一種新型下肢助行器的研發(fā)

葉桂峰，郭騰鵬，楊鑌，侯亮，周偉（廈門大學(xué)附屬中山醫(yī)院 創(chuàng)傷骨科，福建 廈門36004；廈門大學(xué) 機電工程系，福建 廈門36005）

目前，臨床上針對下肢骨折與損傷的康復(fù)治療期間使用的助行設(shè)備絕大部分為無動力型助行器，市場上常見的包括手杖、前臂杖、腋杖、平臺杖等。其中最為經(jīng)典與常見是雙拐，其使用方便、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，但也存在腋下擠壓酸痛、不適感，上肢受力較大，易發(fā)生不正確使用等缺點。基于上述狀況，開發(fā)一種簡單、方便、易操作，且經(jīng)濟實用的助行器顯得尤為必要。

1 材料與方法

1.1 設(shè)計要求

通過設(shè)計出一種新型助行器，要求達到以下功能：①分散受力點，減少局部力量，減少不適感與并發(fā)癥，特別是減少腋部的壓力與并發(fā)癥；②使用方便、操作流程易懂，不易發(fā)生使用時違反操作規(guī)程，可滿足不同狀態(tài)下和不同高度人體的使用；③結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格合理。

創(chuàng)新點：類似于普通拐杖，增加了小腿支撐結(jié)構(gòu)，下肢力線傳導(dǎo)過程由拐杖腳通過小腿支撐傳導(dǎo)到大腿；小腿通過穿戴支具保護后，承受上半身力量。達到小腿及遠(yuǎn)端受力明顯減少的目的，通過下肢承受力量，明顯減小腋窩與手臂的受力。

靜止站立狀態(tài)下：通過小腿支撐接受身體力量，小腿及遠(yuǎn)端因助行器的應(yīng)力遮擋與力學(xué)傳導(dǎo)改變，明顯減小受力，腋窩與手臂的受力通過分散受力后，應(yīng)力亦明顯減小。

行走狀態(tài)下：足部與助行器腳先為平行排列，腋部及手把可以控制助行器的穩(wěn)定性，小腿可接受較大的力量，而不感覺患肢肌肉疲勞，行走時，健側(cè)下肢伸出身體重心向前，同時患者助行器可以拐杖腳墊處為旋轉(zhuǎn)中心點向前傾斜，當(dāng)健側(cè)下肢著地后，身體重心可繼續(xù)向前移動，患側(cè)肢體攜帶助行器，通過手把把住助行器控制并向前行。

此外，此助行器可單獨使用，亦可通過解除小腿支撐并配合對側(cè)助行器形成雙拐一樣使用，可滿足不同狀態(tài)下需求，同時通過多處調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，滿足不同身高者的使用。

適用范圍：適用于單側(cè)肢體損傷，包括小腿遠(yuǎn)端骨折或損傷，如：踝關(guān)節(jié)扭傷、關(guān)節(jié)及周圍骨折、跟腱斷裂、足部骨折與損傷等需要患肢保護，禁止負(fù)重的病例。

新型助行器結(jié)構(gòu)組成包括新型拐杖部分與患側(cè)肢體穿戴保護兩部分。

1.2 設(shè)計方法

拐杖主體部分基于Solidwork 17.0進行設(shè)計：整體略呈長“T”形，主要包括腋托、手把、小腿支撐，拐杖腳等部分。其中，杖身采用單直管設(shè)計，利于手的把握，左右對稱。手把及小腿支撐可增加受力點，減輕腋部壓力，可使腋部、手臂和下肢不同程度處于受力支撐狀態(tài)，避免單一部位受力過大和疲勞，尤其增加了小腿支撐，可較大地分散應(yīng)力，有效及顯著地減小腋下壓力和手部支撐力。

頂端有腋托，橫形，為身體第一個支撐點與活動時的旋轉(zhuǎn)中心，主要負(fù)責(zé)腋窩處應(yīng)力，表面套有硅膠，質(zhì)地柔軟，在腋下有利于分散應(yīng)力，保持與腋部接觸并作為拐杖工作時的控制點與旋轉(zhuǎn)中心。

體部有手把，可在主體中調(diào)整，為主體支撐中腋窩下方的一結(jié)構(gòu)，可以分擔(dān)拐杖工作時腋部壓力，并通過靈活的上肢作前行的動作，是整體拐杖工作時重要的控制中心，此處有一調(diào)節(jié)裝置，以適應(yīng)不同臂長的人。

小腿支撐：可在主體中調(diào)整，為主體支撐中手把下方的一結(jié)構(gòu)，通過小腿穿戴支具，可以分擔(dān)拐杖工作時腋部與前臂的壓力，亦可以通過轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)裝置，與身體前行方向一致，在非工作狀態(tài)下或快速前行時不影響下肢活動。

