楊光，艾莉，鄧略，周林雪，李雙成，徐東亮，宗姝，楊澤，崔賀，鄭艷蘋

1.長(zhǎng)春奧普光電技術(shù)股份有限公司 研發(fā)中心，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.光電裝備與先進(jìn)制造技術(shù)吉林省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130033；3.中國(guó)人民解放軍空軍特色醫(yī)學(xué)中心 研究室，北京 100142

引言

目前，高G載荷造成空軍飛行員頸部損傷的問題尚未得到很好的解決，近年來(lái)關(guān)于飛行員頸部防護(hù)和頸椎穩(wěn)固性等問題受到了人們高度關(guān)注[1-4]。針對(duì)肌肉損傷，康復(fù)訓(xùn)練被認(rèn)為是最有效的方法[5-6]。因此，研制一種能最大限度地鍛煉頸部肌肉，提高頭頸部快速響應(yīng)能力及增強(qiáng)頸部肌肉力量的裝備對(duì)頸椎病的前期預(yù)防與恢復(fù)具有重要的意義[7-8]。大量研究表明，提高頸肌強(qiáng)度可作為預(yù)防高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員頸部損傷較好的方法[9-10]，且目前主要治療方法有牽引和頸肌增強(qiáng)2種[11]。所用的訓(xùn)練設(shè)備包括液壓阻力計(jì)、4通道頸部訓(xùn)練器（屈、伸、左和右側(cè)屈）、等張（砝碼提供阻力的）頸肌訓(xùn)練器和等長(zhǎng)模式的頸肌測(cè)力計(jì)[12-13]。然而，單獨(dú)的等長(zhǎng)訓(xùn)練不能提供頸部關(guān)節(jié)全活動(dòng)范圍的訓(xùn)練，單獨(dú)的等張訓(xùn)練不能保證超負(fù)荷時(shí)頸部不受損，即無(wú)法保證安全性[14-15]。以上傳統(tǒng)設(shè)備存在功能單一，只能進(jìn)行單模式、單方位訓(xùn)練的缺點(diǎn)，且全套的頸部訓(xùn)練時(shí)間較長(zhǎng)，單調(diào)的運(yùn)動(dòng)過程讓訓(xùn)練者難以堅(jiān)持完成全套的頸部訓(xùn)練[16]。

本研究旨在通過旋轉(zhuǎn)座椅及搖擺矯治機(jī)構(gòu)的組合，配以信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以提供一種能系統(tǒng)、安全、有效地進(jìn)行頸部肌肉鍛煉，并增強(qiáng)肌肉、韌帶力量的頸肌訓(xùn)練設(shè)備；同時(shí)在安全狀態(tài)下對(duì)頸肌強(qiáng)度進(jìn)行精確地測(cè)量，訓(xùn)練過程中能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、訓(xùn)練過程語(yǔ)音提示、聽覺反饋、視覺反饋功能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)告生成等功能，以期實(shí)現(xiàn)不同角度下全方位（前屈后伸0°～45°和左右側(cè)屈0°～45°）和多模式（等張及等長(zhǎng)模式）的訓(xùn)練。

1 設(shè)備設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

全方位多模式頸肌強(qiáng)度鑒定矯治儀由機(jī)械系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成，其基本功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)訓(xùn)練者進(jìn)行坐姿下的頸部前屈后伸、左右側(cè)屈多方位和各個(gè)角度下的等張和等長(zhǎng)2種模式的力量訓(xùn)練。采用IC卡刷卡機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取與儲(chǔ)存，訓(xùn)練完畢后在主控計(jì)算機(jī)上刷卡進(jìn)行信息管理，并具備數(shù)據(jù)庫(kù)的增加、修改、查找、刪除和統(tǒng)計(jì)功能，同時(shí)提供打印功能。訓(xùn)練器材整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全、可靠。

