多功能颈椎保健治疗枕

【作 者】杨朝岚，侯增涛，徐大众，曹亚飞，刘伟东，尚鹏

1 中国科学院深圳先进技术研究院，深圳市，518055 2 深圳市中医医院，深圳市，518001

0 引言

颈椎病主要是由于长期低头伏案工作，颈椎一直处于承受应力的异常体位，造成颈椎生物力学环境变化。早期出现颈项部肌肉劳损，椎间盘退变，随着病情发展就会出现颈椎生理曲度变直、甚至反弓，颈椎间盘向后移位、突出，最后压迫血管、神经造成各种临床症状。如图1颈椎X线片所示，左图颈椎生理曲度正常，右图颈椎生理曲度反张。

图1 颈椎生理曲度X线片Fig.1 Cervical physiological curvature X-ray film

由于生活和工作方式的改变，颈椎病的发病率越来越高，患病人群越来越多，而且呈现低龄化趋势。目前颈椎病的治疗除了通过颈椎牵引使椎间盘回缩、椎间孔扩大，来解除血管、神经压迫，还要纠正已经变形的颈椎、恢复软弱的颈部肌肉、改变不良生活、工作习惯和姿势[1]。

我们在对颈椎病发病原理深入分析之后，认为主要有两个原因：①日常生活工作姿势以及习惯，颈椎长期超负荷；②睡眠时枕位不正确。国内治疗大多以中医治疗为主，其中包括手法治疗、枕颌套牵引治疗、颈托固定法、中药口服和外用，尚未见到配合颈椎治疗枕[2-3]。

在对颈椎病病因学的研究中，枕头与颈椎解剖形态的关系受到了人们的高度重视。实验表明，不同的枕头形成颈椎不同的解剖形态，有的枕头使颈椎处于生理化的稳定解剖形态，有的枕头使颈椎处于慢性脱位的病理化不稳定的解剖形态，而使颈椎遭到长时间的慢性损伤。所以，在颈椎病的治疗过程中，越来越重视枕头发挥的作用，尤其是颈枕在恢复颈椎曲度方面所发挥的作用。

1 颈椎治疗枕现状

目前在颈枕的设计、制作和应用方面，已经突破了传统的方形枕头，根据颈椎的生理曲度设计出了符合颈椎生物力学的颈枕，也有根据颈椎病的治疗需求，设计出了含有中药的中药枕以及具有磁疗作用的磁疗枕；也有人利用睡眠时头颈体位设计出具有体位牵引作用的颈枕；比如康颈枕（专利公开号CN101103872A），如图2所示，枕头中间有凹腔为颈枕，侧枕位于两侧，该创新点为侧卧时托起整个头部，合理填补侧卧时肩宽的距离[4]。另外还有双卧式护颈枕（专利公开号CN103445588A）、一种充气式颈椎治疗枕（专利公开号CN102895055A）、颈椎康复枕（专利公开号CN102641060A）等等[5]。以上颈枕都关注了适应颈椎自然生理曲度，其中康颈枕、双卧式护颈枕更是关注到了侧卧位与仰卧位颈椎曲度的不同要求；充气式颈椎治疗仪及颈椎康复枕头则关注到了生理曲度的个体化治疗，采取了可调式的曲度设计，更好地迎合不同患者的要求。

图2 枕头示意图Fig.2 Pillow diagram

综观上述颈椎枕存在一些缺点：①纠正颈椎曲度方面，不能根据颈椎病不同的分型和不同的治疗阶段灵活地调整头颈相对的位置和角度，即头颈体位的个体化需求；②颈椎病多具有颈椎生理曲度消失变直、反弓，现有的治疗枕只是维持颈椎曲度，不具有纠正和恢复颈椎曲度的作用。

因此本文根据颈椎病病理变化，针对颈椎病治疗中灵活调节颈椎体位、利用体位进行颈椎牵引、纠正和恢复颈椎曲度以及颈部器械锻炼，同时具有网络数据终端功能的要求，设计出了多功能颈椎保健治疗枕，以满足颈椎病治疗的需要。

2 颈椎治疗枕硬件

2.1 颈椎治疗升降装置

颈部升降装置采用双偏心轮电机带动凸轮机构驱动升降板上下运动，如图3所示为升降机构视图。电机旋转一周，凸轮带动升降板子上下运动一个行程。采用永磁直流大扭矩减速电机，减速器全金属齿轮，直流24 VDC，功率7.2 W，空载转速10 r/min，最大扭矩T可以达到15 kg·cm。凸轮和升降板采用POM材料，一是具有高机械强度和刚度，二是润滑性和耐磨性好，降低接触的噪音。

图3 双电机升降板机构视图Fig.3 Double motor lift board mechanism view

升降机构结构简（见图4），大圆为凸轮，直径R为55 mm；小圆圆心为电机轴，小圆为凸轮圆心的轨迹；偏心距e为16 mm。由此可以知道，当电机轴和凸轮圆心在同一水平方向时，颈椎对凸轮提供的力矩M最大。

