一种改良分娩球架的设计

汪艳荣，申利（通信作者），李芸，汪娟，蔡连梅，熊茵，陈波

华中科技大学同济医学院附属梨园医院 （湖北武汉 430000）

目前，分娩球-分娩球架一体化装置在临床上的应用越来越广泛，不仅可减轻孕妇的阵痛和腰部疼痛，且可促使胎头下降、宫口扩张，提高顺产率。分娩球架可固定分娩球，提高孕妇坐姿的稳定性和舒适度。分娩球-分娩球架一体化装置体积大、质量重，同时搬运的难度较大。为方便不同病房的孕妇使用，临床常将分娩球、分娩球架分开搬运至病房。其中，分娩球因体积较大，常采用滚动的方式搬运，长期如此导致球面污物较多，影响孕妇的使用体验，且存在感染风险。为解决以上问题，本研究改良了分娩球架的设计，使其方便搬运。

1 材料与结构

1.1 材料

（1）不同型号的304 不锈钢管4 根：钢管1 直径25 mm、管壁厚1 mm，钢管2 直径26 mm、管壁厚1 mm，钢管3 直径25 mm、管壁厚2 mm，钢管4 直径20 mm、管壁厚1 mm。（2）防滑地钉：直径4 mm、高50 mm 包胶不锈钢螺钉若干，垫圈及包头螺帽若干。（3）长筒滚轮：胶盖密封滚动轴承1 对（轴承轮厚度15 mm、内径25.4 mm、外径52 mm），304 不锈钢滚筒外包胶滚轮1 个（滚芯内径46 mm，钢滚筒包胶滚轮外径65 mm，滚轮宽160 mm，光面包胶厚5.5 mm），304 不锈钢滚筒厚4 mm，304 不锈钢挡圈1 对（内径25.4 mm、外径33.4 mm、高度15 mm ）。（4）靠背垫1 个：长420 mm、宽170 mm、厚度40 mm，包括木板包皮革海绵垫1 个、膨胀螺钉4 对。（5）伸缩型靠背杆1 对：外管由钢管2 制成，内管由钢管1 制成，含特制按钮开关2 个，可伸缩长度90～120 cm。（6）帆布1 块：带扣眼宽松紧带，含扣子2 颗，宽

5 cm、长≥140 cm。

1.2 结构设计

改良分娩球架包括2 种规格，分别为适合偏瘦体型孕妇使用的型号1 和适合偏胖体型孕妇使用的型号2。2 种规格改良分娩球架均由限位结构、防倒结构、靠背结构和滚动结构组成。

限位结构包括上平行圈、下平行圈和竖直支杆，上下平行圈通过3 根竖直支杆连接在3 等分点上，分娩球放置在限位结构内。

防倒结构为U 型框架，连接在下平行圈上。型号2 的U 型框架同时连接横杆，且两直线管长度较型号1 长。

靠背架结构包括靠背架、靠背杆和靠背垫。靠背架与靠背垫平行，靠背垫安置在两靠背杆之间近上端，靠背口袋安置在靠背垫背面，2 根靠背杆上端一体成略有弧度的“n”型靠背架，2 根靠背杆下端与U 型框架的两直线管连接。型号1 的靠背杆紧邻上下平行圈，型号2 的靠背杆与上下平行圈保持距离且各有一弧形固定管连接。其中2 根靠背杆为伸缩型管，每根包括竖直内管、竖直外管和特制按钮开关。竖直外管套在竖直内管上，竖直内管上端背侧上有3 个孔眼。竖直外管下端背侧有按钮开关，按钮开关安装在按钮凹槽中。按钮开关一端有弹簧，另一端有孔钉。按钮凹槽壁上有一孔眼匹配孔钉及竖直外管孔眼和竖直内管上3 个孔眼，竖直外管孔眼与竖直内管孔眼能重合。

滚动结构包括长筒滚轮、挡圈和挡齿。长筒滚轮为不锈钢筒外包胶滚轮适配两端轴承，包胶为聚氨酯胶，两轴承外各有一挡圈。长筒滚轮及挡圈套装在U 型框架圆弧管直线段上，且圆弧管直线段两端各有上下挡齿连接两端挡圈挡住两端轴承内圈。另外，防滑地钉安装在下平行圈和U 型框架上避开连接处，防滑地钉与长筒滚轮接触地面时一体化装置平衡高度一致。

另外，球罩绷带由1 个帆布罩和2 根宽松紧带制成。2 根宽松紧带上均有3 个扣眼和匹配的1 颗扣子，扣子在宽松紧带头端，扣眼在扣子上方，球罩绷带放置在靠背口袋内备用。

