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伺服控製係統在（zài）脊柱牽引治療中的應（yīng）用

2017-6-1 來源：山東（dōng）省藥學（xué）科學院作者：成誌新，王京華，陳劍英，劉傳永，韓愛民，

摘要: 針對現（xiàn）有頸、腰椎牽引機構牽引精度低（dī）、治療（liáo）效果有限的問題（tí），我們設計了一款智能人體脊柱精準牽引治療係統，並建（jiàn）立了（le）相應的伺服控製係統（tǒng）。係統基於“脊柱（zhù）減壓”的概念設計，選ATmega16 單片機作為核心處理器，伺服電機作為動力源，利（lì）用傳感器測控技術和 ID 控製算法，將平滑隨（suí）動的牽引力精（jīng）準施加於患者病變椎段，用較小的牽引力把受損椎間隙拉大（dà），產生椎間負（fù）壓，達（dá）到治療頸、腰椎間盤突出等症的目的。實驗結果表明，該係統（tǒng）牽引力跟蹤精度高、治療效果突出，具（jù）有（yǒu）較好的臨床使用價（jià）值（zhí）。

關鍵詞: 伺服控製係統; 脊柱減（jiǎn）壓; 隨動; 椎間負壓

1.引言

隨著（zhe）人們生活、工作方（fāng）式的改變，頸、腰椎間盤突出症已成（chéng）為常見病症。近年來文獻資料表明，將牽引治療單獨或綜合應用於椎間盤突出（chū）症治療，多數患者症（zhèng）狀有較明顯的好轉或減輕［1］，成為非手術治療椎間盤突出症的首選方法。市場上現有的牽引設（shè）備主要有快速牽引和慢速牽引兩種。快速牽引（yǐn）治療的原理在於瞬間牽引使椎（zhuī）間隙增加，椎（zhuī）間盤（pán）內壓下降（jiàng），使突出物還納減輕（qīng）對神經壓迫［2］，但該類設備牽引力較大且瞬間釋（shì）放，其治療的適應症範圍具有較大的局限性; 慢速牽引設備多（duō）采用小牽引力、多（duō）種固（gù）定模（mó）式、長時間持續作用（yòng）的治療方式［3］，治療過程中脊柱處於持（chí）續受力狀態，脊椎兩側肌肉產生收縮抵抗，抵消了牽（qiān）引力，在療（liáo）效方麵尚不盡人意。近年來，國（guó）際上基於牽引治療，提出“脊柱減壓”治療的概念［4］，即牽引力以特定（dìng）角度施加於脊柱病變部位並在治療過（guò）程中實時調整，使脊椎兩側肌肉（ròu）得到放鬆（sōng），允許椎間盤分離，椎間隙內產生負壓，使椎間盤突出物吸（xī）收回（huí）納的治療方法［5］。我們采用“脊柱減壓”治療的概念，設（shè）計一款新型（xíng）慢速牽引係統（tǒng），選用伺服電（diàn）機為動力源，把傳感器測控技術和計算機控（kòng）製（zhì）技術運用到脊柱減壓治療係統中，實現牽引力的精確控製。

2.係（xì）統總體設計

係統主要包（bāo）括四大功能模塊: 人機（jī）交互及通信模塊、核心控製模塊、伺服動力模（mó）塊、數據采集模塊。該係統的總體結構見圖。

圖 1 係統結構框圖

2.1 人機交互及通信模塊

係統采用 PC 機作為上位機實現人機交互功能。上位機根據（jù）輸入（rù）的（de）治療數據運算並生成牽引力曲線、牽引角度等參數，通過 USB 通信將相應數據傳送給微處理器，並將微處理（lǐ）器反饋回來（lái）的數據以（yǐ）曲線等形式顯示出來，以客觀顯示與預設數值的擬合程度。另外，上位機還負責（zé）網絡數據通（tōng）信，將治療（liáo）數（shù）據存儲於遠程數據庫中，能夠實現大容量（liàng）數據存儲及訪問。

2.2 微處理器核心控製模塊

係統選用 ATmega16 單片機作為核心處理器（qì）。核心處理器將上（shàng）位機傳送來的治療參數進行處理並發送指令，驅動執行機構動作（zuò），並通過讀取（qǔ）傳感（gǎn）器監測到的數據（jù），實時對執行機構進（jìn）行調整，確保（bǎo）實際牽引力、牽（qiān）引角度等與預設數值保持一致，並將牽引力、牽（qiān）引角度反饋到上位機界（jiè）麵進行顯示。

2.3 伺服動（dòng）力控製模塊

伺服動力控製（zhì）模塊是係統實現治療功能的關鍵執行部件（jiàn），主（zhǔ）要包括（kuò）伺服驅動器（qì）、伺服電機、角度調節電機。伺服驅動器接受微處理器發出的運動指令（lìng），驅（qū）動交（jiāo）流伺服電機輸出力矩，為係統提供精（jīng）準平穩的牽引力; 角度調節（jiē）電機改變牽引力的施（shī）加角度，確保係統（tǒng）以特定角度精準作用於病變部位（wèi），避免脊柱整體受力（lì）。

