下肢活動輔助器設計與制作＊

鄧云桂，賀菊香，向孝勇

（1.懷化學院，湖南 懷化 418000；2.懷化市第二人民醫(yī)院，湖南 懷化 418000）

1 設計背景

目前，因腦血管意外、腦外傷、腦腫瘤和其他疾病導致單側(cè)或雙側(cè)下肢活動功能障礙患者要恢復日常的行走、下蹲、起立和站立等活動是比較困難的。究其原因主要是癱瘓下肢上抬無力、足背伸跖屈無力和站立時膝關(guān)節(jié)無力支撐（即膝關(guān)節(jié)無法維持伸直狀態(tài)），下蹲和起立困難是下肢伸肌張力不夠，遠端完全癱瘓患者后期下肢保持伸直張力狀態(tài)可以用于支撐但依然是上提乏力。

現(xiàn)有的下肢功能鍛煉輔助器不能滿足這些要求和使用不便，電助力外骨骼系統(tǒng)則復雜昂貴，同時受電池電量影響。為了克服癱瘓下肢上抬無力、足背伸跖屈無力、站立時膝關(guān)節(jié)無力支撐和下肢伸肌張力不夠?qū)е碌南露缀推鹆幼骼щy，本裝置提供一種癱瘓下肢簡易輔助活動器械。該輔助器不僅能幫助患者輕松地抬起下肢、幫助穩(wěn)定踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，還能幫助患者完成下蹲和起立等動作。

2 設計方案

下肢活動輔助器所采用的技術(shù)方案是：做一個弧形支撐板，中部有腰帶可以系在人體腰背部，其兩側(cè)下端是向前下方伸出的臂，兩臂在支撐板背面可調(diào)寬窄，兩臂外側(cè)連接達髖關(guān)節(jié)部位的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)（此處機械關(guān)節(jié)且稱之為助髖關(guān)節(jié)，以下機械部位稱法類同），該助髖關(guān)節(jié)又連接于助大腿桿。助小腿桿上下分別通過助膝關(guān)節(jié)和助踝關(guān)節(jié)活動式連接助大腿桿和足底板，其中的連接處可根據(jù)需要調(diào)整長短。在助大腿桿上下端分別有用于將助大腿桿和大腿固定在一起的固定帶，在大腿桿中有張力可調(diào)的彈簧結(jié)構(gòu)，通過鋼繩來牽拉助大腿桿向前上運動。當該彈簧力量調(diào)到與癱瘓下肢重力相等的時候，患者只需用殘余的微弱肌力就可以抬起下肢和落下患肢。在助小腿桿上下端分別有用于將助小腿桿和小腿固定在一起的固定帶，在助小腿桿中有張力可調(diào)的2組彈簧結(jié)構(gòu)，通過鋼繩來產(chǎn)生牽拉張力，一組（權(quán)稱甲組）牽拉助小腿桿向前運動以保持膝關(guān)節(jié)一定的張力，當患肢膝關(guān)節(jié)不能支撐的時候可以調(diào)大張力，以保持膝關(guān)節(jié)呈伸直狀態(tài)；另外一組（權(quán)稱乙組）則當小腿彎曲達到30°以后才開始工作，通過調(diào)節(jié)該組彈簧張力到合適的大小，當患者下蹲或起立的時候，助大腿桿和助小腿桿由彈簧產(chǎn)生相當?shù)膹埩?，幫助患者完成緩慢下蹲或起立動作。這2組彈簧是在同一根鋼繩的不同部位發(fā)力，甲組彈簧是小張力彈簧，既有維持鋼繩保持張力狀態(tài)的作用，又有維持膝關(guān)節(jié)在0°～30°范圍內(nèi)張力的作用。

在足底板前后端分別有用于將足底板和足部固定在一起的固定帶，足底板與助踝關(guān)節(jié)前后分別有同等張力彈簧壓制，使足底板始終保持與小腿桿呈垂直狀態(tài)，但也可以適當背伸和跖屈（±15°）。活動式的助髖關(guān)節(jié)、助膝關(guān)節(jié)和助踝關(guān)節(jié)只能在限定的范圍內(nèi)前后（或稱為上下）方向旋轉(zhuǎn)移動，但無法左右移動。整體結(jié)構(gòu)圖見圖1.

