摘 要
颈椎病是一种发病率高，危害性大的慢性病。它严重地影响人们的生活、工作甚至危及生命。颈椎病患者如果不及早治疗很容易导致高位截瘫，并且患者的年龄日趋年轻。目前市场上的颈椎病治疗仪器大多数功能比较单一，或者是价格比较昂贵，而医院里面的颈椎治疗仪比较老旧，庞大和简陋。因此，迫切需要一种多功能、便携式的颈椎病治疗仪来填补市场的空白。
本课题旨在研发一种程控的家用便携式、多功能颈椎病治疗仪。其主要研究内容包括：
1、从生物力学的角度，研究了颈椎和颈部组织结构、病理及其牵引的重要性；
2、整个硬件系统包括了机械牵引，低频理疗，离子导入三个主要治疗模块，同时包括了拉力数据采集处理与反馈控制，液晶实时显示和独立键盘，在线可编程（ISP）等子模块；
3、设计并完成了与各个治疗模块相配套的系统控制、显示等软件功能模块，实现了治疗仪的完全程控化。
4、进行了初步的人体实验，采了一些数据，并已经开始了临床实验；

该颈椎病治疗仪融机械牵引，低频理疗与离子导入为一体，体积小，方便携带，可以灵活的固定在门或椅子上，并配有液晶显示器和键盘，操作简单方便，病人可以在医院或医院以外的环境安全地进行治疗。同时，留有在线升级接口，可以从网上进行系统维护与升级。

可以预计：它将成为广大颈椎病患者居家旅行中理想的家庭康复器具。

【关键词】多功能，便携式，颈椎病

Abstract
Cervical Spondylosis is a chronic disease that is high in incidence of the disease and serious in the endangerment. It infect people’s liveing, work seriously, what’s more, it will endanger the people’s life. If the Cervical Spondylosis patents don’t cure ealier, they will easily get high paraplegia. Now the Cervical Spondylosis patents are becoming The treatment devices of Cervical Spondylosis on the market have less function and cost much money. In hospitals ，the treatment devices are old, voluminous and simple. The market needs a new type of equipment that is multi-function and portable to fit the people’s requests.
Our task is improve and redesign a treatment device..The investigation of this project is: First, from the point of the biological mechanics, the paper analyzes the mechanism of Cervical Spondylosis and tells us the importance of traction in treating the illness.
Second，the new system includes three primary modules: motor traction, low frequency physical therapy and ion injection modules. And there are other subsystems: information collection and feedback function, LCD screen and button modules.
Third, the software fitted for this system was designed and debugged successfully. All the modules are controlled by program.
Fifth, we have done some primary human body experiments, and got some data.. The  clinical experiment has began.
This equipment combines three treatment modules together. It has small bulk and easy to be carried and be fixed on the doors or chairs flexibly. It contains the LCD and buttons，so that is convenience to be controlled and used safely by the patients outside the hospitals. The equipment also has the interface for upgrading on net.
It can be predicted that the treatment device is an ideal tool for many patients to treat their cervical spondylosis in home and during travel.

【Key Words】multi-function, portable, cervical spondylosis

目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
第一章  前 言 1
1.1 引言 1
1.2 颈椎病治疗技术发展动态 1
1.2.1 国内外同类产品比较 2
1.2.2 项目方案产生 3
1.3 论文的研究目的及主要工作 3
1.4 论文的研究意义 4
第二章  颈椎病理分析与治疗方法 5
2.1 颈椎病的病因定义 5
2.2 颈椎病的病理变化 5
2.3 颈椎牵引的理论依据 6
2.3.1 牵引疗法的主要作用 6
2.3.2 颈椎牵引的适用范围 7
2.3 颈椎病的物理治疗 8
2.3.1 低频理疗的理论根据 8
2.3.2 离子导入的理论根据 9
第三章  系统整体设计 11
3.1 系统工作示意图 11
3.2 系统模块图与系统结构图 12
3.2 系统与模块实物图 13
第四章  系统硬件设计 15
4.1 处理器模块 15
4.2 机械牵引模块 16
4.2.1 电机与驱动器部分 16
4.2.2 压力传感器部分 17
4.2.3 AD采样部分： 18
4.3 低频理疗模块 19
4.4 离子导入模块 19
4.5 液晶和键盘控制模块 20
4.6 单片机ISP（在系统编程）功能模块 21
第五章  系统软件设计 24
5.1 系统软件整体构架 24
5.2各模块软件构架 25
5.1.1机械牵引模块构架 25
5.1.2 低频理疗模块构架 26
5.1.3 离子导入模块构架 27
第六章  机械外观设计 29
6.1 机体的设计 29
6.2 控制键盘的设计 30
第七章  系统测试及实验结果 31
7.1 机械牵引模块测试及实验结果 31
7.1.1 电机工作状态的测定 31
7.1.2 传感器性能参数的测定 31
7.1.3 AD采样模块性能的测定 33
7.2电子理疗模块测试及实验结果 35
7.3离子导入模块测试及实验结果 35
7.4人体实验 35
7.4.1 方案设计 36
7.4.2 实验结果 36
第八章  讨论与展望 38
8.1讨论 38
8.2展望 39
参考文献 41
 