2.4 數據采集模塊

數據（jù）采集模塊主要有力量傳感器、角度傳感器、信（xìn）號調理（lǐ）電路以及 ATmega16 單片機（jī）自帶的 A/D轉換電路組成，實現多通道數據的采集和預處理。該模塊通過力量傳感器、角度傳感器等實時采集設備運轉過（guò）程中的牽引力、牽（qiān）引角（jiǎo）度（dù）等參數，並（bìng）反饋給（gěi）微處（chù）理器，以便係統及時調整設（shè）備動作。

3.伺服控製（zhì）係統的（de）設計

實現牽引力的精確控製、數據采集的精確度及反饋的實時性是交流伺服控製係統的主要目標（biāo）。為了減少（shǎo）治療過程中各種幹擾信號及不確定因素的影響，提高伺服控製係統的工作精度，需要選用（yòng）穩定性好、抗幹擾能力（lì）強的伺服電機以及采樣精度高、靈敏度（dù）好的傳感器，並且通過 PID 控製提高整個（gè）係統的性能。

3． 1 伺服控製係統

伺服控製（zhì）係統采用閉環反饋設計，主要由單片機、伺服驅動器、伺服電機、牽引力傳感器等組成，見圖 2。在各環節的協（xié）同作用下（xià），實現牽（qiān）引力的精準控製。

根（gēn）據患者（zhě）信息，上位機自動生成牽引治療曲線，設定牽引力所對應的電壓值即（jí）為係統的輸入信號Uref; 治療過程中（zhōng），牽引力傳感器實時測量牽引力的大（dà）小，經濾波、放大後得到（dào）的電壓值即為係統的反饋信（xìn）號 Uf; 反饋信號（hào） Uf與設定（dìng）電壓 Uref經減法運算（suàn）之後形成偏差，即誤差（chà）信號 U = Uref－ Uf。單片機對誤差信號（hào） U 處理後，輸出控（kòng）製信號，實時調整伺服（fú）電機的輸出轉矩，將動態隨（suí）動的（de）牽（qiān）引力施加於患者病變椎段，從而形成伺服控製係統的閉環反饋設計。係統運行過程中（zhōng），要求反饋實時準確地跟蹤設定（dìng）量，所以係統需要滿足調節時間小、響應速度快的特點。PID 控製算法簡單高效（xiào）、參數可調，可以（yǐ）在實際運行中根據情況（kuàng）調節比（bǐ）例、積分、微分 3 個參數來達到較好（hǎo）的控製效果［6］，所以我們將 PID 控製運用伺服控製係統中，以提（tí）高（gāo）係（xì）統控製（zhì）效果。

伺服控製係統 PID 算法原理圖（tú）見圖 3，係統將測得的電壓信號與給（gěi）定信號進行（háng）對比，根據偏差信號 U 的大小（xiǎo），計算出 PID 算法中所需的 PID 參數，最終（zhōng）得到準確的被控量牽引力 F。

3.2 伺服動力（lì）機構的（de）選擇

治療過程中牽引力實時跟隨設定牽引力變化，並且根據肌（jī）肉抵抗力的變化迅速做出調整（zhěng），避免產生椎旁肌肉收縮或痙攣，整個閉環伺服控製（zhì）係統的控製目標是將動態隨動牽引力（lì）精準施加（jiā）於患者病變（biàn）椎段（duàn）。伺服驅動器可以使伺服電（diàn）動機工作在速度模式、位置模式或者轉矩模式。轉矩模式下，通過不斷（duàn）改變（biàn）伺服電機（jī）的輸出（chū）轉矩可以實現脊（jǐ）椎牽引力的實時動態控製，另外伺服驅動器采用（yòng）強健性（xìng）控製技術，使得伺服電機的低速特性更佳［7］，更能有效運用於脊柱減壓治療係統。

經過分析（xī）和計算，係統選用台達交流伺服電機，通過設置伺（sì）服驅動器，使電機處於轉矩模（mó）式。伺服驅動器接收單（dān）片機傳（chuán）輸的牽引力信號，通過（guò）改變伺服電機的輸出轉矩，將動態隨動的牽（qiān）引力（lì）精準施加於患者病變椎段。

3.2.1 腰椎牽引機（jī）構

腰椎牽引機構的（de）示意圖見圖 4，由安裝在底座上的伺服電機 1 對滾珠絲杠 2提供扭矩，通過螺母 3 帶動連（lián）接盤 4 牽引拉力（lì）傳感器 6，生成的拉力促（cù）使牽引底板 7 帶動綁（bǎng）帶盤 5，從而達到腰（yāo）椎牽引的目的。

