骨质疏松损伤保护腰带的设计与实现*

李瑞霞，蔡雪婷，李东泫，周晓芳

(长治医学院生物医学工程系，山西 长治 046000)

骨质疏松也称骨质疏松症，是以单位体积内骨组织量减少为特点的代谢性骨病变，其中骨组织的有机成分和钙盐都减少。据最近研究表明，骨质疏松症以世界发病第7位成为常见病、多发病，其中美国、西欧、日本有7 500万人，而中国已超过9 000万人，即每l4人中就有1人患不同程度的骨质疏松症[1]。骨质疏松症呼吸功能下降，往往可出现胸闷、气短、呼吸困难等症状；疼痛是骨质疏松症最常见的症状，以腰背痛多见；身长缩短、驼背多在疼痛后出现，同时还有可能在正常生活中骨折。医生往往会根据骨质疏松患者的情况进行药物干预，同时会让患者注意适当户内外运动，在运动过程中，不免会出现一些摔跤或者骨折的情况，为了屏蔽外力对患者骨骼的冲击作用，我们设计了一款安全有效，可长久穿戴，同时隐蔽性好，容易被骨质疏松患者接受的骨质疏松损伤保护腰带。

1 项目系统设计方案

1.1 系统整体架构

本设计由韧性钢板、能量磁石发热点阵和振动按摩电路三部分组成，将钢板固定于腰带背部位置，将振动按摩电路固定在护腰带内侧，腰部放置13颗磁石，腹部放置8颗磁石，将磁石固定在发热点阵背面。

1.2 关键器件选型

韧性钢板规格：12 cm(长)*2.5 cm(宽)*0.3 cm(厚)；

能量磁石：是一种以含硼为特征的铝、铁、钠、镁、锂的环状结构硅酸盐矿物为原料制作成的自发热材料，在人体体温的激发下，热感应材料即时反应放出热量，在人体关键的穴位处加强针灸和热敷刺激，有效激活人体穴位，从而产生经络效应；

振动按摩片：额定电压5V，额定电流2A。

1.3 模块选择

1) 振动模块

方案一：机械式振动传感器，采用最基础的振动检测方式，其结构是在一个金属的圆筒内放置一个由弹簧连接的振动金属球(两者不接触)，分别从两个部分引线作为信号输出的两个电极[2]。当弹簧金属球受到振动以后，与外界的振动信号发生谐振，金属球与圆筒内壁相碰撞，在连接点上便可输出一个电信号。具有结构简单，电路中输出信号的幅度大，输出阻抗低等优点，然而其体积略大、适用于空间宽阔的电路板上[2]，故舍弃。

方案二：电磁感应式振动传感器，利用电磁感应原理，其结构由永久磁铁和一个线圈组成，使用寿命长，然而其结构相对复杂，整个结构体积略大[2]，故舍弃。

方案三：振动电机，是动力源与振动源结合为一体的激振源，振动电机是在转子轴两端各安装一组可调偏心块，利用轴及偏心块高速旋转产生的离心力得到激振力。振动电机的激振力利用率高、能耗小、噪音低、寿命长。振动力与功率配合得当，振动力大，机体重量轻，体积小，机械噪音低，使用方便，完全能满足本设计要求。

故最终选择方案三。

2) 整体系统

方案一：设计发热模块和振动模块同时进行工作，即患者在穿戴骨质疏松损伤保护腰带后，腰带发热的同时，对患者进行振动按摩。在短时间内，患者的腰腹部肌肉得到放松状态，在韧性钢板的支撑作用下，患者腰部疼痛逐步减轻，效果显著，但是在实际测试中，当患者穿戴本设计进行睡眠休息时，振动偏大，会明显干扰睡眠质量，因而方案一无法根据患者需求对振动模块灵活掌控，故舍弃。

方案二：设计发热模块和振动模块配合进行工作，即患者在穿戴骨质疏松损伤保护腰带后，在人体体温的激发下，热感应材料即时反应放出热量，此时患者可以根据自己的需求选择振动模块是否工作，在后期研究过程中，又增加了三种振动档位，患者可自行通过按键调节。通过实际测试，该方案满足了患者需求，富有人性化，避免了一些特殊情况下振动模块对患者的干扰，易于大众接受。

