手功能障礙者筷子輔具的改進設(shè)計

趙展，胡秀枋，徐秀林

上海理工大學(xué)，上海市 200093

中國自商代就已開始使用筷子。相比刀叉，筷子在夾、挑、拌、撥等功能上凸顯優(yōu)勢，不可完全被代替。傳統(tǒng)筷子多為兩根細長圓柱體或類圓柱體，表面平整光滑；熟練使用它們需要上肢，尤其是肘和手，數(shù)十個關(guān)節(jié)與幾十條肌肉靈活協(xié)調(diào)、巧妙用力、互相配合[1-2]，特別是拇指、示指、中指、環(huán)指在復(fù)雜握姿下靈活用力[3]。通常的持筷姿勢為虎口、拇指根部和環(huán)指壓住一只筷子不動，拇指頭部與示指、中指配合，操作另一只筷子開合而夾取食物[4]。使用筷子對手指功能要求較高。

隨著我國人口老齡化，至2017 年底老年人已達2.4億[5]。腦卒中是一種老年常見的疾病，70%～80%的腦卒中患者因殘疾不能獨立生活[6-7]，半數(shù)以上腦卒中患者發(fā)生手功能障礙[8]，精細動作難以康復(fù)；加上關(guān)節(jié)攣縮、肌無力或手指缺失等原因，自如地使用筷子實非易事。

功能單一的勺子不能完全代替筷子，且筷子對老年人鍛煉雙手、延長用餐時間、保證充分咀嚼、減少每口進食量、促進消化吸收都有重要意義，老年人需要借助輔助器具以維持原有生活狀態(tài)[9]。付永民[10]通過觀察和訪談發(fā)現(xiàn)，隨著年齡增加，老年人手部肌肉退化，靈活性和協(xié)調(diào)性變差，造成用筷困難。Miyawaki 等[11]從肌電的角度分析發(fā)現(xiàn)，筷子操作需要肩、前臂和手的巧妙配合。Kaneko 等[12]實驗研究八邊、四邊和三邊形截面對手操控的影響，證實張開筷子要比閉合筷子更難。Shimomura 等[13]借助肌電圖評價了剪式和鉗式兩種控筷方式的使用性能及訓(xùn)練效果。Wu[14]研究男性成人使用不同粗細、錐角的筷子進行夾、扒、剪、撥四種操作效果。Li 等[15]從材料、形狀、功能等方面改進了系列筷子；也有人從降低使用難度方面進行諸多改進[16-18]。Yamazaki等[19-20]研發(fā)了一款裝有筷子的輔助機器人，可以抓取28 種食物，成功率達80%，可幫助殘疾人和老年人用餐。Oka 等[21]針對肌力不足的老年人開發(fā)一種筷類抓取器，能夠根據(jù)食物形狀和所需接觸力進行自適應(yīng)，制作樣機并進行驗證。Koshizaki等[22]利用視覺和觸覺系統(tǒng)為殘疾人或老年人開發(fā)一款助餐機器人，并對樣機進行抓取、轉(zhuǎn)移等驗證有效性，能避免用力過小食物掉落、用力過大破壞食物的問題。Santos等[23]基于質(zhì)量屋和TRIZ 理論展示為帕金森病或手部震顫患者設(shè)計進食輔具的設(shè)計過程。Chen 等[24-25]對比不同形狀筷子使用不同夾持方式進行操作的效果，并研究添加輔助裝置前后的夾持效果。作為動作精細程度不足、手指缺失等手功能障礙者的進餐輔具，現(xiàn)有設(shè)計仍有不足之處，需進一步完善[26-27]，如復(fù)雜的設(shè)計不僅會造成制造成本高、價格貴，而且難以徹底清潔消毒[28-29]；外動力設(shè)計未充分發(fā)揮人體殘存功能，過早依賴機器進食，減少患者參與度，加速功能退化；細直線型筷子易出現(xiàn)兩根不等長、筷頭長短不齊、筷頭交錯；“指捏型”未脫離手指操作的局限性，仍需要拇指、示指、中指協(xié)調(diào)配合，缺一不可，對特定手指依賴嚴(yán)重，難以“握持”使用，筷子與手接觸面小，使用中易滑脫；其他如手指卡槽位置未考慮不同人的手部個性化適配問題，不具有普適性。

輔助器具是老年人提高生活質(zhì)量、平等參與社會活動的重要工具和手段[30-31]。本研究對筷子輔具（中國輔具目錄代碼1009）進行新的設(shè)計問題，以充分利用手功能障礙者殘存功能、減少手指依賴、避免精細動作為主要目標(biāo)，以期降低操控難度，使之適合腦卒中后遺癥等手功能障礙者，或用于用筷經(jīng)驗不足者，如西方人、幼兒、換手使用者。