杖腳：可在主體下段中調(diào)整，依據(jù)不同人調(diào)節(jié)長度，滿足不同身高需求。

杖腳墊：防滑軟材料 （橡膠等），易于抓地，最底面為平面，不易打滑，適應(yīng)不同狀態(tài)下地面。

患側(cè)肢體穿戴部分：小腿穿戴護具主要負(fù)責(zé)與柱杖小腿支撐的接觸，分散應(yīng)力，避免小腿直接受力后疼痛，內(nèi)表面與小腿接觸區(qū)主要由軟材料組成，可以固定于小腿，對小腿亦有保護的作用。

總體特點：對稱美，呈長 “T”形，以便一些特殊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，滿足左右側(cè)肢體不同狀態(tài)下使用，多處可調(diào)整，以適應(yīng)不同身高、臂長、腿長的使用者，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。整體設(shè)計效果見圖1。

圖1 整體設(shè)計效果圖及穿戴部分

2 主體各部分受力的有限元分析及結(jié)果

研究中設(shè)定助行器主體采用304不銹鋼管的規(guī)格為：粗管外直徑25 mm，細(xì)管外直徑23 mm，管壁厚度為1 mm。

采用美國HKS公司功能強大的ABAQUS6 14.0有限元分析軟件進行分析，共有17 794網(wǎng)格單元，采用縮減積分單元C3D8R（單元為3維實體單元，具有8個節(jié)點），以減小網(wǎng)格的扭曲，縮短計算時間。304不誘鋼管材料屬性定義把杖體及主要支撐結(jié)構(gòu)部件的材料，選擇手把及腿撐，在把手橫向把握面及腳撐支撐處均勻分布1 kN的法向力進行模擬。見表1。

表1 304不誘鋼管材料屬性

經(jīng)網(wǎng)格劃分和添加約束后，對助行器手把支撐面和腳撐支撐面施加1 kN載荷進行運算分析，得出助行器在1 kN載荷下最大應(yīng)力為130 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.911E－4，小于304不銹鋼材料的屈服強度207 MPa，強度符合材料使用應(yīng)力要求。同理對助行器手把支撐面和小腿撐支撐面施加1.5倍應(yīng)力 （即1.5 kN）的載荷再次進行運算分析，得出助行器在1.5 kN載荷下的最大應(yīng)力為195 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.037E－3，仍小于304不銹鋼材料的屈服強度207 MPa，材料仍符合強度要求。由于施加力已大于國家檢測標(biāo)準(zhǔn)中的1 kN。由此綜合判斷，該設(shè)計可靠，可以安全使用。見圖2。

3 討論

采用普通304不銹鋼管作為材料，容易購買，價格低廉，且在日常生產(chǎn)生活中普遍使用。采用304不銹鋼管材制造的助行器主體符合強度要求，將受力標(biāo)準(zhǔn)提高1.5倍仍符合國家檢測標(biāo)準(zhǔn)，故該設(shè)計安全、可靠，可以使用。當(dāng)然，亦可再通過增加不銹鋼管和管壁厚度與直徑而增加其整體強度，甚至達到其數(shù)倍強度標(biāo)準(zhǔn)，以滿足更高、更苛刻的安全要求標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計的助行器，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，操作流程易懂；通過不同機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，改變助行器小腿支撐的不同狀態(tài)與方向，可滿足不同狀態(tài)下需求，通過長度調(diào)節(jié)機構(gòu)，同時滿足不同高度人體的使用，因人制定不同要求，滿足個性化需求。

助行器是下肢損傷與骨折康復(fù)治療期間的重要治療輔助工具［1］，規(guī)范正確使用時，可給患者帶來行動上諸多自由，確保了治療后期的效果［2］。目前市場上常見的可用于患肢保護、非負(fù)重下肢無動力型助行器具主要包括拐杖，還有漸流行的前臂杖等。拐杖歷史悠久、效果確切、應(yīng)用廣泛、使用方便、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，但也存在使用時腋下擠壓酸痛、不適感，嚴(yán)重時出現(xiàn)腋部血管神經(jīng)包括臂叢神經(jīng)［3］、前臂骨間背側(cè)神經(jīng)［4－5］損害，腕部損傷［6］等，甚至血管損傷血栓形成［7］、致殘等。

此外，因患肢懸空，肌肉長時間收縮，易發(fā)生疲勞，加之日常雙下肢行走習(xí)慣發(fā)生改變，術(shù)后隨訪的患者相當(dāng)部分使用不當(dāng)，患肢著地，四點式行走，患肢仍然承受較大應(yīng)力，故可見部分病例因局部受力后微動，繼而發(fā)生骨不連，時間一長，發(fā)生內(nèi)固定物松動、斷裂［8］，不得不面對二次手術(shù)，重新植骨內(nèi)固定，如此病例的完全愈合時間可長達2～3年不等，甚至更長時間，給患者造成極大的經(jīng)濟傷害與心理創(chuàng)傷。通過增加小腿支撐結(jié)構(gòu)，既讓小腿有一定支撐受力點，不至于長時間懸空狀態(tài)下肌肉持續(xù)收縮而發(fā)生疲勞，又讓其繼續(xù)接受支撐力，發(fā)揮下肢身體支撐功能，在使用助行器期間，不能形成患肢著地的情況。

