CN114948587B - 一种基于多传感器融合的柔性智能颈椎牵引装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多传感器融合的柔性智能颈椎牵引装置，包括底座、下颌托、后侧托板、传感模块和控制模块，底座与人体胸部、肩部的轮廓相贴合，下颌托通过若干柔性施力机构安装于底座上；柔性施力机构包括滑动导向机构和气动施力模块，滑动导向机构包括设于底座上的滑槽、滑动设于滑槽内的滑块和固定于下颌托底部的连接板，连接板与滑块通过转动副相连，使得下颌托能相对于底座改变俯仰角度；传感模块包括压力传感器、肌电传感器、角度传感器；控制模块用于接收传感模块的数据，并根据采集的数据控制柔性施力机构的牵引动作。本发明提供了一种牵引为主，同时具备俯仰转动功能的颈椎病治疗技术，最大程度模拟颈椎牵引需求，提高治疗效果。

Description

一种基于多传感器融合的柔性智能颈椎牵引装置

技术领域

本发明属于治疗器械技术领域，涉及颈椎牵引装置，具体涉及一种基于多传感器融合的柔性颈椎智能牵引装置。

背景技术

目前颈椎病是一种常见的而复杂的、治疗难度大的疾病。世界卫生组织发布的《全球十大顽症》里，颈椎病排名第二，只低于心脑血管疾病。根据最新报道表面：我国约有两亿多颈椎病患者，患病率为17.3％，差不多每五个人里就有一个颈椎病患者。随着当代生活方式的变化和工作压力的增大，颈椎病作为现代职业病已经呈现出年轻化和多发的趋势，它严重影响了人们的日常生活和工作。颈椎病又称颈椎综合征，是一种以退行性病理改变为基础的疾患。主要由于颈椎长期劳损、骨质增生等原因致使韧带肥厚和继发的椎管狭窄等，刺激或压迫了邻近的神经根、脊髓、椎动脉及颈部交感神经等组织，引起一系列症状。

多数颈椎病患者由于症状较轻或者出于安全性和成本方面的考虑，会选择非手术疗法来治疗颈椎病。非手术疗法中，颈椎牵引疗法通过特定牵引装置对颈部施加牵开力，以扩大颈椎椎间孔面积，轴向牵开颈椎椎体及关节突关节，拉伸颈部肌肉及韧带，使颈椎曲度趋于变直，可减轻突出椎间盘对颈部神经根的刺激，缓解颈部肌肉紧张，改善颈部疼痛等，被认为是颈椎病的有效保守治疗手段。

颈椎牵引器分为固定式牵引器和便携式牵引器，目前医院中常用的牵引器还是大型的固定式支架牵引器,这种牵引只有患者到医院去并且在医护人员的帮助下才可以接受治疗。便携式牵引器相对于固定式牵引器来说方便患者随时随地使用。目前市面上的颈椎牵引器的种类有很多，但是一般都需要使用者自己操控，很少有能实现自动化控制、调节的，也几乎没有颈椎牵引器能够使用传感器检测到患者实时的受力情况以及姿态，这对于治疗方案的实施和行业标准的制定是很不利的。

机器人有关技术正飞速发展，其应用范围正持续扩大，应用程度也不断深入，目前，机器人在实际生活中的各个领域发挥的作用正日益显著。医疗领域中，机器人类型的医疗装置也正越来越多地被使用于人们的日常生活中，但在颈椎牵引器领域还较为空白，因此十分有必要发明一种基于多传感器融合的、能够自动调节的智能颈椎牵引装置。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于一种基于多传感器融合的柔性颈椎智能牵引装置，在实现实时状态检测的同时，还能进行自动控制，为颈椎病患者提供有效的治疗。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于多传感器融合的柔性颈椎智能牵引装置，其特征在于：包括控制模块、传感模块和机械支撑模块；所述机械支撑模块包括底座、下颌托和后侧托板；

所述底座与人体胸部、肩部的轮廓相贴合，用于给整个牵引装置提供支撑力；

所述下颌托用于与人体下颌贴合，通过若干柔性施力机构安装于底座上；所述柔性施力机构用于对下颌托向上施加柔性力，以完成对颈椎牵引；

所述后侧托板与人体颈部后侧相贴合，可拆卸的与下颌托、底座相连，用于在柔性施力机构牵引时，对颈部后侧支撑；

所述传感模块包括分别设于下颌托、后侧托板与人体接触的压力传感器、肌电传感器、角度传感器；

控制模块，用于接收传感模块的数据，并根据采集的数据控制柔性施力机构的牵引动作；

所述柔性施力机构包括设于底座、下颌托之间的若干滑动导向机构和与滑动导向机构相邻的气动施力模块，所述滑动导向机构均包括设于底座上的滑槽、滑动设于滑槽内的滑块和固定于下颌托底部的连接板，所述连接板与滑块通过转动副相连，使得下颌托能相对于底座上下运动的同时改变俯仰角度。

