骨質(zhì)疏松損傷保護(hù)腰帶的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李瑞霞，蔡雪婷，李東泫，周曉芳

(長(zhǎng)治醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，山西 長(zhǎng)治 046000)

骨質(zhì)疏松也稱骨質(zhì)疏松癥，是以單位體積內(nèi)骨組織量減少為特點(diǎn)的代謝性骨病變，其中骨組織的有機(jī)成分和鈣鹽都減少。據(jù)最近研究表明，骨質(zhì)疏松癥以世界發(fā)病第7位成為常見(jiàn)病、多發(fā)病，其中美國(guó)、西歐、日本有7 500萬(wàn)人，而中國(guó)已超過(guò)9 000萬(wàn)人，即每l4人中就有1人患不同程度的骨質(zhì)疏松癥[1]。骨質(zhì)疏松癥呼吸功能下降，往往可出現(xiàn)胸悶、氣短、呼吸困難等癥狀；疼痛是骨質(zhì)疏松癥最常見(jiàn)的癥狀，以腰背痛多見(jiàn)；身長(zhǎng)縮短、駝背多在疼痛后出現(xiàn)，同時(shí)還有可能在正常生活中骨折。醫(yī)生往往會(huì)根據(jù)骨質(zhì)疏松患者的情況進(jìn)行藥物干預(yù)，同時(shí)會(huì)讓患者注意適當(dāng)戶內(nèi)外運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不免會(huì)出現(xiàn)一些摔跤或者骨折的情況，為了屏蔽外力對(duì)患者骨骼的沖擊作用，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款安全有效，可長(zhǎng)久穿戴，同時(shí)隱蔽性好，容易被骨質(zhì)疏松患者接受的骨質(zhì)疏松損傷保護(hù)腰帶。

1 項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本設(shè)計(jì)由韌性鋼板、能量磁石發(fā)熱點(diǎn)陣和振動(dòng)按摩電路三部分組成，將鋼板固定于腰帶背部位置，將振動(dòng)按摩電路固定在護(hù)腰帶內(nèi)側(cè)，腰部放置13顆磁石，腹部放置8顆磁石，將磁石固定在發(fā)熱點(diǎn)陣背面。

1.2 關(guān)鍵器件選型

韌性鋼板規(guī)格：12 cm(長(zhǎng))*2.5 cm(寬)*0.3 cm(厚)；

能量磁石：是一種以含硼為特征的鋁、鐵、鈉、鎂、鋰的環(huán)狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物為原料制作成的自發(fā)熱材料，在人體體溫的激發(fā)下，熱感應(yīng)材料即時(shí)反應(yīng)放出熱量，在人體關(guān)鍵的穴位處加強(qiáng)針灸和熱敷刺激，有效激活人體穴位，從而產(chǎn)生經(jīng)絡(luò)效應(yīng)；

振動(dòng)按摩片：額定電壓5V，額定電流2A。

1.3 模塊選擇

1) 振動(dòng)模塊

方案一：機(jī)械式振動(dòng)傳感器，采用最基礎(chǔ)的振動(dòng)檢測(cè)方式，其結(jié)構(gòu)是在一個(gè)金屬的圓筒內(nèi)放置一個(gè)由彈簧連接的振動(dòng)金屬球(兩者不接觸)，分別從兩個(gè)部分引線作為信號(hào)輸出的兩個(gè)電極[2]。當(dāng)彈簧金屬球受到振動(dòng)以后，與外界的振動(dòng)信號(hào)發(fā)生諧振，金屬球與圓筒內(nèi)壁相碰撞，在連接點(diǎn)上便可輸出一個(gè)電信號(hào)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電路中輸出信號(hào)的幅度大，輸出阻抗低等優(yōu)點(diǎn)，然而其體積略大、適用于空間寬闊的電路板上[2]，故舍棄。

方案二：電磁感應(yīng)式振動(dòng)傳感器，利用電磁感應(yīng)原理，其結(jié)構(gòu)由永久磁鐵和一個(gè)線圈組成，使用壽命長(zhǎng)，然而其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，整個(gè)結(jié)構(gòu)體積略大[2]，故舍棄。