当a=e=1.6 cm时，m=18.75 kg，远远大于成年人脑袋加颈椎的重量。

图4 升降机构结构简图Fig.4 Lifting mechanism structure diagram

2.2 颈椎体位牵引装置

颈椎治疗枕颈部可以手动实现上中下三个挡位的升降，头部靠在可以调节不同角度的后板上，如图5所示。在枕头两边设置了3个挡位的槽，通过一个直径为4 mm的不锈钢管支撑在不同的体位状态。图6所示状态为枕头体位牵引水平位置，向上调节头部处在高枕位置，向下调节头部处于低枕位置。

图5 颈椎治疗枕示意图Fig.5 Cervical pillow treatment diagram

2.3 颈椎治疗枕控制

图7 为治疗枕的硬件框图，主控芯片采用AVR单片机，负责传感器数据收发和控制治疗；电源采用24 V直流适配器；超声测距测量升降装置的高度[6]；后板倾角利用三轴加速度传感器测量[7]；语音模块负责佛乐、瑜伽音乐的播放和语音提示治疗；Wi-Fi负责将实时的高度数据、角度数据、治疗时间等参数传到云端，蓝牙用于支持手机交互控制[8]。

图6 枕头体位牵引示意图Fig.6 Pillow body traction diagram

图7 枕头硬件框图Fig.7 Pillow hardware block diagram

2.4 枕头外包

枕头外包采用慢回弹记忆棉，一是释压性好，二是支撑力强[9]。记忆棉形状如图8所示，前凸后凹、两边高中间低。正卧时需要托颈部，所以中间低；侧卧时需要托起整个头部，并合理补偿侧卧时肩宽的距离，所以两边高。海绵设有蜂窝状的通气孔，循环透气、清爽睡眠。人体侧卧时，耳部下面可以还可以起到减压的作用[10]。

图8 记忆棉Fig.8 Memory foam

3 颈椎治疗枕功能

为了满足颈椎病临床治疗的多样化需求，结合记忆棉和枕套外包，颈椎治疗枕功能如图9所示。

功能1：升降板可以上下运动，自由调节高度。灵活调节颈椎体位，纠正和恢复颈椎曲度；功能2：利用体位进行牵引，手动调节后板倾角，实现自重牵引；功能3：颈椎器械锻炼，利用升降板来回运动进行颈部肌肉锻炼；功能4：数据终端、语音播报：将测量参数（升降板高度、后板体位角度、治疗时间）收集上传至健康数据平台，为病人提供个性化的远程医疗服务，也可以追踪随访数据、提供医学研究资料。佛乐、瑜伽音乐播放，在颈椎保健的基础上，提供一种温馨氛围。

图9 颈椎治疗枕的功能Fig.9 Cervical pillow treatment function

4 颈椎治疗枕实验

4.1 枕头样机

如图10所示为颈椎治疗枕的功能样机，图10（a）为多功能颈椎治疗枕的俯视图，图10（b）为其左视图，图10（c）为其主视图。挑选20个颈椎正常的健康人做前期的测试，每个人按自己的舒适度选择合适的枕高和后板倾角，仰卧10 min。之后再加10 min钟器械锻炼。根据每个人感官上描述修改不足，为后续临床试验做准备。

图10 颈椎治疗枕样机Fig.10 Cervical pillow treatment machine

4.2 临床实验

临床研究过程中，从深圳市中医院骨伤科筛选符合研究标准的颈椎病病人，治疗采用常规颈椎牵引配合多功能颈椎保健治疗枕。治疗分为发作期和缓解期两个阶段进行，病人在治疗的发作期使用多功能颈椎保健治疗枕并根据徒手牵引试验结果以及颈椎病的病理分型，将头颈放置于后伸位或者前屈位（或称头低位、头高位），并进行颈部肌肉锻炼；在治疗的缓解期将头颈放于中立位，利用颈枕反复向上支撑颈椎的作用进行颈椎曲度的恢复治疗。如图11为某一病人实验前后X线片的对比，可以看出病人颈椎曲度较之前有改善，并且症状较之前缓解。

图11 病人实验前后X线片对比Fig.11 The patient X-ray contrast before and after test

5 结论

综上所述，结合颈椎病的病理病因和现有颈椎康复枕的不足，研制了一款多功能颈椎保健枕。目前枕头还有一些不足：①直流全金属齿轮减速电机在负载运行时，齿轮啮合产生噪音；②颈椎部升降装置采用凸轮机构，再加上记忆棉外包，枕头的高度略高；③待补充实验病人于治疗后1、3、6月评价其VAS疼痛评分、颈椎曲度和颈椎活动度（颈椎侧位X线片采用Borden法测量）等指标，并进行统计学分析。

颈椎治疗枕的研制形成了颈椎病非手术治疗的新准则：发作期以牵引配合体位为主，缓解恢复期通过颈椎治疗枕进行颈椎曲度锻炼。