改良分娩球架的结构设计见图1～4。

图1 偏瘦体型孕妇用型号1 改良分娩球架结构设计图

1.3 制作方法

用切割机将不锈钢管切割为所需长度，用多功能弯管器将钢管圆圈和U 型圈弯曲成形，用氩弧焊机焊接各连接处，下平行圈、U 型框架、靠背杆上及靠背垫各个孔眼用打孔钻打孔（孔眼直径5 mm）。每个防滑地钉通过孔眼并用垫圈垫在孔眼钢管上，再用包头螺帽固定地钉螺纹杆。

不锈钢筒外包胶滚轮两端安装的轴承被固定在止动槽内后，长筒滚轮套在钢管3 上已选定长度的直管上，两挡圈套在钢管3 轴承两外端，再焊接上下挡齿与挡圈，挡圈固定轴承内圈，长筒滚轮安装好后用弯管器弯曲钢管3 成U 型框架。

特制按钮开关的凹槽壁底座与竖直外管外壁贴合焊接固定，按钮开关距离竖直外管下端口10 cm。其中开关上的按钮与孔钉由一体碳钢制成，弹簧两端分别与底座凹槽壁及按钮焊接固定，底座上支架固定按钮中间部位便于开关按压和放松，弹簧在按钮开关上放松时长15 mm，弹簧圈直径5 mm。

制作图1 时竖直外管套在竖直内管上，竖直内管下端焊接在U 型框架上，与上下平行圈紧挨处也焊接牢固。制作图2 时竖直外管套在竖直内管上，竖直内管下端焊接U 型框架与上下平行圈保持距离且与弧形固定管也焊接牢固。两竖直外管与靠背架一体由钢管2 制成“n”型（长180 cm），靠背垫用膨胀螺钉固定在两竖直外管近上端。

图2 偏胖体型孕妇用型号2 改良分娩球架结构设计图

图3 伸缩型靠背杆结构设计图

图4 球罩绷带结构设计图

两伸缩型靠背杆间距35 cm，每根竖直外管高度为70 cm，距离下端钢管开口10 cm 背侧有一孔眼配合按钮开关的孔钉，按钮上孔钉为碳钢钉（直径4 mm、长10 mm）。

竖直内管由钢管1 制成，高度为70 cm，距离下端30 cm 背侧开孔眼（间距15 cm，共有3 个向钢管上端开的孔眼），孔眼直径5 mm。

上下平行圈由钢管1 制成。分别焊接制成型号1 用直径55 cm 的2 个圆圈，型号2 用直径65 cm 的2 个圆圈。

U 型框架由钢管3 制成，型号1 钢管长72 cm，型号2 钢管长90 cm。弧形固定管和横杆由钢管4 制成。圆弧管直线段钢管长24 cm，U 型框架两直线管间距、两靠背杆间距及横杆钢管长均为35 cm，弧形固定管钢管长23 cm。

竖直支杆由钢管1 制成，前后侧高13 cm，左右侧高11 cm。竖直支杆与上下平行圈焊接后两平行圈距离为10 cm。

防滑地钉包胶和长筒滚轮接触地面一体化装置平衡且下平行圈及U型框架距离地面高度为20 mm。

球罩绷带的球罩由帆布制成直径25 cm 的圆形，绷带由2 条带扣眼、宽5 cm、长65 cm 的松紧带缝合在球罩两端，扣眼间距5 cm，扣子在松紧带头端。

2 改良设计使用的原理

2.1 摩擦学及弹性原理

静摩擦学原理。安装多个防滑地钉增加了下平行圈与U 型框架接触地面的摩擦系数和摩擦面积。根据静摩擦学原理，当孕妇坐于分娩球上前后左右摇动时，产生向前、向后、向左、向右的动力，而孕妇对整个装置施加的对地面的压力不变，增大摩擦系数和摩擦面积时，静摩擦力增大。因此，多个包胶接触地面比不包胶钢钉接触地面产生的摩擦力要大很多，使下平行圈和U 型框架在地面不易滑动。包胶不锈钢螺钉与地面距离一定高度利于防潮，且包胶有一定厚度和弹性，且弹性性能即可防振又可避免钢钉直接与粗糙地面接触产生嘈杂音[1-2]。

