上下眼瞼反相滾壓及包絡(luò)運動的瞼板腺按摩機構(gòu)

【作 者】張建寰，周圓，徐功浩，馬雄，陳延平，李煒

1 廈門大學(xué)機電工程系，廈門市，361005

2 廈門大學(xué)醫(yī)學(xué)院，廈門市，361005

0 引言

瞼板腺功能障礙是引發(fā)蒸發(fā)過強型干眼癥[1-3]的主要原因之一。在臨床上，使用瞼板腺按摩的方法[4-5]，配合熱敷[6]的融化作用，將瞼板腺中的阻塞物擠壓出來，從而達(dá)到輔助治療的目的。常用的人工按摩方法是：醫(yī)生一只手使眼瞼外翻，另一只手使用無菌生理鹽水棉簽對瞼板腺進(jìn)行擠壓。該過程較為繁瑣，按摩效果受操作人員經(jīng)驗的影響較大，同時按壓力度不均易引起患者不適。因此，用機械替代人工操作是一種有效的改進(jìn)方法。

通常的人工瞼板腺按摩方法，需要先進(jìn)行翻瞼操作，然后對眼瞼內(nèi)側(cè)的瞼板施力。而一般針對瞼板腺按摩的替代機械機構(gòu)，都無法做到眼瞼內(nèi)側(cè)施力，因為按摩機構(gòu)深入到眼瞼內(nèi)側(cè)[7]的難度較大，安全性較低。美國眼淚科學(xué)公司在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究[8-9]，并且開發(fā)出了一款帶有隔離眼瞼特征的按摩儀器[10]，雖然分開眼瞼后的按摩效果較好，但是其使用需要醫(yī)療人員輔助，專業(yè)性過強，個人家庭使用不便。

相比之下，外眼瞼按摩所能達(dá)到的效果固然相對較弱，但其結(jié)構(gòu)簡單，方便機械化集成加工制造，單人操作方便，因此在外眼瞼上施力的按摩裝置的研究一直沒有停止過。其中，輥式按摩是最常見方式之一[11]，其特征為：在上下外眼瞼的待按摩處分別設(shè)置按摩輥，使其各自向內(nèi)側(cè)滾動，對外眼瞼進(jìn)行持續(xù)的滾壓按摩作用。但是這種常見結(jié)構(gòu)存在兩個突出問題，如圖1所示。(1)兩按摩輥相向滾動按摩時，上下眼瞼因同時受到擠壓力而易被擠在一起，導(dǎo)致瞼板腺阻塞物排除不暢；(2)按摩輥不能完全作用瞼板腺區(qū)域，按摩盲區(qū)的范圍很大。

圖1 常見輥式按摩結(jié)構(gòu)示圖Fig.1 Image of massage rollers' common structure

本文針對常見的于外眼瞼面施力的輥式按摩機構(gòu)存在的缺陷，提出了反相半輥滾壓結(jié)構(gòu)和包絡(luò)運動方案，以分別實現(xiàn)阻塞物排出順暢和按摩無盲區(qū)的目標(biāo)，從而提高治療效果。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

該按摩機構(gòu)同時實現(xiàn)反相按摩和包絡(luò)運動，使上下眼瞼處在分時按摩狀態(tài)，瞼板腺阻塞物可以順暢排出，按摩運動不受阻礙；同時包絡(luò)運動又使按摩可以覆蓋整個眼瞼區(qū)域，使按摩無盲區(qū)。

1.1 反相半輥滾壓結(jié)構(gòu)

反相半輥滾壓的結(jié)構(gòu)示圖及運轉(zhuǎn)循環(huán)如圖2所示。相比于圖1的輥式按摩法，本結(jié)構(gòu)中的按摩輥沿軸線對半剖開只取一半，這樣每個按摩輥都能夠間歇性的對眼瞼進(jìn)行滾壓按摩，避免了眼瞼受到持續(xù)按摩產(chǎn)生的疲勞。按摩輥的初始相位具有180o的相差，即上下兩個按摩輥的各有半周期工作，轉(zhuǎn)動方向相反，即反相運動。該相位特點的存在，使得結(jié)構(gòu)在運轉(zhuǎn)過程中，同一時間只有一個眼瞼會受到按摩作用，而另外一個則處在休息狀態(tài)中。這樣由于上下眼瞼不同時受到按摩，就不會因為同時產(chǎn)生擠壓形變而造成瞼板腺阻塞物排除不暢，以及可能存在的按摩輥運動受阻的情況。

