頸椎病新型智能牽引器的設(shè)計研發(fā)

摘 要 頸椎病的發(fā)病率逐年增加，并呈現(xiàn)低齡化趨勢，我國每年用于頸椎病的治療費用超過5億。合理有效地治療頸椎病，不僅可減輕患者痛苦，節(jié)約社會醫(yī)療資本，而且具有廣闊的市場前景。目前，牽引是治療頸椎病的主要手段，但目前的枕-頜式牽引裝置，易導(dǎo)致患者不適，影響療效，并難以實現(xiàn)精準治療。本團隊設(shè)計了一種智能調(diào)節(jié)角度的頂托式頸椎病牽引治療器，通過頂托受力，克服兩點受力所引起的牽引偏差。該治療器以新型高分子材料為頸托，提高使用舒適度與耐用性；通過人工智能對牽引重量進行精準控制，通過復(fù)合溫?zé)?、調(diào)制中頻動態(tài)干擾電等治療增強療效；通過準確調(diào)控牽引角度，提高牽引效果。

關(guān)鍵詞 牽引器；頸椎病；人工智能；組合牽引

中圖分類號 TP23 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-7721（2024）02-0138-05

Design and development of new intelligent tractor for cervical spondylosis

WEI Yanlong1， MOU Yuqing2， YU Xi1， HU Quan1， LIU Zhongliang1

（1. Department of Rehabilitation Medicine， the Second Hospital of Jilin University， Changchun 130041， China;

2. College of Health Industry， Changchun University of Architecture， Changchun 130600， China）

Abstract The incidence of cervical spondylosis increases year by year and shows a trend of younger age. The annual treatment cost of cervical spondylosis in China is more than 500 million. The effective treatment of cervical spondylosis can not only relieve the pain of patients， save social medical capital， but also have a broad market prospect. At present， traction is a popular treatment for cervical spondylosis. However， the current traction belt of occipital-jaw device is easy to cause discomfort for patients， often affecting the curative effect， and it is difficult to achieve accurate treatment. We designed a head-support type cervical tractor with intelligent angle-adjusting function. It overcomes the traction deviation caused by two points of stress using top forces. New polymer material is used as the neck brace to improve comfort level and durability of the device. The traction weight and angle are precisely controlled by artificial intelligence， and the therapeutic effect is improved by combining thermotherapy with modulated dynamic interference electrotherapy.

Key words Tractor; Cervical Spondylosis; Artificial Intelligence; Combined Traction

頸椎牽引的基本作用是牽張椎體，牽引技術(shù)的效果與患者體位、牽拉的力度、持續(xù)時間及牽拉的角度等因素有關(guān)。要使椎體產(chǎn)生分離效應(yīng)，則所施加的牽引力必須足以克服被治療部位的重量、周圍軟組織的張力、患者和接觸面的摩擦力及重力的總和。但目前臨床常用的頸椎牽引器并未能同時量化上述因素對治療效果的影響，即使有經(jīng)驗的治療人員能考慮到上述因素，現(xiàn)有的治療設(shè)備既不能量化上述因素，也不能實時監(jiān)測這些因素在治療過程中的變化。另外，通過牽引與常用的其他物理因子結(jié)合的方式可以進一步提升治療效果?；诖?，本團隊設(shè)計了一款新型頸椎病智能牽引器，通過使頸椎牽引智能化、標(biāo)準化來提高頸椎牽引的臨床療效，同時對頸椎牽引療法的質(zhì)量進行控制。

1 牽引療法的基礎(chǔ)

牽引療法是通過牽引技術(shù)對脊柱長軸施加拉伸力來緩解脊柱壓力、治療疼痛的療法?，F(xiàn)代脊柱牽引療法源自英國醫(yī)生James Cyriax于20世紀40年代推廣的腰椎牽引療法。此后，雖然相關(guān)的治療理論不斷革新，但都支持脊柱牽引療法的使用。澳大利亞物理治療師Geoffrey Maitland同樣肯定了牽引療法治療脊柱疾病的價值[1]。