第一章  前 言
1.1 引言
颈椎病是指因颈椎退行性变引起颈椎管或椎间孔变形、狭窄，刺激、压迫颈部脊髓、神经根、交感神经造成其结构或功能性损害所引起的临床表现。它是一种发病率高、危害性大、易导致高位截瘫并使患者年龄日趋年轻化的疾病，并将成为本世纪人类的第一大病。如今，颈椎病与以往任何时候相比，更广泛得存在于各类人群中，对人们的生活和工作产生了严重影响。据统计，40岁左右的中年人中颈椎病的发病率为47%，50岁以上的人群为58%，随着生活节奏的加快，颈椎病更加趋于年轻化。而如今，由于竞争更加激烈，导致有一些中学生都隐含初期颈椎病。据报道：由于人们对电脑的依赖程度日益增加，青少年中颈椎病的发病率也1997年的8.9%上升至1999年的12%。因此，根据我国人口的巨大基数来计算，粗略估计，我国颈椎病的患者已超过3亿。
对于颈椎病这中疾病，目前最紧迫的是让人们认识到他的危害性，提早预防，早采取措施来进行治疗，采取适当的方法，同时注意日常保健和治疗，以免发生更严重的后果。而颈椎病最根本的原因是颈椎正常生理弯曲改变，即骨骼走向变形损伤，从而压迫神经血管。由于颈椎病的复杂性，不同类型，不同时期的颈椎病在治疗上具有各不相同的要求，而非手术疗法是治疗颈椎病的基本方法，又是手术疗法的基础。非手术疗法包括：基本疗法，如休息等；牵引疗法；手法疗法；石膏疗法；理疗及其针灸等。其中牵引疗法是颈椎病治疗学中最常用的方法之一，适应症较为普遍，约占颈椎病全部病例的30%以上适用牵引疗法。除传统的重量牵引外，近年来，机械式及电动式牵引法已逐渐推广，而且颈椎病是一个慢性病，一般不能在医院中一次性治愈，所以应发展家庭疗法，即是在家庭可以自己掌握的治疗技术与保健措施，主要用于一般性颈椎病或是手术病例康复期患者。如此既有利于患者的治疗与康复，又可降低医院的门诊量，更可减少家庭及单位的经济负担。
颈椎病的防治不仅需要个人的自我预防和治疗，更需要国家和社会的大力支持。近年来，随着我国综合国力的增强，社会用于人们康复福利事业的投入逐年增多，使得康复事业发展起来。一方面随着生活水平的提高，人们对自身的健康状态逐步关注，改善自身生活质量的自我意识逐步增强，因而对家用的医疗器械提出了更高的要求。另一方面高科技产品例如电脑的普及，人们的运动机会减少，使患有颈椎病人群不再集中在老年人里，越来越多的年轻人受到颈椎病的威胁，发病人数逐渐增多。这些问题都值得我们注意。
1.2 颈椎病治疗技术发展动态
颈椎病的治疗方法因颈椎患处不同而各异，在临床中，多以发病部位的差异来进行命名。临床上将颈椎病分为神经根型，脊髓型，椎动脉型，混合型和交感神经型[1]。它们的治疗手段均不一样。
国外治疗颈椎病的治疗也不外乎手术、牵引、理疗、药物等，但是国外经验丰富，不仅仅从临床角度上看待这种病的治疗，而且会从生物力学的角度对颈椎病的治疗进行研究，这些都是值得我们学习的。
不同类型的颈椎病，临床上治疗的方法和手段都是不同的。如神经根型颈椎病，临床上多以颈椎牵引治疗为主，同时配合手法，理疗等手段；脊髓型颈椎病在临床上必须认真检查，与脑血管意外认真鉴别，大多数病人须手术治疗；椎动脉型多发生于颈部较短的人，这类病人可以采取除牵引以外的治疗办法，临床治疗只能改善症状，很难治愈；混合型颈椎病可能有上述三种中的两种或更多，须采取多种综合治疗方法才能取得一定疗效；交感神经型颈椎病比较少见，治疗可用调节交感神经类的药物。
根据相关资料[2]获悉，在颈椎病患者中，神经根型占75%，脊髓型占16%，椎动脉型占5%，其它比例更小。手术治疗，药物治疗都不是我们研究的范围。我们重点讨论神经根颈椎病治疗技术的发展，其中牵引，各种理疗技术或是药物治疗技术在治疗神经根型颈椎病的临床中广泛应用[3]。
目前临床上使用的颈椎牵引设备分为两类：一为悬吊牵引为主，包括：电动颈椎牵引椅，机械颈椎牵引椅，磅称式颈椎牵引台，多功能牵引床等；另一类是供家庭使用的牵引器具，常用的有充气式支架牵引器，颈椎气圈等。
然而，在临床治疗中我们发现：
1、 单一的牵引、低频治疗或负离子药物导入等方法都不能获得理想的疗效。