本发明通过柔性施力机构产生柔性牵引力，牵引力增加缓慢释放也缓慢，达到最佳牵引效果，牵引过程中通过转动副的设置，使得下颌托相对于底座能够发生一定范围内的俯仰运动，并且通过每个柔性施力机构的施力幅度能够调整俯仰角度，更加复合颈椎实际运动情况，防止生硬牵引造成的损害。

本发明的有益效果是：

1、提供了一种牵引为主，同时具备俯仰转动功能的颈椎病治疗技术；

2、电路简单，占用空间小、结构更紧凑，装置系统稳定性强；

3、本发明结构简单，采用了柔性结构和气动施力方式，施力柔和，避免了造成伤害的风险，对使用者更加友好；

4、根据不同的预设方案，以及实时测量使用者的状态，能够及时调整牵引力大小、俯仰角度、牵引时间等执行内容。

附图说明

图1是本发明柔性颈椎智能牵引装置功能结构示意图。

图2是本发明柔性颈椎智能牵引装置整体结构示意图。

图3是本发明柔性颈椎智能牵引装置去掉后侧托板的前部结构示意图。

图4是本发明底座结构示意图。

图5是本发明气动施力模块工作原理图，其中，图5(a)为柔性网格状支撑内气囊没有充气状态，图5(b)为气囊充气后柔性网格状支撑纵向伸长状态。

图6是本发明下颌托结构示意图。

图7是本发明后侧托板结构示意图。

其中，1-底座，2-后侧托板，3-下颌托，4-第一气动施力模块，5-第二气动施力模块，6-第三气动施力模块，7-第一角度传感器，8-第二角度传感器，9-压力传感器，10-柔性网格状支撑，11-第一滑动导向机构，12-第二滑动导向机构，13-第一肌电传感器，14-第二肌电传感器，15-魔术贴槽，16-软垫，17-安装盲孔，18-电路板，19-第二转动副，20-第一滑槽，21-第一滑块，22-第二滑槽，23-第二滑块，24-气路，25-第一转动副，26-支撑板，27-气囊。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明提供的一种磁控分子施药胶囊机器人进行详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1至图7所示，一种基于多传感器融合的柔性颈椎智能牵引装置，包括控制模块、传感模块和机械支撑模块；所述机械支撑模块包括底座、下颌托和后侧托板；

所述底座1与人体胸部、肩部的轮廓相贴合，用于给整个牵引装置提供支撑力；

所述下颌托3用于与人体下颌贴合，通过柔性施力机构安装于底座1上；所述柔性施力机构用于对下颌托3向上施加柔性力，以完成对颈椎牵引；

所述后侧托板2与人体颈部后侧相贴合，可拆卸的与下颌托3、底座1相连，用于在柔性施力机构牵引时，对颈部后侧支撑；

所述传感模块包括分别设于下颌托3、后侧托板2与人体接触的压力传感器9、肌电传感器、角度传感器；

所述控制模块用于接收传感模块的数据，并根据采集的数据控制柔性施力机构的牵引动作；

如图2至图4所示，所述柔性施力机构包括设于底座1、下颌托3之间的若干滑动导向机构和与滑动导向机构相邻的气动施力模块，每个滑动导向机构均包括设于底座1上的滑槽、滑动设于滑槽内的滑块和固定于下颌托3底部的连接板，所述连接板与滑块通过转动副相连，使得下颌托3能相对于底座1上下运动的同时改变俯仰角度。

如图2和图3所示，所述滑动导向机构有四个，其中两个第一滑动导向机构11对称的设于底座1前部，两个第一滑动导向机构11之间设有第一气动施力模块4，第一滑动导向机构11的滑槽和滑块分别记为第一滑槽20和第一滑块21；两个第二滑动导向机构12对称的设于底座1两侧，每个滑动导向机构内侧设有一个气动施力模块，分别为第二气动施力模块5和第三气动施力模块6，形成对称结构；通过对称结构，使得气动施力模块施力时，能做均匀的将力作用在底座1和下颌托3之间，不会导致下颌托3侧翻，对人体颈部造成伤害；第二滑动导向机构12的滑槽和滑块分别记为第二滑槽22和第二滑块23。

