鄧露露　喻洪流　嚴澤宇　朱文杰　劉石雨

摘 要：為改善臨床上常用的腰椎牽引治療床牽引維度少、牽引模式單一、控制復雜且不易操作等問題，設計一種多維度、多模式的腰椎牽引治療裝置控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103系列單片機為控制中心，對牽引過程中的角度、位移、拉壓力等物理量進行實時檢測，并采用增量式PID控制算法對牽引力進行精準控制與自動補償。實驗結果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸可靠，為腰椎多維牽引治療裝置控制系統(tǒng)的進一步完善奠定了基礎。

關鍵詞：腰椎牽引治療裝置;單片機;PID;控制系統(tǒng)

DOI：10. 11907/rjdk. 192621

中圖分類號：TP319 ? 文獻標識碼：A??????????????? 文章編號：1672-7800（2020）003-0159-04

Design of Lumbar Traction Treatment Device Control System

DENG Lu-lu1，2，3， YU Hong-liu1，2，3， YAN Ze-yu1，2，3， ZHU Wen-jie1，2，3， LIU Shi-yu1，2，3

（1.Institute of Rehabilitation Engineering and Technology， University of Shanghai for Science and Technology;

2.Shanghai Engineering Research Center of Assistive Devices;3.Key Laboratory of Neural-functional Information and Rehabilitation Engineering of the Ministry of Civil Affairs，Shanghai 200093， China）

Abstract： In order to improve the problems such as less traction dimensions， single traction mode， complex control and difficult operation of the clinically used lumbar traction treatment bed， a multidimensional and multimode lumbar traction treatment device control system is designed. The system uses STM32F103 series microcontroller as the control center to detect the angle， displacement and tension in the traction process in real time， and adopts the incremental PID control algorithm to accurately control and automatically compensate the traction force. The experimental results show that the system is stable in operation and reliable in data transmission， which lays a investigative foundation for the further improvement of the control system of the lumbar multidimensional traction treatment device.

Key Words： lumbar traction treatment device; MCU; PID; control system

0 引言

腰椎間盤突出癥（Lumbar Disc Herniation，LDH）是因為腰椎間盤各部分（髓核、纖維環(huán)及軟骨板）出現(xiàn)不同程度的退行性改變后，在外力因素作用下，椎間盤的纖維環(huán)破裂，髓核突出于后方或椎管內(nèi)，導致相鄰脊神經(jīng)根遭受刺激或壓迫，從而產(chǎn)生腰腿痛、坐骨神經(jīng)痛等一系列臨床癥狀[1-2]。據(jù)國家衛(wèi)生部統(tǒng)計，我國腰椎病患者已突破2億，約占全國總人數(shù)的15.2%[3]。流行病學研究顯示，我國腰椎間盤突出癥人群發(fā)病率為0.95%～18%，國外發(fā)病率為15.2%～30%[4]。目前腰椎病治療大體可分為手術療法和非手術療法兩種。除少數(shù)患者需要手術治療外，85%～90%的患者經(jīng)過適當?shù)姆鞘中g治療可獲得滿意的療效[5-6]。在非手術治療中，牽引療法能有效促進椎間盤突出物的回納，增加椎管容積和后縱韌帶張力[7]。牽引治療作為最普遍，且較安全、高效的治療方式，受到醫(yī)生與患者們的一致認可，牽引治療床更是醫(yī)院必備的理療產(chǎn)品[8-9]。

目前，國內(nèi)外研究者針對牽引治療床開展了各種研究。在國外，如美國宇航局及美國國防部共同研制的DRX9000型脊柱減壓牽引系統(tǒng)能夠實現(xiàn)水平牽引，在治療過程中，牽引力能夠準確作用于病變椎間隙，但只能實現(xiàn)單維度牽引[10-12]。在國內(nèi)，如劉英才等[13]研發(fā)的立臥位腰椎牽引床能夠實現(xiàn)立位牽引和臥位牽引，牽引時可以暴露治療部位、改變腰椎曲度等，但其牽引角度無法量化、誤差大，且治療過程耗時耗力;杭州力勝醫(yī)療器械有限公司研發(fā)的HLS-V型全自動頸腰椎牽引床能夠實現(xiàn)旋轉、伸屈側彎三維牽引，操作簡單、患者痛苦小，但不能實現(xiàn)左右側擺牽引[14];山東省醫(yī)療器械研究所研制的DFQ-580型牽引床能實現(xiàn)水平、旋轉、成角三維牽引，能夠快速、強力地伸展腰部肌肉，并緩解疼痛，但在牽引過程中無法實現(xiàn)精準的力學控制[15]。

