多功能颈腰椎牵引治疗仪的研制

赵东亮，郭艳幸，冯坤

河南省正骨研究院 生物医学工程研究室，河南 洛阳 471000

0 前言

人的身体因长期受自身体重、年龄老化及其他外来的重力、压力、职业习惯性姿势等因素的影响，使得支撑人体的脊椎及各部位关节间发生挤压或弯曲变形现象，导致各种不同类型的腰椎、颈椎疾病发生，给患者带来病痛及不适。医学上，腰椎间盘突出症、变性紊乱、劳损、脱位、腰椎间盘后突或脊椎生理弯曲消失等其他与颈、腰椎相关的疾病，主要治疗方法是矫正颈、脊、腰椎骨的变形。颈、腰椎牵引作为一种颈腰椎疾患主要的非手术治疗手段之一，有着悠久的历史，由于疗效确切，常作为首选或主要的治疗方法。牵引疗法以其简单、安全、无痛、有效得到广泛的应用[1]。

目前，许多医院仍采用传统的砝码式牵引方式治疗。此方法治疗效果不理想，牵引治疗时患者感觉不舒适，而且加大了护理操作人员的劳动强度。近年来，国内外一些厂家生产出了各式各样的腰椎牵引床、颈椎牵引机等设备，但该类设备大多存在结构复杂、操作不便、体积庞大、不易拆装，费用高昂等弊端。随着人类物质生活水平的提高，人们越来越重视身体健康，希望通过一定的理疗达到预防疾病的目的。基于现有牵引设备的缺陷，我们设计一种具有连续牵引、间歇式牵引多种治疗模式，并具有牵引力自动补偿、自动定时、牵引力过大或失控保护等辅助功能，可以实现颈椎、腰椎牵引的多功能颈腰椎牵引治疗仪[2]。

1 牵引治疗仪机械结构设计

该仪器主要由电气控制箱、牵引电机、牵引架、牵引绳、滑轮等组成，机械结构示意图，见图1；传动机构示意图，见图2。整个仪器可方便地固定在现有的骨科床床头。颈椎牵引治疗时，将颈椎牵引带固定在患者的颈部，带牵引绳的牵引钩固定住颈椎牵引带上，牵引绳绕过颈椎牵引架上的滑轮I和滑轮III、固定在牵引电机的皮带轮上。电机正转，牵引绳张紧，通过调整牵引绳的张紧度来改变牵引力的大小；电机反转时，牵引绳松弛，停止牵引。腰椎治疗时，将腰椎牵引带固定在患者的腰部，带牵引绳的牵引钩分别勾住腰椎牵引带的两端，钢丝绳绕过腰椎牵引架上的滑轮I，再绕过滑轮II，最终集中绕过滑轮III，固定在牵引电机的皮带轮上，同样通过牵引电机的正反转来达到腰椎牵引起停的目的。腰椎牵引架的间距可左右调节，以满足不同人体腰椎的牵引。颈、腰椎牵引架固定在一个纵向伸缩杆上，伸缩杆的伸缩可以调整整个颈、腰椎牵引架的高度，以改变牵引角度的大小。 电气、电子元件和牵引电机都固定在电气控制箱内部，操作面板用来设定牵引力、牵引时间、牵引模式等参数[3-6]。

图2 传动机构示意图

2 控制系统结构及工作流程

控制系统主要由信号采集元件（牵引力传感器）、中心控制单元（AT89C51单片机）、输入设备（薄膜按键）、信号输出设备（液晶屏）以及输出负载（牵引电机）组成，见图3。

图3 控制系统结构框图

系统工作过程：通过薄膜按键设定治疗需求的牵引模式、牵引力值和牵引时间等信息，按下启动键，多功能颈腰椎牵引治疗仪便进入全自动运行状态。8279芯片是可编程的通用键盘与显示器输入/输出接口芯片，内有一个16×8的显示RAM，可为CPU送数据或查询。设备工作时，当键盘被按下，键盘信息被送入FIFO的同时向CPU提出中断，CPU响应中断后调用中断服务程序，该程序先从FIFO中读出键盘信息，经判断后根据按键的信息做出相应的动作，如果是需要显示的信息则被存入显示RAM中。牵引力传感器测到的牵引力数据经过信号调理、放大和A/D转换后送入单片机CPU。单片机将采集到的牵引值与设定值做比较，判断其是否达到设定值；单片机P1口的输出经电机逻辑控制电路变换后形成电机控制信号去驱动电机运转。电机正转，钢丝绳张紧，牵引力增加，当牵引力值达到预设大小时，进入持续状态。此状态下，电机停止转动，牵引力保持不变。如选择间歇牵引模式，持续牵引一段时间后，电机反转，自动松弛一会儿，牵引时间和间歇时间可根据治疗需求任意设置，达到设定的总治疗时间时，声光报警提示，同时电机反转2s，自动松弛，结束治疗。液晶屏用来显示当前牵引力值、牵引时间、工作状态等信息[7-8]。

3 控制系统软件设计

为了便于程序的维护和移植，控制系统的软件采用模块化结构设计，主要由主程序、中断服务程序和控制子程序等组成。主程序对CPU初始化、判断设备状态并显示，实现设置参数输入并进行各种数据处理和子程序的调用。牵引模式的转换（连续还是间歇）通过拨码开关来实现，液晶屏可以显示出当前所处的牵引模式。颈椎牵引和腰椎牵引在控制上的区别主要体现在牵引力的大小设置上，颈椎牵引力较小（一般在1～25 kg力），腰椎牵引引力较大（一般在3～100 kg力之间任意设置）。牵引总时间初始默认为30 min，可以根据需要任意调整。其主程序流程[8-9]，见图4。

图4 主程序流程图

4 主要创新点,

该治疗仪结构紧凑、体积小巧、携带使用方便，可直接悬挂固定在现有的病床床头。功能齐全：既可实现颈椎牵引，又可实现腰椎牵引，同时具有牵引力自动补偿、自动定时；具有牵引力过大或失控保护、短路保护、漏电保护、间歇牵引时间任意可调等智能化保护控制措施。该治疗仪价格低廉、占用空间小，便于推广应用。

5 结论

该多功能颈、腰椎牵引治疗仪设计制作成功后，经过反复调试和修改程序，使恒力牵引、连续牵引、间歇牵引、自动定时报警等各项功能都达到了预期设计要求。用户可以根据治疗需求任意设置牵引力、牵引模式和牵引时间，牵引力可以被恒定控制在设定值附近，控制精度可达±1N。当仪器工作在间歇牵引模式时，牵引、间歇时间可精确控制到1s。牵引力可逐渐加大，具备智能化仪器的特征，使患者使用更安全、更方便。

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