液壓型醫(yī)用牽引床控制系統(tǒng)的設計

趙亞麗，李金霞，張立強

1.蘭州總醫(yī)院 a.門診部；b.兒科，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學 溫州泵閥工程研究院，浙江 溫州 325105

引言

近年來隨著我國人口日益老齡化，患有腰椎間盤突出癥（Lumbar Disc Herniation，LDH）的老年患者數(shù)量越來越多。據(jù)相關資料統(tǒng)計，其發(fā)病率高達2.5%～13.5%[1]。腰椎間盤突出癥是由于腰椎間盤的各部分（髓核、纖維環(huán)及軟骨板）功能退行改變后，在外力因素作用下，導致纖維環(huán)破裂，髓核組織從纖維環(huán)的破裂處脫出，使得脊椎神經根收到刺激或壓迫，引起人們腰部、腿部等的不適癥狀。目前，醫(yī)學上治療腰椎間盤突出的手段主要有兩種方式：手術治療和非手術治療[2-4]。非手術治療最主要的手段是保守治療法，即牽引治療[5]，牽引床是牽引治療的典型醫(yī)療器械[6]。

采用牽引床對患者進行腰椎或頸椎的牽引治療，臨床證明能夠達到較好的康復療效[2-8]。因此醫(yī)療上對牽引床的需求也越來越大，使用也越來越廣泛。由于目前國內外普遍采用的牽引床的基本結構都是機械—電氣—單片機控制模式，存在質量重、噪聲大、誤差大、設置復雜，且驅動的平穩(wěn)性不高等一系列的缺陷[9-10]。

本牽引床設計采用雙液壓缸驅動以及計算機閉環(huán)控制技術來實現(xiàn)牽引、旋轉、傾角、擺角四個動作的多功能控制，滿足牽引治療的需要。其操作簡單、驅動過程平穩(wěn)舒適，提高了牽引力的可控性和穩(wěn)定性，降低了工作噪聲和牽引誤差。

1 牽引床的結構設計及工作原理

1.1 結構設計

一種液壓型醫(yī)用牽引床的外觀圖及結構原理圖，見圖1。液壓型牽引床主要由床體、浮動床板和液壓系統(tǒng)組成。該牽引床采用雙液壓缸傳動系統(tǒng)驅動兩個浮動床板，實現(xiàn)牽引、旋轉、擺角和傾角4個基本動作，并通過計算機控制系統(tǒng)轉化為相對應的物理量，如拉力、距離、角度、時間等參數(shù)的變化。通過程序控制可以將各種參數(shù)的任意組合，實現(xiàn)理想的治療效果。

圖1 液壓型醫(yī)用牽引床外觀圖（a）及結構原理圖（b）

1.2 工作原理

牽引治療法主要是根據(jù)生物力學原理和中醫(yī)推拿正骨原理而產生的。牽引床從治療機理上來說，吸取中醫(yī)牽引治療和推拿治療的精華，將傳統(tǒng)中醫(yī)治療腰椎、頸椎等的手法通過機械裝置來完成，使得治療更可靠，同時也減輕了醫(yī)生的負擔。牽引床通過應用力學中作用力與反作用力原理，對腰椎、頸椎等施加牽引力，拉寬椎間隙，減輕椎間壓力，舒筋活絡，改善局部血液循環(huán)，實現(xiàn)腰椎、頸椎等骨骼疾病的治療[11-13]。

人體在牽引過程中可以俯臥于牽引床上，當需要對腰椎進行牽引時，浮動床板通過滾輪沿著床體軌道床體上根據(jù)液壓缸的控制，實現(xiàn)牽引；當需要對頸椎進行牽引時，液壓缸控制浮動床板，使其在床體上移動，完成牽引。根據(jù)治療方案，牽引工作可以分步完成也可以同時完成。另外，如果需要對床體進行傾斜或旋轉，可以通過控制兩個液壓缸的一伸一縮動作來實現(xiàn)，精確控制兩個液壓缸的伸出或者縮回的長度可以獲得不同的床體傾斜角度或者旋轉幅度。