方案三：振動(dòng)電機(jī)，是動(dòng)力源與振動(dòng)源結(jié)合為一體的激振源，振動(dòng)電機(jī)是在轉(zhuǎn)子軸兩端各安裝一組可調(diào)偏心塊，利用軸及偏心塊高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力得到激振力。振動(dòng)電機(jī)的激振力利用率高、能耗小、噪音低、壽命長(zhǎng)。振動(dòng)力與功率配合得當(dāng)，振動(dòng)力大，機(jī)體重量輕，體積小，機(jī)械噪音低，使用方便，完全能滿足本設(shè)計(jì)要求。

故最終選擇方案三。

2) 整體系統(tǒng)

方案一：設(shè)計(jì)發(fā)熱模塊和振動(dòng)模塊同時(shí)進(jìn)行工作，即患者在穿戴骨質(zhì)疏松損傷保護(hù)腰帶后，腰帶發(fā)熱的同時(shí)，對(duì)患者進(jìn)行振動(dòng)按摩。在短時(shí)間內(nèi)，患者的腰腹部肌肉得到放松狀態(tài)，在韌性鋼板的支撐作用下，患者腰部疼痛逐步減輕，效果顯著，但是在實(shí)際測(cè)試中，當(dāng)患者穿戴本設(shè)計(jì)進(jìn)行睡眠休息時(shí)，振動(dòng)偏大，會(huì)明顯干擾睡眠質(zhì)量，因而方案一無(wú)法根據(jù)患者需求對(duì)振動(dòng)模塊靈活掌控，故舍棄。

方案二：設(shè)計(jì)發(fā)熱模塊和振動(dòng)模塊配合進(jìn)行工作，即患者在穿戴骨質(zhì)疏松損傷保護(hù)腰帶后，在人體體溫的激發(fā)下，熱感應(yīng)材料即時(shí)反應(yīng)放出熱量，此時(shí)患者可以根據(jù)自己的需求選擇振動(dòng)模塊是否工作，在后期研究過(guò)程中，又增加了三種振動(dòng)檔位，患者可自行通過(guò)按鍵調(diào)節(jié)。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，該方案滿足了患者需求，富有人性化，避免了一些特殊情況下振動(dòng)模塊對(duì)患者的干擾，易于大眾接受。

故選擇方案二。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 振動(dòng)電路

振動(dòng)電路(如圖1)由4個(gè)振動(dòng)電機(jī)組成，電路由USB接口供電。

圖1 振動(dòng)電路實(shí)物圖

2.2 能量磁石發(fā)熱點(diǎn)陣

腰部13顆磁石，腹部8顆磁石，將磁石粘貼在發(fā)熱點(diǎn)陣背面，配合發(fā)熱點(diǎn)陣對(duì)應(yīng)穴位，緩解腰部不適。

2.3 韌性鋼板

本設(shè)計(jì)共采用4塊韌性鋼板[12 cm(長(zhǎng))*2.5 cm(寬)*0.3 cm(厚)](如圖2)，縫合于腰帶背部外側(cè)，緩沖撞擊沖擊力，支撐腰椎減輕腰部壓力，減少壓迫，矯正腰姿。

圖2 韌性鋼板圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制開(kāi)關(guān)

振動(dòng)按摩強(qiáng)度可由開(kāi)關(guān)控制，分為三個(gè)檔位：低檔、中檔、高檔。三檔位開(kāi)關(guān)電路圖如圖3所示。

圖3 三檔位開(kāi)關(guān)電路圖

3.2 控制開(kāi)關(guān)流程圖

圖4 三檔位開(kāi)關(guān)流程圖

圖4為三檔位開(kāi)關(guān)流程圖。采用89C51單片機(jī)，該單片機(jī)的價(jià)格較低、功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單、使用量極高。用該單片機(jī)接收，處理信號(hào)，控制按摩強(qiáng)度的三個(gè)檔位。

4 系統(tǒng)測(cè)試

我們對(duì)骨質(zhì)疏松損傷保護(hù)腰帶進(jìn)行了環(huán)境、功能穩(wěn)定性測(cè)試，并遴選15名身體狀態(tài)不同的受試員開(kāi)展了實(shí)際使用測(cè)試，記錄期間腰帶發(fā)熱時(shí)間、發(fā)熱狀態(tài)和振動(dòng)效果。觀察鋼板位置是否貼合受試者腰部的生理曲線，同時(shí)摁壓感受每位受試者的腰部肌肉狀態(tài)，記錄受試者自身感受效果反饋。

