腰椎牽引治療裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧露露　喻洪流　嚴(yán)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(fù)雜且不易操作等問(wèn)題，設(shè)計(jì)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(jī)為控制中心，對(duì)牽引過(guò)程中的角度、位移、拉壓力等物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并采用增量式PID控制算法對(duì)牽引力進(jìn)行精準(zhǔn)控制與自動(dòng)補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)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(jìn)一步完善奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：腰椎牽引治療裝置;單片機(jī);PID;控制系統(tǒng)

DOI：10. 11907/rjdk. 192621

中圖分類號(hào)：TP319 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??????????????? 文章編號(hào)：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?yàn)檠甸g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(dǎo)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(guó)家衛(wèi)生部統(tǒng)計(jì)，我國(guó)腰椎病患者已突破2億，約占全國(guó)總?cè)藬?shù)的15.2%[3]。流行病學(xué)研究顯示，我國(guó)腰椎間盤突出癥人群發(fā)病率為0.95%～18%，國(guó)外發(fā)病率為15.2%～30%[4]。目前腰椎病治療大體可分為手術(shù)療法和非手術(shù)療法兩種。除少數(shù)患者需要手術(shù)治療外，85%～90%的患者經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)姆鞘中g(shù)治療可獲得滿意的療效[5-6]。在非手術(shù)治療中，牽引療法能有效促進(jìn)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(rèn)可，牽引治療床更是醫(yī)院必備的理療產(chǎn)品[8-9]。

目前，國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)牽引治療床開展了各種研究。在國(guó)外，如美國(guó)宇航局及美國(guó)國(guó)防部共同研制的DRX9000型脊柱減壓牽引系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水平牽引，在治療過(guò)程中，牽引力能夠準(zhǔn)確作用于病變椎間隙，但只能實(shí)現(xiàn)單維度牽引[10-12]。在國(guó)內(nèi)，如劉英才等[13]研發(fā)的立臥位腰椎牽引床能夠?qū)崿F(xiàn)立位牽引和臥位牽引，牽引時(shí)可以暴露治療部位、改變腰椎曲度等，但其牽引角度無(wú)法量化、誤差大，且治療過(guò)程耗時(shí)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(dòng)頸腰椎牽引床能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)、伸屈側(cè)彎三維牽引，操作簡(jiǎn)單、患者痛苦小，但不能實(shí)現(xiàn)左右側(cè)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(shí)現(xiàn)水平、旋轉(zhuǎn)、成角三維牽引，能夠快速、強(qiáng)力地伸展腰部肌肉，并緩解疼痛，但在牽引過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的力學(xué)控制[15]。

綜合比較國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有牽引床設(shè)備，其大多采用純電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(shè)計(jì)一款液—電混合驅(qū)動(dòng)式腰椎多維牽引治療裝置，利用液壓驅(qū)動(dòng)的瞬時(shí)爆發(fā)力矩，能夠有效提高治療效果，減小治療過(guò)程中的振動(dòng)和噪聲。該裝置可實(shí)現(xiàn)縱向快速/慢速牽引（0～70mm）、成角（-5°～25°）、旋轉(zhuǎn)（-25°～25°）、擺角（-25°～25°）的四維立體牽引，并利用多傳感器技術(shù)對(duì)牽引過(guò)程中的角度、位移、拉壓力等物理量進(jìn)行測(cè)量及反饋控制，從而實(shí)現(xiàn)牽引力自動(dòng)補(bǔ)償與故障自動(dòng)監(jiān)測(cè)保護(hù)。同時(shí)，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(jìn)一步完善奠定理論基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

