一种可穿戴智能颈部治疗装置开发研究

孙远韬， 郭晨睿，李云生，牛文鑫

1.同济大学机械与能源工程学院(上海， 201804) 2.同济大学医学院(上海， 200092)

一种可穿戴智能颈部治疗装置开发研究

孙远韬1， 郭晨睿1，李云生1，牛文鑫2

1.同济大学机械与能源工程学院(上海， 201804) 2.同济大学医学院(上海， 200092)

当前颈椎牵引器大都只能实现中立位或单一角度的牵引， 不能实现变力、 旋转、 变角度等牵引功能的需要， 且自动化控制程度较低。该文提出了一种基于提拉牵引疗法的可穿戴式智能颈部治疗装置。该智能颈部治疗装置包括机械支撑及传动单元、 驱动单元、 传感测试单元和控制单元， 通过肌电传感装置及力学信号的反馈,实现了以牵引为主附加旋转提拉功能， 同时辅以热敷的治疗方案。从而提高了疗效及牵引治疗的智能化程度。

颈椎病治疗装置； 提拉牵引疗法； 肌电信号； 旋转疗法

0 引言

颈椎病在人们生活中是一种常见的疾病， 却也是复杂的、 难以治愈的疾病。随着生活节奏的加快和工作方式的改变， 颈椎病已成为现代职业病， 呈多发、 年轻化趋势， 它严重影响了人们的正常生活和工作学习。在其众多的治疗方法中， 相较于风险较大、 耽误时间多的手术疗法， 非手术疗法更符合患者的需求。在医学领域， 颈椎提拉牵引疗法由于其疗效好和安全性高， 得到医院和患者的普遍认可。有效地牵引能解除神经、 血管、 脊髓的压迫， 并快速缓解颈椎病症状[1]。除此之外， 旋转提拉疗法、 热敷疗法等方式对颈椎病的治疗也大有裨益[2]。

目前基于提拉牵引法的颈椎牵引器大体分为两种： 固定式牵引器和家庭式便携式牵引器。医院常用的是大型的固定式支架牵引器， 治疗效果较好， 但是患者需要去医院在医护人员的帮助下才可接受治疗[3]。家庭式牵引器有两种， 一种是气囊支撑式牵引， 使用方便， 适合在家中使用； 另一种是利用机械加力装置制作的牵引器， 通过加力装置， 以肩膀和锁骨为支点， 对上颚后脑进行提拉， 以这种方式进行牵引治疗， 加力方向为前后或左右两侧， 相对气囊牵引， 虽然对颈椎的牵引作用力能达到要求， 但缺点是机械加力装置加力过于生硬[4-5]。

可以看到， 尽管在医学颈椎牵引的治疗理论上有各种各样的突破， 但是在实际应用中无论是医院的颈椎牵引机， 还是家用的颈椎牵引器大都只能实现中立位或单一角度的牵引。能够实现变力、 旋转、 变角度等功能的设备依然没有跟上理论的需要。同时目前医院的使用固定式牵引器自动化控制程度依然较低， 便携式的牵引器更是少有实现自动化控制的， 这使得这些已经在临床得到印证的医学理论进入实际应用遇到了困难[6]。

所以针对目前牵引器的不足之处， 本文提出了一种可穿戴式智能颈部治疗装置， 该智能颈部治疗装置包括机械支撑及传动单元、 传感测试单元和控制单元， 通过肌电传感装置及力学信号的反馈,实现了以牵引为主附加旋转提拉同时辅以热敷的治疗方案,从而提高疗效， 提高了设备的智能化程度。

1 治疗装置系统架构

可穿戴智能颈部综合治疗器由四部分组成： 包括机械支撑及传动单元、 气路单元、 传感测试单元和自动控制单元。

机械支撑及传动单元执行治疗动作， 是整个装置的主体， 通过整个机械结构的协调工作， 可以实现对颈部的牵引、 头部的俯仰和扭转三种方式的运动， 这样实现了在提拉牵引的同时可以进行头部旋转的疗法， 充分满足了治疗方案的运动需要。

为了解决驱动过程中结构驱动过刚的问题， 本文采用气动的方式即通过气泵和电磁阀组成的气路为传动系统提供运动所需的驱动力。传感测试单元用于测量牵引过程中人体的表面肌电信号和对颈椎的实时牵引状况， 如实时测量得到的应力和角度数据， 并将这些信号与在此压力和角度的牵引状态下的人体表面的肌电信号反馈给控制单元。控制单元主要用于根据传感单元的反馈数据及预先设定的牵引方案， 控制气动单元与传动单元以适时调节牵引的力度角度大小， 频率及整个牵引时间， 实现治疗方案的命令执行。整个系统的结构框图如图1所示。