滚动摩擦原理。滚动摩擦系数较滑动摩擦系数和静摩擦系数小。根据圆柱体滚动摩擦原理，滚动摩擦阻力为滚动摩擦系数和圆柱体滚轮法向载荷的乘积。滚动摩擦系数是由物体材料和表面状况确定的常数，不随载荷和速度变化。而圆柱体滚轮法向载荷相当于分娩球-分娩球架一体化装置的重力，该装置对地面的滚动摩擦阻力比滑动摩擦力和静摩擦力均小。因此，本设计采用带滚动轴承的滚轮。根据静摩擦原理，滚轮的静摩擦阻力为轴承内圈与轴的静摩擦系数与轴承对轴接触面的垂直压力的乘积。当摩擦系数不变时，减小垂直压力可降低静摩擦阻力。而垂直压力与接触面积有关，接触面积越大垂直压力越小。因此，选择轮厚的滚动轴承的内圈与滚轴接触面积大更抗疲劳，U 型框架选用管壁较厚的钢管3 做滚轴，较抗疲劳且规避了钢管折断的风险。选用不锈钢滚轮外包一定厚度且有弹性的光面聚氨酯胶，且弹性可减轻滚动时的振动感和摩擦噪声，同时具有耐磨损不变形的优点[1-2]。

2.2 杠杆原理

伸长靠背杆适当用力倾倒靠背架时（图5），以长筒滚轮为支点翘起分娩球-分娩球架一体化装置。根据杠杆平衡原理，F1×L1=F2×L2。其中F1为人翘起一体化装置的动力，L1为动力臂，F2为人克服一体化装置重力的阻力，L2为阻力臂。伸长L1时动力臂变为L，由图5 可知L>L1，阻力距F2×L2不变，动力距F1×L的力臂L增加时动力F1减小，即可减少人翘起一体化装置所需的力量，比较省力。

图5 人倾倒靠背架移动分娩球架的受力图

长筒滚轮安装在U 型框架圆弧管位置居中，宽滚轮作为杠杆的支点翘起一体化装置较稳定，不容易左右摆动。

U 型框架具有防倒作用（图6～7）。当孕妇坐于分娩球架内的分娩球上时（包括正坐和反坐，即孕妇靠在靠背垫或扶趴在靠背架上），若一体化装置向后倒，均会以U 型框架圆弧管长筒滚轮为支点向后转动，孕妇向后靠的动力距必须大于向下的阻力距才会向后倒。相比无U 型框架的一体化装置，同一孕妇分别以2 种姿势坐于分娩球上，若一体化装置向后倒，均会以下平行圈靠背架正下方的圆弧管为支点向后转动，根据杠杆平衡原理，孕妇施加给靠背架的动力F1不变，有U 型框架和无U 型框架动力臂L1均不变（L1为F1到支点的垂直距离，L2为F2到支点的垂直距离，R为下平行圈圆的半径，无U 型框 架L2=R，有U 型 框 架L2=d+R）。2 种 姿 势 的阻力F2变化极小，但阻力臂L2差别较大。有U 型框架的阻力臂L2增加了U 型框架圆弧管至下平行圈的距离d，增加阻力臂长度后阻力距=F2×（d+R），孕妇对圆弧管的阻力距增大，而动力距不变，因此有U 型框架的一体化装置不易使孕妇向后倒。

图6 人坐在分娩球上对U 型框架分娩球架的受力图

图7 人坐在分娩球上对无U 型框架分娩球架的受力图

3 使用方法及优点

搬运分娩球-分娩球架一体化装置时，用球罩绷带罩住分娩球露出上平行圈部分，两端宽松紧带绕在上平行圈上拉紧，再扣紧扣子，即可将分娩球固定于限位结构内；同时，按靠背架上的2 个按钮开关，使孔钉退出孔眼并滑动竖直外管，当竖直外管滑动至合适孔眼时，放松按钮孔钉进入孔眼，伸长靠背杆后倾倒靠背架，一体化装置以长筒滚轮为支点翘起来；最后适当用力拉或推靠背架，长筒滚轮便可在地面轻松滚动，实现随意移动。

优点：（1）搬运一体化装置操作简单、省力；（2）可伸缩型靠背杆的靠背垫升高或降低，适合不同体型孕妇使用；（3）U 型框架具有防倒作用，孕妇不易向后倒；（4）长筒滚轮为不锈钢筒外包光面的聚氨酯胶，其两端各有一滚动轴承，使长筒滚轮能承受整个一体化装置的载荷，宽长筒滚轮滚动时一体化装置可稳定移动，光面包胶滚动具有弹性防振、静音、耐磨损的优点。