在當(dāng)前循證醫(yī)學(xué)時代，雖然關(guān)于牽引療法臨床價值的客觀證據(jù)仍然有限，但其有效性已被大量的臨床試驗所證實?；谂R床經(jīng)驗和觀察結(jié)果，許多從業(yè)人員仍在將牽引療法作為一種基礎(chǔ)的臨床治療手段，歐洲的臨床指南[2]以及我國頸椎病牽引治療專家共識仍將牽引療法作為治療頸痛及神經(jīng)根性頸椎病的Ⅰ級推薦意見[3]。

1.1 頸椎牽引的生物力學(xué)和生理效應(yīng) 頸椎在水平面、冠狀面、矢狀面三個運動平面上分別發(fā)生左右旋轉(zhuǎn)、左右側(cè)屈和前屈后伸共6個方向的活動，而側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)是耦合運動。在上頸段，側(cè)屈伴對側(cè)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)伴對側(cè)側(cè)屈，而下頸段頸椎側(cè)屈伴同側(cè)旋轉(zhuǎn)。施加在頸部的負荷隨著頭部和身體位置的變化而變化，在良好支撐的斜倚姿勢下，頸椎負荷最小。從C3～C7，作用于頸椎的壓縮力由3根平行力學(xué)柱傳遞：1個由椎體和椎間盤組成的前中央柱和2個由左右關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)組成的棒狀后外側(cè)柱[4]。

寰枕關(guān)節(jié)及寰樞關(guān)節(jié)均無椎間盤存在，因此頭部的重量（壓縮負荷）必須通過寰枕關(guān)節(jié)直接轉(zhuǎn)移到樞椎關(guān)節(jié)面。這些力通過椎弓根和椎板傳遞到椎體的下表面和兩個下關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)，隨后力轉(zhuǎn)移到鄰近的下椎間盤。牽引的作用之一是增加椎骨之間的空間，使椎骨間產(chǎn)生分離，理論上可使頸椎的形態(tài)正?；?，改變椎間盤的位置，增加走形脊神經(jīng)根的椎間孔尺寸。人體和尸體標(biāo)本的影像學(xué)研究分析了牽引對頸椎節(jié)段運動的影響：分別經(jīng)CT和X線攝影測量椎間孔的大小，無論是尸體還是活體，頸椎中立位牽引都可以顯著地增加椎間孔的孔徑[5]。另外，頸椎牽引可改善椎間關(guān)節(jié)的異常排列關(guān)系。頸椎屈曲牽引可擴大椎間孔，減少對神經(jīng)根的直接壓力。由于血液可從無瓣膜的椎旁靜脈叢流出，從而使水腫消退，因此也可間接減輕神經(jīng)根的壓力[6]。

一項三維有限元模型下旋轉(zhuǎn)牽引的研究顯示，隨著牽引前屈角度的變化，頸椎間盤的軸向變形趨于變小，當(dāng)牽引角大于18°時牽引的變形量會變得很小，因此建議將牽引角度控制在20°以內(nèi)[7]。同時，當(dāng)增加側(cè)屈角度進行牽引時，椎間盤的變形幅度明顯增加。另一項基于CT圖像建立的人體頸椎C2～C7三維有限元模型，經(jīng)有限元分析法模擬頸椎牽引最優(yōu)角度的研究顯示[8]，頸椎間盤C2～C3、C3～C4、C4～C5、C5～C6、C6～C7的最優(yōu)牽引角度分別為2°、4°、8°、13°、17°。另外一項針對牽引力、牽引角度、頭部支撐對牽引影響的研究顯示，牽引力大小、枕后是否墊毛巾、牽引力的角度都作為影響寰枕關(guān)節(jié)屈曲或者伸展的獨立變量。同時，牽引力的大小和牽引角度都作為影響寰樞關(guān)節(jié)前后向剪切力大小的獨立變量[9]。

1.2 臨床常見頸椎牽引器的問題 目前，針對頸椎的牽引治療按照牽引體位分為仰臥位與坐位，按照牽引時間可分為間歇（動態(tài)）牽引和持續(xù)（靜態(tài)）牽引，按照牽引力來源可分為機械動力、氣動、滑輪重力、自身重力4種類型[10]。影響牽引效果的最重要因素是牽引力的大小。人體測量學(xué)研究表明，人類頭部重量約占總體重的8.3%，理論上坐位或直立位下，小于8.3%體重的牽引力不能拉長人的頸椎。其中部分機械動力和液壓動力的牽引器可對牽引力進行監(jiān)測，而滑輪重力的牽引器在設(shè)定牽引力后中途并不能實時監(jiān)控或調(diào)整牽引力的大小。