牽引床的總體參數(shù)根據(jù)人體的最大生理活動范圍以及臨床需求所確定[11-13]。牽引力以達到頸椎或腰椎椎間隙的增大而不會產生肌肉、關節(jié)損傷為目的，牽引時間不宜過長，以免造成肌肉和韌帶的靜力性損傷。該液壓型牽引床的牽引力為300～1500 N，牽引距離0～70 mm，快速牽引時間小于等于0.5 s，慢速牽引時間大于等于4 s，系統(tǒng)工作壓力為1 MPa。

2 牽引床液壓控制系統(tǒng)設計

液壓控制系統(tǒng)具有結構緊湊、體積小、重量輕、控制平穩(wěn)等優(yōu)點，可用于醫(yī)療裝備的控制[14-15]。根據(jù)腰椎牽引需要，牽引床的牽引過程應考慮持續(xù)牽引和間隙牽引兩種工作狀態(tài)。持續(xù)牽引是指一次牽引過程經過一段休止時間①之后，牽引力達到設定值，保持不變，完成牽引工作；而間隙牽引過程會有幾次牽引力的減小，經過休止時間④后，再次循環(huán)牽引，主要適用于年紀較大的人群。其示意圖，見圖2。

雙液壓控制系統(tǒng)的工作原理圖，見圖3，主要由油箱、液壓泵、溢流閥、電磁換向閥、單向閥、液壓缸及蓄能器組成。通過液壓缸的活塞桿實現(xiàn)浮動床板的運動；溢流閥當作安全閥使用，當壓力超過系統(tǒng)設定值時，打開溢流，起過載保護作用；通過壓力表實時檢測油路的壓力；蓄能器作為牽引動力源之一，用來將儲存的多余液壓油在需要時釋放出來。蓄能器不僅將能量高效回收，還增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，結構簡單、設計方便且效率高。在該系統(tǒng)中采用三重保護措施，即溢流閥、蓄能器和壓力表共同保證系統(tǒng)安全可靠。

圖2 牽引過程示意圖

圖3 液壓控制系統(tǒng)工作原理圖

當牽引床不工作，即初始狀態(tài)時，兩液壓缸活塞桿均處于液壓缸最底部，浮動床板1、2在水平面并緊。牽引床工作時，首先通過計算機設定需要牽引的距離x1和x2，油液從液壓缸的無桿腔進入，推動活塞桿使其運動距離L-x，處于設定位置。換向閥6的中位機能是P型的，即當油液通過該閥時，兩個工作油口均有壓力油，分別控制兩個液壓缸的運動。也就是說，牽引床可以同時完成腰椎和頸椎預先設置好的牽引工作。當僅需要對頸椎進行牽引時，電磁換向閥6處于左位，換向閥9左右切換，根據(jù)溢流閥10和11的設定值控制液壓缸14，從而控制浮動床板1實現(xiàn)對頸椎的牽引；當僅需要對腰椎進行牽引時，電磁換向閥6處于右位，換向閥15左右換向，控制液壓缸20，從而控制浮動床板2實現(xiàn)對腰椎的牽引。

當換向閥6接通到左位時，若活塞向左運動，當換向閥9突然換向，活塞左側的壓力由于運動部件的慣性而突然升高，當壓力超過反應靈敏的小型直動式溢流閥10的設定壓力時，溢流閥10打開溢流，以減小管路中的液壓沖擊，使浮動床板1運動平穩(wěn)；同時，通過單向閥13向液壓缸的右腔補充油液。當換向閥6接通到右位時，溢流閥16、17同樣起到平穩(wěn)浮動床板2運動的作用，單向閥18、19起補油作用，工作原理相同。當活塞桿運行距離x后，液壓缸處于靜止狀態(tài)，滿足牽引的需要。牽引工作完成后，電磁閥斷電，使得活塞桿移動距離L，恢復至初始零位。

