腰椎牵引治疗装置控制系统设计

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　　摘 要：为改善临床上常用的腰椎牵引治疗床牵引维度少、牵引模式单一、控制复杂且不易操作等问题，设计一种多维度、多模式的腰椎牵引治疗装置控制系统。该系统以STM32F103系列单片机为控制中心，对牵引过程中的角度、位移、拉压力等物理量进行实时检测，并采用增量式PID控制算法对牵引力进行精准控制与自动补偿。实验结果表明，该系统运行稳定、数据传输可靠，为腰椎多维牵引治疗装置控制系统的进一步完善奠定了基础。
　　关键词：腰椎牵引治疗装置;单片机;PID;控制系统
　　DOI：10. 11907/rjdk. 192621
　　中图分类号：TP319   文献标识码：A                 文章编号：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
　　腰椎间盘突出症（Lumbar Disc Herniation，LDH）是因为腰椎间盘各部分（髓核、纤维环及软骨板）出现不同程度的退行性改变后，在外力因素作用下，椎间盘的纤维环破裂，髓核突出于后方或椎管内，导致相邻脊神经根遭受刺激或压迫，从而产生腰腿痛、坐骨神经痛等一系列临床症状[1-2]。据国家卫生部统计，我国腰椎病患者已突破2亿，约占全国总人数的15.2%[3]。流行病学研究显示，我国腰椎间盘突出症人群发病率为0.95%～18%，国外发病率为15.2%～30%[4]。目前腰椎病治疗大体可分为手术疗法和非手术疗法两种。除少数患者需要手術治疗外，85%～90%的患者经过适当的非手术治疗可获得满意的疗效[5-6]。在非手术治疗中，牵引疗法能有效促进椎间盘突出物的回纳，增加椎管容积和后纵韧带张力[7]。牵引治疗作为最普遍，且较安全、高效的治疗方式，受到医生与患者们的一致认可，牵引治疗床更是医院必备的理疗产品[8-9]。
　　目前，国内外研究者针对牵引治疗床开展了各种研究。在国外，如美国宇航局及美国国防部共同研制的DRX9000型脊柱减压牵引系统能够实现水平牵引，在治疗过程中，牵引力能够准确作用于病变椎间隙，但只能实现单维度牵引[10-12]。在国内，如刘英才等[13]研发的立卧位腰椎牵引床能够实现立位牵引和卧位牵引，牵引时可以暴露治疗部位、改变腰椎曲度等，但其牵引角度无法量化、误差大，且治疗过程耗时耗力;杭州力胜医疗器械有限公司研发的HLS-V型全自动颈腰椎牵引床能够实现旋转、伸屈侧弯三维牵引，操作简单、患者痛苦小，但不能实现左右侧摆牵引[14];山东省医疗器械研究所研制的DFQ-580型牵引床能实现水平、旋转、成角三维牵引，能够快速、强力地伸展腰部肌肉，并缓解疼痛，但在牵引过程中无法实现精准的力学控制[15]。 　　综合比较国内外现有牵引床设备，其大多采用纯电机驱动，牵引维度单一，且牵引力的平稳性和可控性有待提高。因此，本文设计一款液—电混合驱动式腰椎多维牵引治疗装置，利用液压驱动的瞬时爆发力矩，能够有效提高治疗效果，减小治疗过程中的振动和噪声。该装置可实现纵向快速/慢速牵引（0～70mm）、成角（-5°～25°）、旋转（-25°～25°）、摆角（-25°～25°）的四维立体牵引，并利用多传感器技术对牵引过程中的角度、位移、拉压力等物理量进行测量及反馈控制，从而实现牵引力自动补偿与故障自动监测保护。同时，本文提出的控制方法可为腰椎多维牵引治疗装置控制系统的进一步完善奠定理论基础。
　　1 系统总体设计
　　腰椎多维牵引治疗装置控制系统总体设计如图1所示，该系统主要由电源模块、单片机控制模块、驱动模块、传感器模块及上位机模块组成。上位机是基于PyQt5平台开发的客户端，通过RS485向STM32F103单片机发送指令，包括牵引模式、牵引距、牵引角度、牵引次数及牵引时间等，单片机接收指令并传输至驱动模块及从控单片机，控制执行机构工作，实现水平牵引、摆角、旋转及成角运动牵引。传感器模块利用多个编码器检测角度值，利用光栅尺检测床体位移值，以及拉压力传感器检测牵引力值，并将数据实时传输给单片机，实现反馈控制，保证牵引过程中的安全性和稳定性。
　　2 系统硬件设计
