伺服控制系統(tǒng)在脊柱牽引治療中的應用
2017-6-1 來源：山東省藥學科學院 作者：成志新，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、治療效果有限的問題，我們設計了一款智能人體脊柱精準牽引治療系統(tǒng)，并建立了相應的伺服控制系統(tǒng)。系統(tǒng)基于“脊柱減壓”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，利用傳感器測控技術和 ID 控制算法，將平滑隨動的牽引力精準施加于患者病變椎段，用較小的牽引力把受損椎間隙拉大，產生椎間負壓，達到治療頸、腰椎間盤突出等癥的目的。實驗結果表明，該系統(tǒng)牽引力跟蹤精度高、治療效果突出，具有較好的臨床使用價值。
關鍵詞: 伺服控制系統(tǒng); 脊柱減壓; 隨動; 椎間負壓
1.引 言
隨著人們生活、工作方式的改變，頸、腰椎間盤突出癥已成為常見病癥。近年來文獻資料表明，將牽引治療單獨或綜合應用于椎間盤突出癥治療，多數(shù)患者癥狀有較明顯的好轉或減輕［1］，成為非手術治療椎間盤突出癥的首選方法。市場上現(xiàn)有的牽引設備主要有快速牽引和慢速牽引兩種。快速牽引治療的原理在于瞬間牽引使椎間隙增加，椎間盤內壓下降，使突出物還納減輕對神經壓迫［2］，但該類設備牽引力較大且瞬間釋放，其治療的適應癥范圍具有較大的局限性; 慢速牽引設備多采用小牽引力、多種固定模式、長時間持續(xù)作用的治療方式［3］，治療過程中脊柱處于持續(xù)受力狀態(tài)，脊椎兩側肌肉產生收縮抵抗，抵消了牽引力，在療效方面尚不盡人意。近年來，國際上基于牽引治療，提出“脊柱減壓”治療的概念［4］，即牽引力以特定角度施加于脊柱病變部位并在治療過程中實時調整，使脊椎兩側肌肉得到放松，允許椎間盤分離，椎間隙內產生負壓，使椎間盤突出物吸收回納的治療方法［5］。我們采用“脊柱減壓”治療的概念，設計一款新型慢速牽引系統(tǒng)，選用伺服電機為動力源，把傳感器測控技術和計算機控制技術運用到脊柱減壓治療系統(tǒng)中，實現(xiàn)牽引力的精確控制。
2.系統(tǒng)總體設計
系統(tǒng)主要包括四大功能模塊: 人機交互及通信模塊、核心控制模塊、伺服動力模塊、數(shù)據(jù)采集模塊。該系統(tǒng)的總體結構見圖 。
圖 1 系統(tǒng)結構框圖
2.1 人機交互及通信模塊
系統(tǒng)采用 PC 機作為上位機實現(xiàn)人機交互功能。上位機根據(jù)輸入的治療數(shù)據(jù)運算并生成牽引力曲線、牽引角度等參數(shù)，通過 USB 通信將相應數(shù)據(jù)傳送給微處理器，并將微處理器反饋回來的數(shù)據(jù)以曲線等形式顯示出來，以客觀顯示與預設數(shù)值的擬合程度。另外，上位機還負責網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信，將治療數(shù)據(jù)存儲于遠程數(shù)據(jù)庫中，能夠實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲及訪問。
2.2 微處理器核心控制模塊
系統(tǒng)選用 ATmega16 單片機作為核心處理器。核心處理器將上位機傳送來的治療參數(shù)進行處理并發(fā)送指令，驅動執(zhí)行機構動作，并通過讀取傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，實時對執(zhí)行機構進行調整，確保實際牽引力、牽引角度等與預設數(shù)值保持一致，并將牽引力、牽引角度反饋到上位機界面進行顯示。
2.3 伺服動力控制模塊
伺服動力控制模塊是系統(tǒng)實現(xiàn)治療功能的關鍵執(zhí)行部件，主要包括伺服驅動器、伺服電機、角度調節(jié)電機。伺服驅動器接受微處理器發(fā)出的運動指令，驅動交流伺服電機輸出力矩，為系統(tǒng)提供精準平穩(wěn)的牽引力; 角度調節(jié)電機改變牽引力的施加角度，確保系統(tǒng)以特定角度精準作用于病變部位，避免脊柱整體受力。