本发明的底座1、下颌托3和后侧托板2构成环绕人体颈部环形机械支撑结构，执行基本的支撑及治疗作用；所述控制模块，用于保存使用者所设定的牵引方案，同时接收所述传感模块测量的各项数据，根据设定牵引方案以及接收到的各项数据，对所述柔性施力机构进行控制及调整以达到治疗目的。

作为一种优选实施例，如图2和图3所示，两个第一滑动导向机构11的第一转动副25高度相同，两个第二滑动导向机构12的第二转动副19高度也相同，并且，第一转动副25高度低于第二转动副19高度，使得下颌托3俯仰动作时更能复合人体颈椎的牵引动作。

作为一种优选实施例，如图2和图5所示，所述气动施力模块包括两个支撑板26、设于两个支撑板26之间的柔性网格状支撑10、设于柔性网格状支撑10的每个网格内的气囊27以及对气囊27充放气的气路控制装置(图中未画出)，每个柔性网格状支撑10内的所有气囊27构成一个气囊组，两个支撑板26分别通过安装盲孔安装在底座1顶部和下颌托3底部，柔性网格状支撑10本身具有柔性，但是不具有延展性，这样气囊组充气时，柔性网格状支撑10被撑起，如图5(b)所示，在纵向上伸长达到提供柔性驱动力的目的，气囊组放气时，由于放气速度比较慢，因此力量是慢慢减小，及时电磁阀或者气泵失电，也不会造成支撑力量瞬间消失，能更好的牵引颈椎，防止放松时，力量突然消失，带来的不适感。

使用时，通过气路控制装置给每个柔性网格状支撑10内的气囊充放气，通过设定充放气速度和气囊压力调整三个气动施力模块对颈椎的牵引速度和牵引力大小，配合角度传感器和压力传感器的反馈，调整三个气动施力模块的伸长量，从而调整下颌托的俯仰角度，达到最佳牵引目的。

作为一种优选实施例，所述柔性网格状支撑10强度足够且弹性模量合适的材料制作而成，比如可以采用包括但不限于TPU95A(聚氨酯)，可以制成六边形的蜂窝状网格。

作为一种优选实施例，所述气路控制装置包括充气泵、将充气泵与每个气囊27相连的气管以及设于气管上用于控制气囊27充放气电磁阀，所述电磁阀和充气泵与控制模块相连，具体采用现有技术即可，本发明不再赘述。本发明实施例中，所述气管可以设置于每个滑动导向机构的滑槽内。

作为一种优选实施例，如图4、图6、图7所示，所述底座1与人体胸部、肩部的轮廓相贴合；所述下颌托3上设有软垫16，使得其与人体下颌及颈部贴合，并有一定的舒适度；所述后侧托板2中含有气垫，轮廓与人体后颈部贴合，并能提供一定的舒适度。

如图2、图7所示，所述后侧托板2上设有魔术贴槽15，所述底座1、所述下颌托3与所述后侧托板2通过魔术贴的方式进行连接，可以进行松紧度的调节。

如图4、图6、图7所示，所述底座1与人体胸部、肩部的轮廓相贴合；所述下颌托3上设有软垫16，使得其与人体下颌及颈部贴合，并有一定的舒适度；所述后侧托板22中含有气垫，轮廓与人体后颈部贴合，并能提供一定的舒适度。

如图3、图7所示，所述传感模块包括至少一个压力传感器9、第一肌电传感器13、第二肌电传感器14、第一角度传感器7，第二角度传感器8，以测量力、角度、肌电信号等数据。

如图3所示，所述压力传感器9使用包括但不限于薄膜压力传感器9，可以实时测量人体所受的牵引力。

如图7所示，所述第一肌电传感器13和第二肌电传感器14分别设于能与人体于胸锁乳突肌接触的后侧托板2内侧两侧；置于胸锁乳突肌表面，可以实时测量两侧胸锁乳突肌的表面肌电信号来判断肌肉状态；

如图7所示，所述第一角度传感器7、第二角度传感器8使用包括但不限于MPU6050传感器，分别安装于下颌托3和后侧托板2上，测量下颌托3和后侧托板2的俯仰角度；也可以通过第一角度传感器7和第二角度传感器8的角度差来实时测量使用者头部与颈部的当前姿态；

