趙亞麗，李金霞，張立強(qiáng)

1.蘭州總醫(yī)院 a.門診部；b.兒科，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 溫州泵閥工程研究院，浙江 溫州 325105

引言

近年來隨著我國(guó)人口日益老齡化，患有腰椎間盤突出癥（Lumbar Disc Herniation，LDH）的老年患者數(shù)量越來越多。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，其發(fā)病率高達(dá)2.5%～13.5%[1]。腰椎間盤突出癥是由于腰椎間盤的各部分（髓核、纖維環(huán)及軟骨板）功能退行改變后，在外力因素作用下，導(dǎo)致纖維環(huán)破裂，髓核組織從纖維環(huán)的破裂處脫出，使得脊椎神經(jīng)根收到刺激或壓迫，引起人們腰部、腿部等的不適癥狀。目前，醫(yī)學(xué)上治療腰椎間盤突出的手段主要有兩種方式：手術(shù)治療和非手術(shù)治療[2-4]。非手術(shù)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(yī)療器械[6]。

采用牽引床對(duì)患者進(jìn)行腰椎或頸椎的牽引治療，臨床證明能夠達(dá)到較好的康復(fù)療效[2-8]。因此醫(yī)療上對(duì)牽引床的需求也越來越大，使用也越來越廣泛。由于目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的牽引床的基本結(jié)構(gòu)都是機(jī)械—電氣—單片機(jī)控制模式，存在質(zhì)量重、噪聲大、誤差大、設(shè)置復(fù)雜，且驅(qū)動(dòng)的平穩(wěn)性不高等一系列的缺陷[9-10]。

本牽引床設(shè)計(jì)采用雙液壓缸驅(qū)動(dòng)以及計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)牽引、旋轉(zhuǎn)、傾角、擺角四個(gè)動(dòng)作的多功能控制，滿足牽引治療的需要。其操作簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)過程平穩(wěn)舒適，提高了牽引力的可控性和穩(wěn)定性，降低了工作噪聲和牽引誤差。

1 牽引床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一種液壓型醫(yī)用牽引床的外觀圖及結(jié)構(gòu)原理圖，見圖1。液壓型牽引床主要由床體、浮動(dòng)床板和液壓系統(tǒng)組成。該牽引床采用雙液壓缸傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)浮動(dòng)床板，實(shí)現(xiàn)牽引、旋轉(zhuǎn)、擺角和傾角4個(gè)基本動(dòng)作，并通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的物理量，如拉力、距離、角度、時(shí)間等參數(shù)的變化。通過程序控制可以將各種參數(shù)的任意組合，實(shí)現(xiàn)理想的治療效果。

圖1 液壓型醫(yī)用牽引床外觀圖（a）及結(jié)構(gòu)原理圖（b）

1.2 工作原理

牽引治療法主要是根據(jù)生物力學(xué)原理和中醫(yī)推拿正骨原理而產(chǎn)生的。牽引床從治療機(jī)理上來說，吸取中醫(yī)牽引治療和推拿治療的精華，將傳統(tǒng)中醫(yī)治療腰椎、頸椎等的手法通過機(jī)械裝置來完成，使得治療更可靠，同時(shí)也減輕了醫(yī)生的負(fù)擔(dān)。牽引床通過應(yīng)用力學(xué)中作用力與反作用力原理，對(duì)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(luò)，改善局部血液循環(huán)，實(shí)現(xiàn)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于牽引床上，當(dāng)需要對(duì)腰椎進(jìn)行牽引時(shí)，浮動(dòng)床板通過滾輪沿著床體軌道床體上根據(jù)液壓缸的控制，實(shí)現(xiàn)牽引；當(dāng)需要對(duì)頸椎進(jìn)行牽引時(shí)，液壓缸控制浮動(dòng)床板，使其在床體上移動(dòng)，完成牽引。根據(jù)治療方案，牽引工作可以分步完成也可以同時(shí)完成。另外，如果需要對(duì)床體進(jìn)行傾斜或旋轉(zhuǎn)，可以通過控制兩個(gè)液壓缸的一伸一縮動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)，精確控制兩個(gè)液壓缸的伸出或者縮回的長(zhǎng)度可以獲得不同的床體傾斜角度或者旋轉(zhuǎn)幅度。