2.4 數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊主要有力量傳感器、角度傳感器、信號調理電路以及 ATmega16 單片機自 帶的 A/D轉換電路組成，實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)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程中的牽引力、牽引角度等參數(shù)，并反饋給微處理器，以便系統(tǒng)及時調整設備動作。
3.伺服控制系統(tǒng)的設計
實現(xiàn)牽引力的精確控制、數(shù)據(jù)采集的精確度及反饋的實時性是交流伺服控制系統(tǒng)的主要目標。為了減少治療過程中各種干擾信號及不確定因素的影響，提高伺服控制系統(tǒng)的工作精度，需要選用穩(wěn)定性好、抗干擾能力強的伺服電機以及采樣精度高、靈敏度好的傳感器，并且通過 PID 控制提高整個系統(tǒng)的性能。
3． 1 伺服控制系統(tǒng)
伺服控制系統(tǒng)采用閉環(huán)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(huán)節(jié)的協(xié)同作用下，實現(xiàn)牽引力的精準控制。
根據(jù)患者信息，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為系統(tǒng)的輸入信號Uref; 治療過程中，牽引力傳感器實時測量牽引力的大小，經濾波、放大后得到的電壓值即為系統(tǒng)的反饋信號 Uf; 反饋信號 Uf與設定電壓 Uref經減法運算之后形成偏差，即誤差信號 U = Uref－ Uf。單片機對誤差信號 U 處理后，輸出控制信號，實時調整伺服電機的輸出轉矩，將動態(tài)隨動的牽引力施加于患者病變椎段，從而形成伺服控制系統(tǒng)的閉環(huán)反饋設計。系統(tǒng)運行過程中，要求反饋實時準確地跟蹤設定量，所以系統(tǒng)需要滿足調節(jié)時間小、響應速度快的特點。PID 控制算法簡單高效、參數(shù)可調，可以在實際運行中根據(jù)情況調節(jié)比例、積分、微分 3 個參數(shù)來達到較好的控制效果［6］，所以我們將 PID 控制運用伺服控制系統(tǒng)中，以提高系統(tǒng)控制效果。
伺服控制系統(tǒng) PID 算法原理圖見圖 3，系統(tǒng)將測得的電壓信號與給定信號進行對比，根據(jù)偏差信號 U 的大小，計算出 PID 算法中所需的 PID 參數(shù)，最終得到準確的被控量牽引力 F。
3.2 伺服動力機構的選擇
治療過程中牽引力實時跟隨設定牽引力變化，并且根據(jù)肌肉抵抗力的變化迅速做出調整，避免產生椎旁肌肉收縮或痙攣，整個閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的控制目標是將動態(tài)隨動牽引力精準施加于患者病變椎段。伺服驅動器可以使伺服電動機工作在速度模式、位置模式或者轉矩模式。轉矩模式下，通過不斷改變伺服電機的輸出轉矩可以實現(xiàn)脊椎牽引力的實時動態(tài)控制，另外伺服驅動器采用強健性控制技術，使得伺服電機的低速特性更佳［7］，更能有效運用于脊柱減壓治療系統(tǒng)。
經過分析和計算，系統(tǒng)選用臺達交流伺服電機，通過設置伺服驅動器，使電機處于轉矩模式。伺服驅動器接收單片機傳輸?shù)臓恳π盘枺ㄟ^改變伺服電機的輸出轉矩，將動態(tài)隨動的牽引力精準施加于患者病變椎段。
3.2.1 腰椎牽引機構
腰椎牽引機構的示意圖見圖 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 帶動連接盤 4 牽引拉力傳感器 6，生成的拉力促使牽引底板 7 帶動綁帶盤 5，從而達到腰椎牽引的目的。