3 制作過程

3.1 背部支撐板連接

背部支撐板與助髖關(guān)節(jié)連接，助髖關(guān)節(jié)下端與助大腿桿連接，助大腿桿下端與助膝關(guān)節(jié)連接，助膝關(guān)節(jié)下端與助小腿桿連接，助小腿桿下端與助踝關(guān)節(jié)連接，助踝關(guān)節(jié)下端與足底板連接，所有連接端都可以延長或縮短，以適應不同患者肢體長度的要求。其中，腰帶可將背部支撐板固定于患者腰背部，多個固定帶可以分別將助大腿桿固定于患者大腿外側(cè)、助小腿桿固定于患者小腿外側(cè)和將足底板固定于患者足部下部。背部支撐板用熱變形材料做成與患者背部弧度一致的弧形，但它后下方的背部固定板不可變形，并通過它與“L”型連接桿和助髖關(guān)節(jié)上板間的連接完成與助髖關(guān)節(jié)的連接。

3.2 助髖關(guān)節(jié)連接

助髖關(guān)節(jié)上板位于助大腿桿上端和助髖關(guān)節(jié)護板之間，形成可旋轉(zhuǎn)助髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)；大腿部拉力鋼繩起于位于助大腿桿中間的大彈簧盒子內(nèi)的大彈簧下端，向上通過助大腿桿內(nèi)定滑輪后行走于助髖關(guān)節(jié)上板的助髖關(guān)節(jié)鋼繩槽內(nèi)，并止于其助髖關(guān)節(jié)鋼繩固定點。

當助髖關(guān)節(jié)上板向后下方彎曲的時候，則大腿部拉力鋼繩拉動大彈簧盒子內(nèi)的大彈簧下端向上移動，大彈簧則產(chǎn)生對抗牽引力，牽引力的大小則由位于助大腿桿中間的大彈簧盒子下面的彈簧張力調(diào)節(jié)盒子來調(diào)節(jié)。

圖1 下肢活動輔助器整體結(jié)構(gòu)圖

3.3 助膝關(guān)節(jié)連接

助膝關(guān)節(jié)上板圓形部位于助小腿桿上部和助膝關(guān)節(jié)護板之間，形成可旋轉(zhuǎn)助膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)；小腿部拉力鋼繩起于位于助小腿桿內(nèi)大彈簧盒子的大彈簧下端，向上通過助小腿桿內(nèi)2號定滑輪轉(zhuǎn)向后向下行走，又通過助小腿桿內(nèi)動滑輪向上行走，再通過小腿桿內(nèi)1號定滑輪轉(zhuǎn)向后行走于助膝關(guān)節(jié)上板的助膝關(guān)節(jié)鋼繩槽內(nèi)，并止于其助膝關(guān)節(jié)鋼繩固定點；助小腿桿內(nèi)動滑輪連接于位于助小腿桿內(nèi)小彈簧盒子的助小腿桿內(nèi)動滑輪拉力鋼繩下端，助小腿桿內(nèi)動滑輪只可在其內(nèi)上下移動到固定的頂部和底部，其長度相當于助膝關(guān)節(jié)彎曲0°～30°的鋼繩行程；在小彈簧盒子的下面有彈簧張力調(diào)節(jié)盒子，通過連接于小彈簧盒子內(nèi)小彈簧上端的彈簧拉力調(diào)節(jié)鋼繩調(diào)節(jié)小彈簧的拉力；在大彈簧盒子下面的彈簧張力調(diào)節(jié)盒子亦通過連接于大彈簧盒子內(nèi)大彈簧上端的彈簧拉力調(diào)節(jié)鋼繩調(diào)節(jié)大彈簧的拉力。

小彈簧拉力可保持小腿部拉力鋼繩處于緊張狀態(tài)，并可在助膝關(guān)節(jié)彎曲30°以前產(chǎn)生對抗張力，當膝關(guān)節(jié)彎曲達到30°以后，動滑輪到達頂端不能再向上移動，此后小腿部拉力鋼繩則通過向上拉動大彈簧產(chǎn)生移動，大彈簧亦產(chǎn)生更大張力對抗助膝關(guān)節(jié)的彎曲；反之，當助膝關(guān)節(jié)由大于30°的彎曲狀態(tài)轉(zhuǎn)為伸直狀態(tài)的時候，首先是大彈簧復位到底部，然后是動滑輪由頂部降到底部。