1.2 設(shè)備組成

全方位多模式頸肌強(qiáng)度鑒定矯治儀由機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊、智能顯示儀表模塊、信息管理系統(tǒng)模塊構(gòu)成。如圖1所示，機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊具備進(jìn)行頸部前屈后伸、左右側(cè)屈全方位的訓(xùn)練功能。主要由主體框架、高度可調(diào)可轉(zhuǎn)動(dòng)座椅、搖擺矯治機(jī)構(gòu)，智能顯示儀表和肩部固定裝置組成。智能顯示儀表模塊操作屏幕為觸屏，屏幕尺寸≥17.78 cm。具備顯示姓名、年齡、性別、身高、體重、體質(zhì)指數(shù)、訓(xùn)練模式、訓(xùn)練負(fù)荷、訓(xùn)練次數(shù)、消耗能量、訓(xùn)練行程等信息的功能。信息管理模塊具備數(shù)據(jù)庫(kù)的增加、修改、查找、刪除和統(tǒng)計(jì)功能，統(tǒng)計(jì)功能包括按照周、月、年方式統(tǒng)計(jì)訓(xùn)練強(qiáng)度、訓(xùn)練量，圖表式訓(xùn)練報(bào)告等內(nèi)容，并提供上述內(nèi)容的打印功能。

圖1 設(shè)備實(shí)物圖

1.3 工作原理

為滿足智能顯示儀表模塊的功能要求，設(shè)備通過IC卡刷卡機(jī)進(jìn)行人員信息采集和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，在等長(zhǎng)模式下采用角位移傳感器、扭矩傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，通過一體機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音提示和視覺反饋；在等張模式下選擇配重質(zhì)量，通過角位移傳感器、扭矩傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，一體機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音提示和視覺反饋。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

頸肌強(qiáng)度鑒定矯治儀采用純機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)頸部前屈后伸0°～45°、左右側(cè)屈0°～45°、不同角度下等長(zhǎng)和等張2種模式的訓(xùn)練。等長(zhǎng)訓(xùn)練模式可滿足運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的不同角度進(jìn)行等長(zhǎng)訓(xùn)練，并且具有5檔調(diào)節(jié)精度（0°、±15°、±30°、±45°、±60°）；等張訓(xùn)練模式采用封閉牽引式配重砝碼，總配重80 kg，最小配重5 kg，調(diào)節(jié)間隔2.5 kg。2種模式均可滿足不同角度訓(xùn)練起始位置可調(diào)，調(diào)節(jié)精度10°，頸肌強(qiáng)度鑒定矯治儀工作原理如圖2所示。

圖2 工作原理圖

2.1 主體框架

頸肌強(qiáng)度鑒定矯治儀主體框架如圖3a所示，主體框架采用160 mm×60 mm×4.5 mm的型材矩管焊接而成，材質(zhì)為Q235。對(duì)主體框架的受力情況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖3b～c，最大變形量為0.12 mm，局部最大應(yīng)力為7.14 MPa，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度235.00 MPa。由此可得出結(jié)論，主體框架的強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求，穩(wěn)定性極高。

圖3 主體框架結(jié)構(gòu)及分析圖

2.2 配重牽引傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

配重牽引傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖4所示，主要由配重塊、導(dǎo)向桿、導(dǎo)向桿固定架、導(dǎo)向滑輪、凸輪及牽引鋼絲繩組成；訓(xùn)練過程中，頸部發(fā)力使頭環(huán)與力臂帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)鋼絲將配重塊拉起，配重塊提升過程中利用導(dǎo)向桿進(jìn)行導(dǎo)向并使用多個(gè)導(dǎo)向滑輪實(shí)現(xiàn)鋼絲繩換向。

圖4 配重牽引傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

2.3 搖擺矯治機(jī)構(gòu)

