淺析掌指關(guān)節(jié)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)康復(fù)器的研制

周子航，戚仕濤，陳鏡安，許天宇

（1.南京市中醫(yī)院臨床醫(yī)學(xué)工程部，江蘇 南京 210000；2.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；3.南京技師學(xué)院智能制造系，江蘇 南京 210000）

手部康復(fù)運(yùn)動(dòng)分為兩種，一種為手指向內(nèi)屈曲，這種運(yùn)動(dòng)主要活動(dòng)手指的指骨間關(guān)節(jié)；另一種為向外伸展，這種運(yùn)動(dòng)主要活動(dòng)手指的掌指關(guān)節(jié)；在現(xiàn)有的指關(guān)節(jié)康復(fù)器當(dāng)中，大部分為將手固定后做屈曲運(yùn)動(dòng)，能做伸展運(yùn)動(dòng)的康復(fù)器極為少見，想讓病人做伸展運(yùn)動(dòng)只能靠醫(yī)護(hù)人員用手將病人的手向上掰，再將病人的手屈回本來的位置。讓醫(yī)護(hù)人員給患者的手部做伸展運(yùn)動(dòng)十分耗費(fèi)人力，在這種情況下，研制一種可替代醫(yī)護(hù)人員幫病人手動(dòng)做伸展運(yùn)動(dòng)的康復(fù)器則可改善上述情況。

1 手部伸展運(yùn)動(dòng)的治療作用

1.1 對(duì)于腦卒中偏癱患者的效果

“腦卒中”，又名“中風(fēng)”，是一種急性腦血管疾病，我國(guó)腦卒中患者平均年齡為63歲。隨著中國(guó)進(jìn)入老齡化社會(huì)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年底中國(guó)60歲以上老人達(dá)2.6億，占比18.7%；而全國(guó)目前腦卒中發(fā)病人數(shù)近 1242萬人，每年新增病例250萬左右，致殘人數(shù) 800萬，死亡人數(shù) 196萬人。腦卒中通常使患者手臂麻木，甚至是半身不遂。如果缺少康復(fù)治療那手指的活動(dòng)性就會(huì)逐漸降低，之后都有可能造成肌肉萎縮的現(xiàn)象。據(jù)路瑩等“重復(fù)局部肌肉振動(dòng)聯(lián)合鏡像視覺反饋訓(xùn)練對(duì)腦卒中偏癱患者上肢功能、手指活動(dòng)度的影響”的研究表明，將78位腦卒中患者作為研究對(duì)象，平均分為兩組，各組都進(jìn)行常規(guī)康復(fù)，另一組在常規(guī)康復(fù)的基礎(chǔ)上加入肌肉振動(dòng)治療。治療一個(gè)月后，比較兩組的手指活動(dòng)度，比較發(fā)現(xiàn)，兩組患者的手指最大伸展角度均大于治療前（如表1）。

表1 手指伸展運(yùn)動(dòng)對(duì)于腦卒中偏癱患者手部康復(fù)效

1.2 對(duì)于掌指骨骨折患者術(shù)后的康復(fù)效果

掌指關(guān)節(jié)受到損傷，經(jīng)由手術(shù)后，患者可能出現(xiàn)陣痛、腫脹等現(xiàn)象。據(jù)白江博等“掌指骨骨折的術(shù)后康復(fù)觀察”的研究表明，掌指骨骨折患者術(shù)后的兩到三天可以開始進(jìn)行手部的主動(dòng)及被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，一天進(jìn)行約三次的康復(fù)治療，每一次治療時(shí)間在十到二十分鐘左右；在訓(xùn)練時(shí)；引導(dǎo)患者自己至少有一次將關(guān)節(jié)伸至正常角度，在進(jìn)行一到兩周后，患者的創(chuàng)口疼痛及腫脹基本消失，而后鼓勵(lì)患者進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)運(yùn)動(dòng)。