圖2 反相半輥相差滾壓的運動循環(huán)Fig.2 Motion cycle of half-roller anti-phase rolling

1.2 包絡(luò)原理

如圖3所示，黃色標(biāo)示上下瞼板的中央高度，分別為上瞼板(8～12)mm，下瞼板(3.5～4)mm，即瞼板縱向高度約在(12～16)mm之間。同時瞼板的分布高度自中央至兩端逐漸遞減。圖3中紅色標(biāo)示所示為成人平均瞼裂寬度27.88 mm。

圖3 眼瞼表面結(jié)構(gòu)及瞼板腺范圍圖[12]Fig.3 Image of eyelid surface and meibomiangland region[12]

本文提出一種包絡(luò)結(jié)構(gòu)，來解決按摩輥布局與按摩盲區(qū)之間的矛盾。包絡(luò)原理的結(jié)構(gòu)由兩個部分組成，其中一部分為上文所述的能夠按摩瞼板中央的半輥結(jié)構(gòu)，另一部分為可將中央按摩區(qū)域擴展到整個眼表包絡(luò)面的掃掠結(jié)構(gòu)。包絡(luò)按摩原理的結(jié)構(gòu)如圖4所示，按摩輥為方便顯示其作用范圍，用完整的按摩輥來代替半輥。上下按摩輥的大小及位置的選擇依據(jù)是在眼部中央截面上按摩輥能夠最大范圍的覆蓋眼表面。

圖4 包絡(luò)按摩結(jié)構(gòu)原理圖示Fig.4 Diagram of enveloping massage movement

1.3 工作原理

根據(jù)以上兩個結(jié)構(gòu)特點及原理的敘述，本文提出的按摩機構(gòu)可分解成兩個部分：(1)縱向的輥式按摩；(2)橫向按摩輥沿著包絡(luò)面/線的掃掠運動。

觀察人眼外輪廓上視圖，其輪廓線近似于一段圓弧[12-13]，那么可以用內(nèi)齒圈與齒輪的嚙合結(jié)構(gòu)來具體實現(xiàn)包絡(luò)原理。眼球中部的截面輪廓的范圍是最大的，其余部分的截面輪廓可近似看成是中部輪廓的一部分，那么只要所設(shè)計的按摩輥能夠?qū)Υ颂幍难鄄€做到最大范圍的覆蓋，那么整個眼瞼外表面就能夠在按摩輥的掃掠作用下，達(dá)到全覆蓋的效果。而按摩輥的位置及大小則可通過此截面輪廓線確定。

如圖1所示，按摩輥的表面通常設(shè)計有顆粒狀凸起陣列，可加強按摩效果。而上下按摩輥可以通過齒輪嚙合作用，達(dá)到同速傳動、穩(wěn)定相位差的目的。按摩輥的寬度，由于掃掠運動的存在，可以很小。

由于縱向的按摩運動與橫向的掃掠運動是各自獨立的，因此在設(shè)計中可以采用兩個低速電機分別驅(qū)動。

1.4 實際結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述工作原理，利用塑料模具的設(shè)計方法，完成按摩機構(gòu)的設(shè)計。圖5所示為按摩機構(gòu)的單眼結(jié)構(gòu)圖示，基于反相滾壓結(jié)構(gòu)的按摩機芯，安裝于包絡(luò)模塊的滑動支承上。整個機構(gòu)被醫(yī)用TPU柔性氣囊所包裹，用于隔離按摩機構(gòu)與人眼，同時其上附帶的薄膜加熱電路具有熱敷功效。整個系統(tǒng)具有按摩和熱敷的輔助治療功能。

圖5 按摩機構(gòu)設(shè)計圖示Fig.5 Design drawing of the massage mechanism

2 功率損耗的計算

按摩輥對眼瞼外表面的滾壓按摩中，滾軸的轉(zhuǎn)動速度需求很小。又由于電機被設(shè)置在按摩機構(gòu)附近，其形狀大小受到了限制。為了符合低轉(zhuǎn)速和小尺寸的要求，因此選擇了微型步進(jìn)電機。而電機的扭矩受到電機直徑和長度的制約，因此本文提出機構(gòu)所用電機能否滿足驅(qū)動機構(gòu)正常運轉(zhuǎn)的要求，即本機構(gòu)合理性的論證，需要通過對運轉(zhuǎn)過程中輸入動力與輸出載荷和損耗的評估來完成。

