杜妍辰，周琦，喻洪流

1.上海理工大学 健康科学与工程学院（上海，200093）

2.上海康复器械工程技术研究中心（上海，200093）

0 引言

腰 椎 间 盘 突 出 症（lumbar disc herniation，LDH）是由于椎间盘退变，纤维环破裂，髓核突出，椎间盘组织因生化刺激或神经根机械受压而引发的一系列相应症状和体征［1］。LDH 的治疗方式主要分为手术疗法和非手术疗法两种［2］。牵引治疗作为非手术治疗腰椎间盘突出症临床治疗方式的一种，治疗温和，安全可靠［3］。在牵引治疗中，牵引床的应用是很普遍的，如华西卫材有限公司生产的SDF/JYZ-A ⅢY 多功能牵引床，该牵引床为二维牵引；杭州力胜医疗器械有限公司研发的HLS-V型全自动颈腰椎牵引床能够实现旋转、伸屈侧弯三维牵引，操作简单，患者痛苦小，但不能实现左右侧摆牵引［4］。现有的腰椎牵引床牵引模式单一，对中医牵引推拿手法的还原度不够理想，对牵引治疗的效果也是有限的。

为了丰富牵引模式，使之更好地结合中医推拿手法以满足更高的治疗需求，设计了一种五维腰椎牵引治疗装置，该装置能够实现水平牵引、旋转、摆角、成角、和腰部推顶按摩动作。通过几种牵引动作组合，可模拟中医推拿按摩手法，如骨盆牵引法、斜板法、背伸法和按压叩击法等［5］。该设计将中国传统中医推拿治疗手法和现代科学技术相结合，促进康复医学的推广与应用。在人口老龄化加深，腰椎间盘突出患者的数量逐年增加的大环境下，本设计能够减轻医生的工作负担。

1 机械结构设计

电机驱动适用性强，液压驱动传动平稳且控制简单，综合考虑2 种驱动方式的特性后，本设计选择液压驱动为主，电机驱动为辅的驱动方式。其中液压驱动水平快慢速牵引、旋转、摆角模块，电机驱动成角模块，液- 电混合驱动腰部推顶按摩模块。将各模块组合到上下2 张床板下方，完成机械结构总体设计，如图1 所示。

图1 床体整体实物图和运动分解图Fig.1 Overall physical diagram and motion decomposition diagram of the bed

水平快慢速牵引动作为上床板沿XO方向运动；旋转牵引动作为下床板以OX轴为轴心旋转；摆角牵引动作为下床板以OZ轴为轴心摆动；成角牵引动作为下床板以OY轴为轴心旋转；腰部推顶模块沿竖直轴上下运动。各个模块的具体功能参数见表1。

表1 床姿调节功能及参数Tab. 1 Bed posture adjustment functions and parameters

2 控制系统总体设计

腰椎牵引治疗装置的整个控制系统包括了上位机、调压控制系统、牵引控制系统和按摩推顶控制系统，如图2 所示。上位机通过RS485 通讯来控制各个系统模块，使用Modbus 通讯协议。上位机发出指令给各个控制系统模块，控制板驱动各液压缸和各电机，使装置进行牵引治疗和腰部推顶按摩动作，各传感器将采集到的位移速度、角度、压力信号返回至控制板，实时对比上位机输入信号，不断修正参数，闭环控制，保证了牵引治疗控制系统的准确性和快速响应性能。

图2 控制系统总体结构简图Fig.2 Sketch of the overall structure of control system

3 控制系统硬件设计

腰椎牵引治疗装置的调压控制系统、牵引控制系统和按摩推顶控制系统都单独进行的电路设计，根据控制对象的不同，使用了更具针对性的设计。

3.1 牵引控制模块设计

牵引控制模块采用的主控芯片为STM32F103ZET6，牵引控制模块结构如图3 所示。微控制单元（MCU）采用如下资源：8 路I/O 口来控制继电器驱动模块；4 路I/O 口来接收复位信号；4 组定时器采用编码器模式；2 路12 位ADC 通道用来采集传感器数据和其他通讯接口实现RS485 通讯。该模块中ZKD-62-H 光栅旋转编码器用来采集成角、摆角和旋角的数值。SGC-4.2型光栅尺用来采集牵引的长度，从而实时监测治疗过程中的数据。NS-WL5-500kg 拉压力传感器用来测量牵引时的牵引力大小，反馈给主控芯片，控制牵引力大小。继电器驱动模块用来控制电磁阀和推杆电机，实现成角、摆角、旋角和牵引等动作。

图3 牵引控制模块结构图Fig.3 Structure diagram of traction control module

3.2 按摩推顶控制模块设计

按摩推顶控制模块也采用STM32F103ZET6 作为主控芯片，按摩推顶控制模块结构如图4 所示。该模块使用接近开关和磁性开关作为系统复位信号开关，当开关触发，主控芯片接收到开关信号，确定系统复位。副电机用来调节振幅，控制按摩机构的振动幅度。按摩频率调节，由PWM 调速模块来控制主电机速度，从而控制按摩频率。PWM调速模块电路采用L298 内部电路逻辑，可输出占通比0～100%的PWM 信号。

图4 按摩推顶控制模块结构图Fig.4 Structure diagram of massage push control module

3.3 调压控制模块设计

调压控制模块选用的是STM32F103C8T6 芯片，因为该模块所连接外设数量较少，无需使用过多芯片。该模块也是调压阀的驱动模块，通过控制调压阀从而调节牵引力，调压控制模块结构如图5 所示。调压控制模块包含一个阀芯调压电机，一个联测SIN-P300-B 压力传感器和一对光电对管。其中，调压电机控制阀芯的开口大小，从而实现对流量的调节。液压传感器可实时检测压力大小，并将数据反馈到主控芯片，用于进一步调节电机，实现压力的闭环控制。光电对管用来控制电机复位，当电机到达初始位置，光电对管触发产生电信号。