图1 系统框图

2 机械支撑及传动单元

机械支撑及传动单元有以下几个部分： 底部是贴合人体肩部轮廓的肩垫， 用于支撑整个智能颈部治疗装置。肩垫上方有一个扇形环状的内部腔体， 内部腔体中设置有浮动件和支撑件。浮动件与内部腔体的内侧壁在竖直方向上活动连接； 支撑件与浮动件固定连接。如此浮动件可以带动着支撑件沿着内部腔体上下运动。支撑件向上伸出肩垫外， 并在上部连接颌托， 颌托用转动圈连接着背托， 转动圈由驱动装置带动可以转动背托， 让牵引力产生角度变化。浮动件的下部设置有气囊， 由气囊的膨胀和收缩控制浮动件、 支撑件和颌托的上升和下降。内部腔体的上端设置有肩垫扣盖， 用来限位活动件的向上活动距离， 避免出现牵引过度的危险情况。

内部腔体被扭转平台分为上下两个部分， 将内部腔体的下部分割为处于内侧的第一腔体和位于外侧的第二腔体， 内部腔体的上部为第三腔体。气囊位于第一腔体中， 浮动件和所支撑件位于第三腔体中。

图2 可穿戴智能颈部治疗装置

第二腔体中设置有固定板和至少一对用于扭转的驱动装置对称分布在左右两侧。腔体内侧两个内壁上有凹槽， 插有固定板。驱动装置一端通过伸缩件与扭转平台连接； 另一端固定在固定板上。当至少一对扭转用驱动装置在使用时， 一个充气收缩， 另一个放气舒张， 就可以带动扭转平台扭转。

通过这样的机械装置， 牵引器可以实现上下、 左右旋转、 俯仰的三个自由度的运动。由此， 牵引器本身的机械结构就能实现以牵引为主， 辅以旋转提拉的治疗方式。同时在背托上加上发热垫片还可以提供热敷的功效。

3 传感信号反馈

在传感测试单元中， 除了压力传感器和角度传感器， 还有一个比较特殊的传感器——肌电传感器。肌电信号传输接收端可以产生表面肌电图(sEMG)， 这是一种从肌肉表面获取肌肉收缩时产生的电信号， 并对其进行分析以反映相应肌肉的生理学信息的评估手段。

颈椎病在治疗之后有许多的评估治疗效果的方法， 在众多的评估方法中， 表面肌电图因其客观性和实用性日渐成为颈椎病评估的主要方法之一， 它不仅可以用于颈椎病的早期筛查， 指导医生治疗方案， 还可以作为疗效评价的手段。这种手段越来越受到国内康复医学领域的重视[7]。

在治疗的过程中， 将肌电传感器贴在患者的胸锁乳突肌和颈竖脊肌两个部位。通过观察颈部肌肉最大等长收缩时平均肌电值(AEMG)、 积分肌电值(RMS)等对患者肌力进行评价。并通过观察中位频率(MF)、 平均功率频率(MPF)、 中位频率斜率(MFs)等值以对患者肌耐力进行评价。

通过传感系统和控制系统的实时监控和调节， 使牵引装置能够自动的实行预定的治疗方案， 并且智能精确的控制牵引过程， 根据患者状况及时调节。这种综合式的、 精确式的牵引装置能够大幅度的提高牵引的疗效。此外， 所测定的数据能够保存在存储器中， 供医生后续读取、 诊断使用。

4 控制单元

控制单元分为四大部分： 一是数据输入模块， 通过放大、 测量电路及适当的A/D转换电路将传感系统提供的数据转化为可为ICU处理的数据； 二是人机交互模块， 将单片机与触控屏和按钮相连，

图3 肌电传感器

编写康复算法使用户能通过触控屏直接实现与控制系统的通信， 自行选择牵引方案、 调整牵引角度和力度等， 并运用Arduino的通信拓展模块， 将数据传到上位机的数据库， 实现传感数据的收集， 处理和统计功能， 为研究人员或医生深入研究提供大数据； 三是控制模块， 以Arduino单片机为核心， 将单片机的I/O接口与需要控制的几个电磁阀相连， 根据所选的预设牵引方案加载对应程序段， 实现对电磁阀的精准控； 四是安全电路模块。

