醫(yī)用輔助倒立—定位夾緊病床的設(shè)計(jì)

汪亦寒 劉明閣 楊興進(jìn) 劉李林 王 遠(yuǎn)

（1.西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224；2.云南建投機(jī)械制造安裝工程有限公司，云南 昆明 650120）

0 引言

醫(yī)用床是能承載患者，協(xié)助患者調(diào)整體位，促進(jìn)患者康復(fù)，方便理療人員實(shí)現(xiàn)治療操作過(guò)程的一種設(shè)備，主要在各大醫(yī)院、社區(qū)服務(wù)中心、私人理療會(huì)所等使用。

目前市場(chǎng)上的醫(yī)用床主要分為手動(dòng)醫(yī)用床、電動(dòng)醫(yī)用床和床板三大類(lèi)，也存在一些兼具特殊功能的醫(yī)用床，如家居理療床、燙傷床、帶便盆醫(yī)用床和超低三功能電動(dòng)床等。但目前市面上的醫(yī)用床或護(hù)理床都是以協(xié)助病患起身、平躺為主要功能展開(kāi)的研發(fā)，如可分離的多功能助老床、聯(lián)動(dòng)式護(hù)理床和模塊化多功能護(hù)理床，都沒(méi)有協(xié)助患者倒立、定位、夾緊固定等功能。

已有研究表明，倒立能協(xié)助某些醫(yī)療過(guò)程取得理想的臨床治療效果。如：廣西來(lái)賓市武宣縣中醫(yī)院采取半倒立俯臥位，ESWL治療后尿道結(jié)石，可讓沖擊波自恥骨聯(lián)合上經(jīng)充盈的膀胱斜射向膀胱頸至后尿道，聚焦于結(jié)石上，以中等沖擊功率即可碎石，并且定位準(zhǔn)確，移動(dòng)方便，比原位ESWL治療后尿道結(jié)石取得的臨床效果更加令人滿意。福建省泉州市光前醫(yī)院對(duì)單純性腎下盞結(jié)石患者應(yīng)用體外碎石后，輔助倒立體位排石，可明顯提高結(jié)石排凈率，且簡(jiǎn)便易行。

可見(jiàn)，采用倒立體位協(xié)助某些理療或醫(yī)療過(guò)程可取得有益效果。但病患或理療者倒立后難以自行控制與維持身體平衡，理療或醫(yī)療過(guò)程中，必須有輔助醫(yī)用設(shè)備才能長(zhǎng)時(shí)間維持倒立狀態(tài)，因而亟需研發(fā)具有夾緊、定位功能的倒立式醫(yī)用床，以在一定程度上解決這一難題。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)的醫(yī)用輔助倒立病床主要由床板2、推桿電機(jī)9和床架1等組成，總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中床架1主要由交叉式電機(jī)支撐桿11、床板支撐框10、4根立腿12和4個(gè)萬(wàn)向輪8等組成，推桿電機(jī)9一端連接在交叉式電機(jī)支撐桿11上，另一端支撐在床板2上。左/右側(cè)護(hù)板7/3、左/右護(hù)肩5/4安裝在床板2上，構(gòu)成床框。床架1與床框采用鉸鏈6連接形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，以使床框可繞床架1一端在一定角度范圍內(nèi)翻轉(zhuǎn)。左/右護(hù)肩5/4及左/右側(cè)護(hù)板7/3采用絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由電機(jī)帶動(dòng)可實(shí)現(xiàn)上下升降。床板上可以附設(shè)安全帶，以進(jìn)一步協(xié)助固定醫(yī)療過(guò)程中的患者。

該醫(yī)用輔助倒立病床在床框未翻轉(zhuǎn)狀態(tài)下的長(zhǎng)、寬、高分別為1 800 mm、800 mm和640 mm，可供身高低于1 900 mm、體重小于110 kg的患者使用，能滿足絕大部分患者需求。

1.2 工作原理

圖1所示位置為患者平躺，床框處于一定角度的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)。

使用前，床框位于水平位置，左/右側(cè)護(hù)板7/3、左/右護(hù)肩5/4位于床板2之下。

使用時(shí)，先讓患者按照所需體側(cè)位躺于床板2上。

當(dāng)患者需要倒立、仰臥平躺體位時(shí)，讓患者仰臥平躺于床板2左右側(cè)的居中位置后，先升起左/右護(hù)肩5/4，讓患者肩部抵靠在護(hù)肩上，再升起左/右側(cè)護(hù)板7/3，之后使護(hù)板橫向移動(dòng)，直至抵靠在人腰部附近的兩側(cè)。左/右護(hù)肩5/4、左/右側(cè)護(hù)板7/3移動(dòng)到位，系上附加安全帶后，開(kāi)啟推桿電機(jī)9，驅(qū)動(dòng)床框繞鉸鏈軸翻轉(zhuǎn)至醫(yī)療過(guò)程所需角度，患者此時(shí)便處于一定角度的倒立狀態(tài)，以協(xié)助需倒立輔助治療的過(guò)程。