通過以上計算可知 T0 ＞ T，選用該（gāi）型號的伺服電機作為（wéi）腰椎牽引（yǐn）機構，轉矩可以達到控製要求。

3.2.2 頸椎牽引機構

頸椎牽引機構的示意（yì）圖見圖（tú） 5，由安（ān）裝在底座 3 上的伺服電機 1 把扭矩傳遞給滾珠絲杠 4、通過螺母 5 轉換成拉力，並經連接盤6 把牽引力傳給拉力傳（chuán）感器 7，從而拉動（dòng）頭板 2 進行頸椎（zhuī）牽引（yǐn）治療。

頭板最大拉力 F = 25k g≈250 N，選用 2004 滾

通過以上計算可知 T0 ＞ T，選用該型號的伺服電動機作為頸椎牽引機（jī）構，轉矩可以達到控製要求（qiú）。係統的脊椎牽引（yǐn）機構與頸椎牽引機構均為伺服電機直接（jiē）帶動（dòng）絲杠，進而牽動胸板與頭板以線（xiàn）性拉力的形式作用於患者脊椎，這種作用方式直接、反應快（kuài），可以迅速地調整牽引力。

3.3 ADC 采樣

數據采集（jí）的精確度影響牽引力的跟蹤精度，從而（ér）對整個伺服控製（zhì）係統的精度和穩定性造成很大的影響。ATmega16 單片機的內部 ADC 采樣精度可以達到 10 位，最大精度下可實現每秒 15 k SPS 的采樣速率，可以滿足伺服控製係統的要求。ADC 的工作電源由 AVCC 提供（gòng），AVCC 的穩定性（xìng）影響 ADC 的轉換精度，係統電源 VCC 通過 π 形濾（lǜ）波器接入 AT-mega16 的 AVCC 引腳，這（zhè）樣（yàng）就能很好地抑（yì）製（zhì）係統電源中的噪聲，提高 AVCC 的穩定性。圖 6 為 π 型濾波（bō）連線圖。

4 係統測試結果分析

係統根據（jù）患者體重、身高、病痛部位等生成獨特的牽引曲線，牽引曲線中（zhōng）的最小牽引力為最大牽引力的一半（bàn）。治療過程中要求（qiú）牽引力實時跟隨牽引曲線變化，我們通過臨床（chuáng）實驗對（duì）係統性能進（jìn）行測試。

4.1 臨床實驗結果

我們選用 35 例腰椎間盤突出症患者接受脊柱減（jiǎn）壓係統的治療，經過 5 ～ 6 周的 20 次治療之後，有31 位患者（zhě）疼痛症狀得到不同程度的緩解，有效率可以（yǐ）達到 89% 。治（zhì）療過程中患者對治療的耐受（shòu）性較高，並且未發現不良反應。完（wán）成治療後（hòu），對其（qí）中的25 位有效（xiào）治療（liáo）患者進行大約半年的隨訪，超過 85%的患者腰椎狀況維持或好於治療結束（shù）時的狀態，個別患者有複發趨勢（shì）。從臨床（chuáng）數據可以看出，脊柱減壓伺（sì）服控（kòng）製係統對於腰椎間盤突出（chū）等症具有較好的療效。

4.2 牽引曲線

以體重 50 KG 的（de）患者為例，係統生成的腰椎牽引曲線，最（zuì）大牽引力為 200 N，最小牽引力為（wéi） 100 N，患者的腰椎曲線治（zhì）療界麵（miàn）見圖 7，上層曲線是根據患者信息生成的標準牽引曲（qǔ）線，下層（céng）曲線是治療過程中生成的（de）實際牽引曲（qǔ）線，從圖中可以看出，實際牽

引力曲（qǔ）線（xiàn）與設定牽引力曲線擬合程度較（jiào）好。圖 7 中時間 00: 00: 45 處顯示的（de）是治療過程中患者在床體上稍微（wēi）移動造成（chéng）的幹擾，經（jīng）過伺（sì）服控製係統的及時調整，係統輸出的牽引力動態地跟蹤設（shè）定值，牽引曲線很（hěn）快恢（huī）複原定軌跡。結果表明（míng），係統動態（tài）可控性好，能夠較快的抵製幹擾信號。

5.總結

本研究針對目前（qián）腰椎間盤疾病患者（zhě）較多，而現有（yǒu）頸、腰椎（zhuī）牽引機構牽引精度低的問題，設計了一種基於“脊柱減壓”的新型頸、腰（yāo）椎牽引治療係統，分析了係統的四大功能模塊（kuài），並重點研究了相應的伺服控製係統，從伺服動力機構、數據采集、PID 控製算（suàn）法等方麵提高了伺服控製係統對牽引力的跟蹤控製精度，並（bìng）通過實驗（yàn）對控製效果進行了說明。實驗結（jié）果表明，係統抑製患者幹擾的（de）能力和（hé）對牽引力的跟蹤精度較（jiào）高，治療效果明顯，從而驗證了整個（gè）脊柱減壓伺服控（kòng）製係統的精度和可行性。

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