（机械电子工程专业论文）新型多功能牵引床创新设计.pdf

摘要摘要主要内容为设计一种新型多功能牵引床，用来治疗颈、腰椎方面的疾病。它根据生物力学原理及中医推拿正骨原理设计面成。在治疗机理上，它吸取中医牵引治疗腰( 颈) 椎类疾病的精华及中医传统推拿学派的专长，将中医传统推拿中的各种手法如屈曲背伸牵引、旋转复位、拉拔分解为牵引、旋转、摆角、倾角四个基本动作，并转化为微机传感器控制下的物理量，如拉力、距离、角度、时间等参数，利用程序进行组合控制、模拟医生的手法，实现三维正脊疗法，达到多种动作组合，完成医生难以达到的复杂手法，既达到了治疗效果，又减轻了医生的繁重体力劳动。设计将多功能牵引床分解成牵引部分、旋转部分、倾角部分、摆角部分、液压系统部分、电器控制部分、颈牵部分等几个功能模块，便于设计与功能组合。为了旋转牵引时对病人脊柱减少由剪切力带来的损害，力求设计成共轭双向旋转，即将人体脊柱中心与设备旋转中心基本重合。将各种参数如牵引力、牵引距离、旋转角度、成角角度、摆角角度、牵引时间、保持时间、松弛时间等各项参数由计算机精确控制，做到安全、可靠、防止意外事故发生。设计采用理论结合实际的方法，结合临床医学与现在国内外牵引床的现状，将功能分解，然后组合成各功能模块，由计算机软件控制，并由计算机管理一些人体基本数据，实现人机一体化，是一种比较典型的机电类产品。设计创造性地将各动作分解成几种模块，又提出双中心重合( 即人体脊柱中心与设备旋转中心) 理论，适用于不同类型、不同年龄的病人，且人机界面友好、功能多、参数值多，且精度高、设备噪问低、震动小，符合医院这个特殊环境，是非手术疗法中治疗颈、腰椎类疾病的一种较理想的方法，既达到了治疗效果，又节约了卫生资源，值得推广。关键词多功能牵引床；牵引；旋转；摆动；倾角t h em a i nr a i mi nt h i sa r t i c l ei sd e s i g n i n gan e wk i n do fm u l t i - f u n c t i o n a lt r a c t i o nb e d w ec a n u s ei tf o rm a n yd i s e a s e ss u c ha sn e c ka n dl u m b a r i tb a s e so nb i o l o g ym e c h a n i c st h e o r ya n dh e r b a l i s td o c t o r sm a s s a g ec o r r e c t i t u d eb o n et h e o r y i nt r e a t m e n tm e c h a n i s m ，i ta s s i m i l a t e sm a n yd i s t i l l a t e so fh e r b a l i s td o c t o rs u c ha st h et h e o r yo ft r a c t i o ni nc u r i n gn e c ka n dl u m b a rd i s e a s e s ，a n dt h es p e c i a l i t yo nt r a c t i o nm e s s a g es c h 0 0 1 w ec a nd e c o m p o s eh e r b a l i s td o c t o r sm a n yp l o y si n t oa l lk i n d so fa c t i o n s f o re x a m p l e ，f f e x u o s i t ya n db a c ki o l it r a c t i o n 、c i r c u m r o t a t e 、r e p l a c e m e n ta n dd r a w i n gc a nb ed i s a s s e m b l e di n t ot r a c t i o n 、c i r c u m r o t a t e 、l a yb a r e 、o b l i q u i t ya n db a s i sm o t i o n i na d d i t i o n , t l l e yc a nb et r a n s l a t e di n t om a n yp h y s i c sp a r a m e t e r so nt h ec o m m a n do fc o m p u t e ra n ds e n s o l s t h e s ep a r a m e t e r si n c l u d e sp u l l 、d i s t a n c e 、a n g l ea n dt i m e c o m p u t e rp r o g u a m sc a l lc o m p o u n dt h o s ep a r a m e t e r sa n ds i m u l a t ed o c t o r st e c h n i q u e o n l yb yt h e s ef a s h i o n s ，c a l lw ei m p l e m e n tt r