一種新型下肢助行器的研發(fā)

葉桂峰，郭騰鵬，楊鑌，侯亮，周偉（廈門大學附屬中山醫(yī)院 創(chuàng)傷骨科，福建 廈門36004；廈門大學 機電工程系，福建 廈門36005）

目前，臨床上針對下肢骨折與損傷的康復治療期間使用的助行設備絕大部分為無動力型助行器，市場上常見的包括手杖、前臂杖、腋杖、平臺杖等。其中最為經(jīng)典與常見是雙拐，其使用方便、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，但也存在腋下擠壓酸痛、不適感，上肢受力較大，易發(fā)生不正確使用等缺點。基于上述狀況，開發(fā)一種簡單、方便、易操作，且經(jīng)濟實用的助行器顯得尤為必要。

1 材料與方法

1.1 設計要求

通過設計出一種新型助行器，要求達到以下功能：①分散受力點，減少局部力量，減少不適感與并發(fā)癥，特別是減少腋部的壓力與并發(fā)癥；②使用方便、操作流程易懂，不易發(fā)生使用時違反操作規(guī)程，可滿足不同狀態(tài)下和不同高度人體的使用；③結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格合理。

創(chuàng)新點：類似于普通拐杖，增加了小腿支撐結(jié)構(gòu)，下肢力線傳導過程由拐杖腳通過小腿支撐傳導到大腿；小腿通過穿戴支具保護后，承受上半身力量。達到小腿及遠端受力明顯減少的目的，通過下肢承受力量，明顯減小腋窩與手臂的受力。

靜止站立狀態(tài)下：通過小腿支撐接受身體力量，小腿及遠端因助行器的應力遮擋與力學傳導改變，明顯減小受力，腋窩與手臂的受力通過分散受力后，應力亦明顯減小。

行走狀態(tài)下：足部與助行器腳先為平行排列，腋部及手把可以控制助行器的穩(wěn)定性，小腿可接受較大的力量，而不感覺患肢肌肉疲勞，行走時，健側(cè)下肢伸出身體重心向前，同時患者助行器可以拐杖腳墊處為旋轉(zhuǎn)中心點向前傾斜，當健側(cè)下肢著地后，身體重心可繼續(xù)向前移動，患側(cè)肢體攜帶助行器，通過手把把住助行器控制并向前行。

此外，此助行器可單獨使用，亦可通過解除小腿支撐并配合對側(cè)助行器形成雙拐一樣使用，可滿足不同狀態(tài)下需求，同時通過多處調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，滿足不同身高者的使用。

適用范圍：適用于單側(cè)肢體損傷，包括小腿遠端骨折或損傷，如：踝關節(jié)扭傷、關節(jié)及周圍骨折、跟腱斷裂、足部骨折與損傷等需要患肢保護，禁止負重的病例。

新型助行器結(jié)構(gòu)組成包括新型拐杖部分與患側(cè)肢體穿戴保護兩部分。

1.2 設計方法

拐杖主體部分基于Solidwork 17.0進行設計：整體略呈長“T”形，主要包括腋托、手把、小腿支撐，拐杖腳等部分。其中，杖身采用單直管設計，利于手的把握，左右對稱。手把及小腿支撐可增加受力點，減輕腋部壓力，可使腋部、手臂和下肢不同程度處于受力支撐狀態(tài)，避免單一部位受力過大和疲勞，尤其增加了小腿支撐，可較大地分散應力，有效及顯著地減小腋下壓力和手部支撐力。

頂端有腋托，橫形，為身體第一個支撐點與活動時的旋轉(zhuǎn)中心，主要負責腋窩處應力，表面套有硅膠，質(zhì)地柔軟，在腋下有利于分散應力，保持與腋部接觸并作為拐杖工作時的控制點與旋轉(zhuǎn)中心。