4.1 功能測(cè)試

15名不同體態(tài)的受試患者穿戴3分鐘后，記錄受試者是否感受到熱灸效果；振動(dòng)按摩開(kāi)啟三分鐘后，記錄受試者是否感覺(jué)到放松背部肌肉，舒緩疲勞酸痛。其記錄結(jié)果如表1所示。

表1 骨質(zhì)疏松損傷保護(hù)腰帶功能測(cè)試表

4.2 性能測(cè)試記錄

4.2.1 環(huán)境穩(wěn)定性

1) 在不同工作環(huán)境下對(duì)骨質(zhì)疏松損傷保護(hù)腰帶的穩(wěn)定性檢測(cè)，其記錄結(jié)果如表2所示。

表2 骨質(zhì)疏松損傷保護(hù)腰帶在不同外界環(huán)境溫度的工作狀態(tài)測(cè)試表

2) 對(duì)骨質(zhì)疏松損傷保護(hù)腰帶進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間工作測(cè)量，其記錄結(jié)果如表3所示。

表3 骨質(zhì)疏松損傷保護(hù)腰帶持續(xù)工作穩(wěn)定性測(cè)量記錄表

4.2.2 功能穩(wěn)定性

測(cè)量受試者5分鐘內(nèi)正常穿戴時(shí)升溫時(shí)長(zhǎng)及穩(wěn)定溫度、3種檔位的振動(dòng)狀態(tài)及輸出電壓的穩(wěn)定性，其記錄結(jié)果如表4所示。

表4 骨質(zhì)疏松損傷保護(hù)腰帶性能測(cè)試表

3) 對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行精準(zhǔn)定位及調(diào)整，并邀請(qǐng)10名健康受試者、10名患骨質(zhì)疏松受試者穿戴骨質(zhì)疏松損傷保護(hù)腰帶進(jìn)行效果體驗(yàn)。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，韌性鋼板定位符合人體生理曲線，21顆能量磁石完全對(duì)應(yīng)人體腰部穴位，振動(dòng)電機(jī)定位合理，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。

4.3 測(cè)試結(jié)論

在測(cè)試過(guò)程中，由于受試者的個(gè)體差異性，對(duì)溫度、振動(dòng)的敏感程度不盡相同，通過(guò)多次測(cè)試，受試者反饋效果均為有效，滿足90%以上的用戶需求。恒定發(fā)熱模塊滿足設(shè)計(jì)要求，振動(dòng)功能模塊三檔位均正常工作，物理腰帶滿足各類體型的用戶穿戴，內(nèi)置鋼板貼合人體生理曲線。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能良好，穩(wěn)定性強(qiáng)，可長(zhǎng)時(shí)間無(wú)故障工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

此骨質(zhì)疏松損傷保護(hù)腰帶針對(duì)目前患者的常見(jiàn)癥狀，融合生物力學(xué)、人體工程學(xué)、生理學(xué)、中醫(yī)按摩熱灸等理論知識(shí)，在作品中實(shí)現(xiàn)了人體腰部大幅降低外力沖擊、熱灸祛痛、點(diǎn)陣共陣按摩功能，綜合保護(hù)了骨質(zhì)疏松患者的腰部。利用鋼板緩沖患者受到的沖擊力大小，從外部保護(hù)了患者腰部；增加震動(dòng)按摩電路，在骨質(zhì)疏松癥患者疼痛的時(shí)候，可適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行按摩，促進(jìn)血液循環(huán)，減輕癥狀，從內(nèi)部緩解了患者受到的痛苦。且本設(shè)計(jì)采用加壓帶的方式，緊密貼合腰部，佩戴舒適，活動(dòng)自如，患者可貼身穿戴，隱蔽性好，不會(huì)對(duì)患者造成心理壓力。在如今我國(guó)約有1.4億人患有不同程度的骨質(zhì)疏松的背景下[3]，本產(chǎn)品應(yīng)用前景廣泛。

骨質(zhì)疏松多發(fā)病人群為中老年，隨著我國(guó)人口老齡化的趨勢(shì)不斷增大，在未來(lái)發(fā)展中，中國(guó)50歲以上的骨質(zhì)疏松患者將會(huì)愈發(fā)增多，因而針對(duì)骨質(zhì)疏松患者使用的防護(hù)器具將具有很大的發(fā)展前景，在這一方面還需要我們的共同努力，不斷推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的成熟發(fā)展，造福千萬(wàn)骨質(zhì)疏松患者。