4 其他滚动设计方案

滚动结构的设计还可考虑另外2 种方式。

第一种，以偏瘦体型孕妇用型号1 为例。按照图8 所示安装滚动结构，在U 型框架圆弧管的直线钢管外侧间隔22 cm 处各安装1 个小型轴承包聚氨酯胶带马卡U 型固定架带螺杆成形的窄滚轮。窄滚轮（轴承包胶外直径45 mm，轴承内径8 mm，包胶轮宽14 mm）轴承内圈有马卡U 型固定架固定，马卡U 型固定架（U 型扁铁厚3 mm，宽和长均为23 mm，高33 mm）与窄滚轮间隙5 mm，螺杆（直径8 mm，长45 mm）与马卡U 固定架正方形平面中心焊接固定，螺杆穿过钢管直径中心的前后孔眼且与钢管垂直，前后孔眼各有一垫圈（不锈钢垫圈厚2 mm，内径9 mm，外径20 mm）接触钢管，并用包头螺帽（高20 mm）固定螺杆。窄滚轮和防滑地钉接触地面一体化装置平衡时离地10 mm，当倾倒一体化装置时，以2 个小型窄滚轮为支点翘起，伸长靠背杆适当用力推或拉靠背架，两窄滚轮滚动灵巧自如，便能随意移动一体化装置。

图8 型号1 改良分娩球架其他设计方案

第二种，以型号2 为例。按照图9 所示安装滚动结构，在U 型框架两直线管圆弧管两端各安装1 个小型聚氨酯包胶轴承带螺杆成形的窄滚轮（轴承包胶外直径45 mm，轴承内径8 mm，包胶轮宽14 mm，螺杆直径8 mm，长100 mm）。螺杆紧挨U 型框架圆弧管的直线管外侧面，其中相邻的一段螺杆焊接在圆弧管的直线管外侧面，包胶滚轮滚痕迹线在同侧U 型框架直线管延长线上，滚轮轮边与U 型框架钢管保持5 mm 间隙。2 个螺杆与钢管外侧面相邻部位焊接为一体且螺杆对齐，窄滚轮及防滑地钉接触地面一体化装置平衡时离地10 mm。当以2 个窄滚轮为支点翘起一体化装置时，伸长靠背杆适当用力推或拉靠背架，一体化装置可在地面灵活移动。

图9 型号2 改良分娩球架其他设计方案

5 讨论

分娩球-分娩球架一体化装置是临床开展导乐助产的必备设备。目前，分娩球架的改良设计方案[3-7]较多，但多关注于增加分娩球架的功能，忽略了使用的便捷性，部分装置搬运时需要拆卸靠架并单独搬运分娩球，部分装置的球架体积大、质量重，搬运难度较大。喻真[3]的实用新型专利构造简单、舒适，像一把靠背椅，其导乐架U 型底架搬运时可拆卸，分娩球需单独搬运。王雪[4]的实用新型专利结构简洁，两组椅掌合拢后中空的分娩椅可升降，适合观察产程中胎头的下降情况，分娩球置于椅座内，椅座下平行圈上连接靠架部位安装有若干滑轮结构，搬运时球架可移动搬运但分娩球需单独搬运。刘凤[5]的实用新型专利，分娩球设计为长椭圆形并置于椅座板子上的框子内，椅子有可围成圈的桌面扶手，椅子四角上安装有两导向轮和两带刹后轮，更像成人版婴儿推车、移动便利，但轮子易磨损。朱骏[6]和杨秀华[7]设计的分娩球架具备多种功能，如可挂输液吊瓶、靠背上有按摩球及带有桌面扶手可放置胎心监护仪、水杯等，但球架与分娩球无法一体化搬运。郭路等[8]设计了一种多体位导乐球辅助装置，孕妇可选择坐位或俯趴位，是一种助产士及孕妇双人用装置，更适合VIP 导乐陪产，但该装置体积大、质量重，搬运不便。

对分娩球架进行改良设计的目的是方便临床工作，在保留原本的促胎头下降、宫口扩张功能的同时，提高孕妇的舒适度，新增部分辅助功能减少其他医疗设备的使用。本研究设计的改良分娩球架，可满足临床的搬运需要，方便助产士节省体力，节约了拆卸和组装球架的时间，且不会污染分娩球，减少感染风险。但本设计也有不足之处，如滚动结构共有3 种安装轮子的方案，其中伸缩型靠背杆和固定分娩球的球罩绷带设计不变，理论上移动一体化装置是可行的，但未能制作实物以确定最优方案。