智能化临床治疗踩跷实验仪器设计

礼 莹，张 涛，黄仕磊，李庆兵，李梓千

（1.四川大学 机械工程学院，成都610065；2.四川大学华西康复医学中心 康复医学四川省重点实验室，成都610000）

踩跷是治疗腰椎间盘突出症最有效的医疗手段之一，作为按摩的一个分支至今已有两千多年的历史，是我国医学宝贵的遗产之一。所谓踩跷，是双脚同时在患者腰背部节律性的弹跳踩踏，是以足作为主要工具治疗疾病的中医外治疗法。这种推拿的操作手法因人而异。不同手法的操作力度、频率和作用时间都与临床疗效密切相关[1]，这些都要求医生具有专业的医疗知识和推拿技法。但由于推拿手法的规范化研究至今并没有单一的标准，不正确的推拿手法会使得治疗无法取得好的疗效甚至会对健康造成不必要的损伤[2]。所以对这种推拿手法的规范化是很有必要的，并且具有研究价值。

虽然推拿手法的规范化研究并没有单一的标准，但可以归纳总结名医专家的手法特色，在其基础上继承和发展，建立一个衡量标准规范的指标体系，比如罗才贵教授独创的罗氏趾压踩跷法[3]。因此，假设用特定的机械装置模拟特定的技巧和规范化的动作来进行踩跷实验和治疗疾病，不仅使得踩跷法更为广泛地推广和应用，还可以大大减少医疗人员的人工成本，提高医疗质量，为更多受疾病困扰的病患带来福音。因此，这套机械系统对踩跷法规范化具有十分重要的传承价值和临床意义。而目前国内外对此装置研究寥寥无几，国内研究出了相关力学参数只停留在理论阶段，因没有专业的机械装置，无法通过大量实验验证参数的可靠性。

用机械装置模拟人工踩跷对规范化踩跷技巧是一种有效的途径。首先，考虑实验目标为大鼠[4]，大鼠作为与人类基因更为接近的哺乳脊椎动物，机能反应与人体相似，且繁殖快，生长周期短，因此用大鼠作为实验对象是最好的选择。观测机械化踩跷装置对大鼠的实验效果，为以后实现机械化踩跷造福人类打下基础[5]。

此装置研究的难点在于如何精准平稳闭环控制牵引式电磁铁敲击的频率、轻重和作用时间，能够较好的模拟专业的踩跷技术。本文采用单片机作为控制器[6-8]，牵引式电磁铁作为执行器，很好的解决了这个问题，现就该装置的设计进行论述。

1 总体设计思路

踩跷系统主要由硬件和软件两部分组成。硬件系统主要由机械部分、主控制器和模拟电路组成，机械部分用作大鼠放置调节试验台，STM32 作为主控制器。模拟电路由信号放大电路、场效应管放大电路、电源模块、压力传感器和牵引式电磁铁组成，模拟电路的作用是对信号进行放大滤波，更好的控制牵引式电磁铁敲击[9]。软件系统对压力传感器采集的数据进行逻辑控制和数据处理，其总体结构如图1所示。

图1 总体结构图Fig.1 Block diagram of overall structure

1.1 信号采集部分

可调节固定自动敲击大鼠的实验装置结构如图2所示。机械装置包括8 个部分，底座、底座上的有机玻璃和夹具用于承载和固定大鼠，夹具是旋钮式可调节移动的，5 个夹具分别用于固定大鼠的头和四肢[10]，且5 个夹具分别对应5 个滑槽，方便调节和固定大鼠， 也可以适应不同体型大鼠的放置，旋钮是竖杆和横杆的连接键，可以控制电磁铁上下左右的在三维空间内移动， 电磁铁上装有弹簧式触头，用于敲击大鼠，触头可拆卸更换，方便满足不同的实验需求， 且和电磁铁之间放置了若干尼龙垫片，具有缓冲减震的作用。触头上安装了薄膜式压力传感器，用于测量敲击时的振动频率和力度。机械部分3D 渲染如图3所示。

图2 可调节固定自动敲击大鼠实验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of adjustable fixed automatic percussion mouse experimental device

图3 机械部分3D 渲染图Fig.3 3D render map of mechanic part

1.2 硬件电路

1.2.1 牵引式电磁铁

本实验的执行装置选用的是牵引式电磁铁。电磁铁由复位弹簧、动铁芯、静铁芯及励磁线圈4 部分组成。其应用了螺旋管的漏磁通原理，利用电磁铁动铁芯和静铁心长距离吸合，以实现牵引杆的直线往复运动。简单的来说，就是通过对内部励磁线圈输入电压信号来产生电磁力，衔铁在电磁力与弹簧弹力的共同作用下进行运动，不仅能频繁启动工作，也可长期通电吸合[11]。牵引式电磁铁的原理如图4所示。

图4 牵引式电磁铁原理图Fig.4 Schematic diagram of tractive electromagnet

本实验装置的电磁铁的线圈选用的是铜线圈，铜的发热量低，可以有效延长工作时间。电磁铁体积较小，可以安装到这种空间较小的场合，通过弹簧可实现快速的变换，达到较高的频率。电磁牵引力计算如下[12]：根据：

式中：B0为气隙中的磁感应强度 （T）；μ0为导磁率4π×10-7H/m；F 为电磁力（N）；S0为气隙面积（mm2）。又因为：

所以：

式中：d 为漆包线直径（mm）；U 为电压（V）；ρ 为铜的电阻率0.0178 Ω·mm2/m；D2 为绕线外径（mm）；D1 为绕线内径（mm）；δ 为气隙长度（mm）即行程。通过计算得出行程为40 mm～60 mm 以上。