體部有手把，可在主體中調(diào)整，為主體支撐中腋窩下方的一結(jié)構(gòu)，可以分擔拐杖工作時腋部壓力，并通過靈活的上肢作前行的動作，是整體拐杖工作時重要的控制中心，此處有一調(diào)節(jié)裝置，以適應不同臂長的人。

小腿支撐：可在主體中調(diào)整，為主體支撐中手把下方的一結(jié)構(gòu)，通過小腿穿戴支具，可以分擔拐杖工作時腋部與前臂的壓力，亦可以通過轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)裝置，與身體前行方向一致，在非工作狀態(tài)下或快速前行時不影響下肢活動。

杖腳：可在主體下段中調(diào)整，依據(jù)不同人調(diào)節(jié)長度，滿足不同身高需求。

杖腳墊：防滑軟材料 （橡膠等），易于抓地，最底面為平面，不易打滑，適應不同狀態(tài)下地面。

患側(cè)肢體穿戴部分：小腿穿戴護具主要負責與柱杖小腿支撐的接觸，分散應力，避免小腿直接受力后疼痛，內(nèi)表面與小腿接觸區(qū)主要由軟材料組成，可以固定于小腿，對小腿亦有保護的作用。

總體特點：對稱美，呈長 “T”形，以便一些特殊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，滿足左右側(cè)肢體不同狀態(tài)下使用，多處可調(diào)整，以適應不同身高、臂長、腿長的使用者，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。整體設計效果見圖1。

圖1 整體設計效果圖及穿戴部分

2 主體各部分受力的有限元分析及結(jié)果

研究中設定助行器主體采用304不銹鋼管的規(guī)格為：粗管外直徑25 mm，細管外直徑23 mm，管壁厚度為1 mm。

采用美國HKS公司功能強大的ABAQUS6 14.0有限元分析軟件進行分析，共有17 794網(wǎng)格單元，采用縮減積分單元C3D8R（單元為3維實體單元，具有8個節(jié)點），以減小網(wǎng)格的扭曲，縮短計算時間。304不誘鋼管材料屬性定義把杖體及主要支撐結(jié)構(gòu)部件的材料，選擇手把及腿撐，在把手橫向把握面及腳撐支撐處均勻分布1 kN的法向力進行模擬。見表1。

表1 304不誘鋼管材料屬性

經(jīng)網(wǎng)格劃分和添加約束后，對助行器手把支撐面和腳撐支撐面施加1 kN載荷進行運算分析，得出助行器在1 kN載荷下最大應力為130 MPa，最大應變?yōu)?.911E－4，小于304不銹鋼材料的屈服強度207 MPa，強度符合材料使用應力要求。同理對助行器手把支撐面和小腿撐支撐面施加1.5倍應力 （即1.5 kN）的載荷再次進行運算分析，得出助行器在1.5 kN載荷下的最大應力為195 MPa，最大應變?yōu)?.037E－3，仍小于304不銹鋼材料的屈服強度207 MPa，材料仍符合強度要求。由于施加力已大于國家檢測標準中的1 kN。由此綜合判斷，該設計可靠，可以安全使用。見圖2。

3 討論

采用普通304不銹鋼管作為材料，容易購買，價格低廉，且在日常生產(chǎn)生活中普遍使用。采用304不銹鋼管材制造的助行器主體符合強度要求，將受力標準提高1.5倍仍符合國家檢測標準，故該設計安全、可靠，可以使用。當然，亦可再通過增加不銹鋼管和管壁厚度與直徑而增加其整體強度，甚至達到其數(shù)倍強度標準，以滿足更高、更苛刻的安全要求標準。設計的助行器，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，操作流程易懂；通過不同機械結(jié)構(gòu)設計，改變助行器小腿支撐的不同狀態(tài)與方向，可滿足不同狀態(tài)下需求，通過長度調(diào)節(jié)機構(gòu)，同時滿足不同高度人體的使用，因人制定不同要求，滿足個性化需求。