通過以上計算可知 T0 ＞ T，選用該型號的伺服電機作為腰椎牽引機構，轉矩可以達到控制要求。
3.2.2 頸椎牽引機構
頸椎牽引機構的示意圖見圖 5，由安裝在底座 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，并經連接盤6 把牽引力傳給拉力傳感器 7，從而拉動頭板 2 進行頸椎牽引治療。
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構，轉矩可以達到控制要求。系統(tǒng)的脊椎牽引機構與頸椎牽引機構均為伺服電機直接帶動絲杠，進而牽動胸板與頭板以線性拉力的形式作用于患者脊椎，這種作用方式直接、反應快，可以迅速地調整牽引力。
3.3 ADC 采樣
數(shù)據(jù)采集的精確度影響牽引力的跟蹤精度，從而對整個伺服控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)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(xiàn)每秒 15 k SPS 的采樣速率，可以滿足伺服控制系統(tǒng)的要求。ADC 的工作電源由 AVCC 提供，AVCC 的穩(wěn)定性影響 ADC 的轉換精度，系統(tǒng)電源 VCC 通過 π 形濾波器接入 AT-mega16 的 AVCC 引腳，這樣就能很好地抑制系統(tǒng)電源中的噪聲，提高 AVCC 的穩(wěn)定性。圖 6 為 π 型濾波連線圖。
4 系統(tǒng)測試結果分析
系統(tǒng)根據(jù)患者體重、身高、病痛部位等生成獨特的牽引曲線，牽引曲線中的最小牽引力為最大牽引力的一半。治療過程中要求牽引力實時跟隨牽引曲線變化，我們通過臨床實驗對系統(tǒng)性能進行測試。
4.1 臨床實驗結果
我們選用 35 例腰椎間盤突出癥患者接受脊柱減壓系統(tǒng)的治療，經過 5 ～ 6 周的 20 次治療之后，有31 位患者疼痛癥狀得到不同程度的緩解，有效率可以達到 89% 。治療過程中患者對治療的耐受性較高，并且未發(fā)現(xiàn)不良反應。完成治療后，對其中的25 位有效治療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于治療結束時的狀態(tài)，個別患者有復發(fā)趨勢。從臨床數(shù)據(jù)可以看出，脊柱減壓伺服控制系統(tǒng)對于腰椎間盤突出等癥具有較好的療效。
4.2 牽引曲線
以體重 50 KG 的患者為例，系統(tǒng)生成的腰椎牽引曲線，最大牽引力為 200 N，最小牽引力為 100 N，患者的腰椎曲線治療界面見圖 7，上層曲線是根據(jù)患者信息生成的標準牽引曲線，下層曲線是治療過程中生成的實際牽引曲線，從圖中可以看出，實際牽
引力曲線與設定牽引力曲線擬合程度較好。圖 7 中時間 00: 00: 45 處顯示的是治療過程中患者在床體上稍微移動造成的干擾，經過伺服控制系統(tǒng)的及時調整，系統(tǒng)輸出的牽引力動態(tài)地跟蹤設定值，牽引曲線很快恢復原定軌跡。結果表明，系統(tǒng)動態(tài)可控性好，能夠較快的抵制干擾信號。
5.總結
本研究針對目前腰椎間盤疾病患者較多，而現(xiàn)有頸、腰椎牽引機構牽引精度低的問題，設計了一種基于“脊柱減壓”的新型頸、腰椎牽引治療系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的四大功能模塊，并重點研究了相應的伺服控制系統(tǒng)，從伺服動力機構、數(shù)據(jù)采集、PID 控制算法等方面提高了伺服控制系統(tǒng)對牽引力的跟蹤控制精度，并通過實驗對控制效果進行了說明。實驗結果表明，系統(tǒng)抑制患者干擾的能力和對牽引力的跟蹤精度較高，治療效果明顯，從而驗證了整個脊柱減壓伺服控制系統(tǒng)的精度和可行性。
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