2.1 縱向上的按摩運動分析

縱向上的按摩運動，如圖6所示，電機通過多級齒輪嚙合作用，帶動兩個按摩輥進(jìn)行相向轉(zhuǎn)動；而按摩輥直接對眼瞼外表面進(jìn)行滾壓操作。

圖6 縱向按摩機構(gòu)圖示圖Fig.6 Image of endwise massage structure

從圖6中可以看出，按摩過程中機構(gòu)的總體輸入為電機提供的動力，輸出為按摩負(fù)載和機構(gòu)各部位間的損耗。其中損耗具體表現(xiàn)為：按摩輥兩側(cè)與支撐壁之間的摩擦、齒輪側(cè)面與支撐壁之間摩擦以及各個轉(zhuǎn)軸與支撐壁摩擦。即：

根據(jù)能量守恒定律，按摩機構(gòu)輸入總功等于輸出總功。又由于物體轉(zhuǎn)動的功率等于轉(zhuǎn)矩與角速度的乘積，按摩運動過程中的各個部分的角速度可以進(jìn)行歸一化處理，這樣可以運動的能量評估可以轉(zhuǎn)化對電機輸入轉(zhuǎn)矩與輸出合轉(zhuǎn)矩之間的比較。同時，多次計算驗證中發(fā)現(xiàn)，電機的功率通常是能夠滿足要求的，限制其應(yīng)用的主要參數(shù)是轉(zhuǎn)矩的大小。

文中涉及兩個主要的處理過程，即對相似部件的參數(shù)統(tǒng)一化處理和對輸出參數(shù)的極大值處理。用以簡化計算，并且補償實際制作裝配過程中可能的精度誤差。

圖7 按摩過程的負(fù)載簡化模型Fig.7 Simplifi ed model of power while massaging

從圖7的模型可得出：按摩過程中負(fù)載為按摩輥與相貼近氣囊之間摩擦阻力，其近似值

按摩輥及齒輪與支撐壁之間的摩擦損耗可以近似計算如下：

轉(zhuǎn)軸與支撐壁之間的摩擦損耗可用式(4)表示：

式中M負(fù)載表示按摩輥作用面上的轉(zhuǎn)矩，N總為按摩壓力，G總為齒輪、按摩輥以及轉(zhuǎn)軸的重量和，R上輥和R下輥分別為上、下按摩輥直徑。

摩擦系數(shù)為：μ1-按摩輥與氣囊，μ2-塑料與塑料，μ4-碳鋼與塑料。

其中0 ≤ i ≤ 1用來表示按摩輥的運轉(zhuǎn)過程，k =0.5表示支撐壁上壓力與按摩壓力的比例系數(shù)，均取極大值估算。

綜上，縱向按摩結(jié)構(gòu)的總輸出為：

假定按摩壓力N總為500 mN，ω2=3 rad/s，并代入其他已知設(shè)計量，μ1=0.244、μ2=0.14、μ4=0.34、G總=13.8180 mN。計算得到機構(gòu)正常運轉(zhuǎn)最大總輸出量為POUT=5.46×10-3W。按摩儀中所選的電機額定輸出轉(zhuǎn)矩為25×10-5kg·m。計算中，直齒輪漸開線齒輪的外嚙合效率[1]為0.99，由圖5所示，齒輪組的級數(shù)為三級，則齒輪的傳動效率η=0.993≈0.97。則計算經(jīng)齒輪傳動輸出的功率為P電機=ηM電機ω2=7.13×10-3W>POUT=5.46×10-3W。證明所選電機能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動所設(shè)計的按摩輥實現(xiàn)按摩功能。

2.2 橫向掃掠運動分析

橫向上的掃掠運動也是由一步進(jìn)電機驅(qū)動的。在此方向上，按摩模塊在一段圓弧道滑軌上勻速往復(fù)運動。其中，能量輸入為步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)矩輸入，能量輸出包括滑軌與支承之間的摩擦損耗以及按摩輥與氣囊之間的摩擦損耗。運動受力分析如圖8所示。

圖8 橫向上的掃掠運動受力分析圖示Fig.8 Force analysis image of broadwise enveloping movement

由圖8得，

其中氣囊與按摩輥之間的力如上文所述為N總，方向相反。N支承與按摩模塊總體質(zhì)量相關(guān)，令N支承=40 mN，使之遠(yuǎn)大于正常值，以作估算。

