一種踝關(guān)節(jié)多維康復(fù)訓(xùn)練器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

張宇玲，孫倩，賀晨

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上?？祻?fù)器械工程技術(shù)研究中心，上海市 200093

0 引言

隨著現(xiàn)代社會老齡化程度提高，生活節(jié)奏加快，踝關(guān)節(jié)損傷患者越來越多。踝關(guān)節(jié)是主要的負(fù)重關(guān)節(jié)，正常行走時承擔(dān)身體大部分重力，在奔跑和跳躍時將承擔(dān)巨大的沖擊和載荷[1-2]。踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，活動頻率高，踝關(guān)節(jié)肌肉附著少，在跖屈位過度內(nèi)外翻和旋轉(zhuǎn)時，易發(fā)生損傷。跑跳運動外傷中，25%是踝關(guān)節(jié)損傷，位居人體六大關(guān)節(jié)損傷的首位；損傷帶來的局部疼痛、腫脹、活動受限等，給日常生活帶來不便[3-4]。

及時有效的康復(fù)訓(xùn)練可以改善踝關(guān)節(jié)運動功能障礙[5]。目前常用的踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器械主要有彈力繃帶[6]、塑料泡沫滾筒、Biodex平衡系統(tǒng)[7]、持續(xù)被動運動(continuous passive motion,CPM)訓(xùn)練器[8]等，這些器械或依賴康復(fù)治療師完成，或功能單一，忽略了患者個性化康復(fù)需求。高端智能康復(fù)訓(xùn)練器很多還處于研究階段，整體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，研發(fā)成本高；現(xiàn)有的智能器械價格較為昂貴，不適合居家康復(fù)使用。

本研究著眼于踝關(guān)節(jié)多自由度康復(fù)訓(xùn)練需求，設(shè)計一款踝關(guān)節(jié)被動康復(fù)訓(xùn)練器。訓(xùn)練器結(jié)合旋轉(zhuǎn)平面和活動機(jī)構(gòu)，滿足多自由度的康復(fù)訓(xùn)練需求，可制定個性化訓(xùn)練方案，優(yōu)化康復(fù)效果，降低治療成本，減輕治療師勞動，推進(jìn)康復(fù)器械小型化、居家化進(jìn)程。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

將踝關(guān)節(jié)運動分成3 個平面，水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)完成內(nèi)收/外展運動，冠狀面內(nèi)旋轉(zhuǎn)完成內(nèi)翻/外翻運動，矢狀面內(nèi)旋轉(zhuǎn)完成跖屈/背屈運動。采用SolidWorks進(jìn)行模塊化設(shè)計，以簡約小型化為設(shè)計理念，整體結(jié)構(gòu)包括底座、轉(zhuǎn)盤、伸縮桿、球鉸、萬向節(jié)以及足板等(圖1)。轉(zhuǎn)盤上方的機(jī)構(gòu)以并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計為主，通過3根支桿連接上方動平臺和下方定平臺，每根支桿包括連接動平臺的轉(zhuǎn)動副連接件、1 個移動副伸縮桿和1個連接定平臺的球鉸。訓(xùn)練器運行時，通過控制伸縮桿長度，帶動足板完成跖屈/背屈和內(nèi)翻/外翻；通過轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，帶動足板完成內(nèi)收/外展。踝關(guān)節(jié)在背伸25°時，會伴有4°外翻和6°外展；跖屈30°時，伴有6°內(nèi)翻和4°內(nèi)收[9]。本訓(xùn)練器通過合理控制各零件配合，可完成踝關(guān)節(jié)復(fù)合運動，治療師可針對不同患者設(shè)計個性化訓(xùn)練方案。

圖1 踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器整體結(jié)構(gòu)圖

底座中空，內(nèi)部空間可通過鉆孔預(yù)留電機(jī)及其他部件排線的空間；底座通過轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)盤連接，旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)盤完成旋轉(zhuǎn)動作；轉(zhuǎn)盤上方預(yù)留螺紋孔，用于固定球鉸和萬向節(jié)；伸縮桿和萬向節(jié)配合，可實現(xiàn)內(nèi)翻/外翻和跖屈/背屈運動；伸縮桿末端與球鉸相連，形成小范圍的萬向運動，滿足伸縮桿在運動過程中產(chǎn)生的微小移動；足板側(cè)面預(yù)留固定尼龍織帶的孔，適應(yīng)不同足長，方便收緊和固定；足板后方設(shè)置圍擋，防止足在運動中滑脫；足板設(shè)計可使患者的腳貼合足板完成被動運動。

