)民，金振華，張衛(wèi)平

（山東省藥學(xué)科學(xué)院，濟(jì)南250100）

1 引 言

隨著人們生活、工作方式的改變，頸、腰椎間盤(pán)突出癥已成為常見(jiàn)病癥。近年來(lái)文獻(xiàn)資料表明，將牽引治療單獨(dú)或綜合應(yīng)用于椎間盤(pán)突出癥治療，多數(shù)患者癥狀有較明顯的好轉(zhuǎn)或減輕［1］，成為非手術(shù)治療椎間盤(pán)突出癥的首選方法。

市場(chǎng)上現(xiàn)有的牽引設(shè)備主要有快速牽引和慢速牽引兩種?？焖贍恳委煹脑碓谟谒查g牽引使椎間隙增加，椎間盤(pán)內(nèi)壓下降，使突出物還納減輕對(duì)神經(jīng)壓迫［2］，但該類(lèi)設(shè)備牽引力較大且瞬間釋放，其治療的適應(yīng)癥范圍具有較大的局限性；慢速牽引設(shè)備多采用小牽引力、多種固定模式、長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作用的治療方式［3］，治療過(guò)程中脊柱處于持續(xù)受力狀態(tài)，脊椎兩側(cè)肌肉產(chǎn)生收縮抵抗，抵消了牽引力，在療效方面尚不盡人意。

近年來(lái)，國(guó)際上基于牽引治療，提出“脊柱減壓”治療的概念［4］，即牽引力以特定角度施加于脊柱病變部位并在治療過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)整，使脊椎兩側(cè)肌肉得到放松，允許椎間盤(pán)分離，椎間隙內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，使椎間盤(pán)突出物吸收回納的治療方法［5］。我們采用“脊柱減壓”治療的概念，設(shè)計(jì)一款新型慢速牽引系統(tǒng)，選用伺服電機(jī)為動(dòng)力源，把傳感器測(cè)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)運(yùn)用到脊柱減壓治療系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)牽引力的精確控制。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括四大功能模塊：人機(jī)交互及通信模塊、核心控制模塊、伺服動(dòng)力模塊、數(shù)據(jù)采集模塊。該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 The block diagram of system structure

2.1 人機(jī)交互及通信模塊

系統(tǒng)采用PC機(jī)作為上位機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。上位機(jī)根據(jù)輸入的治療數(shù)據(jù)運(yùn)算并生成牽引力曲線(xiàn)、牽引角度等參數(shù)，通過(guò)USB通信將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳送給微處理器，并將微處理器反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)以曲線(xiàn)等形式顯示出來(lái)，以客觀顯示與預(yù)設(shè)數(shù)值的擬合程度。另外，上位機(jī)還負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，將治療數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)中，能夠?qū)崿F(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及訪問(wèn)。

2.2 微處理器核心控制模塊

系統(tǒng)選用ATmega16單片機(jī)作為核心處理器。核心處理器將上位機(jī)傳送來(lái)的治療參數(shù)進(jìn)行處理并發(fā)送指令，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，并通過(guò)讀取傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，確保實(shí)際牽引力、牽引角度等與預(yù)設(shè)數(shù)值保持一致，并將牽引力、牽引角度反饋到上位機(jī)界面進(jìn)行顯示。

2.3 伺服動(dòng)力控制模塊

伺服動(dòng)力控制模塊是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)治療功能的關(guān)鍵執(zhí)行部件，主要包括伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、角度調(diào)節(jié)電機(jī)。伺服驅(qū)動(dòng)器接受微處理器發(fā)出的運(yùn)動(dòng)指令，驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)輸出力矩，為系統(tǒng)提供精準(zhǔn)平穩(wěn)的牽引力；角度調(diào)節(jié)電機(jī)改變牽引力的施加角度，確保系統(tǒng)以特定角度精準(zhǔn)作用于病變部位，避免脊柱整體受力。