如图6所示，所述下颌托3中设有控制模块的电路板18。

如图2所示，所述各类部件通过包括但不仅限于螺栓连接的方式进行固定、限位。

作为一种优选实施例，所述柔性颈椎智能牵引装置的电路均采用柔性线控制。

需要说明的是，本发明的其他常规结构并非本发明关键发明点，例如本发明中螺纹连接、气路24、电路等均已省略，本发明没有详细公开的部分采用公知常识即可。

本发明工作原理：

本发明柔性智能颈椎牵引装置提供了一种牵引为主，同时具备俯仰转动功能的颈椎病治疗技术，能够提高治疗效果。该柔性智能颈椎牵引装置能够预先输入需要的治疗方案，装置通过气泵对三个气动施力模块的气囊进行控制，通过三组气囊组间和组内的配合，装置能够精确地控制牵引力、牵引时间和俯仰角度，同时装置内的压力传感器9、角度传感器和肌电传感器分别能够实时监测使用者受到的牵引力、头部和颈部之间的夹角、胸锁乳突肌表面的肌电信号，通过这些数据能够及时调整装置执行的内容，并且能够将所测量的数据保存起来，供后续的数据分析、诊断使用。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于多传感器融合的柔性颈椎智能牵引装置，其特征在于：包括控制模块、传感模块和机械支撑模块；所述机械支撑模块包括底座、下颌托和后侧托板；

所述底座与人体胸部、肩部的轮廓相贴合，用于给整个牵引装置提供支撑力；

所述下颌托用于与人体下颌贴合，通过若干柔性施力机构安装于底座上；所述柔性施力机构用于对下颌托向上施加柔性力，以完成对颈椎牵引；

所述后侧托板与人体颈部后侧相贴合，可拆卸的与下颌托、底座相连，用于在柔性施力机构牵引时，对颈部后侧支撑；

所述传感模块包括分别设于下颌托、后侧托板与人体接触的压力传感器、肌电传感器、角度传感器；

控制模块，用于接收传感模块的数据，并根据采集的数据控制柔性施力机构的牵引动作；

所述柔性施力机构包括设于底座、下颌托之间的若干滑动导向机构和与滑动导向机构相邻的气动施力模块，所述滑动导向机构均包括设于底座上的滑槽、滑动设于滑槽内的滑块和固定于下颌托底部的连接板，所述连接板与滑块通过转动副相连，使得下颌托能相对于底座上下运动的同时改变俯仰角度；

所述滑动导向机构有四个，其中两个对称的设于底座前部，底座前部的两个滑动导向机构之间设有一个气动施力模块；另外两个对称的设于底座两侧，位于两侧的滑动导向机构每个内侧设有一个气动施力模块，形成对称结构；位于两侧的滑动导向机构的连接板转动副高度高于位于前部两个滑动导向机构的连接板转动副；

所述气动施力模块包括两个支撑板、设于两个支撑板之间的柔性网格状支撑、设于柔性网格状支撑的每个网格内的气囊以及对气囊充放气的气路控制装置。

2.根据权利要求1所述的柔性颈椎智能牵引装置，其特征在于：所述柔性网格状支撑为采用柔性材料制成的蜂窝状网格。

3.根据权利要求1所述的柔性颈椎智能牵引装置，其特征在于：所述柔性网格状支撑采用聚氨酯制成。

4.根据权利要求1所述的柔性颈椎智能牵引装置，其特征在于：所述气路控制装置包括充气泵、将充气泵与每个气囊相连的气管以及设于气管上用于控制气囊充放气电磁阀，所述电磁阀和充气泵与控制模块相连。

5.根据权利要求1所述的柔性颈椎智能牵引装置，其特征在于：所述压力传感器设于与人体下颌接触的下颌托前侧，所述角度传感器有两个，分别安装于下颌托和后侧托板上，测量下颌托和后侧托板的俯仰角度；所述肌电传感器有两个，分别设于能与人体于胸锁乳突肌接触的后侧托板内侧两侧。

6.根据权利要求1所述的柔性颈椎智能牵引装置，其特征在于：所述后侧托板通过魔术贴与下颌托、底座可拆卸的相连。

7.根据权利要求1所述的柔性颈椎智能牵引装置，其特征在于：所述下颌托内侧顶部设有与颈部接触的软垫。