助行器是下肢損傷與骨折康復治療期間的重要治療輔助工具［1］，規(guī)范正確使用時，可給患者帶來行動上諸多自由，確保了治療后期的效果［2］。目前市場上常見的可用于患肢保護、非負重下肢無動力型助行器具主要包括拐杖，還有漸流行的前臂杖等。拐杖歷史悠久、效果確切、應用廣泛、使用方便、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，但也存在使用時腋下擠壓酸痛、不適感，嚴重時出現(xiàn)腋部血管神經(jīng)包括臂叢神經(jīng)［3］、前臂骨間背側(cè)神經(jīng)［4－5］損害，腕部損傷［6］等，甚至血管損傷血栓形成［7］、致殘等。

此外，因患肢懸空，肌肉長時間收縮，易發(fā)生疲勞，加之日常雙下肢行走習慣發(fā)生改變，術后隨訪的患者相當部分使用不當，患肢著地，四點式行走，患肢仍然承受較大應力，故可見部分病例因局部受力后微動，繼而發(fā)生骨不連，時間一長，發(fā)生內(nèi)固定物松動、斷裂［8］，不得不面對二次手術，重新植骨內(nèi)固定，如此病例的完全愈合時間可長達2～3年不等，甚至更長時間，給患者造成極大的經(jīng)濟傷害與心理創(chuàng)傷。通過增加小腿支撐結(jié)構(gòu)，既讓小腿有一定支撐受力點，不至于長時間懸空狀態(tài)下肌肉持續(xù)收縮而發(fā)生疲勞，又讓其繼續(xù)接受支撐力，發(fā)揮下肢身體支撐功能，在使用助行器期間，不能形成患肢著地的情況。

受力部位主要位于腋部、手臂等處，更確切地說主要受力點仍位于上肢，而上肢主要功能主要是精細動作，相對于下肢不能承受較大的應力。本研究創(chuàng)新地通過增加小腿處受力支撐點，下肢的主要功能是負重，盡可能保持肢體原有功能，減少對肌肉組織影響［9］，相對上肢可承受更大的應力，而不會出現(xiàn)疲勞，結(jié)合穿戴式支具，保護小腿受力處，分散應力，同時保護患處；亦可避免使用雙拐時患肢需懸空的狀態(tài)，造成長時間懸空時患肢疲勞，或易著地活動受力，造成不正確使用，從而出現(xiàn)無效助行，損傷后再損傷，更甚者出現(xiàn)內(nèi)固定失敗的情況。

該設計類似普通雙拐，但力學結(jié)構(gòu)基礎完全不一樣，普通拐杖基于腋部與手臂承受身體力量，新設計的助行器基于小腿支撐承受較大的力量，甚至可以幾乎全部力量承受于小腿支撐，而腋部及手臂將作為輔助力量，控制身體與助行器前進。設計產(chǎn)品可單側(cè)使用，也可以適當改變其結(jié)構(gòu)后，將小腿支撐轉(zhuǎn)向，避免行動時器具與身體撞擊，雙側(cè)保護與使用，與普通拐杖使用相類似，對下肢神經(jīng)肌肉損傷者有保護助行的作用［10］，簡單易懂，滿足不同需求，同時結(jié)合多處長度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，可改變不同部位長度要求，以滿足不同個體的需求，靈活多變，最大程度滿足不同人的要求。

設計產(chǎn)品所適用范圍局限于單側(cè)肢體損傷，包括小腿下段骨折或損傷、踝關節(jié)扭傷［11］、骨關節(jié)及周圍骨折、跟腱斷裂、足部骨折與損傷等需要患肢保護，禁止負重的病例。因使用該助行器時小腿近端及大腿與髖部仍在受力范圍，故并不能應用于大腿或髖部損傷的病例，適用范圍相對局限。當然，該設計仍有不足之處，或是廣泛使用后一些不可預知的情況，將在以后實際應用中不斷改進，本研究亦可為基于下肢受力點開發(fā)新的助行器提供參考。

圖2 1.5kN應力作用下杖體受力分析

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