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液壓型醫用牽引床控制系統的設計

來源 : 中國醫療設備雜誌2018年第8期
update : 2018/10/11

引言
近年來隨著大陸人口日益老齡化,患有腰椎間盤突出症(Lumbar Disc HerniationLDH)的老年患者數量越來越多。據相關資料統計,其發病率高達2.5%~13.5%[1]。腰椎間盤突出症是由於腰椎間盤的各部分(髓核、纖維環及軟骨板)功能退行改變後,在外力因素作用下,導致纖維環破裂,髓核組織從纖維環的破裂處脫出,使得脊椎神經根收到刺激或壓迫,引起人們腰部、腿部等的不適症狀。目前,醫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療器械[6]

採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]。因此醫療上對牽引床的需求也越來越大,使用也越來越廣泛。由於目前國內外普遍採用的牽引床的基本結構都是機械—電氣—單片機控制模式,存在品質重、雜訊大、誤差大、設置複雜,且驅動的平穩性不高等一系列的缺陷[9-10]

本牽引床設計採用雙液壓缸驅動以及電腦閉環控制技術來實現牽引、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、驅動過程平穩舒適,提高了牽引力的可控性和穩定性,降低了工作雜訊和牽引誤差。

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組成。該牽引床採用雙液壓缸傳動系統驅動兩個浮動床板,實現牽引、旋轉、擺角和傾角4 個基本動作,並通過電腦控制系統轉化為相對應的物理量,如拉力、距離、角度、時間等參數的變化。通過程式控制可以將各種參數的任意組合,實現理想的治療效果。


1 液壓型醫用牽引床外觀圖(a)及結構原理圖(b注:12.浮動床板;3.床體;4.液壓缸;5.液壓站。

1.2 工作原理
牽引治療法主要是根據生物力學原理和中醫推拿正骨原理而產生的。牽引床從治療機理上來說,吸取中醫牽引治療和推拿治療的精華,將傳統中醫治療腰椎、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,改善局部血液迴圈,實現腰椎、頸椎等骨骼疾病的治療[11-13]

人體在牽引過程中可以俯臥於牽引床上,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液壓缸的控制,實現牽引;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,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。

牽引床的總體參數根據人體的最大生理活動範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,快速牽引時間小於等於0.5 s,慢速牽引時間大於等於4 s,系統工作壓力為1 MPa

2 牽引床液壓控制系統設計
液壓控制系統具有結構緊湊、體積小、重量輕、控制平穩等優點,可用於醫療裝備的控制[14-15]。根據腰椎牽引需要,牽引床的牽引過程應考慮持續牽引和間隙牽引兩種工作狀態。持續牽引是指一次牽引過程經過一段休止時間①之後,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後,再次迴圈牽引,主要適用於年紀較大的人群。其示意圖,見圖2


2 牽引過程示意圖   注:a.持續牽引過程;b.間隙牽引過程。

雙液壓控制系統的工作原理圖,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。通過液壓缸的活塞杆實現浮動床板的運動;溢流閥當作安全閥使用,當壓力超過系統設定值時,打開溢流,起超載保護作用;通過壓力錶即時檢測油路的壓力;蓄能器作為牽引動力源之一,用來將儲存的多餘液壓油在需要時釋放出來。蓄能器不僅將能量高效回收,還增加了系統的穩定性,結構簡單、設計方便且效率高。在該系統中採用三重保護措施,即溢流閥、蓄能器和壓力錶共同保證系統安全可靠。


3 液壓控制系統工作原理圖    注:1.油箱;2.篩檢程式;3.液壓泵;412131819.單向閥;5.溢流閥;6.P型換向閥;7.蓄能器;8.壓力錶;915.M型換向閥;10111617.安全閥;1420.液壓缸。

當牽引床不工作,即初始狀態時,兩液壓缸活塞杆均處於液壓缸最底部,浮動床板12 在水平面並緊。牽引床工作時,首先通過電腦設定需要牽引的距離x1 x2,油液從液壓缸的無杆腔進入,推動活塞杆使其運動距離L-x,處於設定位置。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 處於左位,換向閥9 左右切換,根據溢流閥1011 的設定值控制液壓缸14,從而控制浮動床板1 實現對頸椎的牽引;當僅需要對腰椎進行牽引時,電磁換向閥6 處於右位,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,活塞左側的壓力由於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衝擊,使浮動床板1 運動平穩;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1617同樣起到平穩浮動床板2 運動的作用,單向閥1819 起補油作用,工作原理相同。當活塞杆運行距離x 後,液壓缸處於靜止狀態,滿足牽引的需要。牽引工作完成後,電磁閥斷電,使得活塞杆移動距離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感測器和力感測器,可即時檢測位移和力的大小,以達到醫療所需的精確值。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,減小了治療過程中的振動與雜訊。

