基于多嵌入式处理器实现的牵引理疗系统

　　0引言

　　医学上针对腰椎间盘突出症等腰脊椎病，通常采取物理牵引的保守治疗方法。本牵引床系统是以两段式床体为治疗平台，采用ARM等嵌入式处理器并结合计算机对床体各自由度运动实现分布式控制，并由直流电机实施外力快、慢速牵引及床体的任意角度的快慢速旋转，从而实现腰脊椎病的物理治疗。

　　1系统功能与总体设计

　　牵引床以两段式床体为治疗平台。其床体分为前、后两段，供病人躺卧。前段有固定带将病人腰上部固定，利用牵引带与活动床头相连。牵引运动是前后方向的平动。床头在电机驱动下可向前牵出一定距离，而病人腰部则是被固定着，这样牵引带对腰椎就有了一定的作用力。床头安装“S”型拉力传感器检测牵引力。后段床体也有固定带将病人的腰下部至胯骨处固定，并可在电机带动下以腰部处为轴心做水平平面的摆动、垂直轴向的倾斜升降转动、以及向左右两侧的旋转共三个自由度的转动。前段床体的牵引速度可调，后段床体的旋转角度与旋转速度也可任意设定。

　　牵引床为医师提供四个自由度可调节的物理运动，充分满足腰椎病物理治疗的需要。实际治疗中，医生根据患者的病理情况，将后床面的左、右旋转结合慢牵基础上的快牵功能进行合理使用能够起到“正脊”作用。

　　牵引床的总体设计采取分布式控制体系，如图1所示。计算机作为上位机通过RS-485总线与三个嵌入式控制器(下位机)组成分布式总线网络实现对床体运动的控制。计算机实现系统总体操作控制界面。系统复杂的控制任务被分解为三部分，分别由三个嵌入式控制器并行实时执行完成。其中，牵引运动及牵引力的检测与控制由一片STC89C52RD+单片机完成;三个旋转运动的角度检测及控制由Samsong公司的32位ARM核RISC处理器S3C44B0X处理;床体上各类限位开关等开关量检测及输出则由另一片STC89C52RD+实现。

图1 系统总体设计框图

　　2 系统硬件设计

　　2.1 基于STC89C52RD+的牵引控制

　　快慢牵引治疗是通过直流电机驱动床头向前运动从而拉伸固定在患者腰间的固定带，产生一定的牵引作用力施加在腰椎。牵引力大小及快慢由医生设置，并保持一段时间。保持期间可配合床体旋转等动作进行物理治疗。

　　牵引力可由床头的S型应变式拉力传感器转换为模拟信号。该信号大小与加在传感器上的激励直流电压大小有关。传感器灵敏度为2mV/V，若DC激励电压为5V，则传感器输出最大信号为10mV。如果力传感器的量程为0-200Kg，则对应传感器输出模拟信号为0-10mV。该信号经仪表放大器AD623放大500倍后为0-5V，经“Л”型电感、电容无源网络滤波后输入给10位A/D转换器TLC1549。牵引力信号频率很低，处理器每秒钟采样20次。采用一个专用的STC89C52RD+的片内硬件定时器，每隔50ms进入定时器中断服务程序通过SPI串行接口进行一次A/D转换，并将转换后的数据由UART经接口芯片74LBC176转换为485信号发送至上位机。由上位机判断后发出控制指令控制牵引电机及牵引过程。