i d i m e n s i o n a lc o r r e c t i t u d el u m b a rt h e r a p e u t i c s w ec a na c h i e v em u l t i m o t i o na s s e m b l e d w ec a na c c o m p l i s hd o c t o r sc o m p l e x i t yp l o y w ew i ne f f e c ti nt r e a t m e n t d o c t o r sh e a v yp h y s i c a lf o r c eb a b o rc a nb el i g h t e n e d m u l t i f u m c t i o n a lt r a c t i o nb e dc a l lb ed i s a s s e m b l e di n t om a n yf u n c t i o nm o d u l e s t h e s em o d u l e si n c l u d et r a c t i o nm o d u l e 、c i r c u m r o t a t em o d u l e 、o b l i q u i t ym o d u l e 、l a yb a r ea n g l em o d u l e 、h y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m 、e l e c t r i c i t yi m p l e m e n tc o n t r o l l e ra n dn e c km o d u l ee t e w ec a l le a s i l yd e s i g nt h o s em o d u l e sa n dr e a l i z ef u n c t i o n a lc o m b i n a t i o n i no r d e rt or e d u c et h ed a m a g eo ns p i n eb yc u tf o r c ew h e nw et r e a td i s e a s e s , w ed o0 1 1 1 - b e s td e s i g n i n gi ti n t oc o n j u g a t ed o u b l ec i r c u m r o t a t e t h a ti st os a y ,f l e s hs p i n ea n de q u i p m e n tc i r c u m r o t a t ec e n t e ri nt h es a m el i n e m a n yp a r a m e t e r ss u c ha st r a c t i o n 、d i m e n s i o n 、c i r c u m r o t a t ea n g l e 、o b l i q u i t ya n g l e 、t r a c t i o n t i m e 、p r e s e r v e - t i m ea n dr e l a x t i m ec a nb ec o n t r o l l e de x a c t l yb yc o m p u t e r w ec a nd oi ts a f e l y 、c r e d i b i l i t ya n dn oc o n t i n g e n c yo c c u r r e d a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo f e x o t e r i c ac o m b i n i n ge f f e c t ，a n dl i n k i n gc l i n i cm e d i c i n ei i l摘要i n s i da n do u t s i d e ，w ed i v i d et h o s ef u n c t i o n si n t om a n yf u n c t i o n a lm o d u l e s t h e s em o d u c e sw e r ec o n t r o l l e db yc o m p u t e r c o m p u t e rc a nm a n a g em a n ye s s e n c i a lf l e s hd a t a m u l t i f u n c t i o n a lt r a c t i o nb e di sat y p i c a lm a c h i n e e l e c t r i c i t yp r o d u c t i nt h i sd e s i g n , w ec r e a t i v i t yd e c o m p o s ee a c hm o t i o ni n t of u n c t i o nm o d u l e i na d d i t i o n , w e 嘶n gf o r w o r