手臂骨折術后康復治療支具設計

亢凈

引言

骨折在近年來的發病率越來越高，無論是事故的發生還是骨質的好壞都共同影響著骨折發生的概率。在骨折的治療中有很重要的一個環節，那就是康復治療，康復治療是骨折治療的重要階段，是防止發生并發癥和及早恢復功能的重要保證。然而現在市場上大多針對手臂骨折護具的產品還都較原始，通常為固定式，無法引導人們進行功能鍛煉，患者進行功能鍛煉時，需單獨拆下該護具，操作過程繁瑣，同是也使患者在鍛煉過程中缺乏保護。在這種情況下，人們進行功能鍛煉的意識也比較薄弱，而缺乏功能鍛煉可能會造成關節與肌肉粘連，影響關節靈活度，嚴重時甚至會導致終身殘疾。

針對這種情況提出設計一種旨在引導人們進行正確功能鍛煉的手臂骨折護具，該護具在滿足基本功能手臂固定的基礎下，能夠引導患者進行功能鍛煉，幫助患者快速康復。

一、市場調查

（一）手臂骨折研究

1.手臂骨折復位及固定：骨折是人類的一種多發性疾病，可由直接暴力，間接暴力，積累性勞損引起。車輪撞擊，緊急剎車，以及長期反復損傷某個部位都可能造成骨折。常見的骨折有鎖骨骨折、手臂骨折、腕部骨折、踝部骨折、足部骨折。其中，50%的成年人骨折發生于手臂，而手臂骨折有時需要數月才能恢復。

按年齡分，骨折分為小兒骨折和成人骨折，年齡不同，愈合難度也不同，由于骨骼結構不同，小兒骨骼愈合速度通常比成年人快。

一般來說，骨折治療包合三個步驟，第一個步驟是復位，骨折發生移位后，骨折塊必須放回原來的位置，常用的骨折復位有手法復位、手術復位、持續牽引復位三種。其中手法復位損傷小，是目前使用得最廣泛的一種治療方式。手術復位，又稱切開復位，能解剖復位，但會增加局部損傷，同時還可能會有感染的風險，常用于開放性骨折、關節內骨折、骨折不愈合、合并血管和神經損傷以及手法復位失敗的骨折。

手法復位損傷最小愈合時間快。手術復位，治療難度大，愈合時間長，按不同部位能達到3月至半年之久。

骨折治療的第二個步驟是固定，固定的方式取決于骨折的嚴重程度，是否為開放性骨折，骨折累及的部位，固定的方式有內固定和外固定，常見的外固定方式為石膏固定和支具固定。

治療的第三個步驟是功能鍛煉。經過第二個步驟后，手臂被石膏板或者固定支具固定，會影響血液循環，骨折愈合過程中會形成骨痂，缺乏功能運動會導致關節處與與軟組織粘連，肌肉萎縮等情況，甚至造成殘疾。

功能鍛煉分為主動運動和被動運動，主動運動如手臂等長收縮，手臂屈伸。被動運動如按摩等。

患者往往在手術1～2周后就需要開始進行功能訓練，此時骨折斷端不穩定，容易發生再移位，因此在功能鍛煉中，需遵從循序漸進的原則，以不引起關節移位為宜，此過程需在醫生的指導下進行。

此外，適當地加快血液循環同樣有助于術后骨折的康復，而熱敷與冷敷有助于促進血液循環。

（二）現有相關產品調查

1.產品現狀：手臂固定支具：鎖骨骨折及肩關節脫位護具，這是目前骨折術后普遍使用得固定護具，成本低廉，功能單一，患者在康復過程中無法同時進行功能鍛煉（如圖1）。

2.消費者調查：消費者調查采用的方法是直接詢問法（如表1）。

3.調查結果及分析：92.6%的人認為需要一款能夠引導人們進行功能鍛煉的手臂骨折康復支具，因此產品是具有良好的開發前景，在對產品關注的點上，83.1%重視產品本身的牢固性，穩定性;79.8%的人群關心產品的人機;84.3%的人希望產品具有更完善的功能整合，加熱方式上，62.9%的人更喜歡成本較低，功能齊全的加入凝膠袋控溫的方式，遠高于操作相對簡單，成本較高，功能單一，需加入電路控制的電熱絲加熱方式。

三、方案初步設計及選定

（一）市場定位

產品定位：中高端醫療產品

初步市場定價：400～600RMB

消費者定位：13歲以上成人手臂骨折，復位方式為手術復位，治療周期較長，且可通過手臂屈伸進行功能鍛煉的人群。

產品類別：醫療護具。

使用環境：病人通過手術復位康復后。

（二）設計目標

設計一套有助于患者骨折康復治療的治療儀，主要是—種醫療護具，能起到固定作用，同時也能夠輔助功能鍛煉、控制功能鍛煉的運動量，同時該護具能進行熱敷，促進血液循環，幫助患者快速恢復。產品在設計過程中應充分考慮可行性與佩戴的舒適性。