綜合比較國內(nèi)外現(xiàn)有牽引床設備，其大多采用純電機驅動，牽引維度單一，且牽引力的平穩(wěn)性和可控性有待提高。因此，本文設計一款液—電混合驅動式腰椎多維牽引治療裝置，利用液壓驅動的瞬時爆發(fā)力矩，能夠有效提高治療效果，減小治療過程中的振動和噪聲。該裝置可實現(xiàn)縱向快速/慢速牽引（0～70mm）、成角（-5°～25°）、旋轉（-25°～25°）、擺角（-25°～25°）的四維立體牽引，并利用多傳感器技術對牽引過程中的角度、位移、拉壓力等物理量進行測量及反饋控制，從而實現(xiàn)牽引力自動補償與故障自動監(jiān)測保護。同時，本文提出的控制方法可為腰椎多維牽引治療裝置控制系統(tǒng)的進一步完善奠定理論基礎。

1 系統(tǒng)總體設計

腰椎多維牽引治療裝置控制系統(tǒng)總體設計如圖1所示，該系統(tǒng)主要由電源模塊、單片機控制模塊、驅動模塊、傳感器模塊及上位機模塊組成。上位機是基于PyQt5平臺開發(fā)的客戶端，通過RS485向STM32F103單片機發(fā)送指令，包括牽引模式、牽引距、牽引角度、牽引次數(shù)及牽引時間等，單片機接收指令并傳輸至驅動模塊及從控單片機，控制執(zhí)行機構工作，實現(xiàn)水平牽引、擺角、旋轉及成角運動牽引。傳感器模塊利用多個編碼器檢測角度值，利用光柵尺檢測床體位移值，以及拉壓力傳感器檢測牽引力值，并將數(shù)據(jù)實時傳輸給單片機，實現(xiàn)反饋控制，保證牽引過程中的安全性和穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)采用STM32F103VET6單片機為主控芯片，以及STM32F103C8T6單片機為從控芯片。在牽引過程中，主控單片機實時采集牽引角度和位移值，經(jīng)過單片機數(shù)據(jù)轉化分析處理后，在上位機上顯示當前物理量信息。當測得的物理量超過上位機設置的最大閾值時，單片機會立即進入中斷服務程序，發(fā)送中斷信號給驅動模塊，停止牽引。水平牽引可實現(xiàn)快速與慢速運動，牽引力大小范圍對于治療效果至關重要，若牽引力過大會拉傷肌肉或骨骼中的軟組織，牽引力過小又很難克服肌肉抗力以及病人與牽引床之間的摩擦力[16]。因此，從控單片機采用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）方法改變觸發(fā)比例電磁鐵電壓，比例電磁鐵再控制比例閥通斷及開口量大小，從而改變流向液壓缸的液壓力，實現(xiàn)輸出牽引力可調(diào)的目的[17]。

2.1 供電模塊

供電系統(tǒng)采用三相五線制交流電接入，由2個斷路器、2個交流接觸器、1個中間繼電器組成。斷路器作為切斷隔離開關，具有負荷、短路和漏電保護功能。交流接觸器在電路中起接通及斷開電源開關的作用。當按下啟動按鈕，三相交流電經(jīng)過第一道斷路器、第一道交流接觸器和第二道斷路器轉化為單相交流電，并輸送給開關電源。開關電源產(chǎn)生的24V、5V直流電分別給驅動模塊、單片機供電。液壓馬達采用三相380V供電，主控單片機控制驅動模塊上的中間繼電器導通或截止，觸發(fā)第二個交流接觸器接通或斷開，從而控制液壓馬達是否工作。

2.2 驅動模塊

主控單片機采用3.3V供電，驅動模塊采用24V供電，為防止輸出信號對單片機產(chǎn)生干擾，采用TLP352光耦芯片進行隔離。驅動模塊選用歐姆龍繼電器對液壓馬達、換向閥和直線電機進行控制，該繼電器負載電流為10A，可滿足電路要求。為了控制直線電機正轉和反轉，將相鄰兩個繼電器的常開引腳與常閉引腳分別相連，繼電器兩個公共端口直接引出接直線電機。