dt h et h e o r yo fs u p e r p o s i t i o ni nt w oc a n t e r s t h i se q u i t m e n ti st h e $ a m ew i t hd i f f e r e n ts t y l e sa n dd i f f e r e n ta g e sp a t i e n t s t h ei n t e r f a c eb e t w e e nh u m a n - m a c h i n ei sn e i g h b o r i th a sn o to n l ym a n yf u n c t i o n s ，p a r a m e t e r sb u ta l s oh a sh i g h e rp r e c i s i o n 、l o w e rn o i s e s 、l e s st r e m b l e i ta n s w e r sf o rt h es p e c i a lc i r c u m s t a n c ei nh o s p i t a l t h i st e c h n i q u ei sap e r f e c tm e a n si nd e a lw i t hn e c ka n dl u m b a rd i s e a s e s w ea c h i e v en o to n l yt r e m m e n tp u r p o s e , b u ta l s os a v i n gs a n i t a t i o nr e s o u r c e s t h i se q u i p m e n tw a sg o o df o rp o p u l a r i z e da c t i v e l y k e y w o r d s ：m u l t i f u n c t i o n a lt r a c t i o nb e d ；t r a c t i o n ；c i r c u m r o t a t ea n g l e ；l a yb a r ea n g l e ；o b l i q u i t yi l l原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：垄盏日期：碴堑尘鲨关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。( 保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：二垄豆导师签名( 勉日期：畦! 垒苎：乡，第1 章绪论第1 章绪论1 1 概述腰椎间盘突出症是指腰椎间盘发生退行性病变以后，在外力作用下，纤维环部分或全部破裂，连同髓核一并向外膨出，刺激或压迫神经根、血管或脊髓等组织所引起的腰痛，并伴有坐骨神经放射痛等症状为特征的一种病交椎间盘组织，在人体无血液供应，靠淋巴的渗透维持营养仅纤维环表层有少量血液供应【1 1 。据统计，在一生中，9 0 的人一生中都有过下肢腰疼的体验，下腰疼的发病率约为1 5 ，男女发病率基本相同。由于骨质疏松，老年女性比同龄男性重。所以老年女性下腰疼发病率明显增加。腰椎间盘突出症病人l 。5 、l 5 s l 突出占9 0 0 以上，年龄以2 0 - 5 0岁为多发，随年龄增大，l 3 4 、l 2 3 发生突出的危险性增加2 1 。f r y m o y e r 估计f 3 一，在美国每年因下腰疼而失去2 1 7 9 亿个工作日，一年内有o 7 的下腰疼病人误工超过半年，工人为此每年损失1 1 0 亿美元的工作，为此损失了大量的工作日和卫生资源。但在腰椎间盘突出症患者中，8 5 9 0 的人经积极适当的非手术疗法可获得满意的恢复睁1 。现在医学上对腰椎问盘突出症的治疗有两种方式【6 】：手术治疗和非手术治疗。手术治疗病人痛苦大，有创伤面，恢复时间长，费用高，只用于其他手段无法治疗的情况下。非手术治疗有：物理治疗、经皮阻滞治疗、牵引治疗、微创介入治疗、推拿治疗、腰脊柱手法治疗、针灸治疗、钩针治疗、小针刀治疗、拔罐治疗、药物治疗等。多功能牵引床就是进行牵引治疗的医疗器械。1 2 牵引床的作用腰椎问盘突出症的牵引疗法是应用力学中作用力与反作用力之间的关系，通过特殊的牵引装置来达到治疗目的的一种方法。牵引床的主要作用旷”1 有：( 1 ) 起腰部的固定和制动作用牵引时，在作用力和反作用力的平衡状态下，受牵拉的腰部处于一个相对固定的正常列线状态，腰部的运动范围及幅度较卧床休息和佩带腰围时更进一步得以限制，以便于减轻或消除局部的充血、渗出、水肿等炎性反应。( 2 ) 松弛腰背部肌肉腰椎间盘突出症，由于脊神经的受压或受刺激，多伴有山东大学硕士学位论文腰背部肌肉痉挛，这样不仅导致了腰部的疼痛症状，而且还会构成腰椎的列线不正。牵引疗法可以逐渐使腰背肌放松，解除肌肉痉挛。( 3 ) 恢复腰椎的正常列线在牵引时，若将患者腰椎放置在生理曲线状，随着牵引时间的延长，列线不正的现象可以逐步恢复至正常。( 4 ) 改善突出物与神经之间的关系对于腰椎间盘突出症轻型或早期的患者，牵引疗法可使椎间隙逐渐被牵开，而有利于突出物的还纳。