1.3 對(duì)于帕金森病患者的康復(fù)效果

帕金森病是一種常見的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，我國(guó)約有 294萬人患有帕金森病，其中60歲以上老人占患者的大多數(shù)。帕金森的常見癥狀為“肌強(qiáng)直”，在檢查患者肢體時(shí)，可發(fā)現(xiàn)到明顯的阻力。而患者的手部關(guān)節(jié)，因受肌肉僵直的影響，患者的手一般會(huì)呈現(xiàn)類似“雞爪狀”；手掌屈曲嚴(yán)重，使得手掌張開困難，而其他手指關(guān)節(jié)僵硬，又使得握拳困難。對(duì)于這種癥狀的患者，將其手指進(jìn)行伸展運(yùn)動(dòng)，并將此動(dòng)作不斷重復(fù)，可達(dá)到防止掌指關(guān)節(jié)畸形的效果。

2 掌指關(guān)節(jié)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)康復(fù)器設(shè)計(jì)原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成該康復(fù)器

由機(jī)殼、底座、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四大部分組成；其中控制系統(tǒng)內(nèi)含有電機(jī)、零位傳感器、限位傳感器等，主要功能為控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；傳動(dòng)系統(tǒng)含有特制的掛鉤板、滑輪等，主要功能為帶動(dòng)手指進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到康復(fù)的效果。

2.2 機(jī)殼

為了使機(jī)器運(yùn)作的更加順暢，外表更加美觀，機(jī)殼選用了長(zhǎng)300mm、寬155mm、高400mm的電箱（如圖1-A、1-B中1所示）。電箱內(nèi)包含所有電路控制系統(tǒng)及部分傳控系統(tǒng)。其中中間繼電器、時(shí)間繼電器與開關(guān)電源安裝在箱體的底板；電機(jī)安裝在箱體的頂端；底座接在箱體的底端；在箱體上方有一根延長(zhǎng)桿（如圖1-A中2所示）用來引出牽引的線；在箱體右側(cè)有一根延長(zhǎng)桿（如圖1-A中4所示）并裝有固定手腕的夾子（如圖1-A、1-B中5所示）。

2.3 底座

底座在整體結(jié)構(gòu)上起到了支撐和固定的作用。因考慮到在使用時(shí)患者會(huì)將手固定在機(jī)器上，此時(shí)，機(jī)器將會(huì)承受手的重量。而想讓箱體受到外力但不傾斜，則需要底座自身有一定重量且設(shè)計(jì)亦較為穩(wěn)定。為此，該底座選用三角支架（如圖1-A、1-B中3所示）。該支架總重量約為7000g，高610mm；三個(gè)支角之間分別為120°；每一個(gè)支角長(zhǎng)220mm。

圖1 -A 掌指關(guān)節(jié)康復(fù)器主視圖

圖1 -B 掌指關(guān)節(jié)康復(fù)器側(cè)視

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)

（1）傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。該康復(fù)器的核心驅(qū)動(dòng)為電機(jī)。因考慮到誤差精度等問題，在電機(jī)的選用上，選擇了精度高、體積小、重量輕的直流減速電機(jī)（如圖1-A、1-B中6所示），電機(jī)的轉(zhuǎn)速為30r/min。在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝有孔徑為6.35mm的皮帶輪；將傳動(dòng)帶纏繞在皮帶輪上，再經(jīng)由箱體上方的延長(zhǎng)桿（如圖1-A中2所示）至滑輪（如圖1-A、1-B中7所示）；經(jīng)滑輪后垂直向下，傳動(dòng)帶下方固定著特制掛鉤板（如圖1-A、1-B中8所示），掛鉤板上每個(gè)鉤子勾著一個(gè)彈簧，彈簧的下方勾著一個(gè)魔術(shù)貼，魔術(shù)貼用來固定手指，并可根據(jù)手指的粗細(xì)調(diào)節(jié)大??；魔術(shù)貼最大孔徑可達(dá)40mm，最小孔徑可至10mm。