2.4 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要有力量傳感器、角度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路以及ATmega16單片機(jī)自 帶的A/D轉(zhuǎn)換電路組成，實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理。該模塊通過(guò)力量傳感器、角度傳感器等實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的牽引力、牽引角度等參數(shù)，并反饋給微處理器，以便系統(tǒng)及時(shí)調(diào)整設(shè)備動(dòng)作。

3 伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)牽引力的精確控制、數(shù)據(jù)采集的精確度及反饋的實(shí)時(shí)性是交流伺服控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)。為了減少治療過(guò)程中各種干擾信號(hào)及不確定因素的影響，提高伺服控制系統(tǒng)的工作精度，需要選用穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)的伺服電機(jī)以及采樣精度高、靈敏度好的傳感器，并且通過(guò)PID控制提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。

3.1 伺服控制系統(tǒng)

伺服控制系統(tǒng)采用閉環(huán)反饋設(shè)計(jì)，主要由單片機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、牽引力傳感器等組成，見(jiàn)圖2。在各環(huán)節(jié)的協(xié)同作用下，實(shí)現(xiàn)牽引力的精準(zhǔn)控制。

圖2 伺服控制系統(tǒng)框圖Fig 2 The block diagram of Servo control system

根據(jù)患者信息，上位機(jī)自動(dòng)生成牽引治療曲線(xiàn)，設(shè)定牽引力所對(duì)應(yīng)的電壓值即為系統(tǒng)的輸入信號(hào)Uref；治療過(guò)程中，牽引力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量牽引力的大小，經(jīng)濾波、放大后得到的電壓值即為系統(tǒng)的反饋信號(hào)Uf；反饋信號(hào)Uf與設(shè)定電壓Uref經(jīng)減法運(yùn)算之后形成偏差，即誤差信號(hào)U=Uref-Uf。單片機(jī)對(duì)誤差信號(hào)U處理后，輸出控制信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)整伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，將動(dòng)態(tài)隨動(dòng)的牽引力施加于患者病變椎段，從而形成伺服控制系統(tǒng)的閉環(huán)反饋設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，要求反饋實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地跟蹤設(shè)定量，所以系統(tǒng)需要滿(mǎn)足調(diào)節(jié)時(shí)間小、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。PID控制算法簡(jiǎn)單高效、參數(shù)可調(diào)，可以在實(shí)際運(yùn)行中根據(jù)情況調(diào)節(jié)比例、積分、微分3個(gè)參數(shù)來(lái)達(dá)到較好的控制效果［6］，所以我們將PID控制運(yùn)用在伺服控制系統(tǒng)中，以提高系統(tǒng)控制效果。伺服控制系統(tǒng)PID算法原理圖見(jiàn)圖3，系統(tǒng)將測(cè)得的電壓信號(hào)與給定信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)偏差信號(hào)U的大小，計(jì)算出PID算法中所需的PID參數(shù)，最終得到準(zhǔn)確的被控量牽引力F。

圖3 PID算法原理圖Fig 3 The principle diagram of PID algorithm

3.2 伺服動(dòng)力機(jī)構(gòu)的選擇

治療過(guò)程中牽引力實(shí)時(shí)跟隨設(shè)定牽引力變化，并且根據(jù)肌肉抵抗力的變化迅速做出調(diào)整，避免產(chǎn)生椎旁肌肉收縮或痙攣，整個(gè)閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)是將動(dòng)態(tài)隨動(dòng)牽引力精準(zhǔn)施加于患者病變椎段。

伺服驅(qū)動(dòng)器可以使伺服電動(dòng)機(jī)工作在速度模式、位置模式或者轉(zhuǎn)矩模式。轉(zhuǎn)矩模式下，通過(guò)不斷改變伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可以實(shí)現(xiàn)脊椎牽引力的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制，另外伺服驅(qū)動(dòng)器采用強(qiáng)健性控制技術(shù)，使得伺服電機(jī)的低速特性更佳［7］，更能有效運(yùn)用于脊柱減壓治療系統(tǒng)。