搖擺矯治機(jī)構(gòu)是將頭部作用力傳遞給扭矩傳感器的機(jī)構(gòu)，如圖5所示，主要由頭環(huán)、扭矩傳遞機(jī)構(gòu)、力臂、調(diào)節(jié)盤、角度傳感器和轉(zhuǎn)軸組成。在訓(xùn)練過程中，通過脫開/鎖定調(diào)節(jié)盤即可實(shí)現(xiàn)等張和等長(zhǎng)模式的訓(xùn)練轉(zhuǎn)換。將調(diào)節(jié)盤鎖定，轉(zhuǎn)軸固定，實(shí)現(xiàn)頸肌前屈后伸的等長(zhǎng)模式訓(xùn)練；將調(diào)節(jié)盤鎖定脫開，頭環(huán)與力臂帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸和凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，牽引配重塊上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)頸肌前屈后伸的等張模式訓(xùn)練。

圖5 搖擺矯治機(jī)構(gòu)圖

扭矩傳遞機(jī)構(gòu)如圖6a所示，繞第7頸椎椎體屈伸運(yùn)動(dòng)的切向力通過頭環(huán)、右工型力杠桿傳遞給扭矩傳感器，即右工型力杠桿繞轉(zhuǎn)軸（與扭矩傳感器同軸心）轉(zhuǎn)動(dòng)，其下方卡槽與扭矩傳感器相適配，將力矩傳遞給扭矩傳感器，檢測(cè)頸部相應(yīng)肌群肌力的大小。如圖6b～c所示，對(duì)其進(jìn)行分析，工型力杠桿的最大變形為0.56 mm，局部最大應(yīng)力為186.05 MPa，遠(yuǎn)小于此件材料的屈服強(qiáng)度355.00 MPa，即此件的強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求。此外角度傳感器與轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)力臂帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，角度傳感器即可測(cè)量頸部屈伸的角度；同時(shí)調(diào)節(jié)盤有定位孔，旋轉(zhuǎn)力臂利用彈簧插銷固定，可實(shí)現(xiàn)不同角度訓(xùn)練起始位置可調(diào)，調(diào)節(jié)精度10°。

圖6 力矩傳遞機(jī)構(gòu)應(yīng)力分析

2.4 肩部固定裝置

如圖7所示，肩部固定裝置主要由水平導(dǎo)軌、固定臂、棘齒條升降機(jī)構(gòu)和垂直導(dǎo)軌組成，其作用是在訓(xùn)練過程中為了防止訓(xùn)練者身體前后左右側(cè)傾。肩部固定采用棘齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)垂直升降，水平方向依靠平行導(dǎo)軌進(jìn)行寬度調(diào)節(jié)，并用插銷鎖緊實(shí)現(xiàn)肩部固定。

圖7 肩部固定裝置結(jié)構(gòu)圖

2.5 升降轉(zhuǎn)動(dòng)座椅

升降轉(zhuǎn)動(dòng)座椅如圖8a所示，座椅由升降機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，對(duì)座椅組件的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，座椅固定后垂直上方加載2倍人體質(zhì)量載荷200 kg，即2000 N的力進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8b～c所示，座椅組件最大變形量為0.62 mm，局部最大應(yīng)力為84.52 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度235.00 MPa，表明結(jié)構(gòu)并不會(huì)被破壞，滿足使用要求。

圖8 升降座椅應(yīng)力分析

2.6 智能顯示儀表

如圖9所示，智能顯示儀表配有刷卡機(jī)來(lái)讀取當(dāng)前訓(xùn)練者的信息。智能顯示儀表利用壁掛氣壓式伸縮萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)支架固定在主體框架上，可實(shí)現(xiàn)智能儀表的伸縮、升降、俯仰角度的任意懸停，使智能顯示儀表可以保持在訓(xùn)練者前方，方便訓(xùn)練者了解訓(xùn)練情況。

圖9 智能顯示儀表裝置機(jī)構(gòu)圖

3 電子學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 電控設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)原理如圖10所示，頸肌一體機(jī)采集扭矩傳感器上傳的數(shù)據(jù)，可通過計(jì)算得到訓(xùn)練出力；采集角位移傳感器的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算可得到訓(xùn)練距離，最后計(jì)算得到訓(xùn)練過程中消耗的能量。設(shè)備通過IC卡刷卡機(jī)進(jìn)行人員信息采集和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，在等長(zhǎng)模式下采用角位移傳感器、扭矩傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，通過一體機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音提示和視覺反饋。在等張模式下選擇配重質(zhì)量，通過角位移傳感器、扭矩傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，一體機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音提示和視覺反饋。

