幼兒脊椎矯正多功能操作臺(tái)設(shè)計(jì)

余洋陽，孫東明

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

早發(fā)性脊柱側(cè)彎指幼兒5 歲前發(fā)生的特發(fā)性脊柱側(cè)凸，且隨著患兒生長，脊椎側(cè)彎程度也逐漸增大[1]，手術(shù)治療是目前治療脊椎側(cè)彎的主要方法[2]，但由于患兒處于生長發(fā)育高速期，手術(shù)治療影響身體健康和胸廓發(fā)育。目前，普遍使用石膏外固定法抑制患兒脊椎側(cè)彎，等到患兒10歲生長發(fā)育接近成熟以后選擇手術(shù)治療[3-4]。石膏外固定治療脊椎側(cè)彎在臨床應(yīng)用中效果顯著[5-6]。

目前醫(yī)生使用石膏外固定治療脊椎側(cè)彎時(shí)，一般采用2 根木棍支撐幼兒體重，在木棍上涂上石蠟油，以方便石膏模型完成后木棍取出。將2木棍放在齊腰高度的矮凳上，醫(yī)生壓緊固定木棒位置，因?yàn)橛變禾幱谌砺樽淼臓顟B(tài)，需要2 名醫(yī)生防護(hù)患兒免從木棒上掉落，一名醫(yī)生利用枕額帶牽引頭部，另一名醫(yī)生牽引足部進(jìn)行對抗。牽引操作時(shí)，以患兒脊椎剛離開支撐木棒為標(biāo)準(zhǔn)，牽引力量約為患兒質(zhì)量的3 倍，利用Cotrol和 Morel 方法對患兒側(cè)彎進(jìn)行去旋轉(zhuǎn)塑形，最后對幼兒脊椎進(jìn)行石膏外敷，得到適合脊椎矯正的石膏外模[7]。

通過醫(yī)生操作過程可知，醫(yī)生操作復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，容易造成醫(yī)生的疲勞，無法進(jìn)行連續(xù)矯正操作。目前，國外使用脊椎矯正床輔助醫(yī)生治療脊椎側(cè)彎，國內(nèi)關(guān)于脊椎矯正床的發(fā)明較少，且結(jié)構(gòu)簡單，功能單一，沒有實(shí)際應(yīng)用于臨床中。2015 年，首都醫(yī)科大學(xué)附屬畢竟兒童醫(yī)院孫琳提出一種脊柱側(cè)彎石膏矯形床，通過托付機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)和反光鏡組來支撐患兒身體，方便石膏外敷。由于患兒處于麻醉狀態(tài)，托付機(jī)構(gòu)托起患兒臀部，牽引機(jī)構(gòu)牽引患兒頭部和腿部，容易損傷患兒身體[8]；2017 年，天津市天津醫(yī)院解禮偉發(fā)明一種脊椎側(cè)彎石膏矯正床[9]，利用多個(gè)水平支撐桿支撐患者頭部、胯部和腿部，用4 根豎直支撐桿與頂絲活動(dòng)裝置調(diào)節(jié)水平支撐桿高度。

在滿足安全性和提高醫(yī)生操作方便性基礎(chǔ)上，我們研制了移動(dòng)式多功能幼兒脊椎矯正操作臺(tái)。

1 移動(dòng)式幼兒脊椎矯正多功能操作臺(tái)設(shè)計(jì)思路

在針對醫(yī)生利用石膏外固定法治療脊椎側(cè)彎操作不方便的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)一款新型幼兒脊椎矯正多功能操作臺(tái)。聯(lián)系實(shí)際環(huán)境中操作臺(tái)的使用要求，幼兒多功能操作臺(tái)的設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)方案如下：

（1）此設(shè)備應(yīng)能滿足不同身高醫(yī)生的使用，體現(xiàn)人機(jī)交互性設(shè)計(jì)，通過液壓驅(qū)動(dòng)多桿升降機(jī)構(gòu)；

（2）此設(shè)備需要能夠支撐不同年齡段身高的幼兒。操作臺(tái)選用導(dǎo)軌式滑動(dòng)拉伸改變長度，適應(yīng)不同幼兒的需要；

（3）該操作臺(tái)在支撐幼兒的同時(shí)，能夠?qū)⒂變罕巢柯冻鲈卺t(yī)生的視野中,方便石膏的外敷。我們選擇用支架支撐幼兒臀部和肩部，布帶支撐幼兒背部。通過布帶自鎖裝置，使布帶在承受壓力的同時(shí)，施加給滑塊的纏繞力與布帶穿過滑塊部分摩擦自鎖。方便下次使用時(shí)方便布帶的安裝；