（三）設計初步構想

本產品主要是一種手臂骨折術后康復支具，在患者術后康復過程中，能對患者手臂進行固定，引導患者進行功能鍛煉，功能鍛煉的主要形式是手臂屈伸，強度可隨著時間和手臂康復情況進行調節，產品宜適用于大部分人的穿戴習慣，因此長度可調節;產品具有冷敷，熱敷的功能。

1.草圖方案

方案一：（如圖2）所示，方案一支撐旋轉部分的支架較細，預采用鋁合金，兩支架之間有一個D型殼，前支架位于D形殼內，后支架與D形殼外殼通過螺釘固定連接，D形殼上有一個開口，前支架沿著該開口相對后支架旋轉。D形殼殼體內合有固定，限制支架旋轉范圍的零件。外側有旋鈕，通過旋鈕實現功能運動與固定模式的切換。支架與穿戴部分的套筒通過螺紋固定連接，無法實現長度調節功能。此外，套筒的加熱方式為電熱絲加熱。

產品造型簡單，多采用柔和的曲線，親和力較強。

方案二：（如圖3）所示，方案二支撐旋轉部分無D形殼，前支架與后支架均為塑料件，輔助實現產品功能的零件位于前支架與后支架之間，支架與套筒之間合有導軌，導軌與套筒螺紋固定連接，導軌可沿著支架移動，調節產品長短;套筒內合有凝膠袋，凝膠袋可取出制冷制熱。

外觀上，方案二支架設計更整體，多采用規則幾何，風格較死板，對其外殼表面進行面分割。

2.方案評比

（1）評價方法：以下是對以上兩個方案進行評估過程，具體權重（如表2）所示。

選10人對方案一，方案二各項參數進行合理性評估，5分制，取平均值標準和結果如下如下：

0分：完全不合理

1分：部分不合理

2分：基本合理

3分：合理

4分：十分合理

5分：超出預期

（2）評價結果：評價結果（如表3）所示，根據（如表4）數據，得到方案—方案二權數：

根據表格得出結論：方案一與方案二都屬于合理方案，方案二優于方案一。

（3）評價分析

整體造型：方案一輪廓曲線流暢，輕便，闡述了關懷的產品語義;方案二方正、簡潔，風格統一、但略顯傳統、古板。

功能：方案一D形殼開口不宜設置過大，可旋轉角度范圍受到限制，方案二允許手臂活動范圍較大，結構相對穩固;而0～120的旋轉角度范圍為合理角度;方案二能同時對手臂進行冷敷熱敷;二者互相結合更有益與手臂骨折康復過程的治療;方案2能實現調節長短的功能，而方案1不能實現。

人機：方案1較輕，操作較簡單。方案2較穩固，長度可調有益于佩戴更舒適。操作略繁雜。

成本：方案1曲面造型較多，加工工序多，加工困難。方案2加工簡單。

四、詳細設計

（一）功能

1.固定及功能鍛煉：產品主要包含支撐旋轉部分和穿戴部分。支撐旋轉部分上包含前支架，后支架，通過旋鈕調節，前支架與后支架可相對固定，也可繞著中心軸做定軸旋轉。旋轉角度可調節，最大范圍為0-120°?；颊邚臀磺捌诓荒苓M行手臂屈伸運動，主要通過手臂等長肌肉收縮進行功能鍛煉，即在不活動關節的情況下做握拳等活動，后期手臂屈伸角度宜遵循循序漸進的原則，根據醫生的指導逐漸加大功能運動的運動量，保證康復鍛煉的有效性，防止運動過度造成傷勢復發，影響骨折治療。

2.泠敷熱敷：套筒內部包合一個真絲布袋，側面開口，內合凝膠袋，凝膠袋可單獨取出制冷，制熱。

3.可穿戴性：套筒設計宜符合^機，適合13歲以上95%以上的人佩戴，套筒可沿導軌移動，改變產品長短。

4.醫療產品：產品形態設計宜符合醫療產品的語義。

（二）人機考量與套筒設計

1.人體骨骼研究以及肌肉輪廓測量：（如圖4）為人體上臂肌肉圖，（如圖5）為人體上肢骨骼圖，靠近肩關節一側的骨頭為肱骨，靠近掌心下端的骨頭為尺骨，上端為撓骨，肘關節以后的肌肉為肱二頭肌和肱三頭肌，肘關節以前的前臂肌肉，關節以后手臂輪廓偏圓，關節前手臂輪廓扁平，在現實中隨機抽取10男10女人對肱骨離外性踝2cm左右的肌肉輪廓進行測量，橫向長度為8.06cm，縱向長度為8.76cm，對這二十人尺骨距外上踝4cm的肌肉輪廓進行測量，橫向長度為8.23cm，縱向長度為6：13cm，對這二十人尺骨距外上踝10cm處肌肉輪廓進行測量，取平均值，橫向長度為7.02cm，縱向長度為6.01cm、7.98cm。人體上臂存在5-15度的攜帶角，又稱肱外偏角。