对于病程相对较长的患者，牵引可解除粘连组织和挛缩的韧带、关节囊牵开使椎管间隙相应增宽，两侧狭窄的椎间孔也可同时被牵开，从而缓解或消除了对神经根的压迫与刺激，对减轻下肢麻木和疼痛有较好效果。( 5 ) 牵引床的作用牵引床可治疗1 1 3 】各型颈、腰椎问盘突出症、关节突关节紊乱、椎体神经根粘连、间隙神经根在腰神经通道内的卡压关节、胸腰椎压缩性骨折、滑膜嵌顿、腰椎假性滑脱、早期强直性脊柱炎等方面均有较好的疗效。1 3 牵引床的国内外现状牵引床作为一种非手术疗法，其发展与非手术治疗腰椎间盘突出症的发展有息息相关的联系。随着医学诊断水平的提高，人们对腰椎间盘突出症的病理基础的研究不断深入，认识日渐清晰和完善。传统的“压迫学说”仅为致病的一个方面，手术疗法也不是唯一的首选方法。用l 临床疗效来验证治疗方法，避弊用利。手法上，从手法的单一多样化方面对腰椎间盘突出症治疗的疗效观察，发展到从生物力学的角度去分析。认为手法是在正常脊柱运动允许的条件下，顺应并加大其四个轴线上运动产生的应力n “，突出物在三维空间的位移变形可能性较大n 钉的作用原理。药物上，从中西药口服止痛消炎、扩管活血、利尿消肿的胃肠道用药逐渐发挥药效，发展到静脉、骶管、硬膜外以及在椎间盘突出较多的侧隐窝处时神经根产生压迫的地方“盯直接用药，即刻解除症状的方法；从手法、药物的单独应用，发展到2 种方法同时使用；从对手法治疗作用的研究，发展到注意一些手法治疗对腰椎间盘突出症的负面效应的探讨；提出发病各期采用手法不当反而使病情加重的经验教训 1 7 3 , 手法过轻达不到疗效，过重容易损伤周围组织甚至造成截瘫d s 3 , 从大量非手术疗法重视脊柱局部的内在稳定研究的文章中，开始提到功能锻炼的重要性d 0 3 而王建霞的“功能锻炼在腰椎电牵引治疗腰椎间盘突2，第1 章绪论出症中的作用”一文中，从更高的角度提出：正常的腰部肌力是防止腰椎间盘突出症的重要因素，椎旁肌、腰腹肌是维持脊柱外源性稳定的重要因素伽1 。外源性稳定因素功能失调，所导致的腰椎力学结构平衡的改变，应是引起腰椎间盘突出症发生的重要因素 2 1 j 0 从而从脊柱整体探讨了腰椎间盘突出症的发病原理。从古至今牵引床一直是社会医学界人士研究的重点对象。国外一直以慢速牵引治疗腰椎间盘突出症。1 9 3 4 年m i x e r 和b a n 首先报道应用手术切除突出物治疗腰椎间盘突出症1 2 2 1 。1 9 7 9 年山东省立医院推拿科主任张安提议：设计一种快速牵引床，治疗腰椎间盘突出症，以减轻医生的体力劳动。山东省医疗器械研究所于1 9 8 0 年研制出国内第一台y s c a 型液压牵引床。于1 9 9 0 年，山东省电力医院张吉林提出成角旋转牵引床的设想。1 9 9 1 年由山东省医疗器械研究所研制成功1 2 3 1 。近年来，国内外学者对本病的发病机理提出了机械受压学说、化学神经根炎学说和自身免疫学说。1 9 9 2 年张吉林医生又提出了腰椎问三维位移学说等【硼。近年来三维多功能牵引床的应用，是一种在微机控制下，用机械完成三维手法操作的新创举。现在又有许多新型牵引床问世，而且功能等各方面均有所增加。1 4 牵引床的发展趋势突出的腰椎间盘组织在椎管内的机械占位具有可溶性，无症状腰椎间盘突出现象被逐渐认识，其中两种情况，一是正常人有某节腰椎间盘突出；二是腰椎间盘突出患者经保守治疗后症状消失突出组织仍存在，这就更证明了非手术治疗腰椎间盘突出的科学性、可行性。腰椎间盘突出是一个局部的病理表现，然而必然造成脊柱结构力学的变化。影响脊柱整体结构的生物力学特点，局部影响整体，整体更加重局部。从繁杂多样的非手术疗法中大致可分为：药物治疗、手法治疗、功能锻炼三大类，今后的非手术治疗腰椎间盘突出应三法联合应用，互补其不足，共同加强疗效。药物上“用最需要的药物，以最快的速度，送到病灶处。从手法上，选用最适合脊柱生物力学原理的三维空间运动组合手法，使突出物局部产生最大的位移，使脊柱整体结构力学紊乱得以纠正。药物、手法联合应用又将使手法作用更大，局部组织损伤更小，药物疗效发挥更快。药物和手法以“松”来恢复脊柱局部的内源性的稳定，达到消除疼痛的作用。功能锻炼则以“紧”来调整脊柱整体的外源性稳定，起到巩固疗效防止复发的目的。这种既考虑局部，又注意整体的方法，山东大学硕士学位论文将是今后完整、科学地非手术治疗腰椎间盘突出的发展趋势，也是牵引床要遵循的发展规则。目前国内外现有的多功能牵引床【强冽可分为：慢速牵引、快慢速牵引、快速牵引、水平牵引、间歇牵引、成角牵引、重物牵引、自重牵引、摆动牵引。慢速牵引一般采用机械传动，快慢速牵引、快速牵引均宜采用液压传动。牵引床各种参数功能均有所增加，精度也逐步提高，即要求设备多功能、高精度、自动化。1 5 研究的主要内容及目的多功能牵引为非手术疗法中的一种比较理想的的疗法。它是根据生物力学原理及中医正骨原理研制而成的。在治疗机理上，它吸取了中医牵引治疗腰( 颈) 椎疾病的精华及中医传统推拿学派的专长，把中医传统推拿中的各种手法如屈背伸牵引、旋转复位、拉拔等分解为牵引、旋转、摆角、倾角四个基本动作，并转化为计算机与传感器控制下的物理量，如拉力，距离，角度，时间等参数，利用程序进行组合控制模拟医生的手法，从而自动实现临床医生用常规手法不易达到的多种复杂动作。