2、 颈椎病是一种慢性病，患者需长时间的治疗与康复，才可以取得较好的疗效。在医院治疗，要住院，则有经济原因；若不住院，又不能巩固治疗效果。而如果患者在医生的指导下，在家进行治疗，效果会更好。
3、 医院的颈椎牵引设备常以悬吊为主。在国内市场上的悬吊牵引仪，*手动进行机械控制，操作很不方便，角度也很难控制，仅能加载持续力，疗效差；而国外的牵引仪，电脑控制，自动化程度高，操作方便，处方可选，牵引治疗效果较好，但疗效不易巩固，而且仪器体积大，价格昂贵，仅大、中医院购买得起，患者每到医院治疗一次都会花一大笔钱。
4、 国内医疗市场中，行销的家用颈椎牵引器，多是一些支撑式牵引器，有较大的副作用，很少发现悬吊式牵引器。
由此可看出，目前市场上的颈椎病治疗仪不利于患者进行日常的理疗与护理。现行的家用颈椎牵引器还未达到理想的程度，还有很大的研究和改进空间。
1.2.1 国内外同类产品比较
国内：颈椎牵引仪多以机械装置为主，并带有固定的座椅，价格低廉。理疗辅助手段有手法按摩、针灸、低频治疗、离子导入等。其缺点是功能比较单一，体积庞大且笨重，*手工控制，操作不方便，角度不容易控制。且单一的牵引或者理疗不能很好的巩固疗效，从而获得理想的治疗效果。国内的家用颈椎病治疗仪在疗效，操作方便等方面均不能满足需要。
国外市场： 牵引仪外形美观，电脑控制，操作方便，牵引治疗效果好。其理疗辅助手段有中频治疗、热疗、中周波等。但目前，在国际市场上，电脑控制的颈椎病牵引治疗仪的典型价格是400-600美元。价格异常昂贵，非一般家庭所能承受，而且不能进行日常的理疗与护理，只有国内大医院有能力购买。
1.2.2 项目方案产生
鉴于目前市场中颈椎病治疗仪存在的问题：国内治疗仪体积庞大，机械结构，不宜于操作，治疗效果单一而且不易巩固；国外治疗仪价格昂贵，一般家庭没有能力购买，只有大医院才能购买并使用。人们迫切需要一种价格低廉、操作简单、疗效好、便携式、多功能的颈椎病治疗仪，以满足他们在家治疗和外出旅行不中断治疗的需要。
因此，我们设想并研制了一种微型、智能化、家用、多功能于一体的颈椎病治疗仪。该牵引治疗仪的牵拉速度可完全根据人体颈部自然曲度来调节，且能够根据颈部的受力情况来实现智能控制。牵引完后，在低频电流的作用下，其机械效应可使变异的颈椎椎间关节，椎关节和颈椎曲度异常得到充分调节，恢复颈椎正常的生理曲度，恢复正常的解剖关系并改善椎动脉的供血状态。同时，还可以使用离子导入的功能——直流电药物离子导入。其基本原理是，利用正负电极在人体外形成一个直流电场，在直流电场中加入带阴阳离子的药物，利用电学上“同性相斥，异性相吸”的原理，使药物中的阳离子从阳极，阴离子从阴极导入体内，达到治疗疾病的目的，对颈椎病引起的骨质增生尤其有效。
该治疗仪应该具有以下几个特点：
1、集机械牵引，低频理疗，负离子导入治疗等多功能于一体，且具有智能程序控制，防止误操作和报警功能。
2、良好的液晶与独立键盘模块的人机界面，操作方便简单。
3、设有计算机通讯接口，无需拆开仪器，只需要一根串口线就可以通过网络远程更新程序与进行代码维护。
4、牵引支架设计独特，可方便安装在门窗，椅子上，应用灵活。
1.3 论文的研究目的及主要工作
由上所述，可以知道项目的主要任务就是开发出这个系统，也就是小型的、智能化、家用、多功能的颈椎病治疗仪。它应该具有体积小，重量轻，价格便宜，操作方便，治疗效果好，智能化等特点。我们的重点就放在了实现这些特点的系统的理论分析，硬件、软件设计，调试，实现等方面。
该系统是个多功能的单片机系统，分为三个主要模块：机械牵引模块，低频理疗模块和离子导入模块。
本文主要从以下几个方面展开研究工作：
1、研究治疗颈椎病的较好方法。
2、系统的硬件，软件设计和功能实现。
3、牵引支架的优化设计。
1.4 论文的研究意义
本项目研究涉及了国际康复医学、康复工程与工程技术领域中一个重要的前沿课题，并属于国家计划中的重点领域和重点支持方向。它与基础研究和临床研究密切联系，且直接开发面对中国市场的防治颈椎病的系列产品，满足脊椎损伤的残疾人、老年人，和其他在有颈椎病隐患环境中生活的人们的生活需要。