牽引床的總體參數(shù)根據(jù)人體的最大生理活動(dòng)范圍以及臨床需求所確定[11-13]。牽引力以達(dá)到頸椎或腰椎椎間隙的增大而不會(huì)產(chǎn)生肌肉、關(guān)節(jié)損傷為目的，牽引時(shí)間不宜過長(zhǎng)，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(shí)間小于等于0.5 s，慢速牽引時(shí)間大于等于4 s，系統(tǒng)工作壓力為1 MPa。

2 牽引床液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、控制平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，可用于醫(yī)療裝備的控制[14-15]。根據(jù)腰椎牽引需要，牽引床的牽引過程應(yīng)考慮持續(xù)牽引和間隙牽引兩種工作狀態(tài)。持續(xù)牽引是指一次牽引過程經(jīng)過一段休止時(shí)間①之后，牽引力達(dá)到設(shè)定值，保持不變，完成牽引工作；而間隙牽引過程會(huì)有幾次牽引力的減小，經(jīng)過休止時(shí)間④后，再次循環(huán)牽引，主要適用于年紀(jì)較大的人群。其示意圖，見圖2。

雙液壓控制系統(tǒng)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。通過液壓缸的活塞桿實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)床板的運(yùn)動(dòng)；溢流閥當(dāng)作安全閥使用，當(dāng)壓力超過系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，打開溢流，起過載保護(hù)作用；通過壓力表實(shí)時(shí)檢測(cè)油路的壓力；蓄能器作為牽引動(dòng)力源之一，用來將儲(chǔ)存的多余液壓油在需要時(shí)釋放出來。蓄能器不僅將能量高效回收，還增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)方便且效率高。在該系統(tǒng)中采用三重保護(hù)措施，即溢流閥、蓄能器和壓力表共同保證系統(tǒng)安全可靠。

圖2 牽引過程示意圖

圖3 液壓控制系統(tǒng)工作原理圖

當(dāng)牽引床不工作，即初始狀態(tài)時(shí)，兩液壓缸活塞桿均處于液壓缸最底部，浮動(dòng)床板1、2在水平面并緊。牽引床工作時(shí)，首先通過計(jì)算機(jī)設(shè)定需要牽引的距離x1和x2，油液從液壓缸的無桿腔進(jìn)入，推動(dòng)活塞桿使其運(yùn)動(dòng)距離L-x，處于設(shè)定位置。換向閥6的中位機(jī)能是P型的，即當(dāng)油液通過該閥時(shí)，兩個(gè)工作油口均有壓力油，分別控制兩個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)。也就是說，牽引床可以同時(shí)完成腰椎和頸椎預(yù)先設(shè)置好的牽引工作。當(dāng)僅需要對(duì)頸椎進(jìn)行牽引時(shí)，電磁換向閥6處于左位，換向閥9左右切換，根據(jù)溢流閥10和11的設(shè)定值控制液壓缸14，從而控制浮動(dòng)床板1實(shí)現(xiàn)對(duì)頸椎的牽引；當(dāng)僅需要對(duì)腰椎進(jìn)行牽引時(shí)，電磁換向閥6處于右位，換向閥15左右換向，控制液壓缸20，從而控制浮動(dòng)床板2實(shí)現(xiàn)對(duì)腰椎的牽引。

當(dāng)換向閥6接通到左位時(shí)，若活塞向左運(yùn)動(dòng)，當(dāng)換向閥9突然換向，活塞左側(cè)的壓力由于運(yùn)動(dòng)部件的慣性而突然升高，當(dāng)壓力超過反應(yīng)靈敏的小型直動(dòng)式溢流閥10的設(shè)定壓力時(shí)，溢流閥10打開溢流，以減小管路中的液壓沖擊，使浮動(dòng)床板1運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；同時(shí)，通過單向閥13向液壓缸的右腔補(bǔ)充油液。當(dāng)換向閥6接通到右位時(shí)，溢流閥16、17同樣起到平穩(wěn)浮動(dòng)床板2運(yùn)動(dòng)的作用，單向閥18、19起補(bǔ)油作用，工作原理相同。當(dāng)活塞桿運(yùn)行距離x后，液壓缸處于靜止?fàn)顟B(tài)，滿足牽引的需要。牽引工作完成后，電磁閥斷電，使得活塞桿移動(dòng)距離L，恢復(fù)至初始零位。