經(jīng)過(guò)分析和計(jì)算，系統(tǒng)選用臺(tái)達(dá)交流伺服電機(jī)，通過(guò)設(shè)置伺服驅(qū)動(dòng)器，使電機(jī)處于轉(zhuǎn)矩模式。伺服驅(qū)動(dòng)器接收單片機(jī)傳輸?shù)臓恳π盘?hào)，通過(guò)改變伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，將動(dòng)態(tài)隨動(dòng)的牽引力精準(zhǔn)施加于患者病變椎段。

3.2.1 腰椎牽引機(jī)構(gòu) 腰椎牽引機(jī)構(gòu)的示意圖見(jiàn)圖4，由安裝在底座上的伺服電機(jī)1對(duì)滾珠絲杠2提供扭矩，通過(guò)螺母3帶動(dòng)連接盤(pán)4牽引拉力傳感器6，生成的拉力促使?fàn)恳装?帶動(dòng)綁帶盤(pán)5，從而達(dá)到腰椎牽引的目的。

圖4 腰椎牽引機(jī)構(gòu)機(jī)械圖Fig 4 The machine drawing of lumbar traction institutions

綁帶盤(pán)最大拉力 F=97.5kg≈1 000 N，選用3205滾珠絲杠，則有絲杠導(dǎo)程S=5 mm，直徑D=32 mm。取效率η=90%，則需扭矩T為：

按照T=0.9 Nm的要求，系統(tǒng)選用臺(tái)達(dá)交流伺服電機(jī)：ECMA-C31010□S（伺服驅(qū)動(dòng)器：ASDA1021-AB），電機(jī)參數(shù)為220V/3 000 rpm，功率為1 000 W，從而可以得到公稱(chēng)扭矩T0：

通過(guò)以上計(jì)算可知T0＞T，選用該型號(hào)的伺服電機(jī)作為腰椎牽引機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到控制要求。

3.2.2 頸椎牽引機(jī)構(gòu) 頸椎牽引機(jī)構(gòu)的示意圖見(jiàn)圖5，由安裝在底座3上的伺服電機(jī)1把扭矩傳遞給滾珠絲杠4、通過(guò)螺母5轉(zhuǎn)換成拉力，并經(jīng)連接盤(pán)6把牽引力傳給拉力傳感器7，從而拉動(dòng)頭板2進(jìn)行頸椎牽引治療。

圖5 頸椎牽引機(jī)構(gòu)機(jī)械圖Fig 5 The machine drawing of cervical vertebra traction institutions

頭板最大拉力F=25k g≈250 N，選用2004滾珠絲杠，則有：絲杠導(dǎo)程S=4 mm，直徑D=20 mm，取效率η=90%，則需扭矩T為：

按照T=0.17 Nm的要求，系統(tǒng)選用臺(tái)達(dá)交流伺服電機(jī)：ECMA-C30602□S（伺服器：ASDA0221-AB），電機(jī)參數(shù)為220V/3 000 rpm，功率為2 00 W，從而可以得到公稱(chēng)扭矩T0：

通過(guò)以上計(jì)算可知T0＞T，選用該型號(hào)的伺服電動(dòng)機(jī)作為頸椎牽引機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到控制要求。

系統(tǒng)的脊椎牽引機(jī)構(gòu)與頸椎牽引機(jī)構(gòu)均為伺服電機(jī)直接帶動(dòng)絲杠，進(jìn)而牽動(dòng)胸板與頭板以線(xiàn)性拉力的形式作用于患者脊椎，這種作用方式直接、反應(yīng)快，可以迅速地調(diào)整牽引力。