图5 模糊PID 控制框图Fig.5 Block diagram of fuzzy PID control

图5 调压控制模块结构图Fig.5 Structure diagram of voltage regulation control module

4 控制系统软件设计

4.1 模糊PID 牵引控制

腰椎牵引治疗装置的液压牵引系统是由流体系统和电控系统组成的电液伺服系统。其中流体系统包括液压泵、液压阀、液压缸等，电控系统包括拉压力传感器、液压传感器、位移光栅、调压电机、驱动器等。

通过使用传统的PID 控制器，就能实现对控制对象的稳定控制。但是，PID 控制器基本上适用于线性且动态特性不随时间变化的系统，并且依赖于精确的数学模型。由于液压系统的稳定性问题、品质问题，以及患者腰椎周围肌肉的疲劳、牵引床运动的摩擦力和绑带在拉伸过程中的弹力等问题都会对牵引产生影响，使得传统的PID 控制无法满足该液压牵引系统。因此，本研究使用模糊PID 控制，即使用模糊算法辅助PID 进行参数整定。

输入的是牵引的理想位移，即液压缸的理想位移，输出为液压缸的实际位移。系统通过光栅尺采集位移距离，确定当前牵引的偏差E以及当前偏差和上次偏差的变化Ec，根据给定的模糊规则进行模糊推理，最后对模糊参数进行解模糊，输出PID 控制参数，模糊控制规则见表2［6］模。其中Kp 代表PID 控制的比例，Ki 代表积分，Kd代表微分参数。

表2 模糊控制规则表Tab. 2 Fuzzy control rule table

4.2 推顶按摩PWM 调频

腰部推压模块将传统的板法和穴位法相结合，在腰椎牵引过程中加入模拟穴位法的按摩模式，形成全新的治疗方案。具体方案为，患者仰卧于多维腰椎牵引床上，给定牵引距离值，当缓慢牵引逐渐达到此距离时，牵引力发生变化；在牵引减慢甚至停止时，推顶按摩开始配合治疗，配合的按摩推顶频率可自由调节，针对不同的患者进行不同的频率配置。为了灵活控制按摩推顶的频率，采用脉冲宽度调制(PWM) 来调节控制按摩推顶的电机。STM32F103ZET6 芯片开启定时器的PWM 模式，可以产生多路PWM 波信号，利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制，从而控制电机。主控芯片中定时器工作，开启向上计数PWM 模式。PWM 原理如图7 所示，CCRx 是捕获比较寄存器的值，ARR 是自动重装载值，CNT是设定的计数值。当CNT＜CCRx 时，输出0，当CNT ≥CCRx 时输出1。当CNT 值小于CCRx 的时候，IO 输出低电平，当CNT 值大于等于CCRx的时候，IO 输出高电平，当CNT 达到ARR 值的时候，重新归零，然后重新向上计数，依次循环。若要改变PWM 输出的占空比，可以改变CCRx 的值；若要改变PWM 输出的频率，可以改变ARR的值。

图7 PWM 工作原理Fig.7 Working principle of PWM

4.3 上位机

控制系统基于PyQt 开发上位机，为了更好地设计友好的人机交互界面以及上位机数据处理，在PyCharmIDEA 软件编程环境下进行开发。上位机和下位机之间的通讯采用的是RS485 通讯，通讯协议为MODEBUS 协议。RS485 具有接口电平低、支持节点多、传输速率高、抗干扰能力强、传输距离远、通用性和稳定性高等特点［7］。该上位机分为主界面和子界面，主界面为模式选择界面，子界面有手动牵引模式界面，复合牵引模式界面和推顶按摩模式界面。手动牵引模式下可以直接遥控装置的动作；复合牵引模式下只需输入牵引角度、牵引力度和治疗时间就可开始整个治疗过程；推顶按摩模式可以设定按摩推顶的幅度和频率，自定义按摩模式。

5 实验测试

纵向牵引过程中，每个治疗周期的牵引力保持慢速从小到大- 保持最大- 慢速从大到小- 保持最小。其采用的牵引理念是通过慢拉- 保持- 慢放的过程治疗腰椎间盘突出，这样可以在腰椎间盘中慢慢形成一定的负压，促使腰椎间盘突出物回纳和营养液回流，完成腰椎间盘的恢复治疗。

为了更好地显示牵引力治疗曲线，结合文献［8-11］给出的医学临床经验得到牵引治疗周期如图8所示，分别为第一个90 s 的治疗周期，第二和第三个60 s 的治疗周期。为了保证牵引过程的安全性，临床上选择的牵引力一般不大于68 kg［12］。实验牵引力控制曲线如图9 所示，虚线为设定力曲线，实线为实际力曲线。可以看出，系统输出的牵引力能够较好地跟踪设定的牵引力曲线，牵引力的控制误差较小，实验结果满足牵引治疗的要求。

图8 牵引治疗周期图Fig.8 Traction treatment cycle

图9 实验控制曲线图Fig.9 Experimental control curve

6 结语

设计了一种五维腰椎牵引治疗装置控制系统，对牵引装置的控制系统功能进行模块化设计，完成硬件电路的设计安装。根据需要实现的功能，完成底层驱动程序的设计，实现整套系统RS485通讯；设计了专用的上位机，可实现装置姿态的调节，牵引功能的实现以及按摩系统的正常工作。

设计的五维腰椎牵引治疗装置实现了液电混合控制系统，通过仿生中医治疗手法的方式，将按摩推拿手法还原到机器上。相对于其他单维度、无按摩的牵引治疗装置，本设计功能更丰富，可为患者提供更多的治疗选择。