圖10 控制系統(tǒng)原理圖

3.2 測(cè)量原理

在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域中[17]，經(jīng)常需要測(cè)量?jī)A斜狀態(tài)下的受力大小，在頸部訓(xùn)練中，在受試者的頸部運(yùn)動(dòng)到不同角度時(shí)，會(huì)要求實(shí)時(shí)反饋訓(xùn)練負(fù)荷的大小。傾斜測(cè)力原理如圖11所示，在桿2終端添加角度傳感器，可測(cè)量附加在桿終端任一角度的力N，扭矩傳感器測(cè)量值T，預(yù)先測(cè)得桿1自身質(zhì)心位置為L(zhǎng)1/2。α為力N與桿之間的角度，α為已知測(cè)量值，m1為桿1的質(zhì)量，m1作用在轉(zhuǎn)軸上的力矩計(jì)算方式如式（1）所示，N作用在轉(zhuǎn)軸上的力矩如式（2）所示，測(cè)得角位移傳感器測(cè)量的角度值和扭矩傳感器測(cè)量的力矩值T如公式（3）所示，并經(jīng)過公式換算后實(shí)時(shí)顯示任意角度值α的力值N如公式（4）所示，通過測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)時(shí)測(cè)量受試者頸部在不同角度時(shí)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)所施加的力，實(shí)時(shí)反饋訓(xùn)練負(fù)荷的大小。

圖11 傾斜力測(cè)量原理圖

3.3 操控軟件

頸肌訓(xùn)練儀智能顯示系統(tǒng)是安裝在頸肌訓(xùn)練儀上面的可視化顯示系統(tǒng)，在訓(xùn)練人員訓(xùn)練過程中顯示其訓(xùn)練數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的指導(dǎo)訓(xùn)練。訓(xùn)練機(jī)端軟件主界面如圖12所示，該軟件界面包括基本信息功能區(qū)、訓(xùn)練設(shè)置功能區(qū)、訓(xùn)練信息功能區(qū)和待導(dǎo)出訓(xùn)練信息功能區(qū)這四大功能區(qū)。

圖12 訓(xùn)練機(jī)端軟件主界面

3.4 信息管理軟件

信息管理系統(tǒng)可對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行增加、修改、查找、刪除和統(tǒng)計(jì)功能，并提供打印功能。管理界面中輸入姓名、模式、時(shí)間等信息可以檢索訓(xùn)練人員在一定條件下的訓(xùn)練結(jié)果并生成相應(yīng)訓(xùn)練曲線，可以對(duì)相關(guān)記錄進(jìn)行刪除，統(tǒng)計(jì)等操作。生成曲線后可以生成訓(xùn)練報(bào)告如圖13所示。

圖13 信息管理界面

4 使用方法

進(jìn)行前屈后伸訓(xùn)練時(shí)，訓(xùn)練者坐在升降座椅后，將頭部置于頭環(huán)中，再將肩部固定裝置的固定臂調(diào)節(jié)到適合的位置，將身體固定在座椅上，確保訓(xùn)練者身體不會(huì)前后傾斜，然后擺動(dòng)頭部，按照訓(xùn)練模式的要求進(jìn)行頸部前屈后伸訓(xùn)練。如圖14所示，旋轉(zhuǎn)座椅底部轉(zhuǎn)盤，調(diào)整座椅的方向，即可實(shí)現(xiàn)頸部左右側(cè)屈的訓(xùn)練。進(jìn)行左右側(cè)屈訓(xùn)練時(shí)，訓(xùn)練者坐在升降座椅后，將頭部置于頭環(huán)之中，再將肩部固定裝置的固定臂調(diào)節(jié)到適合的位置，確保訓(xùn)練者身體不會(huì)左右傾斜，然后擺動(dòng)頭部，按照訓(xùn)練模式的要求進(jìn)行左右側(cè)屈訓(xùn)練如圖15所示。訓(xùn)練時(shí)根據(jù)需要選擇等長(zhǎng)/等張訓(xùn)練模式，其中進(jìn)行等張訓(xùn)練時(shí)，需根據(jù)等張模式下測(cè)得的鑒定值和個(gè)人身體情況增減配重負(fù)荷。