在液壓型牽引床的兩個(gè)液壓缸上安裝有位移傳感器和力傳感器，可實(shí)時(shí)檢測(cè)位移和力的大小，以達(dá)到醫(yī)療所需的精確值。通過液壓傳動(dòng)與控制，能夠有效地提高牽引床的工作效率，而且驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)，減小了治療過程中的振動(dòng)與噪聲。

3 牽引床計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鑒于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的方便快捷、控制精度高，且具有良好的開發(fā)性等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)牽引床的控制采用計(jì)算機(jī)控制。牽引床采用計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制的原理圖及控制系統(tǒng)框圖，見圖4。計(jì)算機(jī)主要完成比較運(yùn)算、控制和輸出的功能。由于計(jì)算機(jī)只能識(shí)別數(shù)字信號(hào)，因此需要將反饋測(cè)量元件輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；同時(shí)，牽引床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也需要將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。為使得牽引床控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，計(jì)算機(jī)可選用觸摸屏，傳感器及信號(hào)轉(zhuǎn)換器可選用集成一體式[15-18]。

圖4 計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)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(zhuǎn)換后，控制執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)該設(shè)定；同時(shí)，由檢測(cè)元件對(duì)輸出量進(jìn)行檢測(cè)，A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，反饋給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)比執(zhí)行元件的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與給定參數(shù)的偏差，并根據(jù)偏差調(diào)整輸入控制器的信號(hào)，完成牽引床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，最終實(shí)現(xiàn)床體的精確運(yùn)動(dòng)，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(jī)械—電氣控制模式的牽引床操作流程類似，主要有：① 設(shè)備初始化，確認(rèn)設(shè)備正常；② 患者就位，患者平躺在床面上并扣緊上身和下肢的綁帶；③ 選擇牽引模式，設(shè)定牽引力、牽引時(shí)間，是否成角牽引，間歇牽引還是持續(xù)牽引；④ 牽引過程監(jiān)控，包括牽引不適時(shí)的緊急退回操作；⑤ 牽引治療完成后的緩慢復(fù)位，以及患者短暫平臥休息后的離位。

需要注意的是，在牽引過程中，應(yīng)根據(jù)患者自身的感覺設(shè)定牽引力大小和牽引時(shí)間的長(zhǎng)短，第一次牽引時(shí)牽引力不要調(diào)至過大。間歇牽引牽引力建議從體重的1/4逐漸調(diào)至體重的1/2；持續(xù)牽引牽引力建議從5～7 kg逐漸調(diào)至體重的1/3。禁止空腹?fàn)恳?，腰椎牽引宜在飯?0 min以后，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(dāng)減小牽引力或者縮短牽引時(shí)間，甚至使用緊急退回功能，將牽引床復(fù)位。

5 結(jié)論

針對(duì)牽引床的各種需求，并結(jié)合我院當(dāng)前牽引床的臨床應(yīng)用，筆者合作液壓專業(yè)人員，應(yīng)用計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制的雙液壓缸驅(qū)動(dòng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種液壓型醫(yī)用牽引床控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)醫(yī)用牽引床的精確、平穩(wěn)控制，滿足頸椎和腰椎等骨骼的多方位、全方面的治療需求。

考慮我院當(dāng)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，采用雙液壓缸系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制，可使醫(yī)用牽引床的各種牽引性能更易實(shí)現(xiàn)；對(duì)牽引床牽引、旋轉(zhuǎn)、傾角、擺角的四個(gè)動(dòng)作的控制更加精確，控制過程平穩(wěn)，而且能夠有效減小牽引床動(dòng)作過程中的振動(dòng)和噪聲。

當(dāng)前雖有一些相關(guān)牽引床專利，但目前市場(chǎng)尚無成熟的液壓型牽引床產(chǎn)品，醫(yī)療上仍普遍采用機(jī)械—電氣控制模式的牽引床；基于計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制雙液壓缸驅(qū)動(dòng)的液壓型醫(yī)用牽引床，具有產(chǎn)品推廣的價(jià)值。