（4）面對不同患兒的脊椎側(cè)彎情況，設(shè)計(jì)多功能輔助機(jī)構(gòu)，對患兒頭部固定和腿部提升，方便醫(yī)生對脊椎預(yù)矯正。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

醫(yī)生在使用時(shí)，通過患兒身高提前將移動(dòng)操作平臺(tái)后部沿導(dǎo)軌移動(dòng)到適當(dāng)位置，轉(zhuǎn)動(dòng)定位手柄，通過導(dǎo)軌固定機(jī)構(gòu)將移動(dòng)操作平臺(tái)后部固定。然后，將布帶通過布帶自鎖機(jī)構(gòu)與棘輪棘爪裝置張緊，幼兒平躺在布帶與支撐臺(tái)上時(shí)，布帶自鎖機(jī)構(gòu)中布帶受拉，帶動(dòng)滑塊摩擦自鎖，隨后醫(yī)生通過操作搖桿使液壓缸上升，帶動(dòng)升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使操作平臺(tái)升高到適合醫(yī)生操作的高度，針對復(fù)雜的幼兒脊椎側(cè)彎情況，通過多功能輔助裝置對患兒的軀體進(jìn)行牽引。如圖1 所示，在使用時(shí)，醫(yī)生先通過輔助機(jī)構(gòu)吊輪使用布帶拉動(dòng)雙腿抬高，頭部牽引裝置固定雙臂和下顎，通過額帶拉伸頭部。由于布帶束縛腿部，醫(yī)生牽引患兒頭部，患兒脊椎向正常狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)。在患者通過移動(dòng)操作平臺(tái)橫板支撐肩膀和臀部，背部通過布帶支撐，使背部露出，另外一名醫(yī)生通過移動(dòng)操作平臺(tái)下方的鏡子給患者涂敷石膏。

圖1 幼兒脊椎矯正多功能操作臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of multi-functional operator's station for spinal correction in young children

2.1 液壓升降機(jī)

如圖2 所示，考慮到設(shè)備成本，本機(jī)構(gòu)采用手動(dòng)式液壓缸，以方便醫(yī)生控制升降高度。當(dāng)用手向上提起杠桿1 時(shí)，小活塞2 就被拉動(dòng)上升，小缸3 的下腔密封容積增大，腔內(nèi)壓力降低，構(gòu)成一些真空。這時(shí)放油閥9 通路封鎖，油箱10中的油液就在大氣壓力的效果下推開鋼球4 沿吸油孔進(jìn)入小缸的下腔，完結(jié)一次吸油動(dòng)作。壓下杠桿1，小活塞下移，小缸下腔的密封容積減小，腔內(nèi)壓力升高，這時(shí)鋼球4 主動(dòng)封鎖了油液流回油箱的通路，小缸下腔的壓力油就推開鋼球5 擠入大缸6 的下腔，推進(jìn)大活塞將操作臺(tái)機(jī)架8 向上頂起一段間隔。

圖2 液壓升降油缸工作原理Fig.2 Working principle of hydraulic lifting cylinder

大活塞帶動(dòng)機(jī)架整體上升高，機(jī)架與轉(zhuǎn)角桿轉(zhuǎn)角處相連，轉(zhuǎn)角桿一端與液壓缸連接，繞其做轉(zhuǎn)動(dòng)，另一端與連桿相連，推動(dòng)連桿向右轉(zhuǎn)動(dòng)。搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滑輪向左滑動(dòng)，使升降車尾部隨機(jī)架整體升高。液壓升降結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 液壓升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Schematic diagram of hydraulic lifting mechanism structure

2.2 移動(dòng)操作平臺(tái)