考虑到人体颈部的脆弱， 对颈部治疗承担很大的风险， 所以颈椎病的治疗装装置的对于安全性的问题格外的重视。本装置的安全系统分为三个部分。首先是机械结构的安全： 在机械结构上， 上下移动和左右转动的自由度都有限位设置， 转动平台的转动行程为相对于人体冠状面±30°， 防止机械运动过程中可能出现问题， 伤害到患者的颈部， 从根本上避免了牵引过度的风险； 其次是气路系统安全： 气路系统中设置有调速阀， 控制充气速度， 放置气囊和气动肌肉施力过猛、 过大。既保证了安全， 又保证了装置的使用寿命； 最后在控制单元当中的安全电路模块， 运用看门狗芯片， 设置过流检测电路， 并在外端设置异步急停按钮， 保障机器的安全性和可控性。其中， 实际应用的集成芯片中都会有的过流检测功能， 用逻辑门将芯片中对应管脚的输出接回单片机， 一旦过流即停止单片机工作。中断服务程序里可对具体执行方式进行定义。异步急停按钮保证了仪器使用安全， 用户按下这个按钮就能立即给上述逻辑门输入一个信号， 不管有没有过流输入， 都能立刻使单片机中断服务。

本装置在全方位都考虑到了安全隐患， 并针对此采取了应对措施， 可以完全避免了患者在使用过程中可能发生的意外危险情况。

5 结论

通过试用与改进， 本文研制成功的可穿戴式智能颈部治疗装置， 能够通过肌电传感装置及力学信号的反馈,实现了以牵引为主附加旋转提拉同时辅以热敷的治疗方案,从而在提高疗效的同时， 提高了设备的智能化程度。

该产品经过同济大学附属上海市养志康复医院(上海市阳光康复中心)12名患者自愿无偿试用， 疗效与现有产品相当， 具有灵活方便的优势， 并能存储生理数据为医生后续诊疗提供参考。2016年底， 该治疗器获得上海市“创造杯”比赛三等奖。

[1] 胡坚勇，孙幼贞.颈椎病不同牵引方式的疗效观察[J].颈腰痛杂志，2003,24(1):27-28.

[2] 朱国苗，房敏，孙武权.旋转手法治疗神经根型颈椎病的机制及特点[J].中国临床康复，2006，10(39):154-156.

[3] 张炳然，魏淑珍，刘丁录，等.旋转式颈椎牵引机:中国，89213697.9[P].1990-11-21.

[4] 王正道.智能型颈椎牵引治疗仪:中国，201410168283.0[P].2014-10-01.

[5] 郑玉平.旋转可调式颈椎康复器:中国，97250165.7[P].1997-11-28.

[6] 张燕，邹于民，姜培培，等.采用变力、旋转、变换角度牵引方式治疗颈椎病疗效观察[J].中国冶金工业医学杂志，2004，21(3):242-243.

[7] 杨腾飞，王金武，胡志刚，等.颈椎牵引过程中颈部肌电信号变化规律与力学特点[J].医用生物力学，2016 ，31(5):421-425.

Research and Development of a Wearable Intelligent Neck Treatment Device

SUN Yuantao1, GUO Chenrui1, LI Yunsheng1, NIU Wenxin2

1.School of Mechanical and Power Engineering, Tongji University(Shanghai,201804) 2.School of Medicine, Tongji University(Shanghai,200092)

Currently, most of the cervical tractor can only achieve neutral or single angle traction but cannot realize traction, rotation, angle change and other traction functions and the degree of automation is low. This paper proposes a wearable intelligent neck therapy device based on pull traction therapy. This intelligent neck treatment device comprises of a mechanical support and transmission unit, a drive unit, a sensor unit and a control unit. Through EMG sensing device and the feedback of mechanical signals, the traction treatment scheme is complemented with additional rotating lifting hot compress. Therefore, the curative effects and the intelligence degree of the traction treatment are improved.

apparatus for treating cervical vertebra disease, traction therapy, EMG signal, rotation therapy

10.3969/j.issn.1674-1242.2017.02.002

2015年中央高校基本科研业务费专项资金-学科交叉项目(1508219074)

孙远韬，E-mail:sun1979@sina.com

牛文鑫，博士，副教授；研究方向：生物力学，康复工程； E-mail：niu@tougji.edu.cn

R318.6

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1674-1242(2017)02-0066-04

2017-03-01)