3 牽引床電腦控制系統設計
鑒於電腦控制系統的方便快捷、控制精度高,且具有良好的開發性等優點,對牽引床的控制採用電腦控制。牽引床採用電腦閉環控制的原理圖及控制系統框圖,見圖4。電腦主要完成比較運算、控制和輸出的功能。由於電腦只能識別數位信號,因此需要將回饋測量元件輸出的類比信號轉換為數位信號;同時,牽引床的執行機構也需要將電腦輸出的數位信號轉換為類比信號。為使得牽引床控制系統結構緊湊,電腦可選用觸控螢幕,感測器及訊號轉換器可選用集成一體式[15-18]


4 電腦閉環控制系統框圖   注:a.電腦閉環控制的原理圖;b.控制系統框圖。

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 轉換後,控制執行元件實現該設定;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位信號,回饋給電腦,由電腦對比執行元件的實際運行參數與給定參數的偏差,並根據偏差調整輸入控制器的信號,完成牽引床驅動系統的閉環控制,最終實現床體的精確運動,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,患者平躺在床面上並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,間歇牽引還是持續牽引;④ 牽引過程監控,包括牽引不適時的緊急退回操作;⑤ 牽引治療完成後的緩慢復位,以及患者短暫平臥休息後的離位。需要注意的是,在牽引過程中,應根據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,腰椎牽引宜在飯後30 min 後,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,並結合我院當前牽引床的臨床應用,筆者合作液壓專業人員,應用電腦閉環控制的雙液壓缸驅動技術,設計了一種液壓型醫用牽引床控制系統,能夠實現醫用牽引床的精確、平穩控制,滿足頸椎和腰椎等骨骼的多方位、全方面的治療需求。

考慮作者任職的蘭州總醫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,採用雙液壓缸系統和電腦閉環控制,可使醫用牽引床的各種牽引性能更易實現;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,而且能夠有效減小牽引床動作過程中的振動和雜訊。

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,醫療上仍普遍採用機械—電氣控制模式的牽引床;基於電腦閉環控制雙液壓缸驅動的液壓型醫用牽引床,具有產品推廣的價值。

[參考文獻]
[1] 侯忠學,班照楠,向乾虎,.老年腰椎間盤突出症的特點和手術療效[J].四川醫學,2008,29(10):1362-1363.
[2] 劉爍煒,柴儀,溫志剛,.腰椎間盤突出症的保守治療方法的研究進展[J].河北中醫藥學報,2017,12(4):60-64.
[3] 陳大志.多種保守療法治療腰椎間盤突出症作用機理研究[J].甘肅中醫,2005,(1):8-9.
[4] 趙紅偉,歐陽一雪,趙書娥.腰椎間盤突出症手術治療的護理進展[J].河北醫科大學學報,2017,(9):1108-1112.
[5] 房緯,朱曉瑉.牽引治療腰椎間盤突出症的臨床研究進展[J].陝西中醫,2012,(12):1688-1690.
[6] 李震,殷馨,王傳金,.醫用多方位牽引床的研製[J].中國醫療器械資訊,2006,(4):36-37.
[7] 辛本忠,李強.非手術療法綜合治療重症腰椎間盤突出症[J].中國中醫骨傷,1997,5(4):40-41.
[8] 程豔芬,李兵.腰椎間盤突出症500例牽引治療及護理[J].中國療養醫學,1999,8(5):70-71.
[9] 王維峰,施江煥,張剛耀.電動牽引床牽引力設定點誤差校準方法的優化[J].工業計量,2014,(6):7-10.
[10] 朱興喜,李治,汪長嶺,.醫用電動手術床控制系統的改造與應用[J].中國醫學裝備,2015,(11):49-52.
[11] 于景新,趙日成,姚震元,.JXQ-IA型成角旋轉牽引床的研製及臨床應用[J].山東生物醫學工程,1994,13(2):23-27.
[12] 李士茂.綜合療法治療腰椎間盤突出症臨床療效觀察[J].中國社區醫師,2012,14(15):249.
[13] 張顯崧,章瑩,汪青春,.腰椎旋轉手法治療腰椎間盤突出症的機理[J].中醫正骨,1993,5(3):5-6.
[14] 李運華,史維祥,林廷沂.近代液壓伺服系統控制策略的現狀與發展[J].液壓與氣動,1995,(1):3-6.
[15] 王耀輝.推移機構液壓控制系統設計及動態特性模擬研究[J].機床與液壓,2016,(14):47-50.
[16] 芮豐,邱士浩,胡軍,.微機控制液壓兩自由度平臺系統研究[J].液壓氣動與密封,2006,(3):48-50.
[17] 溫衛中.微型電腦控制系統及其發展趨勢[J].教學與管理,2005(12):91-92.
[18] 魏列江.液壓系統微機控制[M].北京:電子工業出版社,2014,6:8.