1.1 內(nèi)收/外展

踝關(guān)節(jié)內(nèi)收、外展活動度為25°～30°。本訓(xùn)練器通過底座和轉(zhuǎn)盤的配合完成旋轉(zhuǎn)運動。機(jī)構(gòu)不區(qū)分左右腳設(shè)計，底座靜止，轉(zhuǎn)盤帶動上方零件向身體中線方向轉(zhuǎn)動為內(nèi)收，反向為外展。左右最大旋轉(zhuǎn)角度設(shè)為45°，具體活動度由底座上的擋板控制，便于治療師調(diào)整。

底座采用圓形設(shè)計，直徑50 cm；相較于方形底座，圓形底座占地面積更小，且不會產(chǎn)生邊角磕碰問題，較為安全。底座全接觸地面，穩(wěn)定支撐整個訓(xùn)練機(jī)構(gòu)，不易傾倒。底座設(shè)有旋轉(zhuǎn)卡盤，與轉(zhuǎn)盤配合，完成旋轉(zhuǎn)運動；底座上表面標(biāo)示活動度(圖2)，以15°為一檔；設(shè)有擋板，阻擋轉(zhuǎn)盤運動，控制旋轉(zhuǎn)角度。擋板采用自鎖開關(guān)結(jié)構(gòu)，第1 次按下時，擋板與底座平面重合，即自鎖，不影響轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動；第2次按下時，鎖定斷開，同時擋板按鈕彈起，阻擋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)。內(nèi)收、外展角度可由康復(fù)訓(xùn)練師根據(jù)患者情況自由選定。

圖2 底座上表面

1.2 內(nèi)翻/外翻

踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻活動度一般為35°～40°，外翻活動度15°。為了不區(qū)分左右腳設(shè)計，內(nèi)外翻角度最大值都設(shè)為40°，通過控制伸縮桿伸縮長度，完成對內(nèi)外翻實際運動角度的設(shè)定。鎖定后方伸縮桿，保證足板與矢狀軸平行，左右兩側(cè)伸縮桿伸縮，使得萬向節(jié)沿矢狀軸左右擺動，帶動足板進(jìn)行內(nèi)翻/外翻運動(圖3)。

圖3 內(nèi)翻/外翻運動示意圖

伸縮桿采用醫(yī)療電動推桿系列中的TOMUU-U2(東莞市特姆優(yōu)傳動科技有限公司)，利用直流永磁電機(jī)提供動力，通過渦輪、蝸桿帶動軸承，推動梯形螺紋絲桿，實現(xiàn)伸縮運動。

1.3 跖屈/背屈

踝關(guān)節(jié)跖屈活動度一般為40°～50°，背屈活動度25°～30°。本訓(xùn)練器跖屈/背屈運動控制與內(nèi)翻/外翻運動控制相似(圖4)：通過鎖定左右兩側(cè)伸縮桿，控制后方伸縮桿伸縮，伸縮桿伸長，萬向節(jié)帶動足板前傾為跖屈，反之為背屈。

圖4 跖屈/背屈運動示意圖

1.4 連接件

訓(xùn)練器的主要連接件有萬向節(jié)、球鉸以及伸縮桿和足板之間的小鉸鏈(圖5)。萬向節(jié)用于連接轉(zhuǎn)盤和足板，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，允許所連接的兩軸之間有較大的交角，可改變傳動軸線方向，滿足足板在矢狀面和冠狀面上的運動。球鉸固定轉(zhuǎn)盤上，根據(jù)內(nèi)翻/外翻和跖屈/背屈角度確定其位置，與伸縮桿的球狀末端球面接觸，接觸面積大，壓強低，傳力均勻，可接受任意方向的壓力和剪力，轉(zhuǎn)動靈活，運動限制小。小鉸鏈為自主設(shè)計結(jié)構(gòu)，用于連接足板和伸縮桿，有兩個運動方向，當(dāng)足板完成內(nèi)翻/外翻和跖屈/背屈運動時，伸縮桿上端可有微小調(diào)節(jié)運動空間。