圖14 前屈后伸訓(xùn)練

圖15 左右側(cè)屈訓(xùn)練

5 訓(xùn)練結(jié)果

選取10名健康志愿者作為被試者，年齡28～50歲，體重55～83 kg，進(jìn)行了實(shí)際的頸肌前屈后伸和左右側(cè)屈訓(xùn)練。首先記錄了訓(xùn)練前的初始值，經(jīng)過2周的訓(xùn)練后，記錄訓(xùn)練后的訓(xùn)練值，詳細(xì)參數(shù)如表1～2所示，分析實(shí)際訓(xùn)練數(shù)據(jù)可知，通過頸肌前屈后伸和左右側(cè)屈訓(xùn)練可起到鍛煉頸部肌肉的作用，能明顯提高頸部肌肉力量值，有效預(yù)防頸椎病的發(fā)生。應(yīng)用該頸肌強(qiáng)度矯治儀進(jìn)行2周頸肌強(qiáng)度訓(xùn)練，頸肌相對(duì)強(qiáng)度增長(zhǎng)率相當(dāng)于瑞典Karolindka研究所飛行員頸肌訓(xùn)練12周的效果[18]，見表3。

表1 頸部前屈后伸初始/訓(xùn)練值對(duì)比

表2 頸部左右側(cè)屈初始/訓(xùn)練值對(duì)比

表3 頸肌強(qiáng)度訓(xùn)練增長(zhǎng)率與相關(guān)研究對(duì)照表（%）

6 討論

目前針對(duì)頸部肌肉治療方法主要是通過牽引及頸肌增強(qiáng)。相比于液壓阻力計(jì)和4通道頸部訓(xùn)練器，該設(shè)備創(chuàng)新點(diǎn)在于采用旋轉(zhuǎn)座椅及搖擺矯治機(jī)構(gòu)組合的方法，可以在前屈后伸、左右側(cè)屈（0°～45°）各方位下進(jìn)行頸肌訓(xùn)練，運(yùn)動(dòng)方式更加靈活。此外，國(guó)內(nèi)外先前所用的等張頸肌訓(xùn)練器[19]和我國(guó)空軍所用的等長(zhǎng)模式的頸肌測(cè)力計(jì)[20-22]功能單一，訓(xùn)練枯燥，只能進(jìn)行單模式、單方位訓(xùn)練。該設(shè)備創(chuàng)新點(diǎn)在于可以在多個(gè)角度下（0°、±15°、±30°、±45°、±60°）進(jìn)行等張及等長(zhǎng)模式頸肌訓(xùn)練，提供頸部關(guān)節(jié)全活動(dòng)范圍的訓(xùn)練。同時(shí)，該設(shè)備采用了角位移傳感器和扭矩傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，可以對(duì)頸肌強(qiáng)度進(jìn)行精確的測(cè)量。訓(xùn)練過程中能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、訓(xùn)練過程語(yǔ)音提示、聽覺反饋、視覺反饋、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和報(bào)告生成。但本研究還存在以下不足：頭環(huán)組件設(shè)計(jì)尚需改善，下一步將結(jié)合人體工程學(xué)對(duì)設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步完善，給予訓(xùn)練者更好地用戶體驗(yàn)。

7 結(jié)論

本文研制了一種全方位多模式頸肌強(qiáng)度矯治儀，該儀器整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全可靠、智能化程度高，可實(shí)現(xiàn)頸肌強(qiáng)度的鑒定矯治功能，對(duì)提高頭頸部的快速反應(yīng)能力、增強(qiáng)頸部肌肉力量和頸椎病的前期預(yù)防與恢復(fù)具有重要的作用，在醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)具有很好地發(fā)展前景。