3.3 ADC采樣

數(shù)據(jù)采集的精確度影響牽引力的跟蹤精度，從而對(duì)整個(gè)伺服控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性造成很大的影響。ATmega16單片機(jī)的內(nèi)部ADC采樣精度可以達(dá)到10位，最大精度下可實(shí)現(xiàn)每秒15 kSPS的采樣速率，可以滿(mǎn)足伺服控制系統(tǒng)的要求。ADC的工作電源由AVCC提供，AVCC的穩(wěn)定性影響ADC的轉(zhuǎn)換精度，系統(tǒng)電源VCC通過(guò)π形濾波器接入AT-mega16的AVCC引腳，這樣就能很好地抑制系統(tǒng)電源中的噪聲，提高AVCC的穩(wěn)定性。圖6為π型濾波連線(xiàn)圖。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

系統(tǒng)根據(jù)患者體重、身高、病痛部位等生成獨(dú)特的牽引曲線(xiàn)，牽引曲線(xiàn)中的最小牽引力為最大牽引力的一半。治療過(guò)程中要求牽引力實(shí)時(shí)跟隨牽引曲線(xiàn)變化，我們通過(guò)臨床實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試。

圖6 π型濾波電路Fig 6 πtype filter circuit

4.1 臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們選用35例腰椎間盤(pán)突出癥患者接受脊柱減壓系統(tǒng)的治療，經(jīng)過(guò)5～6周的20次治療之后，有31位患者疼痛癥狀得到不同程度的緩解，有效率可以達(dá)到89%。治療過(guò)程中患者對(duì)治療的耐受性較高，并且未發(fā)現(xiàn)不良反應(yīng)。完成治療后，對(duì)其中的25位有效治療患者進(jìn)行大約半年的隨訪，超過(guò)85%的患者腰椎狀況維持或好于治療結(jié)束時(shí)的狀態(tài)，個(gè)別患者有復(fù)發(fā)趨勢(shì)。從臨床數(shù)據(jù)可以看出，脊柱減壓伺服控制系統(tǒng)對(duì)于腰椎間盤(pán)突出等癥具有較好的療效。

4.2 牽引曲線(xiàn)

圖7 腰椎治療界面Fig 7 The Interface of lumbar traction

以體重50 KG的患者為例，系統(tǒng)生成的腰椎牽引曲線(xiàn)，最大牽引力為200 N，最小牽引力為100 N，患者的腰椎曲線(xiàn)治療界面見(jiàn)圖7，上層曲線(xiàn)是根據(jù)患者信息生成的標(biāo)準(zhǔn)牽引曲線(xiàn)，下層曲線(xiàn)是治療過(guò)程中生成的實(shí)際牽引曲線(xiàn)，從圖中可以看出，實(shí)際牽引力曲線(xiàn)與設(shè)定牽引力曲線(xiàn)擬合程度較好。

圖7中時(shí)間00：00：45處顯示的是治療過(guò)程中患者在床體上稍微移動(dòng)造成的干擾，經(jīng)過(guò)伺服控制系統(tǒng)的及時(shí)調(diào)整，系統(tǒng)輸出的牽引力動(dòng)態(tài)地跟蹤設(shè)定值，牽引曲線(xiàn)很快恢復(fù)原定軌跡。結(jié)果表明，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可控性好，能夠較快的抵制干擾信號(hào)。

5 總結(jié)

本研究針對(duì)目前腰椎間盤(pán)疾病患者較多，而現(xiàn)有頸、腰椎牽引機(jī)構(gòu)牽引精度低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于“脊柱減壓”的新型頸、腰椎牽引治療系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的四大功能模塊，并重點(diǎn)研究了相應(yīng)的伺服控制系統(tǒng)，從伺服動(dòng)力機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集、PID控制算法等方面提高了伺服控制系統(tǒng)對(duì)牽引力的跟蹤控制精度，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)控制效果進(jìn)行了說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)抑制患者干擾的能力和對(duì)牽引力的跟蹤精度較高，治療效果明顯，從而驗(yàn)證了整個(gè)脊柱減壓伺服控制系統(tǒng)的精度和可行性。