研制该设备不仅可使各种参数具体化，而且各种参数可任意组合，可完成医生难以用手法达到的目的。既减轻了医生的负担，更重要的是达到了理想的治疗效果。它是中医治疗学向现代发展的一项创新。多功能牵引床的各项参数如牵引力、牵引距离、旋转角度、摆角角度、保持时间、松弛时间等均需要根据影像学所确定的突出物大小与位置而定，每个动作的具体参数及实现方法正是本次设计的目的。由于脊椎管内有脊髓和丰富的血管神经，结构紧凑，易受损伤，这就要求治疗时拉力、距离、角度、时间等要严格符合医生所给出的任一参数值，并有较高的精度，防止意外事故的发生，做到安全可靠。同时，医院这个特殊的工作环境要求牵引床应噪音低，震动小，尽量减轻病人的痛苦，给病人创造一个安静舒适的环境。4第2 章功能需求技术参数的提出第2 章新型多功能牵引床功能与技术指标分析根据医学需求，要求研制的牵引床具有腰椎慢速牵引、腰椎快速牵引、成角、摆角、旋角、颈椎牵引、手控牵引、零位调整、资料管理、打印等功能。2 1多功能牵引床的治疗机理多功能牵引床屈曲旋转快速牵引的治疗机理可能有如下几方面 2 7 3 4 】：( 1 ) 提高疼痛阈值由于该牵引在瞬间完成，因而可通过某种方式提高痛阈。t e r r e n t 测量了快速手法治疗后椎旁组织对电诱发痛的耐受性，发现其耐受性增加。( 2 ) 缓解肌肉痉挛快速强力地伸展腰部肌肉，可使之出现反射性肌肉松弛，缓解疼痛。( 3 ) 增加椎管及椎间管的容积水平牵引1 0 m m 椎管的横截面积可增加1 9 2 r a m 2 ，椎间管增加6 1 9m m 2 。( 4 ) ! q j e 腰椎小关节的病理性倾斜小关节对脊柱的稳定性起重要作用，腰椎问盘突出可继发小关节倾斜和不稳。有研究表明，人体前屈侧弯旋转时腰椎小关节的活动幅度最大，旋转侧小关节做切面旋转滑动，对侧小关节间隙加大。( 5 ) 便于还纳瞬间牵引力作用于后纵韧带，使后纵韧带张应力明显加大，使突出物产生向腹侧的压力；同时，瞬间牵引使椎间隙增加，椎间盘内压明显下降，此时两力的共同作用可使突出物部分还纳或变形，减轻压迫症状。( 6 ) 增加侧隐窝的容积腰椎间盘突出导致上下椎间距缩小，使黄韧带松弛凸向椎管内压迫神经根。长期的椎间距缩小，黄韧带松弛，小血管迂曲变形，弹力纤维退行性变，黄韧带肥厚。牵引可增加椎间隙，使黄韧带牵伸，改善黄韧带的血流循环，增加备用黄韧带间隙及偶隐窝的容积。( 7 ) 松解神经根粘连腰椎间盘突出致局部组织破坏和p 物质释放引起的炎症、髓核组织中粘多糖和1 3 蛋白造成的局部自身免疫性反应及神经根受压引起的创伤性炎症，可使神经根与破裂口突出物了发生粘连和纤维化。屈曲旋转快速牵引可松解神经根周围组织粘连，改善神经的感觉和运动功能。( 8 ) 改变相对空间屈曲旋转牵引使突出物在三维空间内发生不同程度的变位变形，增加了神经根、硬膜囊的相对空间，达到治疗目的。6张应力，对突出物产生向腹侧的压力；腰椎屈曲状态给突出髓核在快速牵引和旋转时产生了还纳和位移的空间( 中医叫背伸) ；髓核向后突出时( 包括左突、右突、中央型突出) 倾角向下倾，髓核向腹腔突出时( 这种病人极为少见) ，倾角向上倾。2 2 3 牵引床摆角的功能模块遇到因左、右腰椎间盘突出造成的腰椎侧弯的病人时，将臀部定位后，头胸板带动患者上身和侧弯相反的方向水平摆动一定的角度，使椎间隙增加，产生侧位背伸，给突出髓核在快速牵引和旋转时产生还纳和位移的空间( 中医叫背伸) 。2 2 4 牵引床快速牵引的功能模块牵引床在0 1 o 5 秒钟内把人体脊柱瞬间拉长时( 中医叫拉拔) ，椎管及椎间管内容积瞬间增大。椎腔内瞬间形成负压，对处于胶质状态的髓核( 突出物质)产生回吸的作用，使压迫神经根的髓核被吸回椎管内一部分，髓核体积减小，解、除或减轻压迫神经根的状况。2 2 5 牵引床快速旋转的功能模块牵引床在o i 0 5 秒钟内臀腿板带动患者臀部快速旋转时( 中医叫斜板) ，可使处于胶质状态的髓核( 突出物质) 产生一定的位置移动的作用，强迫患者突出椎间盘的两锥体间体产生旋转移动，使压迫神经根的髓核被位移甚者可产生剥离、松解粘连作用，和小针刀的剥离和手术的摘除产生效果基本一样，病人无身体损伤，住院时间短或不用住院，费用低，病人容易接受。一般左、右侧突患者向患侧旋转，i 临床总结在临床治疗时可先向间侧小角度旋转1 2 次后加大角度向患侧旋转1 一次效果较同侧效果要好。2 3 新型多功能牵引床技术参数参照国内外牵引床技术参数3 9 1 ，根据前述功能模块的分析，提出了新型多功能牵引床的各种技术参数：( 1 ) 快速牵引定距离不定力，牵引力小难以达到治疗效果，牵引力过大会使椎间7程时自j 大于或等于4 秒。( 3 ) 共轭以往牵引床由于旋转板的机械旋转轴与人体脊柱不在一条中心线上，这就造成牵引时脊柱受到剪切力，造成脊柱损伤( 如图2 - 1 ) 。固本次采用旋转中心与人体脊柱中心重合这一理念。各种技术参数如表2 - 1 ：() 题、w现有牵引床旋转原理旋转后造成的剪切力共轭式牵引床旋转原理旋转后不造成剪切力图2 - 2 脊柱治疗图2 4 新型多功能牵引床的运动分析参照以往牵引床，大都是平板直线牵引，床体设计成方块型。有的牵引床虽是三维牵引，但在旋转腰部时，旋转轴中心与人体脊柱中心不在一条直线上，牵引旋转时往往造成一种对人体脊柱向上的剪切力，造成对人体不必要的损伤。