現(xiàn)有的頸椎牽引器在牽引操作過程中并不能監(jiān)測患者頸椎成角的角度，由于頸椎生理曲度的特點，在進行沒有頭頸固定物的垂直牽引時，牽引力的方向與頸椎橫截面的法線不一致[11]。

因此需要固定成角牽引，以使最大牽引應(yīng)力的集中效應(yīng)作用于病變節(jié)段。

另外，如果要在仰臥位下拉長頸椎，則還要考慮牽引臺面與患者頭部之間的摩擦系數(shù)和摩擦力的大小?，F(xiàn)有的臥位牽引在治療過程中計算牽引重量時并未考慮仰臥位下牽引支撐面的摩擦系數(shù)對牽引力的影響，其是否影響臨床療效還需進一步研究。另有諸多文獻支持牽引療法聯(lián)合其他物理療法來管理頸椎病[12]。針對現(xiàn)有設(shè)備的不足特提出如下新的牽引設(shè)備設(shè)計方案。

2 牽引設(shè)備總體設(shè)計

針對現(xiàn)有頸椎牽引器存在的不足，本團隊設(shè)計了符合人體生理結(jié)構(gòu)、舒適、有效的頸椎病治療器具。該產(chǎn)品將達到下列指標(biāo)要求。①成角牽引：成角牽引方式更具科學(xué)性，可發(fā)揮最大的牽引效率；②頂托式外力：將以往向上牽引的受力方式改為頂托式的受力方式，使頸椎受力更均勻，使用更舒適、更人性化，也更加有效；③智能化操作：整個操作技術(shù)采用電腦程序控制，根據(jù)不同類型頸椎病來設(shè)計角度、頂托力量，實現(xiàn)治療過程智能化；④治療過程結(jié)合輔助治療項目，如紅外線治療、中頻脈沖電治療、脈沖磁治療等，從而實現(xiàn)復(fù)合式整體治療目的。

2.1 頂托的設(shè)計 頸椎頂托設(shè)計的要求是：使患者獲得最大的舒適滿意度，同時具有很好的自由度。該托可分為枕托和下頜托（如圖1），以優(yōu)質(zhì)金屬材料為內(nèi)金，外部附以柔順的軟質(zhì)材料做成環(huán)形頸托。該托可以設(shè)計成開放式的卡簧結(jié)構(gòu)，枕托可全包患者的頸部和枕骨區(qū)域予以頸部支撐。治療前卡簧打開，把頸椎放入托內(nèi)，扣上卡簧，治療結(jié)束后卡簧打開，頸椎離開頸托。該托在枕托中央處伸出一橫桿，連接在座椅中軸的操縱桿上（如圖2）。該桿可同時在X軸、Y軸和Z軸3個軸向進行調(diào)節(jié)，根據(jù)患者病情調(diào)整操縱桿的升降與偏移，從而實現(xiàn)頂托力的傳遞并達到所需的牽引角度。頸托的內(nèi)表面接觸頸椎后部的區(qū)域放置有4片電極，電極為動態(tài)干擾電的輸出電極，動態(tài)干擾電可以引起局部的頸肌運動，且作用部位較深，有較強的解痙止痛、促進功能恢復(fù)等作用。椅背可放置動態(tài)干擾電電極，以實現(xiàn)牽引和物理因子治療的完美結(jié)合。

2.2 角度測量器的設(shè)計 在頸椎頂托的側(cè)面，即枕-頜托相連的地方放置角度傳感器及壓力傳感器，以實時調(diào)節(jié)牽引過程中頸椎前屈、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)角度，完成真正的成角精確牽引，達到頸椎康復(fù)治療的目的。