故选择方案二。

2 硬件设计

2.1 振动电路

振动电路(如图1)由4个振动电机组成，电路由USB接口供电。

图1 振动电路实物图

2.2 能量磁石发热点阵

腰部13颗磁石，腹部8颗磁石，将磁石粘贴在发热点阵背面，配合发热点阵对应穴位，缓解腰部不适。

2.3 韧性钢板

本设计共采用4块韧性钢板[12 cm(长)*2.5 cm(宽)*0.3 cm(厚)](如图2)，缝合于腰带背部外侧，缓冲撞击冲击力，支撑腰椎减轻腰部压力，减少压迫，矫正腰姿。

图2 韧性钢板图

3 软件设计

3.1 控制开关

振动按摩强度可由开关控制，分为三个档位：低档、中档、高档。三档位开关电路图如图3所示。

图3 三档位开关电路图

3.2 控制开关流程图

图4 三档位开关流程图

图4为三档位开关流程图。采用89C51单片机，该单片机的价格较低、功能强大、操作简单、使用量极高。用该单片机接收，处理信号，控制按摩强度的三个档位。

4 系统测试

我们对骨质疏松损伤保护腰带进行了环境、功能稳定性测试，并遴选15名身体状态不同的受试员开展了实际使用测试，记录期间腰带发热时间、发热状态和振动效果。观察钢板位置是否贴合受试者腰部的生理曲线，同时摁压感受每位受试者的腰部肌肉状态，记录受试者自身感受效果反馈。

4.1 功能测试

15名不同体态的受试患者穿戴3分钟后，记录受试者是否感受到热灸效果；振动按摩开启三分钟后，记录受试者是否感觉到放松背部肌肉，舒缓疲劳酸痛。其记录结果如表1所示。

表1 骨质疏松损伤保护腰带功能测试表

4.2 性能测试记录

4.2.1 环境稳定性

1) 在不同工作环境下对骨质疏松损伤保护腰带的稳定性检测，其记录结果如表2所示。

表2 骨质疏松损伤保护腰带在不同外界环境温度的工作状态测试表

2) 对骨质疏松损伤保护腰带进行长时间工作测量，其记录结果如表3所示。

表3 骨质疏松损伤保护腰带持续工作稳定性测量记录表

4.2.2 功能稳定性

测量受试者5分钟内正常穿戴时升温时长及稳定温度、3种档位的振动状态及输出电压的稳定性，其记录结果如表4所示。

表4 骨质疏松损伤保护腰带性能测试表

3) 对各个模块进行精准定位及调整，并邀请10名健康受试者、10名患骨质疏松受试者穿戴骨质疏松损伤保护腰带进行效果体验。经过验证，韧性钢板定位符合人体生理曲线，21颗能量磁石完全对应人体腰部穴位，振动电机定位合理，经过实际测试，实现预期效果。

4.3 测试结论

在测试过程中，由于受试者的个体差异性，对温度、振动的敏感程度不尽相同，通过多次测试，受试者反馈效果均为有效，满足90%以上的用户需求。恒定发热模块满足设计要求，振动功能模块三档位均正常工作，物理腰带满足各类体型的用户穿戴，内置钢板贴合人体生理曲线。本设计系统功能良好，稳定性强，可长时间无故障工作。

5 结束语

此骨质疏松损伤保护腰带针对目前患者的常见症状，融合生物力学、人体工程学、生理学、中医按摩热灸等理论知识，在作品中实现了人体腰部大幅降低外力冲击、热灸祛痛、点阵共阵按摩功能，综合保护了骨质疏松患者的腰部。利用钢板缓冲患者受到的冲击力大小，从外部保护了患者腰部；增加震动按摩电路，在骨质疏松症患者疼痛的时候，可适当地进行按摩，促进血液循环，减轻症状，从内部缓解了患者受到的痛苦。且本设计采用加压带的方式，紧密贴合腰部，佩戴舒适，活动自如，患者可贴身穿戴，隐蔽性好，不会对患者造成心理压力。在如今我国约有1.4亿人患有不同程度的骨质疏松的背景下[3]，本产品应用前景广泛。

骨质疏松多发病人群为中老年，随着我国人口老龄化的趋势不断增大，在未来发展中，中国50岁以上的骨质疏松患者将会愈发增多，因而针对骨质疏松患者使用的防护器具将具有很大的发展前景，在这一方面还需要我们的共同努力，不断推进这项技术的成熟发展，造福千万骨质疏松患者。