腰椎多維牽引治療裝置控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由電源模塊、單片機(jī)控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊及上位機(jī)模塊組成。上位機(jī)是基于PyQt5平臺(tái)開發(fā)的客戶端，通過(guò)RS485向STM32F103單片機(jī)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(shí)間等，單片機(jī)接收指令并傳輸至驅(qū)動(dòng)模塊及從控單片機(jī)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，實(shí)現(xiàn)水平牽引、擺角、旋轉(zhuǎn)及成角運(yùn)動(dòng)牽引。傳感器模塊利用多個(gè)編碼器檢測(cè)角度值，利用光柵尺檢測(cè)床體位移值，以及拉壓力傳感器檢測(cè)牽引力值，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)反饋控制，保證牽引過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32F103VET6單片機(jī)為主控芯片，以及STM32F103C8T6單片機(jī)為從控芯片。在牽引過(guò)程中，主控單片機(jī)實(shí)時(shí)采集牽引角度和位移值，經(jīng)過(guò)單片機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化分析處理后，在上位機(jī)上顯示當(dāng)前物理量信息。當(dāng)測(cè)得的物理量超過(guò)上位機(jī)設(shè)置的最大閾值時(shí)，單片機(jī)會(huì)立即進(jìn)入中斷服務(wù)程序，發(fā)送中斷信號(hào)給驅(qū)動(dòng)模塊，停止?fàn)恳?。水平牽引可?shí)現(xiàn)快速與慢速運(yùn)動(dòng)，牽引力大小范圍對(duì)于治療效果至關(guān)重要，若牽引力過(guò)大會(huì)拉傷肌肉或骨骼中的軟組織，牽引力過(guò)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(jī)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(shí)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(gè)斷路器、2個(gè)交流接觸器、1個(gè)中間繼電器組成。斷路器作為切斷隔離開關(guān)，具有負(fù)荷、短路和漏電保護(hù)功能。交流接觸器在電路中起接通及斷開電源開關(guān)的作用。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕，三相交流電經(jīng)過(guò)第一道斷路器、第一道交流接觸器和第二道斷路器轉(zhuǎn)化為單相交流電，并輸送給開關(guān)電源。開關(guān)電源產(chǎn)生的24V、5V直流電分別給驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)供電。液壓馬達(dá)采用三相380V供電，主控單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)模塊上的中間繼電器導(dǎo)通或截止，觸發(fā)第二個(gè)交流接觸器接通或斷開，從而控制液壓馬達(dá)是否工作。

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊

主控單片機(jī)采用3.3V供電，驅(qū)動(dòng)模塊采用24V供電，為防止輸出信號(hào)對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生干擾，采用TLP352光耦芯片進(jìn)行隔離。驅(qū)動(dòng)模塊選用歐姆龍繼電器對(duì)液壓馬達(dá)、換向閥和直線電機(jī)進(jìn)行控制，該繼電器負(fù)載電流為10A，可滿足電路要求。為了控制直線電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，將相鄰兩個(gè)繼電器的常開引腳與常閉引腳分別相連，繼電器兩個(gè)公共端口直接引出接直線電機(jī)。

2.3 PWM波實(shí)時(shí)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(yīng)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(jī)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(hào)。PWM高電平信號(hào)經(jīng)過(guò)NPN型反相驅(qū)動(dòng)器生成低電平信號(hào)觸發(fā)光耦導(dǎo)通，輸出的電信號(hào)連接場(chǎng)效應(yīng)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(hào)可以改善驅(qū)動(dòng)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(hào)接LM358運(yùn)放電路，如果最大降壓為0.15V，即實(shí)際電流為3A，此時(shí)單片機(jī)進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。所以，當(dāng)從控單片機(jī)改變輸出PWM信號(hào)占空比，會(huì)引起驅(qū)動(dòng)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(shí)際測(cè)得比例閥電阻值R為18.5Ω），使得比例先導(dǎo)閥的開啟壓力成比例地增大或減小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)壓力的比例調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是實(shí)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(shí)現(xiàn)良好人機(jī)交互的關(guān)鍵。軟件設(shè)計(jì)必須保證牽引過(guò)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(guò)程平穩(wěn)可控、操作簡(jiǎn)單，能滿足患者的各種需求。

3.1 PID控制

在牽引過(guò)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(shí)間的延長(zhǎng)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(bǔ)償時(shí)及時(shí)作出調(diào)整。增量式PID（Proportion Integration Differentiation）控制算法對(duì)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(cè)量值與給定值之間的偏差，[T]為采樣周期，[TD]為微分時(shí)間，[TI]為積分時(shí)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(shí)際大小。所以，在程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程中，從控單片機(jī)需要在TIM定時(shí)器中定時(shí)采集當(dāng)時(shí)的實(shí)際PWM占空比，計(jì)算下一時(shí)刻PWM目標(biāo)占空比，進(jìn)行PID計(jì)算，并將PID運(yùn)算結(jié)果與實(shí)際PWM占空比相加作為下一個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)值輸出給比例閥，從而實(shí)現(xiàn)累計(jì)功能。增量式PID算法控制流程如圖2所示。

醫(yī)生通過(guò)上位機(jī)設(shè)定牽引力具體參數(shù)，單片機(jī)接收上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并控制牽引床工作。在牽引過(guò)程中，拉壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)牽引力大小，并將檢測(cè)到的模擬電壓信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行增量運(yùn)算，最后輸出下一運(yùn)動(dòng)目標(biāo)值給比例閥。當(dāng)工作時(shí)間大于采樣周期時(shí)，系統(tǒng)重新進(jìn)行取樣，由此形成人體脊柱牽引力的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。