倒立、平臥位治療結(jié)束后，反向開(kāi)啟推桿電機(jī)9，使床框繞鉸鏈軸反向翻轉(zhuǎn)，放平床框，再下降左/右護(hù)肩5/4、左/右側(cè)護(hù)板7/3與床板平齊，卸下附加安全帶，此時(shí)患者便可離開(kāi)醫(yī)用床，結(jié)束平躺、倒立體位的治療過(guò)程。

當(dāng)患者需要處于倒立、右側(cè)臥位時(shí)，讓患者右側(cè)臥于床板2上，單邊升起右護(hù)肩4、右側(cè)護(hù)板3，使患者側(cè)躺時(shí)的下肩抵靠在右護(hù)肩4上，后背抵靠在右側(cè)護(hù)板3上，系上附加安全帶后，開(kāi)啟推桿電機(jī)9，驅(qū)使床框繞鉸鏈軸翻轉(zhuǎn)至治療過(guò)程所需角度，患者此時(shí)便位于一定的倒立角度、右側(cè)臥體位，待治療過(guò)程結(jié)束后，反向開(kāi)啟推桿電機(jī)9，放平床框，下降右護(hù)肩4和右側(cè)護(hù)板3與床板2平齊，卸下安全帶，此時(shí)患者便可離開(kāi)醫(yī)用床。

患者需要倒立、俯臥平躺時(shí)的操作流程與倒立、仰臥平躺時(shí)相同。需要倒立、左側(cè)臥位時(shí)與倒立、右側(cè)臥時(shí)相似，只需單邊升降左護(hù)肩和左側(cè)護(hù)板即可。

2 醫(yī)用輔助倒立病床主要部件的設(shè)計(jì)

2.1 護(hù)肩機(jī)構(gòu)

兩個(gè)護(hù)肩采用絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制其升降，絲桿機(jī)構(gòu)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。絲桿采用梯形螺紋傳動(dòng)螺桿1，螺距2 mm，螺紋外徑16 mm，設(shè)置移動(dòng)距離100 mm，護(hù)肩3安裝在移動(dòng)導(dǎo)槽2中，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

護(hù)肩3外形長(zhǎng)120 mm、高120 mm、厚30 mm，其內(nèi)加工與傳動(dòng)螺桿相旋合的內(nèi)螺紋孔。直流電機(jī)采用聯(lián)軸器安裝在傳動(dòng)螺桿1下端，并固定在床框上的專(zhuān)用安裝板上。

工作時(shí)，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，護(hù)肩3只能在移動(dòng)導(dǎo)槽2內(nèi)做升降運(yùn)動(dòng)。護(hù)肩升起支撐肩部時(shí)，升起高度超出床板平面90 mm，此高度低于單側(cè)肩膀?qū)挾扰c厚度，即患者處于平躺、側(cè)臥位時(shí)，均能達(dá)到護(hù)肩并支撐患者的效果，保證患者處在倒立位置時(shí)不會(huì)沿著床板面下滑，起到了定位與固定的作用。護(hù)肩的升降通過(guò)控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)設(shè)置限位開(kāi)關(guān)，達(dá)到限位預(yù)定升降高度后，限位開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)，控制電機(jī)停止工作，從而確保在工作過(guò)程中護(hù)肩能處在所需的位置。

2.2 護(hù)板機(jī)構(gòu)

護(hù)板的升降與左/右移動(dòng)傳動(dòng)原理如圖3所示，該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由垂直相交的兩組絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，絲桿傳動(dòng)采用與護(hù)肩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相同規(guī)格的梯形螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。護(hù)板外形長(zhǎng)300 mm、高120 mm、厚30 mm，長(zhǎng)度兩端設(shè)計(jì)為半圓柱形，頂端棱邊倒圓，以免使用過(guò)程中劃傷患者。