圖5 連接件

2 訓(xùn)練方案

本訓(xùn)練器為踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器，借鑒臨床常見的治療師輔助運動，患者踩斜板、拉力帶等帶動踝關(guān)節(jié)進(jìn)行牽伸運動等[10]，可用于常見踝關(guān)節(jié)疾病的早期康復(fù)，為進(jìn)一步康復(fù)訓(xùn)練奠定基礎(chǔ)[11]。

不同的踝關(guān)節(jié)損傷所需的康復(fù)方式不同。訓(xùn)練前應(yīng)評價踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)活動度，確定踝關(guān)節(jié)訓(xùn)練范圍。

2.1 踝關(guān)節(jié)骨折

踝關(guān)節(jié)骨折的臨床癥狀主要表現(xiàn)為踝部腫脹、青紫、畸形、疼痛以及功能障礙等[12]。康復(fù)訓(xùn)練于石膏固定拆除后早期介入，可降低患者術(shù)后關(guān)節(jié)腫脹和疼痛程度，促進(jìn)運動功能恢復(fù)，降低并發(fā)癥風(fēng)險，提高生活質(zhì)量[13]。參考方案見表1。

表1 踝關(guān)節(jié)骨折患者的康復(fù)訓(xùn)練方案

2.2 腦卒中后運動功能障礙

腦卒中患者常表現(xiàn)特定的異常步態(tài)[14]：足下垂、內(nèi)翻，膝反張，呈拖曳或劃圈樣[15]。康復(fù)訓(xùn)練可以改善異常步態(tài)，降低踝關(guān)節(jié)痙攣，防止軟組織粘連、攣縮，改善踝關(guān)節(jié)運動功能，提高下肢活動能力[16-17]。參考方案見表2。

表2 腦卒中偏癱患者的康復(fù)訓(xùn)練方案

2.3 踝關(guān)節(jié)韌帶損傷

踝關(guān)節(jié)韌帶是維持踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定的重要結(jié)構(gòu)之一。內(nèi)側(cè)三角韌帶厚實且強韌，外側(cè)韌帶易受損傷[18]。臨床常見的韌帶損傷類型為距腓前韌帶損傷和跟腓韌帶斷裂，兩者都是踝關(guān)節(jié)在跖屈位受到內(nèi)翻方向暴力所造成，跟腓韌帶斷裂是距腓前韌帶損傷后繼續(xù)受到內(nèi)翻力作用而產(chǎn)生的更加嚴(yán)重的傷害。

韌帶損傷后，康復(fù)治療在急性期以消除腫脹為主，后期可使用訓(xùn)練器進(jìn)行內(nèi)、外翻訓(xùn)練，恢復(fù)關(guān)節(jié)活動度[19]。

3 討論

本研究設(shè)計的踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器有3 個自由度，滿足踝關(guān)節(jié)多維度康復(fù)需求，以被動運動為主。訓(xùn)練器可通過轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)完成內(nèi)收/外展，通過擋板設(shè)計進(jìn)行角度調(diào)整；通過伸縮桿的控制完成內(nèi)翻/外翻和跖屈/背屈運動；模塊間相互組合可形成不同的運動模式，基本滿足踝關(guān)節(jié)功能障礙患者不同運動功能訓(xùn)練方案的要求。

本訓(xùn)練器具有以下4 個特點：①可進(jìn)行單軸或多維踝關(guān)節(jié)運動，模仿踝關(guān)節(jié)真實運動軌跡，有針對性地完成踝關(guān)節(jié)的復(fù)雜運動，滿足不同康復(fù)需求；②機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，零件少，易于采購，安裝簡便，使用方法簡單；③加工成本低；④占地面積小，可在家庭使用。

使用本訓(xùn)練器進(jìn)行有針對性的康復(fù)訓(xùn)練，可以有效改善踝關(guān)節(jié)活動度，也可以減輕治療師的勞動，節(jié)約康復(fù)醫(yī)療資源。小型、居家化的結(jié)構(gòu)設(shè)計可用于社區(qū)康復(fù)和居家康復(fù)，提高康復(fù)治療效果。

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