 第二章  颈椎病理分析与治疗方法
2.1 颈椎病的病因定义
颈椎病是指因颈椎退行性变引起颈椎管或椎间孔变形、狭窄，刺激、压迫颈部脊髓、神经根、交感神经造成其结构或功能性损害所引起的临床表现。此病多见于40岁以上患者。
根据病理变化，颈椎病可分为五型：（1）脊髓型；（2）神经根型；（3）椎动脉型；（4）交感神经型；（5）混合型。
颈椎病的病因：（1）先天因素，如先天性颈椎管狭窄、先天性颈椎畸形等；（2）慢性劳损；（3）急性损伤。
病理变化为颈椎间盘退行性变，纤维环弹力减退而向四周膨出或髓核疝出可压迫神经根、脊髓、椎动脉；椎间隙狭窄，椎体边缘骨质增生，黄韧带肥厚、变性，使神经根管及椎管容积变小，小关节及钩突关节退行性变致小关节脱位可造成颈椎退行性滑脱。
脊髓型颈椎病表现为四肢无力、僵硬、肌张力高、腱反射亢进，可引出病理反射；神经根型颈椎病表现为颈部僵硬、活动受限，上肢放射痛、麻木、浅感觉迟钝、肌力减退、反射弱；椎动脉型颈椎病表现为头痛、头晕等脑血管痉挛症状及眩晕、恶心、耳呜、视物不清等脑缺血症状；交感神经型颈椎病出现霍纳氏综合症、心动过速或过缓、双上肢及头面部血管痉挛或扩张，肢体少汗或多汗；混合型颈椎病有上述两种以上的临床表现。
X线摄颈椎正侧位像、颈椎CT或MRI检查是确诊颈椎病的重要手段之一。此病应注意与肩周炎、胸廓出口综合征、椎管内肿瘤、梅尼埃综合征鉴别。
颈椎病的治疗：（1）卧床，减少颈椎负荷；（2）颈椎牵引：主要适用于神经根型颈椎病，其他型慎用；（3）理疗按摩；（4）口服神经、血管功能调解药物及消炎止痛药物；（5）手术：适用于反复非手术治疗无效及有明确骨髓、神经根、椎动脉、食道受压者。
2.2 颈椎病的病理变化
颈椎病为一慢性退变性疾患,病理改变也是一个较长时期内发展、形成的。
一般首先发生的主要病理变化是椎间盘变性，髓核的弹力减少、向四周隆凸，甚至突出或脱出。
颈椎间盘发生迟变后，其物理性能也发生相应变化,包括耐压性和耐牵拉力降低。在颈椎间盘受到头颅重量及头、胸间肌肉牵拉力作用时，由于椎间盘的耐压性降低，导致椎间盘突出；在颈椎作前屈后伸、左右侧屈及旋转动作时，由于耐牵拉力降低，可导致椎体不稳定现象。慢性劳损、外伤和炎症等因素促发了纤维环的变性，周围的主要韧带也随之出现迟变。椎节松动、失稳，椎间隙变窄、内压升高和分布均匀，易使髓核向四周移位。在后纵韧带薄弱条件下，易突出于后方而形成髓核突出；若中央有裂隙，则可使髓核组织进入椎管，形成脱出。
伴随上述病理改变的延续是骨刺的形成。骨刺来源于韧带、椎间隙血肿的机化、钙化。早期发生部位多于两侧钩突和椎体后上缘的钩椎关节，后期则见于每个椎骨缘。作为机体的防御功能，骨刺虽为非生理性产物，但在稳定椎节、消退局部反应和炎症上有一定意义。由于生物力学的特点，一般骨刺以第5—6颈椎居多，其次为第4—5、第6—7颈椎。