受力部位主要位于腋部、手臂等處，更確切地說主要受力點仍位于上肢，而上肢主要功能主要是精細(xì)動作，相對于下肢不能承受較大的應(yīng)力。本研究創(chuàng)新地通過增加小腿處受力支撐點，下肢的主要功能是負(fù)重，盡可能保持肢體原有功能，減少對肌肉組織影響［9］，相對上肢可承受更大的應(yīng)力，而不會出現(xiàn)疲勞，結(jié)合穿戴式支具，保護小腿受力處，分散應(yīng)力，同時保護患處；亦可避免使用雙拐時患肢需懸空的狀態(tài)，造成長時間懸空時患肢疲勞，或易著地活動受力，造成不正確使用，從而出現(xiàn)無效助行，損傷后再損傷，更甚者出現(xiàn)內(nèi)固定失敗的情況。

該設(shè)計類似普通雙拐，但力學(xué)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)完全不一樣，普通拐杖基于腋部與手臂承受身體力量，新設(shè)計的助行器基于小腿支撐承受較大的力量，甚至可以幾乎全部力量承受于小腿支撐，而腋部及手臂將作為輔助力量，控制身體與助行器前進。設(shè)計產(chǎn)品可單側(cè)使用，也可以適當(dāng)改變其結(jié)構(gòu)后，將小腿支撐轉(zhuǎn)向，避免行動時器具與身體撞擊，雙側(cè)保護與使用，與普通拐杖使用相類似，對下肢神經(jīng)肌肉損傷者有保護助行的作用［10］，簡單易懂，滿足不同需求，同時結(jié)合多處長度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，可改變不同部位長度要求，以滿足不同個體的需求，靈活多變，最大程度滿足不同人的要求。

設(shè)計產(chǎn)品所適用范圍局限于單側(cè)肢體損傷，包括小腿下段骨折或損傷、踝關(guān)節(jié)扭傷［11］、骨關(guān)節(jié)及周圍骨折、跟腱斷裂、足部骨折與損傷等需要患肢保護，禁止負(fù)重的病例。因使用該助行器時小腿近端及大腿與髖部仍在受力范圍，故并不能應(yīng)用于大腿或髖部損傷的病例，適用范圍相對局限。當(dāng)然，該設(shè)計仍有不足之處，或是廣泛使用后一些不可預(yù)知的情況，將在以后實際應(yīng)用中不斷改進，本研究亦可為基于下肢受力點開發(fā)新的助行器提供參考。

圖2 1.5kN應(yīng)力作用下杖體受力分析

[1] 劉福英,劉衛(wèi)華,雷霞.拐杖在骨科臨床中的應(yīng)用 [J].中國醫(yī)藥科學(xué),2013,3(13):166-167.

[2] 胡小蘭,汪亞兵,杜梅莉,等.拐杖規(guī)范化使用宣教在膝關(guān)節(jié)患者術(shù)后的實踐與效果分析 [J].贛南醫(yī)學(xué)院學(xué)報,2016,36(2):284-285.

[3] 胡白露,王芳,周春桃,等.拐杖使用不當(dāng)致臂叢神經(jīng)損傷的防治經(jīng)驗 [J].創(chuàng)傷外科雜志,2009,11(1):11.

[4] Macneal P,Crome CR,McNally S.Persistent anterior interosseous nerve palsy following forearm crutch use[J].BMJ Case Rep,2017.doi:10.1136/bcr-2016-218240.

[5] Wu F,Ismaeel A,Siddiqi R.Anterior interosseous nerve palsy following the use of elbow crutches[J].N Am J Med Sci,2011,3(6):296-298.

[6] Farooq D,Jahanian O,Slavens BA,et al.Evaluation of a wrist orthosis on lofstrand crutch-assisted gait[J].Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc,2016,2016:5042-5045.

[7] 范隆華,葉建榮,符偉國,等.拐杖導(dǎo)致上肢動脈血栓形成1例報告[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,2003,18(3):190.

[8] 艾力夏提·艾熱提.骨折內(nèi)固定物發(fā)生斷裂的原因及臨床分析 [J/CD].臨床醫(yī)藥文獻雜志 (電子版),2016,3(1):2-3.

[9] Sanders M,Bowden AE,Baker S,et al.The influence of ambulatory aid on lower-extremity muscle activation during gait[J].J Sport Rehabil,2017.doi:10.1123/jsr.2016-0148.

[10]Borrelli J,Haslach HW.Rationale for a modified crutch use methodology for individuals with weak or paralyzed hip abductor muscles[C].Proceedings of the ASME 2013 International Design Engineering Technical Conferences&Computers and Information in Engineering Conference.2013.

[11]趙勇,王鋼.踝關(guān)節(jié)扭傷的生物力學(xué)與運動學(xué)研究進展 [J].中國骨傷,2015,28(4):374-377.