1 資料與方法

1.1 建模設(shè)計與操控仿真

根據(jù)手功能障礙者的手部特點，考慮左右手通用、正反手可用、易加工、低成本等問題，應(yīng)用計算機三維繪圖軟件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計與3D 建模（圖1）。左右筷柄通過圓弧彎曲連接（A），左右筷頭與左右筷柄分別向下向內(nèi)折彎，筷頭的末端（頭部）設(shè)有防滑橫紋。

圖1 筷子輔具結(jié)構(gòu)圖

1.2 力學(xué)有限元分析

對上述結(jié)構(gòu)進行選材和力學(xué)分析，以確定操作筷子輔具所需的握力。考慮到連接處（A）可等效為彎片彈簧，參考機械設(shè)計手冊，

其中，C是與握持位置和折彎半徑的結(jié)構(gòu)型式相關(guān)的系數(shù)，F(xiàn)為握力，R為A處半徑，E為所選材料的彈性模量，b和h為A 處截面的高和厚；L為握點到A處的距離。

筷柄對應(yīng)受彎曲應(yīng)力的懸臂梁，應(yīng)滿足

其中，Wz為矩形截面積，M為截面所受彎矩。

b'為筷柄片狀截面的高，h'為筷柄厚度。

當(dāng)左右筷頭經(jīng)相同間距閉合時，所需握力與握持位置、筷體長度、材料、截面形狀和截面積等因素有關(guān)。

采用ANSYS軟件對圖1所示的設(shè)計結(jié)構(gòu)在必要簡化后進行有限元仿真分析，主要流程包括設(shè)定材料屬性、選擇單元格進行網(wǎng)格劃分、約束及加載、計算、后處理顯示結(jié)果[32]。設(shè)右手4 指握持右筷柄，大拇指按壓左筷柄相對運動；材料為結(jié)構(gòu)鋼，密度ρ=7.8×103kg/m3，楊氏模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3；3D模型劃分成23 528 個網(wǎng)格單元，45 383 個節(jié)點，加載后計算確定握力大小。見圖2。連接處（A）彎曲應(yīng)力較大。

圖2 有限元分析圖

1.3 樣機加工及試用

加工制作樣機。材料可根據(jù)使用者喜好、習(xí)慣等，結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件，因地制宜選擇，如采用金屬薄片沖壓折彎，塑料注塑，竹木片蒸煮加熱后折彎，甚至可用金屬管、細金屬絲、圓柳條等折彎，并在左右筷柄上彎出指圈，并把連接處（A）壓扁。本次加工選用金屬薄片，采用一體化折彎工藝技術(shù)制作，原料經(jīng)裁剪、打磨、折彎和修整即成（圖3）。

圖3 筷子輔具的樣機

采用UH6503 型材料試驗機（優(yōu)鴻科技公司），選擇合適壓頭，將樣機拇指按壓位置放置在壓頭正下方并與壓頭方向垂直，使用恒定加載速度壓縮筷柄，至左右筷頭互相接觸，撤消負(fù)荷力。測試數(shù)據(jù)見圖4?？觐^閉合過程中，拇指壓力呈線性增長，當(dāng)左右筷頭接觸時（P點），壓力增速加快。

圖4 筷子輔具的壓縮測試曲線

參考相關(guān)文獻[24-25,33]，對不同種類、形狀和大小的食物，用樣機進行試用。由一名3 歲、不會使用常規(guī)筷子進食的男童進行試用，挾持進食小番茄、花生等食物；測試左手及示指不參與下的夾持效果。上述測試，兒童本人及其監(jiān)護人均知情同意。

2 結(jié)果

本筷子輔具適用于左右手握持，正手抓握和反手捏持均適用（圖5）。為防脫手滑落，還可配備固定繃帶或橡皮筋固定，或?qū)瓯M行加粗或固接木質(zhì)或塑料手柄。

圖5 筷子輔具正反手使用效果圖

有限元分析顯示，筷頭端部位移最大，最先接觸；應(yīng)力應(yīng)變主要集中在連接處（A），因此為增加握持穩(wěn)固感，理論上可將左右筷柄設(shè)計成剛度無限大；連接處彎曲半徑越大，連接處的截面積越小，所需握力越小，握持剛度也越?。皇植课粘治恢们耙?，所需握力減??；當(dāng)筷柄長15 cm，連接處彎曲半徑1.2 cm，連接處采用片狀材料，橫截面為矩形，高度1 cm，厚0.2 cm時，所需握力為1.85 kg。