骨刺可刺激或压迫神经根、椎动脉、脊髓等。椎体前缘骨刺除极少数影响吞咽及使食管产生相应症状外，很少有临床意义。骨刺的形成是颈椎迟变进入难以逆转的标志。
髓核的突出或脱出及骨刺的形成，进一步产生一些继发性的病理改变，如后缘骨刺或钩椎关节骨刺从前方侵占椎间孔的出口，引起脊神经根早期出现水肿、肿胀、渗出等反应性炎症，随后可逐渐出现纤维化，甚至变性。在临床上产生上肢疼痛、麻木为主的症状。椎体后方骨刺，向后隆起的纤维环，后纵韧带及周围组织的水肿、纤维化、软骨化和钙化等，均可造成颈神经和颈部脊髓受压，并根据压力强度和持续时间而相应发生变性、软化、纤维化等改变，产生—侧或两侧锥体束症状。
当第6颈椎以上有向侧方增生的骨刺时，累及椎动脉的病理改变主要为机械性压迫与刺激引起椎动脉痉挛和血管腔狭窄，导致颅内供血不足的系列症状。此外，患部邻近组织可发生如后方小关节早期松动、移位、骨质增生，周围韧带松弛、变性、硬化及钙化等随病程发展而加剧的病理改变。
2.3 颈椎牵引的理论依据
颈椎病治疗中最为常用的方法之一是牵引，适应症比较普遍，30％以上的颈椎病病例适用于牵引疗法。除了传统的重量牵引外，近年来，机械式及电动式牵引法已逐渐推广，并得到很好的发展。
牵引的作用：1、对颈椎椎间盘突出可起到复位的作用。
2、使颈椎后关节嵌顿的滑膜复位。
3、粘连之关节囊及神经根经过牵引可被松懈。
4、后纵韧带被牵有利于颈椎间盘突出物的还纳。
5、加大椎间孔，改善由于压迫神经根而造成的放射痛。
6、端正颈位，使颈部得以松弛，促进局部血流。
但是，这种牵引同时也缺乏对个体差异的选择方案，也就是说人的个体差异非常大，牵引力从1.5Kg～15Kg之间，选择余地很大。
由于个体差异，治疗中应因人施治，根据颈椎关节部位的病灶，对照X光片采用不同的牵引力度和角度，当然目前国内的医疗条件基本上做不到这一点。
2.3.1 牵引疗法的主要作用
颈椎牵引是颈椎病保守疗法中最主要而且疗效确实的一种方法，其治疗作用通过以下几方面来实现：
(1)限制颈椎活动，减少对受压脊髓和神经根的反复摩擦和不良刺激，有助于脊髓、神经根、关节囊、肌肉等组织的水肿和炎症消退。
(2)增大椎间隙和椎间孔，减轻甚至解除神经根所受的刺激和压迫。
(3)解除肌肉痉挛，恢复颈脊柱的平衡，降低椎间盘内压，缓冲椎间盘向四周的压力。
(4)牵开小关节间隙，解除滑膜嵌顿，恢复椎间的正常序列和相互关系。
(5)使扭曲于横突孔间的椎动脉得以伸直，改善椎动脉的血供。
(6)使颈椎管纵径拉长，脊髓伸展，黄韧带皱招变平，椎管容积相对增加。正确的牵引治疗不仅可使肌肉痉挛解除，同时也可改善神经根刺激症状。
2.3.2 颈椎牵引的适用范围
1．颈椎牵引的适应证  颈椎牵引主要适用

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