　　系统采用STM32F103VET6单片机为主控芯片，以及STM32F103C8T6单片机为从控芯片。在牵引过程中，主控单片机实时采集牵引角度和位移值，经过单片机数据转化分析处理后，在上位机上显示当前物理量信息。当测得的物理量超过上位机设置的最大阈值时，单片机会立即进入中断服务程序，发送中断信号给驱动模块，停止牵引。水平牵引可实现快速与慢速运动，牵引力大小范围对于治疗效果至关重要，若牵引力过大会拉伤肌肉或骨骼中的软组织，牵引力过小又很难克服肌肉抗力以及病人与牵引床之间的摩擦力[16]。因此，从控单片机采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）方法改变触发比例电磁铁电压，比例电磁铁再控制比例阀通断及开口量大小，从而改变流向液压缸的液压力，实现输出牵引力可调的目的[17]。
　　2.1 供电模块
　　供电系统采用三相五线制交流电接入，由2个断路器、2个交流接触器、1个中间继电器组成。断路器作为切断隔离开关，具有负荷、短路和漏电保护功能。交流接触器在电路中起接通及断开电源开关的作用。当按下启动按钮，三相交流电经过第一道断路器、第一道交流接触器和第二道断路器转化为单相交流电，并输送给开关电源。开关电源产生的24V、5V直流电分别给驱动模块、单片机供电。液压马达采用三相380V供电，主控单片机控制驱动模块上的中间继电器导通或截止，触发第二个交流接触器接通或断开，从而控制液压马达是否工作。
　　2.2 驱动模块
　　主控单片机采用3.3V供电，驱动模块采用24V供电，为防止输出信号对单片机产生干扰，采用TLP352光耦芯片进行隔离。驱动模块选用欧姆龙继电器对液压马达、换向阀和直线电机进行控制，该继电器负载电流为10A，可满足电路要求。为了控制直线电机正转和反转，将相邻两个继电器的常开引脚与常闭引脚分别相连，继电器两个公共端口直接引出接直线电机。
　　2.3 PWM波实时调压
　　本系统选用EBG03H50型电液比例阀，该比例阀压力稳定、精度高、响应快、噪声低。在密闭油液体积的条件下，输入电流在200mA～800mA范围内与输出工作压力成正比，此后增大输入电流，输出压力保持不变。从控单片机可以生成两路频率固定、幅值为3.3V、占空比可调的PWM信号。PWM高电平信号经过NPN型反相驱动器生成低电平信号触发光耦导通，输出的电信号连接场效应管栅极，漏极接24～30V的电压，则源极输出电压为22～24V。2路PWM信号可以改善驱动电路输出电压值的稳定性。为了保证控制系统的安全性，在输出端增加0.05Ω的取样电阻，两端电信号接LM358运放电路，如果最大降压为0.15V，即实际电流为3A，此时单片机进行过载保护。所以，当从控单片机改变输出PWM信号占空比，会引起驱动比例阀的有效电压值U发生改变，而且比例电磁铁输入电流I也随之改变（实际测得比例阀电阻值R为18.5Ω），使得比例先导阀的开启压力成比例地增大或减小，从而实现对液压系统压力的比例调节。
　　3 系统软件设计
　　系统软件设计是实现腰椎多维牵引治疗装置各种功能以及牵引模式的内在条件，也是实现良好人机交互的关键。软件设计必须保证牵引过程中的牵引力、牵引角度、牵引距离等参数在安全范围之内，且牵引过程平稳可控、操作简单，能满足患者的各种需求。
　　3.1 PID控制
　　在牽引过程中，由于脊柱周围的肌肉疲劳及牵引绑带材料的伸展性和顺延性，使得牵引力随牵引时间的延长而递减，因此需采用正确的“反馈”调节措施，在牵引力减少到需要补偿时及时作出调整。增量式PID（Proportion Integration Differentiation）控制算法对于纠正偏差、消除系统稳定误差、减少系统超调量、增加系统稳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]为第[k]次测量值与给定值之间的偏差，[T]为采样周期，[TD]为微分时间，[TI]为积分时间，[kp]为调节器放大倍数。在增量式算法中，控制芯片输出的控制量[Δuk]是比例阀开口量的增量，而不是比例阀开口量的实际大小。所以，在程序实现过程中，从控单片机需要在TIM定时器中定时采集当时的实际PWM占空比，计算下一时刻PWM目标占空比，进行PID计算，并将PID运算结果与实际PWM占空比相加作为下一个运动目标值输出给比例阀，从而实现累计功能。增量式PID算法控制流程如图2所示。 　　医生通过上位机设定牵引力具体参数，单片机接收上位机传输的数据，并控制牵引床工作。在牵引过程中，拉压力传感器实时检测牵引力大小，并将检测到的模拟电压信号传输给单片机，单片机对两路数据进行增量运算，最后输出下一运动目标值给比例阀。当工作时间大于采样周期时，系统重新进行取样，由此形成人体脊柱牵引力的实时闭环控制。