固本次设计成双中心重合式( 即共轭) ，且以悬臂流线型外观为基调。第2 章功能需求技术参数的提出表2 - 1 技术参数表牵引距离牵引，旋车腰椎慢车牵g l 旋转俩牵引旋转杉成角角度旋转角度牵引方式牵引力( n )( m m )时间( s )时间( s )持时间( s )弛时间( s )( 度)( 度)腰椎快速牵引3 0 0 0 - 4 0 0 0o 7 0o 5c oo - - 5 2 5- - 2 5 一之5腰椎慢速牵引3 0 0 1 5 0 0肌7 040 - - o 一一5 五52 5 一之53 0 0 一1 5 0 0o 5腰椎复合牵引o 7 040 - - o oo 一一5 ，2 52 5 ，2 53 0 0 0 - 4 0 0 0= 4颈椎牵引o 8 0 00 - - 1 5 0o 1 50 - - 蕾,0 - a o为了便于机械设计及功能重组，将牵引床大致分成以下几个模块：a ：旋转部分、b ：快慢牵引部分、c ：摆动部分、d ：颈椎牵引部分、e ：液压系统部分、f ：倾角部分、g ；框架底座部分。基本框架如图2 3 示。多功能牵引又称三维多功能牵引，主要用于治疗腰椎间盘突出症，该牵引床由微机控制，多动作组合，在数秒内完成治疗。现对牵引中的力学作用原理进行分析。2 4 1 牵引床简化图简化示意图见图2 - 4 ：床体前部可以沿y 轴正向x o y 面内移动；可以分别c d为轴在x o y 内，在一定范围内摆动。床体后部以e f 为轴在一定范围内转动；以y轴在一定范围内转动。2 4 2 床体前部运动示意图床体前部运动示意图见图2 - 5 ：s = 0 7 0 m m= - 1 0 。一1 0 。逆时针为正，顺时针为负。2 4 3 床体后部运动示意图床体后部运动示意图见图2 6 ：n 一5 。- 3 0 。由一2 5 。 2 5 。逆时针为正，顺时针为负。9山东大学硕士学位论文a 一旋转部分；b 快慢牵引部分：c 一摆动部分；卜颈椎牵引部分；e 一液压系统部分；。f 倾角部分；g 一框架底座部分。图2 - 3 基本框架l o8 薅轸xaa ) 摆动a 矿嚣- - - - 1 a迎彳d、! d，i图2 5 床体前部运动示意图、，一一一一l 尝出白影图”先摆动，后平移厂、。，一，一、”1 乙一，76 、1 ”xt) 后床身z o x 面图2 - 6 床体后部运动示意图2 4 4 参数调整后的实际牵引位移分析参数调整后的实际牵引位移分析：见图2 7 。在a c p u 内解s s x 、s s y 得：可：旦孑：兰2 c o s 02s s y = 历咖口= 兰2 咖口图山东大学硕士学位论文设c p = w 2w 为前床身c d 边的宽度瓤= 眵一万如= 一手) c 一手( 1 - c o s o )则盛：一pp：厨面：w4(1-coso)z+sin2ppc o s o ) + s i n 一0盛= 2 + 跏2 =t 点的位移与p 点的位移是相同的( 见图2 - 6 c )t 由t 点移动到订”，一i t ：p 由p 点移动到p ”，则p p = s p耻品：辱忑可面丽分析：由于人体组织并非刚性连接，并且人体固定在床上后，在牵引过程中与床之间，有相对滑动，故实际上的s r a )参l jvsrptxm1 2b 、第2 章功能需求技术参数的提出，p “ls t “j 蟛s 。p卜_c )0 床体前部摆角( 定值) ；s - 床体前部沿自身对称轴p q 的位移( 定值)s 广s 沿y 轴方向的分量s y = s c o s0s 厂一s 沿x 轴方向的分量，s 。= s s i n0p 、p ，p ”- p 点的三个不同位置s s 一前体床部摆动0 角后产生的静牵引位移s s x s s 在x 轴方向的分量s s r 喝s 在y 轴方向的分量t 被牵引脊椎的有效部位，且t 假设为椎管中心线上的点图a ) 表示前床身已调整至具有摆角0 的状态，但还没有进行牵引动作图b ) 表示床体前部已进行了牵引动作，并且牵引位移为“s ”图c ) 表示床体牵引理论位移图2 7 参数调整后的实际牵引位移分析图2 4 5 牵引过程中脊椎受力分析骨同时受到扭转m 和拉伸f 两个力的作用( 见图2 - 8 a )图2 8 b 为髋骨与脊椎相连部的物理模型，牵引过程的扭矩，就是通过髋骨传递给脊椎的m 随转角的变化过程( 见图2 - 8 c )m - n l由于生物组织结构的复杂性，用解析方法，来描述其运动及受力状态，与实际符合的程度是不同的。如果能建立脊椎的数值计算模型，可以较精确的模拟其动力学状态。山东大学硕士学位论文q 瓣一ne) )c )图a ) 骨受扭转，拉伸两个力作用；图b ) 髋骨与脊椎相连物理模型：图c ) 扭距m 随转角变化过程图2 - 8 脊椎受力2 5 新型多功能牵引床的安全风险分析2 5 1 定性及定量特征判定( 1 ) 新型多功能牵引床是由计算机控制的、可根据实际病情设计参数的、用于治疗腰椎间盘突出症和颈椎病的医疗器械。由经过专业培训的医生使用。( 2 ) 本产品先将机械拉力和不同角度的旋转、成角在计算机内进行组合设置，然后进行治疗，作用于患者的患部。治疗时高速运动易转换。治疗的组合方式、力量和角度的大小、治疗次数的多少由医生根据患者的情况确定。( 3 ) 本产品的位移、力量、角度分别由位移传感器、拉力传感器、角度传感器进行监控、测量。