對樣機進行力學(xué)性能測試，結(jié)果與有限元仿真結(jié)果一致；撤消負(fù)荷力后，樣機恢復(fù)至初始形狀。

試用結(jié)果顯示，兒童即學(xué)即會，可以輕松夾起小番茄、花生等食物。左手使用同樣方便，正反手使用均可成功操控進食；正手握持時夾持力更大，能夾取位置更深的碗中食物；反手使用時所需拇指肌力更大。使用拇指和除示指外其余三指進行夾持，有效性未見明顯下降。相比傳統(tǒng)筷子，握持夾取的有效夾持次數(shù)、夾持成功率提高；經(jīng)反復(fù)訓(xùn)練后，夾持成功率有所提升。測試中發(fā)現(xiàn)，夾取成功率提高可進一步激發(fā)使用者信心和訓(xùn)練積極性。

3 討論

因手部關(guān)節(jié)僵硬、肌無力、精細動作不足等原因，手功能障礙患者難以操控傳統(tǒng)直線型筷子完成夾持進食，筷子滑落、食物掉落，既浪費食物，又增加額外護理工作。已有研究改進傳統(tǒng)筷子[16-17]，使其方便捏持使用，但因仍是直線型筷子，并不方便握持，這是由于手心向內(nèi)（虎口向上）握持時，送食物入口會造成前臂和肘抬伸、外旋角度較大；手心向外握持時，取碗中食物又會造成上臂抬伸、前臂內(nèi)旋角較大，甚至需要脊柱向另一側(cè)歪斜?？傊本€型筷子握持操作會造成姿勢別扭，手臂易疲勞，不適合關(guān)節(jié)活動度受限的患者使用。也有研究設(shè)計非直線型筷子[18]，使其更適合手部握持操作，避免對特定手指操作的依賴，但因握力、閉合剛度依賴筷柄厚度，使得筷柄較薄，易造成筷柄變形、轉(zhuǎn)動中心變化、筷頭對齊不佳。

本研究設(shè)計的筷子輔具，采用對稱的一體化結(jié)構(gòu)，筷頭自動對齊，有效避免筷頭交錯、兩筷游離等情況，降低了筷子控制難度；使用無需精細的手指動作，降低了對特定手指的依賴，適合殘存部分肌力，但關(guān)節(jié)僵硬、肌肉韌帶粘連，或斷指、缺指、畸形等病癥的就餐者，也適合因傷換手的就餐者和用筷新手。握持是人體與生俱來的功能，正常情況下，捏力僅為握力的30%，對手部損傷者來說，握比捏更易完成[34]。與傳統(tǒng)筷子采用指捏式控筷不同，本輔具采用抓握操作，使夾取更有力；采用一體化折彎設(shè)計，無細小零件和復(fù)雜連接，左右筷柄利用撓性連接的彈性自彈開，省去使用筷子的“張開”步驟；無需刻意并齊筷頭，便于患者使用；筷柄截面積不影響所需握力的大小，可任意設(shè)計筷柄形狀，添加其他輔助，如木柄、把手，以提高握持穩(wěn)固感，方便配備繃帶或橡皮筋固定，防止筷子輔具脫手滑落；加工制作工藝簡單，材料易得、價格低廉，即學(xué)即用，左右手均可用，適用對象廣；還可用于手部訓(xùn)練，提高患者握力、改善患者認(rèn)知功能[35-37]，如反手使用可對拇指和示指進行精細動作訓(xùn)練，在左右握柄間添加不同彈力壓簧可用于抗阻訓(xùn)練。此外，對用筷經(jīng)驗不足、難以使用傳統(tǒng)筷子完成就餐者，初次使用者或換手使用者，本設(shè)計均可適用。

針對手功能障礙者的相關(guān)問題已經(jīng)成為康復(fù)工程領(lǐng)域的重要研究課題。家庭作為患者最重要的生活場所，居家康復(fù)是實施全面康復(fù)的重要環(huán)節(jié)[38]。為提高手功能障礙患者的日常生活質(zhì)量，適應(yīng)不同患者的用筷需求，順應(yīng)居家康復(fù)的發(fā)展方向，本研究采用一體化折彎設(shè)計、掌握式輔具控制方式，充分利用患者的殘存功能，有效提高筷子的可操縱性，減少筷子對特定手指的依賴，很大程度降低對手指技巧和協(xié)調(diào)性的要求，制備工藝簡單、性價比較高，可廣泛應(yīng)用于骨外科、康復(fù)科、專業(yè)養(yǎng)老機構(gòu)、社區(qū)、愛心餐廳和家庭等場所，以減少就餐者對他人的依賴，提高生活質(zhì)量和就餐滿意度。

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