　　3.2 上位机控制
　　上位机软件用于控制下位机进行具体操作，通过上位机软件的可视化参数达到人机交互的效果，具有很强的灵活性和可控性。本系统设计的上位机软件是基于PyQt5平台编写的，PyQt5具有跨平台、代码简洁、开发高效等优点[19]。PyQt5使用Qt Designer对界面进行排版，可节省大量开发时间[20]。其中，上位机接收信息并进行工作的主要流程如图3所示。
　　该上位机首先需要进行床体复位，在确认床体各参数准确无误后，输入患者病例，界面会自动生成一定的指标参数作为参考。医生选择患者牵引治疗模式，输入参数校正，包括牵引力、牵引时间、牵引距离、牵引角度等，治疗参数将通过计算机接口传输给单片机进行控制，驱动执行机构完成相应动作。为了提高牵引治疗的有效性，传感器将检测到的数据实时传输给上位机，并在治疗结束后生成参数报告。在整个治疗过程中，医生能够更加直观地监测患者牵引状态，并根据系统生成的参数报告为患者进行治疗评估。
　　4 系统测试与实现
　　腰椎多维牵引治疗装置采用兩段式设计，分为头胸板和臀腿板，分别对应人体上身和下身。在腰椎牵引过程时，头胸板可进行水平前移，臀腿板可进行摆角、成角、旋转等不同姿态的运动，从而带动仰卧在上面的患者进行腰椎牵引治疗。试验样机如图4所示。
　　该牵引治疗装置在牵引过程中，需要克服人体与牵引床的最小摩擦力，还需要克服人体肌肉组织抗力。由于人体肌肉组织抗力很难确定，因此牵引力主要参考人体的体重设定。Ranier通过解剖新鲜尸体对其腰椎进行牵引研究发现：当牵引力达到149.2kg时，人体腰椎间盘开始破裂。为了保证牵引过程的安全性，临床上选择的牵引力一般不大于68kg[21]。本系统可以在上位机中设定患者体重信息，设备会自动生成牵引力的最适值（一般为体重的1/2），拉压力传感器能够精确检测牵引力大小，并将牵引力信号转化为模拟电压信号。将该信号在单片机中与上位机设定的电压信号进行比较，最后产生比例阀控制信号。合适的PID参数可以使牵引过程具有更高的精度，所以在实验前需要检查各电气硬件之间的连接是否正确，以及蓝牙、上位机、下位机与驱动模块之间的通讯是否正常。本系统选择体重为50kg的治疗对象，通过PID参数整定，[Kp=4.8，TI=1.2，TD=0.04]进行阶跃响应，得到系统响应曲线，并将该响应曲线与不加PID算法时系统的闭环阶跃响应曲线进行对比，实验结果如图5所示。
　　分别计算出两种情况下，阶跃响应曲线的调节时间、超调量和稳态误差如表1所示。加入PID控制算法后，系统阶跃响应曲线的调节时间、超调量和稳态误差都得到了明显改善，提高了牵引治疗效果。
　　5 结语
　　本文设计了一款腰椎多维牵引治疗装置控制系统，采用液—电混合式驱动，既具备纯电机驱动的优点，又结合了液压驱动的稳定性与可控性，有效减少了牵引过程中的振动和噪声，改善了治疗效果。多传感器控制技术实现了对角度、位移、拉压力等物理量信息的实时采集与反馈，并通过基于PyQt5制作的上位机软件进行直观显示。在操作过程中，医生可根据患者的不同情况选择合适的牵引模式与牵引维度，并且配有数字化治疗病例，可将之前的治疗参数作为参考，在患者每次治疗前，医生可进行参数校正。增量式PID控制算法实现了牵引力的闭环控制，有效提高了腰椎牵引治疗装置控制的精度和准确性。但在实际临床牵引过程中，腰椎病人的体重是不固定的，所以增量式PID控制算法大大限制了系统的灵活性，因此接下来需要改进并优化控制算法，使其能够在线调节PID参数，实现真正意义上的牵引力精准控制与自动补偿。
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　　（责任编辑：黄 健）
　　收稿日期：2019-11-18
　　基金项目：上海康复器械工程技术研究中心资助项目（19DZ2280400）
　　作者简介：邓露露（1994-），女，上海理工大学康复工程与技术研究所硕士研究生，研究方向为智能控制;喻洪流（1966-），男，博士，上海理工大学康复工程与技术研究所教授、博士生导师，研究方向为人体仿生机械及智能控制、康复机器人、人机智能交互技术等。
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