2.3 PWM波實時調(diào)壓

本系統(tǒng)選用EBG03H50型電液比例閥，該比例閥壓力穩(wěn)定、精度高、響應快、噪聲低。在密閉油液體積的條件下，輸入電流在200mA～800mA范圍內(nèi)與輸出工作壓力成正比，此后增大輸入電流，輸出壓力保持不變。從控單片機可以生成兩路頻率固定、幅值為3.3V、占空比可調(diào)的PWM信號。PWM高電平信號經(jīng)過NPN型反相驅動器生成低電平信號觸發(fā)光耦導通，輸出的電信號連接場效應管柵極，漏極接24～30V的電壓，則源極輸出電壓為22～24V。2路PWM信號可以改善驅動電路輸出電壓值的穩(wěn)定性。為了保證控制系統(tǒng)的安全性，在輸出端增加0.05Ω的取樣電阻，兩端電信號接LM358運放電路，如果最大降壓為0.15V，即實際電流為3A，此時單片機進行過載保護。所以，當從控單片機改變輸出PWM信號占空比，會引起驅動比例閥的有效電壓值U發(fā)生改變，而且比例電磁鐵輸入電流I也隨之改變（實際測得比例閥電阻值R為18.5Ω），使得比例先導閥的開啟壓力成比例地增大或減小，從而實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)壓力的比例調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計是實現(xiàn)腰椎多維牽引治療裝置各種功能以及牽引模式的內(nèi)在條件，也是實現(xiàn)良好人機交互的關鍵。軟件設計必須保證牽引過程中的牽引力、牽引角度、牽引距離等參數(shù)在安全范圍之內(nèi)，且牽引過程平穩(wěn)可控、操作簡單，能滿足患者的各種需求。

3.1 PID控制

在牽引過程中，由于脊柱周圍的肌肉疲勞及牽引綁帶材料的伸展性和順延性，使得牽引力隨牽引時間的延長而遞減，因此需采用正確的“反饋”調(diào)節(jié)措施，在牽引力減少到需要補償時及時作出調(diào)整。增量式PID（Proportion Integration Differentiation）控制算法對于糾正偏差、消除系統(tǒng)穩(wěn)定誤差、減少系統(tǒng)超調(diào)量、增加系統(tǒng)穩(wěn)定性方面可起到重要作用[18]。增量式PID控制算法公式如下：

其中，[Δuk]是PID控制量的增量，[ek]為第[k]次測量值與給定值之間的偏差，[T]為采樣周期，[TD]為微分時間，[TI]為積分時間，[kp]為調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)。在增量式算法中，控制芯片輸出的控制量[Δuk]是比例閥開口量的增量，而不是比例閥開口量的實際大小。所以，在程序實現(xiàn)過程中，從控單片機需要在TIM定時器中定時采集當時的實際PWM占空比，計算下一時刻PWM目標占空比，進行PID計算，并將PID運算結果與實際PWM占空比相加作為下一個運動目標值輸出給比例閥，從而實現(xiàn)累計功能。增量式PID算法控制流程如圖2所示。

醫(yī)生通過上位機設定牽引力具體參數(shù)，單片機接收上位機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并控制牽引床工作。在牽引過程中，拉壓力傳感器實時檢測牽引力大小，并將檢測到的模擬電壓信號傳輸給單片機，單片機對兩路數(shù)據(jù)進行增量運算，最后輸出下一運動目標值給比例閥。當工作時間大于采樣周期時，系統(tǒng)重新進行取樣，由此形成人體脊柱牽引力的實時閉環(huán)控制。

3.2 上位機控制

上位機軟件用于控制下位機進行具體操作，通過上位機軟件的可視化參數(shù)達到人機交互的效果，具有很強的靈活性和可控性。本系統(tǒng)設計的上位機軟件是基于PyQt5平臺編寫的，PyQt5具有跨平臺、代碼簡潔、開發(fā)高效等優(yōu)點[19]。PyQt5使用Qt Designer對界面進行排版，可節(jié)省大量開發(fā)時間[20]。其中，上位機接收信息并進行工作的主要流程如圖3所示。