（2）特殊的掛鉤板。人的手是鏡像相對(duì)的，兩只手的手指順序是相反的。為了使不同的手在使用時(shí)能得到相同的治療效果，在設(shè)計(jì)掛鉤板時(shí)設(shè)計(jì)了六個(gè)掛鉤，左手及右手分別使用時(shí)每一個(gè)手指都在特定的位置，現(xiàn)如圖2-A、2-B給左右手每根手指編號(hào)，則對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：鉤9右1，鉤10左5、右2，鉤11左4、右3，鉤12左3、右4，鉤13左2、右5，鉤14左1。

圖2 -A特制掛鉤板掛鉤示意圖

圖2 -B手指對(duì)應(yīng)掛鉤示意圖

2.5 控制系統(tǒng)及工作原理

工作流程：傳達(dá)帶上置有一個(gè)感應(yīng)片，按下“開啟”按鈕并設(shè)定使用時(shí)間后，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，當(dāng)感應(yīng)片到達(dá)高位傳感器時(shí)，電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，當(dāng)感應(yīng)片到達(dá)零位傳感器時(shí)，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)（工作流程圖如圖3-A所示）；在機(jī)殼內(nèi)部設(shè)置一限位傳感器為保護(hù)系統(tǒng)，若高位傳感器失效，感應(yīng)片到達(dá)限位傳感器時(shí)，機(jī)器將自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

停止流程：當(dāng)設(shè)定的使用時(shí)間置零或按下“停止”按鈕后，傳動(dòng)帶上的感應(yīng)片移至零位傳感器后機(jī)器停止運(yùn)行，保證手指的位置在使用前及結(jié)束后都在同一位置。

在電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，皮帶輪通過細(xì)繩帶動(dòng)掛鉤板升起，在到達(dá)設(shè)定時(shí)間后電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，皮帶輪通過傳動(dòng)帶帶動(dòng)掛鉤板下降；手指固定在掛鉤板上隨著傳動(dòng)帶的升降一起運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到治療的效果。（原理圖如圖3-B所示）。

圖3 -A 工作流程圖

圖3 -B 康復(fù)器工作時(shí)手指伸展示意圖

3 使用方法

3.1 用前準(zhǔn)備

患者取坐位，用手腕固定夾將需要治療的手給固定，掌心向下，手指呈自然下垂?fàn)睿ㄈ鐖D4所示），如患者因患病不能作自然下垂?fàn)?，則使手掌置于放松狀態(tài)；之后通過正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)按鈕，調(diào)節(jié)掛鉤所在位置，當(dāng)把掛鉤下的魔術(shù)貼調(diào)至與手指平齊時(shí)，將各個(gè)手指固定在特定的魔術(shù)貼上；檢查是否有固定不牢靠的地方；檢查無誤后，按下正轉(zhuǎn)開關(guān)，開始進(jìn)行康復(fù)治療。

圖4 手指自然下垂示意圖

3.2 用后步驟

在患者完成一次治療后，先按下停止按鈕，機(jī)器停止運(yùn)行；之后，將魔術(shù)貼依次從患者手指上摘下，并將手腕從固定夾中移出；在將病人安置好后，需檢查魔術(shù)貼在使用后是否存在纏繞在一起的情況，如果存在，需將其纏繞點(diǎn)整理好，以便下次使用。

4 結(jié)語

目前，因?yàn)楦鞣N疾病導(dǎo)致手部不能正?；顒?dòng)的患者日漸趨多，而現(xiàn)有的指關(guān)節(jié)康復(fù)器價(jià)格昂貴，令許多家庭負(fù)擔(dān)不起；而本康復(fù)器在價(jià)格上比現(xiàn)有的低廉、在操作上也比現(xiàn)有的簡(jiǎn)易。彌補(bǔ)了現(xiàn)有掌指關(guān)節(jié)康復(fù)技術(shù)的不足，可以對(duì)腦卒中、帕金森病、掌指骨骨折手術(shù)后等患者進(jìn)行持續(xù)性的指部康復(fù)治療，具有較好的前景。