智能可调式下肢抬高系统的研制及应用

郭 杨，马 勇,，黄桂成，陶 黎，李红卫，王建伟

1南京中医药大学骨伤研究所，南京市，210023

2 南京中医药大学附属医院骨伤科，南京市，210029

3 江苏鱼跃信息系统有限公司，南京市，210042

智能可调式下肢抬高系统的研制及应用

【作者】郭 杨1，马 勇1,2，黄桂成1，陶 黎3，李红卫1，王建伟1

1南京中医药大学骨伤研究所，南京市，210023

2 南京中医药大学附属医院骨伤科，南京市，210029

3 江苏鱼跃信息系统有限公司，南京市，210042

目的 自行研制一种智能可调式下肢抬高系统，实现下肢抬高角度、频率的量化及可视化。方法 依据临床下肢功能康复要求，确定大腿、小腿调节杆可调长度及屈髋、屈膝角度范围，进行动力元件的受力分析及临床安全性、疗效性观察。结果 本装置整体外形小巧紧凑，可单独调节屈髋、屈膝、转踝的角度，屈髋、屈膝动力元件受力分析符合设计要求。初步观察显示本装置抬高患肢治疗2周后疼痛改善程度、关节功能评分、关节活动度及Harris评分均优于布朗氏架组，差异有统计学意义（P＜0.05）。结论 本智能可调式下肢抬高系统设计可满足临床使用要求，适用于不同身高病患，屈髋、屈膝角度范围大、精度高，值得进一步改良及临床推广。

下肢术后；下肢抬高；智能化系统；可调式；功能康复

0 引言

下肢创伤或术后常出现肢体肿胀、关节疼痛等并发症，阻碍伤肢功能的康复。临床研究[1-2]表明患肢抬高利于血液、淋巴回流，减轻肢体肿胀，缓解疼痛，有效促进伤肢功能的恢复。目前临床上大多采用软枕、软垫或布朗氏架等抬高患肢，但会出现稳定性差、舒适性差、抬高角度难以灵活调整等弊端[3-4]。研究发现[5-6]，肢体抬高角度的灵活调整是下肢创伤治疗及术后康复的重要影响因素之一。我们在长期的临床工作中也观察到根据不同时期的症状表现，灵活调整患肢抬高角度，可更有效地缓解肿胀及疼痛程度。因此，在继承现有的下肢抬高装置及构建理念基础上，研发具备灵活调整角度、稳定性的多功能下肢抬高系统，将有利于提高临床疗效。

1 创新构思

智能可调式下肢抬高系统是一种可灵活调整患肢抬高角度的装置，用于下肢创伤后治疗期间。设计其整体性能应达到如下技术指标：(1) 3个角度可调，即可单独调节屈髋、屈膝、转踝的角度；(2) 屈伸机构承载能力在30 kg左右；(3) 屈髋、屈膝速度可调。

本装置的技术创新点有：(1) 可调式关节运动支架（大腿及小腿屈伸机构、脚踝旋转可调机构），关节活动角度和速度的微调精度高（屈髋、屈膝、转踝）；(2) 上位控制器，实现人机界面参数及时间设定，便于云数据采集及分析；(3) 适用于不同身高者，可按需要对下肢固定杆进行调节；(4) 手动线控板，方便患者自行调整舒适度；(5) 保护装置：智能化急停、复位控件，使支架运行过程中可随时停止或复位，有效保护病人；(6) 可支持远程信息传输及远程根据数据采集情况以指导修改治疗方案。

2 设计过程

2.1 人体参数分析

根据我国成年人人体比例尺寸关系可知[7-8]：大腿长约占人体总高度的0.47；小腿长约占人体总高度的0.26～0.265；髋关节宽度约占人体总高度的0.2；脚长约占人体总高度的0.15。正常人在仰卧时腿由伸直状态到弯曲状态时脚的运动范围约为500 mm，大腿与水平面的夹角约为60o。应临床医生的要求，该装置对身高100 cm以上的病患均适用，能进行大腿、小腿长度可调，及屈髋、屈膝角度的单独调整，范围如下：(1) 大腿可调节长度：220～450 mm(手动)；(2) 小腿可调节长度：200～400 mm(手动)；(3)屈髋角度范围：10o～90o(自动)；(4) 屈膝角度范围：180o～90o(自动)。

2.2 执行机构的设计

智能可调式下肢抬高系统由机架、大腿屈伸机构、小腿屈伸机构、脚踝旋转可调机构，以及支撑腿用的软垫和脚垫等组成（图1）。动力元件采用电动推杆的伸缩实现屈髋、屈膝的角度。本装置构建的尺寸与制造构件的材料见表1。