产品经过型式检验，所有指标均符合标准规定的要求。( 4 ) 本产品使用过程中位移、力量、角度的数据经数据采集卡输送到计算机中，由计算机中事先编好的程序进行分析、处理，并显示当前状态。( 5 ) 本产品由使用者( 医生) 进行日常维护。( 6 ) 本产品由计算机控制，实施控制的软件由生产商编制并进行安装、修改或调换。( 7 ) 本产品是可以重复使用的器械。1 41 5山东大学硕士学位论文风险分析评制图2 - 8 风险分析程序流程图2 5 2 2 风险分析因果图( 见图2 9 )2 5 2 3 免风险的对策( 1 ) 能量的危害按国家相应医疗器械标准，新型多功能牵引床的绝缘指标为：1 5 0 0 vl m i n 。可避免因绝缘性能不好，而造成人身伤害。安全限位采用机械方式，防止电磁限位失控现象，避免危险的发生。有开机自检功能。开机后计算机将关键电压测量、核查一遍，确保系统能正常运行，防止误操作带来的危害。生产操作工艺不规范使用误操作v、危害控制系统程序及硬件环境控制能量图2 - 9 可能出现的风险因果图( 2 ) 使用不当造成的危害在产品标签上给出明确的警告标识及语言，在产品使用说明书上详细列出操作规范和注意事项，以防范不当使用而造成的不良影响。在使用者( 医生) 操作该产品前，需经过专业培训，在其能够掌握该产品的原理、特点、使用方法、操作规范和注意事项等后才能对病人进行治疗，以避免因使用不当而造成的危害。( 3 ) 由维护、老化引起的危害编写正确的维护规范，由使用者( 医生) 进行日常的维护工作。由生产商进行定期的上门维护工作。2 5 2 4 结论从上述分析可以看出，新型多功能牵引床床尽管在生产过程中存在着不利影响，但通过安全性设计和事先制定的防范措施、进货检验、过程检验、产品出厂检验等，可以避免这些风险出现。所以从总体上分析潜在风险，在产品的生产过程是可以防范的。因此，上述风险是可以接受的，只要l 临床使用符合说明要求，1 6第2 章功能需求技术参数的提出应该是安全可靠的。2 6 本章小结本章从多功能牵引床的治疗机理入手，分析了多功能牵引床的倾角、摆角、快速牵引、慢速牵引等功能模块的作用，进而提出了本次设计的多功能牵引床的各种技术参数。本章还从几何分析的角度，理论上分析了多功能牵引床的床体前部、后部运动以及脊椎的受力情况，进一步分析其可能性和可行性。本章还对多功能牵引床进行了安全风险分析，从定量定性特性判断到风险分析及对策，得出本次设计符合设计要求。设备安全可靠，值得进一步研究探讨。1 7山东大学硕士学位论文第3 章新型多功能牵引床模块创新设计3 1 新型多功能牵引床旋转部分设计3 1 1以往快速旋转角度控制方式3 1 1 1 快速旋转角度靠调整活塞杆来保证牵引床不快速旋转时油缸处于垂直状态的零位1 4 0 。当牵引床需要快速牵引时，医生设定快速旋转方向和旋转角度。并按“预置”键，微机发出指令，步进电机通过减速装置、丝杠、丝母将油缸活塞杆向左或向右移动相应的距离x ( 如图3 - 1 ) ，置位完毕后提示进行下一步。当医生按“旋转”键时，电磁阀通电使高压油从油缸上腔进入，推动活塞快速移动抵达缸底，同时带动床板快速旋转角度o 。旋转完毕后电磁阀断电，外置弹簧拉动床板旋转至零位。至此整个快速旋转动作完毕。a 一步进电机；b 一丝机；c 弹簧；d 一油缸图3 - 1 单缸机械机构这种快速旋转动作的控制方式始终在油缸上腔通高压油，油缸下腔为空腔，简化了液压系统，相应的提高了旋转速度。但是置位时不仅能听到电机运行的嗡嗡声而且置位时间较长。左旋动作完成后如果想右旋，需通过电机、减速器、丝杠、丝母带动活塞杆先回到零点再进行置位，使置位时间增加一倍，延长了治疗时间，给医生带来不便。3 1 1 2 快速旋转角度靠调整两条油缸的活塞杆来保证为了克服左旋动作完成后不能右旋的问题，有的牵引床1 4 1 】采用了两条油缸进行置位和旋转。当牵引床需要快速旋转时医生设定快速旋转角度。并按“置位”键，第3 章新型多功能牵引床模块设计，分析、研究微机发出指令则步进电机通过减速器、正反丝杠、丝母将两条油缸的活塞杆同时向左、向右移动相应的距离x ( 如图3 2 ) ，置位完毕后提示进行下一步。当医生按“右侧旋转”键时，电磁阀通电使高压油从右油缸的上腔进入，推动活塞快速移动抵达缸底，同时带动床板向右侧快速旋转角度0 。当医生接着按“左侧旋转”键时，电磁阀通电使高压油从左油缸的上腔进入，推动活塞快速移动抵达缸底，同时带动床板向左侧快速旋转角度日。旋转完毕后电磁阀断电，外置弹簧拉动床板旋转至零位。至此整个快速旋转动作完毕。曲进电机；卜丝机；c 一弹簧；卜- 油缸图3 - 2 双缸机械结构这种快速旋转动作的控制方式也是上油腔通高压油，下油腔为空腔，简化了液压系统，相应的提高了旋转速度，解决了左旋动作完成后可以右旋的问题，但是一次置位后左右旋转的角度必须是相等的，左右旋转角度如果不相等，必须进行二次置位，而且这种控制方式机械加工成本高，装配复杂。3 1 2 本次快速旋转角度控制方式本次设计旋转部分主要克服“预置”“复位”时间长、噪音大、结构复杂、成本高等问题，采用角度传感器，通过计算机采集传感器的电压值来算出旋转角度的度数，从而由计算机控制旋转部分的液压元件的开闭【4 2 1 。