該上位機首先需要進行床體復位，在確認床體各參數(shù)準確無誤后，輸入患者病例，界面會自動生成一定的指標參數(shù)作為參考。醫(yī)生選擇患者牽引治療模式，輸入?yún)?shù)校正，包括牽引力、牽引時間、牽引距離、牽引角度等，治療參數(shù)將通過計算機接口傳輸給單片機進行控制，驅動執(zhí)行機構完成相應動作。為了提高牽引治療的有效性，傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)實時傳輸給上位機，并在治療結束后生成參數(shù)報告。在整個治療過程中，醫(yī)生能夠更加直觀地監(jiān)測患者牽引狀態(tài)，并根據(jù)系統(tǒng)生成的參數(shù)報告為患者進行治療評估。

4 系統(tǒng)測試與實現(xiàn)

腰椎多維牽引治療裝置采用兩段式設計，分為頭胸板和臀腿板，分別對應人體上身和下身。在腰椎牽引過程時，頭胸板可進行水平前移，臀腿板可進行擺角、成角、旋轉等不同姿態(tài)的運動，從而帶動仰臥在上面的患者進行腰椎牽引治療。試驗樣機如圖4所示。

該牽引治療裝置在牽引過程中，需要克服人體與牽引床的最小摩擦力，還需要克服人體肌肉組織抗力。由于人體肌肉組織抗力很難確定，因此牽引力主要參考人體的體重設定。Ranier通過解剖新鮮尸體對其腰椎進行牽引研究發(fā)現(xiàn)：當牽引力達到149.2kg時，人體腰椎間盤開始破裂。為了保證牽引過程的安全性，臨床上選擇的牽引力一般不大于68kg[21]。本系統(tǒng)可以在上位機中設定患者體重信息，設備會自動生成牽引力的最適值（一般為體重的1/2），拉壓力傳感器能夠精確檢測牽引力大小，并將牽引力信號轉化為模擬電壓信號。將該信號在單片機中與上位機設定的電壓信號進行比較，最后產(chǎn)生比例閥控制信號。合適的PID參數(shù)可以使牽引過程具有更高的精度，所以在實驗前需要檢查各電氣硬件之間的連接是否正確，以及藍牙、上位機、下位機與驅動模塊之間的通訊是否正常。本系統(tǒng)選擇體重為50kg的治療對象，通過PID參數(shù)整定，[Kp=4.8，TI=1.2，TD=0.04]進行階躍響應，得到系統(tǒng)響應曲線，并將該響應曲線與不加PID算法時系統(tǒng)的閉環(huán)階躍響應曲線進行對比，實驗結果如圖5所示。

分別計算出兩種情況下，階躍響應曲線的調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差如表1所示。加入PID控制算法后，系統(tǒng)階躍響應曲線的調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差都得到了明顯改善，提高了牽引治療效果。

5 結語

本文設計了一款腰椎多維牽引治療裝置控制系統(tǒng)，采用液—電混合式驅動，既具備純電機驅動的優(yōu)點，又結合了液壓驅動的穩(wěn)定性與可控性，有效減少了牽引過程中的振動和噪聲，改善了治療效果。多傳感器控制技術實現(xiàn)了對角度、位移、拉壓力等物理量信息的實時采集與反饋，并通過基于PyQt5制作的上位機軟件進行直觀顯示。在操作過程中，醫(yī)生可根據(jù)患者的不同情況選擇合適的牽引模式與牽引維度，并且配有數(shù)字化治療病例，可將之前的治療參數(shù)作為參考，在患者每次治療前，醫(yī)生可進行參數(shù)校正。增量式PID控制算法實現(xiàn)了牽引力的閉環(huán)控制，有效提高了腰椎牽引治療裝置控制的精度和準確性。但在實際臨床牽引過程中，腰椎病人的體重是不固定的，所以增量式PID控制算法大大限制了系統(tǒng)的靈活性，因此接下來需要改進并優(yōu)化控制算法，使其能夠在線調(diào)節(jié)PID參數(shù)，實現(xiàn)真正意義上的牽引力精準控制與自動補償。

參考文獻：

[1]王會敏，景風敏， 杜玉敏.? 護理干預對腰椎間盤突出癥患者治療效果的影響[J].? 河北醫(yī)科大學學報， 2013，34（11）：1419-1421.