机架部分 由主机架、移动可调滚轮及可调支架组成。主机架以支撑为主；移动可调滚轮主要是方便搬运；可调支架主要调节大腿长度元件。

屈髋机构 由电动推杆、大腿固定杆、大腿调节杆、大腿撑杆组成。电动推杆和大腿撑杆连接，通过驱动电动推杆的伸出和缩进改变屈髋角度；大腿固定杆确定大腿的最小可调范围；大腿调节杆从固定杆中伸出、缩进调整大腿长度达到最佳位置并锁紧。

屈膝机构 由电动推杆、膝关节、小腿固定杆、小腿固定支撑、小腿移动支撑组成。电动推杆一端和小腿移动支撑连接，一端和小腿固定支撑连接，通过驱动电动推杆的伸出和缩进改变屈膝角度。

转踝机构 由脚托板和小腿调节架组成。小腿调节架在小腿固定架上，前后移动来调节小腿长度；脚托板是支撑脚部的构件，通过拉出小腿调节架上的销钮，使脚踝部分前后旋转（仅两个定点位置），适应病患的需要。

表1 智能可调式下肢抬高系统的尺寸与制造构件Tab. 1 The size and manufacturing components of intelligent adjustable leg raising system

3 动力元件选型及分析

3.1 屈髋机构的受力分析

如图2所示，当屈髋角度为最低点时，既大腿与平面的夹角∠β=10o，大小腿夹角∠δ=180o，由图2测得∠α=5.2o，大小腿支架和支撑的总重量估算为G1=7 kg，人体一条腿的重量估算为G=25 kg，此时承受的载荷最大。则计算大腿杆的最大承受载荷如下：电动推杆向上的推力F1′ ≥G+G1=7+20=32 kg；F1的最小推力F1′ =F1×sinα，F1=F1′ ÷sinα=32÷sin5.2o= 353 kg。即电动推杆的最小推力应为353 kg。

图2 屈髋电动推杆受力图Fig.2 The free-body diagram of linear actuator with buckling hip joint

3.2 屈髋动力元件的选型

选择电动推杆作为动力元件，技术参数如下：电机驱动：永磁式直流电机，电压24 VDC；最大推力/拉力：600 kg/600 kg符合设计要求；行程：100 mm；最小安装尺寸：L=S(行程)+175 mm（推杆完全收回来，前后两孔中间的距离）；空载速度：最大100 mm/s；环境温度：-26oC～+85oC；保护等级：IP54；低噪音设计：噪音等级低于42 dB；配有线手控板。

3.3 屈膝机构的受力分析

如图3所示，当屈膝角度既大小腿夹角∠δ=180o，电动推杆承受小腿重量最大，假设小腿重量最大为10 kg，测得图3所示∠θ=6o，计算小腿撑杆的最大承受载荷，如下：电动推杆向上的最小推力F2′ ≥10 kg；F2的最小推力F2′ =F2×sinθ，则F2 =F2′ ÷sinθ=10÷sin6o=95.6 kg。即电动推杆的最小推力应为95.6 kg。

图3 屈膝电动推杆受力图Fig.3 The free-body diagram of linear actuator with buckling knee joint

3.4 屈膝动力元件的选型

选择电动推杆作为动力元件，技术参数如下：电机驱动：永磁式直流电机，电压24 VDC；最大推力/拉力：100 kg/100 kg符合设计要求；行程：10 mm；最小安装尺寸：L=S(行程)+100 mm(推杆完全收回来，前后两孔中间的距离)；空载速度：最大100 mm/s；环境温度：-26oC～+85oC；保护等级：IP65；低噪音设计：噪音等级低于42 dB；配有线手控板。

4 智能可调式下肢抬高系统试验用控制系统

智能可调式下肢抬高系统试验机见图4，其控制系统采用威伦公司的MT6070iH型号触摸屏，控制器选用三菱的FX1N-40MT型号的PLC。应用前手动调节大小腿长度至合适长度，手动调节角踝角度至合适角度；“复位”键可将大小腿恢复至初始位置，即小腿与大腿夹角为180o，大腿与地面夹角为10o；“急停”键，使支架能随时停止；“大腿升”键上升屈髋角度(10o～90o)；“大腿降”键下降屈髋角度(90o～10o)；“小腿升”键上升屈膝角度(90o～180o)；“小腿降”键下降屈膝角度(180o～90o)；限位开关可限制大腿、小腿的过升、过降。

图4 智能可调式下肢抬高系统试验机Fig.4 The testing machine of intelligent adjustable leg raising system

本装置的初期设计已于2012年12月获得国家发明专利（专利号：ZL201010523123.5），现此改良后设计正在积极申请国家发明专利，医疗器械注册的申请也获得了医疗设备公司—江苏鱼跃信息系统有限公司的协助。

表2 两组治疗前后VAS分值比较Tab.2 The VAS score comparison between the two groups in pretherapy and post-treatment