即采用图3 3 示控制方式：旋转部分置于倾角支架上，臀腿板可以在支架上由油缸推动旋转。图3 5可简化为图3 - 6 示，其中o o 既为旋转中心，又可看作人体脊柱中心，a 为臀腿板，b 为旋转轨道，c 为旋转油缸，d 为活塞杆，e 、f 、f7 为固定支架。a 沿圆1 9山东大学硕士学位论文弧轨道运动，将油缸活塞杆固定，让油缸运动，从而带动f f 杆转动。f ( f ) 为旋转中心轴，此处可将测量旋转信号的角度传感器固定于此，以实时测量臀腿板转动的角度值，可直接转化为原理图十：设o e = l ( l 、r 已知) 则可写出之间的关系式l = r x c o sa + r x s i n ax c t 9 1 3 = r ( c o s o + s i n qx c t g b )7 i j r = c o s d + s i n ax c t g e此式即为n 、b 间关系式，用于软件设计时控制d 角。图3 - 3 控制简图a 一旋转板；b 一旋转支架；c 一旋转油缸；d - - 拨叉；e 一角度传感器图3 4 旋转部分i o o0 0图3 - 5 旋转原理图图3 - 6 旋转原理简化图第3 章新型多功能牵引床模块设计，分析、研究3 2 新型多功能牵引床快牵部分设计腰椎间盘突出患者治疗时头部、胸部与该部分接触，故又称作头胸板。头胸板设计主要参数为快牵时能在o 5 秒钟内行程达到7 0 毫米，且运行平稳可靠。设计时采用活塞杆推动头胸板快速腰部牵引，头胸板沿轨道槽运行，利用活塞撞击缸底保证位置精确度。调整活塞杆或缸体位置，使两者之间保持一定的牵引距离，来保证任意点位置停止。牵引床不牵引时，活塞杆处于零位( 如图3 7 ) ，当牵引床需要牵引医生设定的距离x 时，医生按“预置”键，计算机发出指令，电磁阀通电，低压油从油缸左腔进入，推动活塞杆运行l x 距离。当活塞杆运行l x 距离后，计算机发出指令，电磁阀闭合，完成预置，预置活塞后，医生进行下一步牵引，此时，电磁阀通电，高压由再次从左腔进入，推动活塞杆快速运行x 抵达缸底，同时带动头胸板快速运行x 距离。牵引一次完毕后，电磁阀打开，低压由从右腔进入油缸，推动活塞杆左移x 距离，再次牵引时即可完成x 距离。牵引全部结束后，电磁阀打开，低压由从右腔进入油缸推动活塞杆左移l ( 7 0 m m ) 至零位，至此快速牵引功能完成。本次设计中将力量( 拉压) 传感器，位移传感器固定于油缸上，定时检测力量、距离以达到医生设定值。起始；头胸板；预置r 一一。买蕊丽一一1位移传薅器图3 - 7 牵引示意图2 1 ( o - - 0 = 争v 。= ( v 1 + v 2 ) 2 计算机巴将此值纪录若移动角度则：等吉兰导= i 乏v 鬲i v1张出v = 半十( v 2 - - 2 v 0 1 ) x 第3 章新型多功能牵引床模块设计、分析、研究其中，v l 、v 2 为设备已记录下来的原始值( 已知) ，根据输入的x 值，计算机即可算出对应的电压值v ，当医生设定摆角为x ，并按“预置”键后，计算机发出指令命直线电机运转，且实时检测摆角角度传感器的电压值。当测得电压值与计算机算出的v 相同时，计算机发出电机停止运转指令，摆角预置完毕，当牵引治疗治疗结束后，计算机发出指令，令直线电机回至摆角零位，即可。摆动部分模块如图3 1 0 示：a 摆动框；b 摆动导向轮；c 一摆动拨叉；撒转轴；e 一角度传感器图3 1 0 摆动部分模块3 4 新型多功能牵引床颈椎牵引部分设计由于目前医学技术的限制，颈椎病人牵引只限于慢速牵引，故本次设计时仍设计成慢速牵引，但是颈牵设计原理及思路与以往完全不同，本次设计见图3 1 1 。山东大学硕士学位论文a 直线电机；b 一位移传感器；r 拉压传感器；d 颈牵架；e 一支撑板( 与床体连接)图3 一l l 颈牵部分颈牵设计时，往往采用控制力量与检测位移相结合，计算机实时检测位移、拉力传感器电压值信号，并与设定值比较，牵引按设定值运行完成对病人颈椎疾病的治疗。牵引时，人处于坐姿，拉力传感器、位移传感器直接与直线电机相连，直线电机一般选用最大位移1 5 0 m m ，速度8 - - 1 2 m m s ，输入电压2 4 v d c ，最大负载1 2 0 0 i 4图3 1 2 为j c 3 5 a 系列电动推杆电流与负载关系图，速度与负载关系图。电流图3 1 2电动推杆电流与负载关系力量第3 章新艘多功能牵引床模块设计、分析、研究3 5 新型多功能牵引床液压系统设计液压系统具有1 4 3 】结构紧凑、体积小、重量轻、噪音低、控制平稳、便于安装及总体布局等特点。液压系统包括油箱，轴向柱塞液压泵、单向阀、溢流阀、囊式蓄能器、压力表、电磁阀、油缸等。采用快、慢阀打开与否决定设备是否快速或慢速牵引。囊式蓄能器 4 4 1 作为牵引动力源，用来储存压力油并在需要时释放能量。压力表实现压力自动补偿。液压系统中采用了溢流阀、压力表和囊式蓄能器三个保护。3 6 新型多功能牵引床倾角部分设计由于倾角参数为提j ；i 预置量，故倾角运行速度较慢，为了减少噪音及运行平稳，可采用直线电机带动弓形支臂( 倾角部分) 转动。由于旋转机构在弓形支臂上，且人体下身会置于旋转部分之上，故要求电机能承受一定的压力，故可选用负载在8 0 0 0 n 以上的j c 3 5 c 系列电动推件，该系列输入电压2 4 v