2.3 頂托座椅的設(shè)計 該設(shè)備整體設(shè)計成座椅式（如圖3），座椅的高度及傾斜度均可調(diào)，以確?；颊咧委煏r的舒適度。治療過程中，患者雙手可扶在座椅扶手上，扶手的兩側(cè)設(shè)計有操作面板。椅背的中央設(shè)計成頸椎頂托的操縱桿，操縱桿可隨調(diào)節(jié)上下移動，并連接有壓力感受器，以顯示頂托的牽引重量。同時于座椅面板上安裝體重壓力感受器，實時監(jiān)測患者坐在牽引椅上減少的壓力是否與設(shè)置的頂托牽引力相匹配（若不匹配，則機器自動將牽引力調(diào)控到設(shè)置數(shù)值）。

2.4 外圍操作系統(tǒng)的設(shè)計 采用智能化的外圍操作系統(tǒng)（如圖4），利用傳感器信息融合技術(shù)，將不同傳感器收集到的信息采用分布式信息融合系統(tǒng)傳輸。頂托上的角度傳感器和壓力傳感器收集信息并傳輸至頸托結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)進行處理，處理后的信息被傳輸至外圍控制操作的信息融合系統(tǒng)。椅背上的角度傳感器與座椅上的壓力傳感器將收集到的信息傳輸至治療椅的結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)進行處理，處理后的信息同樣被傳輸至外圍控制操作的信息融合系統(tǒng)。外圍信息融合系統(tǒng)接收到兩者信息后由中央處理器來進行綜合分析，并由電腦程序完成頂推力、頸椎屈曲及側(cè)屈角度、報警系統(tǒng)、動態(tài)干擾電及溫度的調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)治療的人性化、智能化。此外，在座椅后側(cè)增加了可調(diào)節(jié)加溫設(shè)備（如圖5）。熱應(yīng)用是治療頸椎間盤綜合征的一個重要組成部分，特別是急性的疼痛。熱效應(yīng)可通過改善血液循環(huán)、放松肩部和頸部緊張的肌肉發(fā)揮治療作用。深部熱可減輕發(fā)生在椎間盤退變過程中韌帶和骨膜的局部刺激癥狀，同時影響α和γ運動神經(jīng)傳導(dǎo)的速度。

3 討論

現(xiàn)行的各種頸椎牽引裝置在臨床治療過程中可調(diào)整的參數(shù)基本都是牽引力的大小，部分臨床工作者僅憑自己的經(jīng)驗去擺放患者頸椎位置來調(diào)節(jié)牽引角度，然而影響牽引效果的獨立變量除了牽引力的大小外，還與牽引力的角度、頸椎所處的角度、頸椎與牽引臺面之間是否接觸等多個因素相關(guān)。而臨床上并未在牽引治療中對這些獨立變量進行監(jiān)測和調(diào)整。本牽引器的設(shè)計規(guī)避了傳統(tǒng)頸椎牽引器無法實時監(jiān)測牽引角度及實時控制有效牽引力的弊端，坐位的牽引方式可以減少頸椎與牽引床面接觸面對牽引力及牽引效果的影響。本研究采用頂托受力的同時增加了多角度機械臂，壓力及角度傳感器的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)頸椎牽引角度和牽引力的實時監(jiān)測、調(diào)節(jié)和控制。同時，本研究還增加了動態(tài)干擾電和溫控設(shè)備，這樣能夠更好地集合多種有效的治療措施，對無法耐受或無法參與長時間治療的患者而言，縮短了患者的單次治療時長，因而具有廣闊的臨床應(yīng)用前景與市場價值。但本牽引器也有其局限性，在進行牽引力計算時無法精確測量患者頭部的重量，只能按照人體頭部占體重的百分比進行計算，從而導(dǎo)致牽引力的計算缺乏精確性，這是本頸椎牽引器的局限性，也是以后改進時需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

利益沖突聲明：本文不存在任何利益沖突。

作者貢獻聲明：①魏彥龍負責(zé)設(shè)計論文框架，起草論文；②牟玉慶負責(zé)牽引器的工學(xué)設(shè)計； ③于茜負責(zé)繪制圖表；④胡權(quán)負責(zé)論文修改；⑤劉忠良負責(zé)擬定寫作思路，指導(dǎo)撰寫文章并最后定稿。

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編輯：劉靜凱