下腰背痛智能检查助手设计

周煜茗 高凌峰 李舞雩 李新月 宋文豪

摘要：下腰背痛已经成为了现阶段人们的高发生活方式病之一。直腿抬高试验是检测筛查下腰背痛的一项重要体格检查方式，现阶段直腿抬高试验主要由医生人工进行检查。下腰背痛智能检查助手通过自动抬腿、角度监测来实现直腿抬高试验，减轻医生们的工作负担，提高医院自动化水平。目前市場上使用的直腿抬高试验设备较少，为填补这方面的缺口，文章为下腰背痛患者设计了一种能够自助检测的下腰背痛智能检查助手。

关键词：下腰背痛;直腿抬高实验;抬升装置;角度测量

1.引言

下腰背痛也称下背痛，是一种常见的肌肉骨骼伤病，是现代人主要的文明病之一。目前针对下腰背痛的诊断方式主要有病史采集、体格检查（直腿抬高试验）、实验室化验检查、X光片、CT、ECT、MRI、肌电图和运动诱发电位等。但是由于病史采集的诊断准确性低，实验室化验检查又需耗费大量的资金和时间，所以目前对于下腰背痛的诊断主要使用的是X光片、CT、ECT、MRI这类电子影像检查。但是常规的电子影像检查不仅会增加看病成本，且利用的是放射性物质检测，放射性物质带来的辐射本来也会对人体造成伤害。因此具有高实用性、经济性和可操作性的直腿抬高试验是下腰背痛筛查诊断的最佳方式之一。目前医院上用于直腿抬高试验的设备较少，直腿抬高试验都是由医生手工进行操作，抬腿角度由医生肉眼观察大致判断或者通过大尺寸的量角器进行测量，校测结果准确性低，且医生的工作量会大大增加。下腰背痛智能检查助手是一种能够通过自动化技术代替现在骨科医生人工进行直腿抬高试验诊断检查的专用医疗检测辅助设备。目前我国用于下腰背痛直腿抬高试验的设备较少，一种拥有自动抬腿，且角度检测较为准确，使用简单可靠，成本低，功能专一的下腰背痛智能检查助手将会改善现阶段的下腰背痛检测诊断现状，是未来下腰背痛直腿抬高试验的重要辅助设备。能够提高现在医院的自动化水平，降低医生的工作强度，提高患者就医诊断的便携性。

2.设计思路

根据对现有医用电气设备以及临床检查方式的调研，目前人工下腰背痛查体的方式为：患者仰卧，双下肢平伸，检查者一手扶住患者膝部使膝关节伸直，另一手握住踝部并慢慢抬高，直至患者产生下肢放射痛为止，记录下此时下肢与床面的角度。正常人一般80°～90°，若抬高不足70°且伴有下肢后侧的放射性疼痛为阳性（阳性提示腰间盘突出症，坐骨神经痛也可阳性）直腿抬高加强试验使患者仰卧、伸膝、被动抬高患肢，当抬高到60°以内，即出现坐骨神经分布区域的放射性疼痛，为直腿抬高试验阳性，直腿抬高加强试验对于因肌肉等因素引起的病变常为阴性，因此对鉴别椎间盘突出引起的神经根压迫特异性高于直腿抬高试验。目前直腿抬高试验都是医生手工操作进行，抬腿角度通过医生肉眼观察大致判断或者通过大尺寸的量角器进行测量，造成校测结果准确性低，且医生的工作量会大大增加。根据上述情况，提出以下设计思路：将装置进行模块化设计，主要分为床身主体、抬升机构和角度测量机构，通过单片机进行电路控制。具体检测流程图如下：

下腰背痛智能检查助手由电动推杆提供动力，通过抬升机构将电动推杆的直线运动转换成腿板的摆动运动，实现对患者腿部的的抬升。抬高角度由检查者自行控制，直至患者感到疼痛或者达到停止点。左右推板分别抬升，互不影响。同时在床身旁装有角度传感器，由单片机进行控制测量，通过LED面板实现人机交互。

2.1检查助手本体设计

床面结构示意图如图3所示，左腿板2和右腿板3铰接于主体床板1上，均可绕着Y轴摆动。床体尾部（检查者下肢）方向为x轴正方向，检查助手宽度方向为y轴方向。检查助手的抬升机构带动左腿板2绕着Y轴转动一定的角度，即抬高患者的左下肢，右侧同理。

检查助手本体为医用护理床结构，按照医疗标准要求进行设计，需保证其安全性及有效性。根据行业标准要求以及结合市场上有关直腿抬高试验机的现有产品，确定下腰背痛智能检查助手的整体尺寸为：长×宽×高：2100mm×900mm×500mm。根据《YY05712013中华人民共和国医药行业标准-医用电气设备第2部分：医院电动床安全专用要求》中规定挤压和剪切点的典型间隙小于8mm或者大于25mm，为适应人体腿部结构，检查助手左右腿板间隙设定为5mm。

2.2抬升机构设计

对现有市面上电动控制且具有角度抬高功能的医疗产品进行调研发现，其动力原件主要有螺杆带动、电机直接带动、电动推杆带动等，但考虑到结构复杂程度以及成本问题，最终采用的是电动推杆作为动力元件。电动推杆具有低速大推力、噪音小、行程稳定等优点。

但检查助手是通过抬高腿板实现抬腿动作，而电动推杆的运动是往复直线运动，所以还需要一套相适配的抬升机构。在实际的机械结构中，通过对比各类抬升机构的优缺点，最终选择的抬升方案如下：

如图，1是带有一定角度的弯头腿板，2是电推杆，这种机构结构简单，维修养护方便，便于安装。其抬腿功能的实现是通过电推杆伸长时带动弯头腿板转动，从而实现抬腿动作。电动推杆的安装位置大致为检查者平躺时的背部或者臀部，基本处于人体的重心位置，这样电推杆工作时的推力的反力会与检查者受到的重力处于两个不同的方向，在增大检查助手的整体稳定性的同时也不会占据检查助手床体下方的太多空间。

2.3角度测量设计

现今市面上关于角度测量的模块较多，角度测量方案可以分为角度测量和角度显示两个部分。下腰背痛智能检查助手中对于抬腿角度的测量采用一种基于51单片机为主控制器的抬高角度数据采集显示系统，通过ADXL345三轴加速度传感器对腿板抬高角进行测量，再通过LCD1026显示模块对角度值进行显示。角度测量系统在长期的使用过程中难免会出现测量误差的问题，为了保证测量角度的准确性，归零调校功能是必不可少的。系统的工作流程为上电后由倾角传感器检测当前的角度值，单片机读取数据，然后将读取出来的数据转换为相应的角度值，并通过显示器显示显示出来，当归零功能触发后，角度重置为0。

3.结语

目前人们的工作劳动强度不断增大，下腰背痛患者逐渐增多，对于患者们的检测治疗要求也越来越高。所设计的下腰背痛智能检查助手利用角度传感器实现对检查结果的精确监控，在提高检查准确度的前提下，有效降低了医生操作难度和劳动强度，同时降低人工成本。在互联网时代，能够很好地适应社会的发展。

参考文献：

[1]殷陈君，王璞，晋海燕.2014.人体工程学[M].北京：化学工业出版社.

[2]Damian Hoy et al.2012.A systematic review of the global prevalence of low back pain[J].Arthritis & Rheumatism，64（6）：2028-2037.

基金项目：省级大学生创新创业训练计划——下腰背痛智能检查助手（S202010616077）

作者简介：周煜茗（1999.08—），男，四川省泸州人，成都理工大学机械工程专业本科生