电磁铁控制原理如图5所示，是一个闭环系统，R 是励磁线圈的电阻值，k 是电磁牵引力与驱动电流之比。该系统将试验要求参数作为闭环控制对象，且这个区间所有干扰因素都会被反馈环节抑制，因此电磁铁最后将输出一个稳定精确的电磁牵引力[13]。

图5 电磁铁控制系统原理图Fig.5 Schematic diagram of electromagnet control system

1.2.2 信号放大电路

单片机输出的信号电压是0～3.3 V，而电磁铁的驱动电压是5 V，所以为了更灵活的控制电磁铁，需要对单片机的输出信号进行放大。如图6所示，这里用到的是同相比例运算电路，电容C1起到滤波的作用。

图6 NMOS 放大电路Fig.6 NMOS amplifier circuit

采用的芯片型号OP07，是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器[14]。由于OP07 具有非常低的输入失调电压，所以OP07 在很多应用场合不需要额外的调零措施。同相比例放大电路计算公式[15]为

因此，R1为100 kΩ；R2为400 kΩ。

1.2.3 NMOS 共源极放大电路

要灵活的控制电磁铁需要放大电流，且电磁铁的敲击力度和电流的幅值是成正比的。此时需要电压放大电流电路，本实验选用的是场效应管放大电路。在典型的功率应用中，当一个MOS 管接地，而负载连接到干线电压上时，该MOS 管就构成了低压侧开关[16]。在低压侧开关中，应采用N 沟道MOS 管，这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。N 沟道增强型MOS 管具有输入阻抗高、噪声低等特点。增强型MOS 管只有在栅-源电压达到其开启电压VT时，才有漏极电流ID产生，因此这类管子不能用于自偏压电路中，应当使用分压式偏置电路。下一步是确定所需的额定电压，额定电压越大，器件的成本就越高。根据实践经验，额定电压应当大于干线电压或总线电压。这样才能提供足够的保护，使MOS 管不会失效[17]。就选择MOS 管而言，必须确定漏极至源极间可能承受的 最大电压， 即最大VDS。由于本实验的额定电压和额定电流要求比较小，因此一般的MOS 管都能满足要求。

由图6可知，栅源电压VGS由Rg1，Rg2组成的分压式偏置电路提供。因此有：

场效应管T 的开启电压为VT，NMOS 管工作于饱和区，因此漏极电流为

漏源电压为

电磁铁的驱动电流ID为0.3 A， 已知负载电磁铁17 Ω，因此Rg1为65 kΩ，Rg2为47 kΩ。

1.3 软件系统设计

1.3.1 算法设计

从人体踩跷实验折算下来，最大加压力度约为受力物体的2.5 倍，人体真实操作能达到120 bar 的总压强，面积也大概120 cm2，所以折算下来单位面积的平均压强为1 bar。

根据罗氏踩跷法[18]的技术参数要求按人体与大鼠的重量折算，总共有2 个档位，分别适用于不同体积的大鼠，每个档位的一个周期敲3 下，具体实验技术参数如表1所示。

表1 实验要求Tab.1 Experimental requirements

1.3.2 程序设计

在主程序启动后， 首先执行系统初始化操作，然后执行按键扫描模式。当KEY1 按下时，电磁铁处于1 档控制模式[19]；若KEY1 没有按下，系统将处于待机模式，压力传感器检测模块检测后，采集数据传至上位机，即可观察实时敲击的波形图。当敲击力超出阈值，即敲击的力过大或过小时，系统将发出警报声，并通过调整占空比完成误差修正后返回单片机[20]。单片机输出修正后的信号发送给功率放大电路控制牵引式电磁铁继续敲击。

图7 主程序流程Fig.7 Main program flow chart

2 实验结果

为了验证本文设计的踩跷系统是否符合实验要求，本文进行了实验对象为大鼠的智能化踩跷实验。

如图8所示，将大鼠气体麻醉后放置机械部分的试验台上，将大鼠的头部、四肢和尾部分别固定在凸起的圆柱底座上，固定好大鼠后，调节底座竖杆上的连接件旋钮，使触头的位置正对大鼠尾椎的两侧，并预留合适的空间距离，然后打开电源开关，最后启动仪器后即可开始试验。

图8 实验示意图Fig.8 Experimental diagram

如图9所示，压力传感器实时发送至上位机的数据，分别为1 档和2 档的测试曲线，横坐标为时间刻度，纵坐标为敲击力的大小。相对误差不超过0.6%，根据实验结果证实此装置能较好的按照预设的实验要求对实验对象实现精准平稳的敲击振动。

图9 不同档位的测试曲线Fig.9 Test curves of different gears

通过测试单片机的输出电压和电磁铁敲击产生的力的关系，如图10所示，线性度控制在99.7%，且误差的变化较为平稳，未出现大的抖动，说明装置有较高的稳定性。

图10 装置的线性拟合曲线Fig.10 Linear fitting curve of device

3 结语

本文设计了一种能实现自动控制的智能化踩跷系统， 解决了对电磁铁精准平稳的敲击控制问题，有利于规范踩敲手法，验证了用智能化机电装置代替人工操作的可行性。该装置已应用在大鼠实验上，在多次实验中能够达到用于大鼠的踩跷实验要求。利用人工智能算法模拟罗氏踩敲法，使得装置的灵敏性和高效性得到更好的提升。本装置为智能化踩跷精准医疗技术应用于临床试验和后续的治疗奠定了基础。踩跷将成为患者健康和医疗保健中不可缺少的一种医疗方法。随着踩跷装置的智能化程度不断提高。富有浓郁中华民族特色的按摩踩跷术，会在全世界范围内得以迅速的推广和发展。