在液壓型牽引床的兩個液壓缸上安裝有位移傳感器和力傳感器，可實時檢測位移和力的大小，以達到醫(yī)療所需的精確值。通過液壓傳動與控制，能夠有效地提高牽引床的工作效率，而且驅動平穩(wěn)，減小了治療過程中的振動與噪聲。

3 牽引床計算機控制系統(tǒng)設計

鑒于計算機控制系統(tǒng)的方便快捷、控制精度高，且具有良好的開發(fā)性等優(yōu)點，對牽引床的控制采用計算機控制。牽引床采用計算機閉環(huán)控制的原理圖及控制系統(tǒng)框圖，見圖4。計算機主要完成比較運算、控制和輸出的功能。由于計算機只能識別數(shù)字信號，因此需要將反饋測量元件輸出的模擬信號轉換為數(shù)字信號；同時，牽引床的執(zhí)行機構也需要將計算機輸出的數(shù)字信號轉換為模擬信號。為使得牽引床控制系統(tǒng)結構緊湊，計算機可選用觸摸屏，傳感器及信號轉換器可選用集成一體式[15-18]。

圖4 計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

由圖4可知，將給定的牽引力、牽引距離和角度等，通過控制器，D/A轉換后，控制執(zhí)行元件實現(xiàn)該設定；同時，由檢測元件對輸出量進行檢測，A/D轉換器轉換為標準數(shù)字信號，反饋給計算機，由計算機對比執(zhí)行元件的實際運行參數(shù)與給定參數(shù)的偏差，并根據(jù)偏差調整輸入控制器的信號，完成牽引床驅動系統(tǒng)的閉環(huán)控制，最終實現(xiàn)床體的精確運動，保證牽引治療的有效性和可靠性。

4 牽引床的臨床操作

液壓型牽引床操作流程與常見機械—電氣控制模式的牽引床操作流程類似，主要有：① 設備初始化，確認設備正常；② 患者就位，患者平躺在床面上并扣緊上身和下肢的綁帶；③ 選擇牽引模式，設定牽引力、牽引時間，是否成角牽引，間歇牽引還是持續(xù)牽引；④ 牽引過程監(jiān)控，包括牽引不適時的緊急退回操作；⑤ 牽引治療完成后的緩慢復位，以及患者短暫平臥休息后的離位。

需要注意的是，在牽引過程中，應根據(jù)患者自身的感覺設定牽引力大小和牽引時間的長短，第一次牽引時牽引力不要調至過大。間歇牽引牽引力建議從體重的1/4逐漸調至體重的1/2；持續(xù)牽引牽引力建議從5～7 kg逐漸調至體重的1/3。禁止空腹牽引，腰椎牽引宜在飯后30 min以后，且飲食不宜過飽，以免引起胃部不適。牽引中如有不適，可適當減小牽引力或者縮短牽引時間，甚至使用緊急退回功能，將牽引床復位。

5 結論

針對牽引床的各種需求，并結合我院當前牽引床的臨床應用，筆者合作液壓專業(yè)人員，應用計算機閉環(huán)控制的雙液壓缸驅動技術，設計了一種液壓型醫(yī)用牽引床控制系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)醫(yī)用牽引床的精確、平穩(wěn)控制，滿足頸椎和腰椎等骨骼的多方位、全方面的治療需求。

考慮我院當前牽引床臨床使用中的一些不足，理論分析及初步試用表明，采用雙液壓缸系統(tǒng)和計算機閉環(huán)控制，可使醫(yī)用牽引床的各種牽引性能更易實現(xiàn)；對牽引床牽引、旋轉、傾角、擺角的四個動作的控制更加精確，控制過程平穩(wěn)，而且能夠有效減小牽引床動作過程中的振動和噪聲。

當前雖有一些相關牽引床專利，但目前市場尚無成熟的液壓型牽引床產品，醫(yī)療上仍普遍采用機械—電氣控制模式的牽引床；基于計算機閉環(huán)控制雙液壓缸驅動的液壓型醫(yī)用牽引床，具有產品推廣的價值。