為相嚙合的齒輪齒圈中徑的反比。代入已知量后，得到

由PIN橫向=P電機>>POUT橫向，可以看出所選電機能夠正常驅(qū)動所設(shè)計的橫向上的往復(fù)掃掠運動。

2.3 按摩機構(gòu)按摩效果評價

采用3D打印技術(shù)，用PVC材料制作了樣機一臺。對所制作的上下眼瞼按摩及掃掠機構(gòu)樣機分別就瞳距調(diào)節(jié)、按摩力度調(diào)節(jié)、掃掠覆蓋效果進(jìn)行實測，其中瞳距調(diào)節(jié)、按摩力度調(diào)分別在瞳距相差較大、臉型各異的10名志愿者的眼部進(jìn)行了瞳距調(diào)節(jié)和按摩力度調(diào)節(jié)的功能性實驗；而掃掠覆蓋效果則在一化妝用硅膠頭模的眼部覆一層復(fù)寫紙，分別進(jìn)行了一個周期掃掠覆蓋效果和多周期掃掠覆蓋效果的測試。從硅膠頭模的一個周期掃掠在復(fù)寫紙上的印跡也定性地得到了按摩力度的客觀性評價結(jié)果。

測試結(jié)果：瞳距調(diào)節(jié)距離滿足最大瞳距調(diào)節(jié)要求；通過頭帶長度調(diào)節(jié)機構(gòu)可實現(xiàn)按摩力度大小調(diào)節(jié)，志愿者主觀按摩力度測試和頭?？陀^定性分析結(jié)果證明滿足要求；頭模眼部復(fù)寫紙的掃掠覆蓋效果測試證明所設(shè)計的機構(gòu)實現(xiàn)了瞼板腺區(qū)域的全覆蓋。所設(shè)計的按摩機構(gòu)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

3 結(jié)論

本文論述了一種用于瞼板腺按摩的機構(gòu)。通過反相半輥按摩結(jié)構(gòu)和包絡(luò)原理提出，對傳統(tǒng)按摩機構(gòu)缺陷進(jìn)行了改進(jìn)。原理上可以達(dá)到對眼瞼間歇性按摩，保證阻塞物的有效排除，最大化按摩覆蓋面積的效果。并且通過一系列的功率損耗的分析，驗證了機構(gòu)的可行性，為電機的選型和機構(gòu)開發(fā)的成功奠定基礎(chǔ)。同時，可實現(xiàn)使用機械方法替代人工瞼板腺按摩，提高療效，降低治療難度，具有重大的意義。

[1]劉祖國.干眼的治療[J].中華眼科雜志,2006,42(1): 71-74.

[2]Driver PJ,Lemp MA.Meibomian gland dysfunction[J].Surv Ophthalmol,1996,40(5): 343-367.

[3]Tiffany JM.Tears in health and disease[J].Eye,2003,17:923–926.

[4]高瑩瑩,莊銘忠,范春梅.瞼板腺壓榨治療瞼板腺開口阻塞的療效觀察[J].中國全科醫(yī)學(xué),2010,06: 653-654.

[5]劉敬楠,董桂霞.瞼板腺功能障礙致蒸發(fā)過強性干眼癥患者的護(hù)理[J].解放軍護(hù)理雜志,2011,20: 58-59+61.

[6]Mori A,Shimazaki J,Shimmura S,et al.Disposable eyelidwarming device for the treatment of meibomian gland dysfunction[J].Japan Ophthalmol,2003,47(6): 578-586.

[7]Foulks,GN,Borchman D.Meibomian gland dysfunction: the past,present,and future[J].Eye Contact Lens Sci Clin Pract,2010,36(5): 249-253.

[8]Korb DR,Willis TR,Grenon SM.Treatment of meibomian glands [P].[2011-07-19].7981145 B2.

[9]Korb DR,Grenon SM,Willis TR,et al.System for innerouter heat and pressure treatment for treating meibomian gland dysfunction[P].[2013-09-03].US8523928.

[10]Korb DR,Grenon SM,Willis TR,et al.用于治療瞼板腺功能障礙的熱處理的方法、系統(tǒng)和裝置[P].[2010-03-03].美國:CN101663064.

[11]楊宏偉,李仁忠,孫健美,等.一種治療眼瞼板腺堵塞的裝置[P].[2011-10-05].福建: CN102204854A.

[12]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GBT2428-1998成年人頭部面部尺寸[S].

[13]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GBT23461-2009成年男性頭型三維尺寸[S].

[14]巴蘭伊,湯偉林.計算直齒輪的嚙合效率[J].機械,1989,06:46,40.