[2]GOO B，KIM S，KIM E，et al. Clinical research on the efficacy and safety of Bosinji for low back pain with radiculopathy caused by herniated intervertebral disc of the lumbar spine[J]. Medicine， 2018，97（50）：e13684.

[3]秦鳳霞， 張會珍， 劉鳳霞. 腰椎間盤突出癥發(fā)生的原因防治及健康教育[J]. 中國保健營養(yǎng)，2016，26（32）：124-125.

[4]趙紅偉. 腰椎間盤突出癥手術治療的護理進展[J].? 河北醫(yī)科大學學報，2017，38（9）：1108-1112.

[5]MIDDELKOOP M V，RUBINSTEIN S M， KUIJPERS T， et al. A systematic review on the effectiveness of physical and rehabilitation interventions for chronic non-specific low back pain[J].? European Spine Journal， 2011，20（1）：19-39.

[6]徐衛(wèi)國，陳圣華，魯光錢，等. 三維牽引治療腰椎間盤突出癥的療效及JOA對其預測價值[J]. 實用醫(yī)學雜志，2008，24（21）：3679-3680.

[7]劉爍煒，柴儀，溫志剛，等. 腰椎間盤突出癥的保守治療方法的研究進展[J]. 河北中醫(yī)藥學報， 2017，32（4）：60-64.

[8]趙翎惠. 腰椎間盤突出癥的三維牽引治療及護理[J]. 華夏醫(yī)學， 2019，32（2）：128-131.

[9]李華強. 腰椎間盤突出癥牽引療法淺析[J]. 現(xiàn)代康復，2001，5（6）：66-67.

[10]白躍宏，俞紅. 脊柱減壓牽引治療腰椎間盤突出癥的療效觀察[J]. 中華物理醫(yī)學與康復雜志， 2012，34（1）：55-57.

[11]孫一津，王楚懷，廖志平. 非手術脊柱減壓系統(tǒng)對腰椎間盤突出癥患者腰椎旁肌表面肌電信號的影響[J]. 中華物理醫(yī)學與康復雜志，2018，40（3）：211-213.

[12]陳昕，陳述榮，宋林，等. 脊柱減壓系統(tǒng)治療腰椎間盤突出癥的臨床研究[J]. 中國康復理論與實踐， 2013，19（12）：1177-1179.

[13]劉英才，李學惠，陳艷，等. 立臥位腰椎牽引床的研制及應用[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備， 2005（5）：56.

[14]彭建華，潘學，郭明章. 三維牽引治療腰椎間盤突出癥216例體會[J]. 中國中醫(yī)骨傷科雜志， 2006（S2）：169.

[15]馬宏麗. 多方位牽引治療腰椎間盤突癥臨床護理[J]. 中國實用醫(yī)藥，2012 （27）：220-220.

[16]劉治華，黃玉鋒，徐新偉. 脊柱牽引設備控制方法及其實驗研究[J].? 鄭州大學學報（工學版）， 2014，35（2）：112-115.

[17]李光彬，張雪梅，趙光，等. 基于PWM控制技術的電液比例閥的研究[J]. 煤礦機械， 2006，27（11）：114-116.

[18]楊旭明，俞仲毅，程建華. 基于數(shù)字PID增量式算法帶彩色液晶模塊的脊柱牽引器的研制[J]. 中國組織工程研究與臨床康復， 2008（17）：3245-3248.

[19]侯志偉，包理群. 基于STM32的多重ADC采樣技術研究與應用[J]. 工業(yè)儀表與自動化裝置， 2019（3）：28-32.

[20]李馳骎，王庭有，李應春，等. 基于QT的PLC梯形圖編輯系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].? 軟件導刊，2019，18（2）：72-75.

[21]徐軍. 脊柱牽引治療技術（續(xù)四）：腰椎牽引技術[J]. 中國臨床康復，2002（10）：1388-1391.

（責任編輯：黃 健）

收稿日期：2019-11-18

基金項目：上?？祻推餍倒こ碳夹g研究中心資助項目（19DZ2280400）

作者簡介：鄧露露（1994-），女，上海理工大學康復工程與技術研究所碩士研究生，研究方向為智能控制;喻洪流（1966-），男，博士，上海理工大學康復工程與技術研究所教授、博士生導師，研究方向為人體仿生機械及智能控制、康復機器人、人機智能交互技術等。