表3 两组治疗前后Harris评分比较Tab.3 The Harris score comparison between the two groups in pretherapy and post-treatment

表4 治疗组Harris各项评分值比较Tab.4 The Harris scores comparison in treatment group in pretherapy and post-treatment

5 临床应用情况

2012年4月～2013年5月我们收集了20例67～85岁行人工髋关节置换术患者，对本装置的临床疗效进行了初步观察，其中男性9例，女性11例，股骨颈骨折14例，股骨头坏死6例，病例被随机分为两组，即治疗组(智能可调式下肢抬高系统组)11例、对照组(布朗氏架组)9例。治疗2周后结果显示治疗组VAS评分显著低于对照组，差异有统计学意义(P＜0.05)，提示智能可调式下肢抬高系统较布朗氏架更能有效缓解疼痛(表2)；治疗后治疗组及对照组Harris评分均显著增加，且治疗组Harris评分显著高于对照组，差异有统计学意义(P＜0.05)(表3)，疼痛、功能、关节活动度等Harris评分值均显著高于治疗前，差异有统计学意义(P＜0.05)(表4)，提示智能可调式下肢抬高系统较布朗氏架更能有效地改善关节功能及活动度，促进下肢功能的康复。

6 结论

本智能可调式下肢抬高系统的设计可满足临床的使用要求，初步临床观察显示疗效确切。整体外形小巧紧凑，屈髋、屈膝角度可调范围大，安全性及稳定性佳，操作简便，适合下肢术后及长期卧床病患的使用。我们下一步将深入进行本装置的性能及参数优化，建立标准化临床应用数据库，力求理论结合实际，将设计成果转化为有价值的医疗产品。

[1] 朱毅, 刘震, 李凝, 等. 肌内效胶布贴扎术应用于人工全膝关节置换术后早期康复疗效观察[J]. 中国骨与关节损伤杂志, 2011, 26(6): 552-553.

[2] 苏芙蓉, 卫建萍. 创伤肢体抬高消肿的护理观察[J]. 实用骨科杂志, 2008, 9(6): 567.

[3] 徐道明, 郭海英, 张丽丽. 创伤及术后肢体肿胀的康复治疗进展[J]. 中国康复, 2011, 20(2): 130- 131.

[4] 张平安, 聂会勇. 早期康复干预对下肢骨折术后肢体肿胀恢复的影响[J]. 陕西医学杂志, 2011, 40(9): 1193-1195.

[5] 卞薇薇, 刘明, 成咏, 等. 不同护理方式对下肢深静脉血液回流及舒适度的影响[J]. 解放军护理杂志, 2011, 28(9B): 5-7, 13.

[6] 喻宏. 患肢抬高联合单侧腰麻用于下肢开放骨折手术的效果分析[J]. 中国医药指南, 2013, 11(15): 632-633.

[7] 巩海伟, 张建国, 刘合荣, 等. 下肢残障人多功能器械的机构设计与分析[J]. 机械设计与制造, 2012, 11: 58-60.

[8] 丁玉兰. 人机工程学[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2005.

Application and Development of Intelligent Adjustable Leg Raising System

【Writers】Guo Yang1, Ma Yong1,2, Huang Guicheng1, Tao Li3, Li Hongwei1, Wang Jianwei1
1 Institute of Traumatology & Orthopedics, Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210023
2 Department of Traumatology & Orthopedics, Affliated Hospital of Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing, 210029
3 Jiangsu Yuwell Information System Co. Ltd., Nanjing, 210042

Objective To develop an intelligent adjustable leg raising system which could realize the quantifcation and visualization of lower limbs’ elevation angle and frequency. Methods We determined the pole adjustable length of thighs and cruses and the fexion angle range of hips and knees according to the requirements of clinical lower limb function rehabilitation, and made force analysis of hip’s and knee’s fexion motivation mechanism and clinical observation on its security and effectiveness. Results This device was small and compact in overall appearance, which could adjust the angle of the hips and knees bending and ankles turning alone. The force analysis of the hips and knees fexion power element was consistent with the design requirements. The preliminary studies showed the device could relieve pain, improve the range of motion and promote the rehabilitation, which was superior to that of the Brown Ska(P＜0.05). Conclusion The intelligent adjustable leg raising system meets the requirements of clinical usage, which is suitable for different heights, and the fexion angle ranges of hips and knees are wide and in high accuracy, which is worth of being improved and generalized.

lower limbs postoperation, leg raising, intelligent system, adjustable, function rehabilitation

R687.3

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.06.007

1671-7104(2014)06-0417-03

2014-04-25

江苏省科技支撑计划-社会发展项目（BE2012761）；江苏省高校优势学科建设工程项目南京中医药大学护理一级学科开放课题（YSHL0202-01）

郭杨，E-mail：guoyang12345@126.com

马勇，博士、教授、主任医师，E-mail: zhongyi-my@263.net