3.4 助踝關(guān)節(jié)連接

助踝關(guān)節(jié)上板（“T”型臂）中下部位于助踝關(guān)節(jié)下板和助踝關(guān)節(jié)護板之間，形成可旋轉(zhuǎn)助踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)；助踝關(guān)節(jié)下板與足部固定板按患者踝部高度固定連接，然后將與助踝關(guān)節(jié)上板（“T”型臂）前臂和后臂通過踝部彈簧可旋轉(zhuǎn)式活動連接的限位螺帽筒旋轉(zhuǎn)到對應垂直限位螺桿，使前后踝部彈簧達到需要的張力位置時再擰緊限位螺帽，使限位螺帽筒相對固定不再可旋轉(zhuǎn)；患者足部用通過內(nèi)側(cè)擋板、后擋板、外側(cè)擋板和前擋板孔的固定帶固定于足底板。

3.5 控制閥連接

上、下控制閥分別通過上、下控制閥軸連接在彈簧張力調(diào)節(jié)盒子外殼內(nèi)側(cè)對應的角上，并通過彈簧使它們壓向中間部位，上、下控制閥外側(cè)支均與卷鋼繩盤的齒輪內(nèi)側(cè)半接觸，并先后（每1/8圈交換）獨立控制卷鋼繩盤，使其不能負向旋轉(zhuǎn)，上、下控制閥內(nèi)側(cè)支則均與松解輪齒輪外側(cè)半接觸；通過卷鋼繩盤的鋼繩固定槽將彈簧拉力調(diào)節(jié)鋼繩起端固定在卷鋼繩盤的盤中間位置；外側(cè)牽引盤和內(nèi)側(cè)牽引盤均固定在主軸上與主軸同步旋轉(zhuǎn)；外側(cè)牽引盤的內(nèi)部牽引支與卷鋼繩盤的齒輪外側(cè)半接觸。

當外側(cè)牽引盤正向旋轉(zhuǎn)時，通過其內(nèi)部牽引支帶動卷鋼繩盤隨動正向旋轉(zhuǎn)并將彈簧拉力調(diào)節(jié)鋼繩轉(zhuǎn)入旋轉(zhuǎn)盤內(nèi)；當外側(cè)牽引盤負向旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)時，則不能帶動卷鋼繩盤隨動旋轉(zhuǎn)。內(nèi)側(cè)牽引盤的內(nèi)部牽引支與松解輪齒輪內(nèi)側(cè)半接觸，當內(nèi)側(cè)牽引盤負向旋轉(zhuǎn)時，通過其內(nèi)部牽引支帶動松解輪齒輪隨動負向旋轉(zhuǎn)并先后（每1/8圈交換）頂起或放下上控制閥內(nèi)側(cè)支（或下控制閥內(nèi)側(cè)支），控制閥外側(cè)支則與同閥內(nèi)側(cè)支同步被頂起或放下；當內(nèi)側(cè)牽引盤正向旋轉(zhuǎn)時，其內(nèi)部牽引支則不能帶動松解輪齒輪隨動旋轉(zhuǎn)；當彈簧拉力調(diào)節(jié)鋼繩已經(jīng)轉(zhuǎn)入旋轉(zhuǎn)盤內(nèi)時，必產(chǎn)生使卷鋼繩盤負向轉(zhuǎn)動的力，但受到上、下控制閥外側(cè)支阻止，負向旋轉(zhuǎn)主軸旋轉(zhuǎn)盤則通過主軸傳遞到內(nèi)側(cè)牽引盤，使其牽引支帶動松解輪齒輪負向旋轉(zhuǎn)而先后頂起和放下（每1/8圈交換）上、下控制閥內(nèi)側(cè)支，上、下控制閥外側(cè)支亦被依次頂起和放下，卷鋼繩盤則依次得到松解，每次可回退（負向旋轉(zhuǎn)）1/8圈，如此交替回退至卷鋼繩盤負向轉(zhuǎn)動力為零時卷鋼繩盤停止負向轉(zhuǎn)動。

4 總結(jié)

下肢活動輔助器是一種輔助下肢癱瘓患者完成行走、下蹲、起立和站立功能的下肢活動輔助器，也可以用于輔助下肢骨折和下肢癱瘓患者進行功能鍛煉。它是在背部支撐板兩側(cè)下端，助髖關(guān)節(jié)、助大腿桿、助膝關(guān)節(jié)、助小腿桿、助踝關(guān)節(jié)和足底板順序連接，關(guān)節(jié)部位通過連接在彈簧上的鋼繩來獲得關(guān)節(jié)彎曲時候?qū)妮o助力量，彈簧壓縮過程中的張力大小通過彈簧張力調(diào)節(jié)盒子來調(diào)節(jié)。該裝置的有益作用是幫助癱瘓下肢輕松向上抬起和落下，可以按需要保持膝關(guān)節(jié)適當?shù)膹埩途S持踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。