護(hù)板1內(nèi)加工與升降螺桿3相旋合的螺紋，升降螺桿3的另一端采用聯(lián)軸器與直流電機(jī)連接，滑塊4與升降螺桿3之間形成間隙滑動(dòng)配合，同時(shí)也起著支撐升降螺桿3的作用?；瑝K4與水平移動(dòng)螺桿5形成絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，滑塊4與水平移動(dòng)導(dǎo)槽6形成間隙滑動(dòng)配合，水平移動(dòng)螺桿5的另一端采用聯(lián)軸器與直流電機(jī)連接。兩直流電機(jī)都固定在各自的專(zhuān)用安裝板上。

工作時(shí)，先開(kāi)啟升降螺桿3直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，把護(hù)板1升到預(yù)定高度后，再開(kāi)啟水平移動(dòng)螺桿5直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)滑塊4在水平移動(dòng)導(dǎo)槽內(nèi)移動(dòng)，從而把護(hù)板1推動(dòng)到預(yù)定位置。護(hù)板1上安裝上下、左右位置限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)護(hù)板1運(yùn)動(dòng)到與身體接觸時(shí)，位置開(kāi)關(guān)發(fā)出一個(gè)信號(hào)，切斷直流電機(jī)電源，使兩側(cè)護(hù)板以預(yù)設(shè)壓緊力緊靠在患者身體兩側(cè)，達(dá)到定位、夾緊作用，保證患者在整個(gè)倒立輔助醫(yī)療過(guò)程中不會(huì)發(fā)生身體側(cè)翻等意外。

2.3 主推桿電機(jī)的安裝與選取

主推桿電機(jī)指推起床框繞鉸鏈轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn)一定角度的電機(jī)，參照陳磊等人的多功能護(hù)理床主推桿電機(jī)的安裝設(shè)計(jì)要求，其安裝尺寸如圖4所示，床框翻轉(zhuǎn)一定角度θ時(shí)的位置為圖中雙點(diǎn)劃線所示，圖4中點(diǎn)O代表床框與床架鉸鏈連接的轉(zhuǎn)動(dòng)副，點(diǎn)A、B分別代表主推桿電機(jī)底端與床架、頂端與床框鉸鏈連接的轉(zhuǎn)動(dòng)副。設(shè)計(jì)中翻轉(zhuǎn)角θ設(shè)定在0°～50°，此角度范圍能滿足絕大多數(shù)需倒立輔助醫(yī)療過(guò)程的需要。

當(dāng)轉(zhuǎn)角為θ時(shí)進(jìn)行受力分析，由余弦定理有：

由正弦與余弦關(guān)系可得：

受力分析時(shí)，忽略各轉(zhuǎn)動(dòng)副摩擦和主電機(jī)推桿自身的質(zhì)量，可把工作過(guò)程中主電機(jī)推桿AB視作二力桿。同時(shí)，床框與患者對(duì)轉(zhuǎn)軸O的合力作用點(diǎn)取距點(diǎn)O為300 mm處，并對(duì)點(diǎn)O取矩，可得電機(jī)推力F和力G之間的關(guān)系：

300G×cos θ=500F×sin∠ABO

代入數(shù)據(jù)可得：

考慮現(xiàn)實(shí)中大部分患者體重小于110 kg，設(shè)計(jì)中床板、護(hù)肩與護(hù)板等總重小于40 kg，取重力加速度為10 N/kg。在Matlab軟件中對(duì)算式（1）求值，得到主電機(jī)推桿受力F與轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系曲線如圖5所示，隨著轉(zhuǎn)角θ在0°～50°范圍內(nèi)增大，力F減小，轉(zhuǎn)角θ=0°時(shí)，最大值約為1 212 N。取安全系數(shù)1.5，得主電機(jī)推桿推力應(yīng)大于1 818 N。故選取推力為2 000 N、速度為5 mm/s、電壓24 V的直流推桿電機(jī)。依據(jù)安裝要求和最大轉(zhuǎn)角θ=50°計(jì)算，推桿行程應(yīng)大于326 mm，取行程335 mm。推桿電機(jī)行程大于300 mm時(shí)，其安裝尺寸一般為行程距離加210 mm，故此設(shè)計(jì)的最小安裝長(zhǎng)度為545 mm，小于設(shè)計(jì)初始安裝長(zhǎng)度560 mm，可以進(jìn)行安裝，設(shè)計(jì)合理。

3 結(jié)語(yǔ)

該醫(yī)用輔助倒立病床設(shè)計(jì)可協(xié)助患者處于不同體位、以一定角度倒立，并固定患者，使患者在整個(gè)需倒立輔助治療的過(guò)程中不會(huì)發(fā)生體位改變與下滑，能保證患者在全治療過(guò)程中的安全。希望本設(shè)計(jì)能為相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)借鑒與參考。