移動(dòng)操作平臺(tái)分為前后兩部分，如圖4（a）為移動(dòng)操作平臺(tái)前部，固定在操作臺(tái)機(jī)架上；圖4（b）為移動(dòng)操作平臺(tái)后部，通過導(dǎo)軌連接操作平臺(tái)機(jī)架。移動(dòng)操作平臺(tái)通過橫板托起幼兒軀干，操作平臺(tái)上有布帶自鎖裝置，即將布帶穿過滑動(dòng)塊，繞滑塊纏繞，拉向有棘輪棘爪裝置的另一端，轉(zhuǎn)動(dòng)棘輪手柄，通過棘輪裝置轉(zhuǎn)動(dòng)張進(jìn)布帶。圖4（b）中，移動(dòng)操作臺(tái)分為2 部分：橫板負(fù)責(zé)支撐幼兒臀部和肩部，布帶負(fù)責(zé)支撐起背部軀干，防止幼兒在麻醉狀態(tài)下軀干從兩橫板間滑落，對麻醉狀態(tài)下的幼兒造成傷害。移動(dòng)操作臺(tái)前部和后部內(nèi)側(cè)有波浪式內(nèi)凹齒，與橫板下面凸出的半圓形突出齒相配合，通過與不同段的齒咬合，可以調(diào)節(jié)橫板位置的作用，增大不同身高兒童使用的靈活性。

圖4 移動(dòng)操作平臺(tái)Fig.4 Mobile operating platform

移動(dòng)操作臺(tái)通過導(dǎo)軌固定裝置改變兩部分操作臺(tái)距離。移動(dòng)操作臺(tái)后部通過兩導(dǎo)軌與操作臺(tái)機(jī)架連接，偏心輪壓緊固定裝置固定在機(jī)架上，帶切面的橫梁穿過其導(dǎo)向孔，參見圖5。如圖6所示，偏心輪壓緊固定裝置手柄1 與偏心輪2 固定連接，偏心輪與壓柱3 接觸，壓柱下方套有一彈簧4。圖6 中，手柄轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)壓柱向下運(yùn)動(dòng)，壓縮彈簧，與橫梁切面壓緊，固定移動(dòng)操作臺(tái)后部。手柄逆轉(zhuǎn)，偏心輪對壓柱壓力減小，彈簧回復(fù)，使壓桿回到原來位置，移動(dòng)操作平臺(tái)恢復(fù)可沿導(dǎo)軌移動(dòng)。

圖5 導(dǎo)軌固定機(jī)構(gòu)安裝示意圖Fig.5 Installation diagram of guide rail fixing mechanism

圖6 移動(dòng)平臺(tái)后部導(dǎo)軌固定裝置Fig.6 Mobile platform rear rail fixing device

2.3 多功能輔助裝置

針對復(fù)雜的幼兒脊椎側(cè)彎問題，需要醫(yī)生牽引頭部和腿部對抗，使脊椎轉(zhuǎn)動(dòng)到正確的位置，為石膏外敷提供前期準(zhǔn)備。幼兒脊椎側(cè)彎情況不同，對患兒的牽引體態(tài)也不相同。

如圖1 所示，在移動(dòng)工作臺(tái)前部增加了頭部牽引輪帶系統(tǒng)，通過支撐架支撐2 個(gè)滑輪，布帶通過滑輪穿過幼兒額下，輕微拉緊使幼兒身體處于拉緊狀態(tài)，固定幼兒頭部。移動(dòng)操作平臺(tái)后部設(shè)置一個(gè)導(dǎo)軌滑輪移動(dòng)系統(tǒng)，滑輪在導(dǎo)軌上移動(dòng)通過布帶束縛患者腿部，布帶拉伸使腿部與軀干成不同的角度。通過醫(yī)生牽引患兒頭部，使其脊椎向正常狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)。與目前脊椎外固定方法相比，通過多功能輔助機(jī)構(gòu)減少了醫(yī)生操作人數(shù)。為了便于醫(yī)生在石膏外敷時(shí)視野方便看到幼兒背部，還所以在移動(dòng)伸縮平臺(tái)下面安裝一傾斜鏡面。目前該設(shè)備已經(jīng)被應(yīng)用于昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院（如圖7 所示）。

圖7 實(shí)際使用效果Fig.7 Actual use effect

3 結(jié)論

幼兒脊椎矯正多功能操作臺(tái)在治療幼兒脊椎側(cè)彎方面提供了極大的幫助。該設(shè)備操作使用簡單、方便快捷，各結(jié)構(gòu)牢固可靠。在石膏矯正法的使用中，操作臺(tái)的使用減少了醫(yī)生的人力成本，提高了醫(yī)護(hù)人員的工作效率。