3.2 上位機(jī)控制

上位機(jī)軟件用于控制下位機(jī)進(jìn)行具體操作，通過(guò)上位機(jī)軟件的可視化參數(shù)達(dá)到人機(jī)交互的效果，具有很強(qiáng)的靈活性和可控性。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件是基于PyQt5平臺(tái)編寫的，PyQt5具有跨平臺(tái)、代碼簡(jiǎn)潔、開發(fā)高效等優(yōu)點(diǎn)[19]。PyQt5使用Qt Designer對(duì)界面進(jìn)行排版，可節(jié)省大量開發(fā)時(shí)間[20]。其中，上位機(jī)接收信息并進(jìn)行工作的主要流程如圖3所示。

該上位機(jī)首先需要進(jìn)行床體復(fù)位，在確認(rèn)床體各參數(shù)準(zhǔn)確無(wú)誤后，輸入患者病例，界面會(huì)自動(dòng)生成一定的指標(biāo)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(shí)間、牽引距離、牽引角度等，治療參數(shù)將通過(guò)計(jì)算機(jī)接口傳輸給單片機(jī)進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)動(dòng)作。為了提高牽引治療的有效性，傳感器將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)，并在治療結(jié)束后生成參數(shù)報(bào)告。在整個(gè)治療過(guò)程中，醫(yī)生能夠更加直觀地監(jiān)測(cè)患者牽引狀態(tài)，并根據(jù)系統(tǒng)生成的參數(shù)報(bào)告為患者進(jìn)行治療評(píng)估。

4 系統(tǒng)測(cè)試與實(shí)現(xiàn)

腰椎多維牽引治療裝置采用兩段式設(shè)計(jì)，分為頭胸板和臀腿板，分別對(duì)應(yīng)人體上身和下身。在腰椎牽引過(guò)程時(shí)，頭胸板可進(jìn)行水平前移，臀腿板可進(jìn)行擺角、成角、旋轉(zhuǎn)等不同姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)仰臥在上面的患者進(jìn)行腰椎牽引治療。試驗(yàn)樣機(jī)如圖4所示。

該牽引治療裝置在牽引過(guò)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(shè)定。Ranier通過(guò)解剖新鮮尸體對(duì)其腰椎進(jìn)行牽引研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)牽引力達(dá)到149.2kg時(shí)，人體腰椎間盤開始破裂。為了保證牽引過(guò)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(jī)中設(shè)定患者體重信息，設(shè)備會(huì)自動(dòng)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(cè)牽引力大小，并將牽引力信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)。將該信號(hào)在單片機(jī)中與上位機(jī)設(shè)定的電壓信號(hào)進(jìn)行比較，最后產(chǎn)生比例閥控制信號(hào)。合適的PID參數(shù)可以使?fàn)恳^(guò)程具有更高的精度，所以在實(shí)驗(yàn)前需要檢查各電氣硬件之間的連接是否正確，以及藍(lán)牙、上位機(jī)、下位機(jī)與驅(qū)動(dòng)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(duì)象，通過(guò)PID參數(shù)整定，[Kp=4.8，TI=1.2，TD=0.04]進(jìn)行階躍響應(yīng)，得到系統(tǒng)響應(yīng)曲線，并將該響應(yīng)曲線與不加PID算法時(shí)系統(tǒng)的閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

分別計(jì)算出兩種情況下，階躍響應(yīng)曲線的調(diào)節(jié)時(shí)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(yīng)曲線的調(diào)節(jié)時(shí)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(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)，既具備純電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，又結(jié)合了液壓驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性與可控性，有效減少了牽引過(guò)程中的振動(dòng)和噪聲，改善了治療效果。多傳感器控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)角度、位移、拉壓力等物理量信息的實(shí)時(shí)采集與反饋，并通過(guò)基于PyQt5制作的上位機(jī)軟件進(jìn)行直觀顯示。在操作過(guò)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(jìn)行參數(shù)校正。增量式PID控制算法實(shí)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(zhǔn)確性。但在實(shí)際臨床牽引過(guò)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(lái)需要改進(jìn)并優(yōu)化控制算法，使其能夠在線調(diào)節(jié)PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的牽引力精準(zhǔn)控制與自動(dòng)補(bǔ)償。

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（責(zé)任編輯：黃 健）

收稿日期：2019-11-18

基金項(xiàng)目：上?？祻?fù)器械工程技術(shù)研究中心資助項(xiàng)目（19DZ2280400）

作者簡(jiǎn)介：鄧露露（1994-），女，上海理工大學(xué)康復(fù)工程與技術(shù)研究所碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芸刂?喻洪流（1966-），男，博士，上海理工大學(xué)康復(fù)工程與技術(shù)研究所教授、博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槿梭w仿生機(jī)械及智能控制、康復(fù)機(jī)器人、人機(jī)智能交互技術(shù)等。