2.套筒形態及尺寸：以上研究背景為基礎，設計了套筒內側的形態以及尺寸，套筒俯視圖的形態為長方形與橢圓的組合的演變。長方形的長度為3cm，前臂肌肉處的套筒為前套筒，肱二頭肌以及肱三頭肌處的套簡稱之為后套筒。前套筒正視圖為梯形的演變，前套筒靠近手掌一端的橢圓長徑為9cm，短徑為4cm;靠近關節一端的橢圓長徑為11cm，短徑為6cm。后套筒長徑為12cm，短徑為9cm。由于人的上臂存在5～15度攜帶角，因而在設計時，后套筒的中心位置相對前套筒中心位置往遠離支架方向偏移了1厘米。佩戴更舒適。

（三）結構設計

1.總體結構：產品主要包含支撐旋轉部分和穿戴部分。支撐旋轉部分包括前支架，后支架，導軌，固定旋鈕，角度調節旋鈕，中心軸，旋緊件一，旋緊件2，彈簧，調節柄，螺栓。

穿戴部分包含前后兩個套筒，兩套筒與兩支架之間分別有一個導軌，導軌與套筒固定連接，套筒可通過導軌相對支架移動。

2.支撐旋轉部分：（如圖6）支架裝配圖，（如圖7）為本產品的功能原理圖，固定旋鈕，前支架，旋緊件1，彈簧，旋緊件2，后支架，調節柄，旋鈕2同軸連接。前支架與后支架之間有旋緊件1，旋緊件2，旋緊件表面有T型齒，兩旋緊件之間有彈簧，固定旋鈕與旋緊件通過螺紋固定連接，壓縮彈簧時，順時針旋轉固定旋鈕，使固定旋鈕上螺紋與前支架上的螺紋配合，此時前蓋，前支架，旋轉件1之間為固定連接，彈簧處于壓縮狀態，旋緊件1與旋緊件2表面相接觸，旋緊件1與旋緊件表面有T形齒，按緊時不可發生相對轉動，旋緊件2與后蓋固定連接，因此此時前支架不能相對后支架轉動，實現固定作用。

前支架上設有空腔和支出塊，后支架上設有空腔和調節柄旋鈕。調節柄旋鈕上設有擋塊。支出塊在旋轉過程沿著前支架和后支架之間的空腔移動，逆時針旋轉角度調節旋鈕，撥動調節柄至合適的角度后，再順時針旋轉角度調節旋鈕，使角度調節旋鈕壓緊調節柄。調節柄與調節柄之間均設有橡膠層。按緊時產生摩擦力，從而固定調節柄和擋塊的至預先設置的位置，限制前支架相對后支架的旋轉角度。

支架與導軌通過螺栓連接，支架上有導軌滑道，導軌可沿著導軌滑道沿著支架移動。

3.穿戴部分：（如圖8）所示，穿戴部分主要包合套筒，扣具，綁帶，凝膠袋。

套筒可分為前套筒和后套筒，套筒包合塑料外殼，內墊，凝膠袋。套筒與導軌螺栓固定連接，套筒可通過導軌沿著支架移動、調節佩戴時的長短。綁帶通過卡扣以及套筒一側開口纏繞在套筒上，卡扣與套筒通過螺栓連接?？劬甙酆烷L帶扣，卡扣和扣具均為已有產品，無需單獨設計。綁帶包含兩個部分：套筒上的綁帶，長帶扣上的綁帶，套筒上的綁帶用于固定套筒與手臂相對位置，長帶扣上的綁帶掛在脖子上，主要起固定作用。套筒內墊上設有一開口，該開口處與真絲布布袋通過縫合連接，真絲布布袋側面開口，凝膠袋可方便地放進、取出。為使凝膠袋體量在不影響功能的情況下盡量小，提高產品佩戴時的舒適性。對膠袋中間掏空。

4.外觀細節設計

（1）配色設計：對產品進行配色，塑料件外殼均用乳白色，支架噴珍珠漆，內墊采用天藍色，考慮到本產品是一種醫療產品，色彩設計宜柔和而干凈（如圖6）所示。

（2）質感：支架進行噴珍珠漆處理，綁帶加入皮革，套筒外層加入皮革材質與綁帶相照應。

五、操作過程

1.取出凝膠袋，將凝膠袋放入冰箱（或溫水）中，進行制冷（制熱）后，通過內墊布袋右側開口將凝膠袋放入其中。

2.逆時針旋動角度調節旋鈕，撥動調節柄，調至醫生指導下的角度后，順時針旋轉擰緊角度調節旋鈕，固定調節柄位置。

3.逆時針旋動前蓋，使彈簧處于自然狀態。

4.逆時針旋轉旋緊螺母，調節長短。

5.戴上套筒，系上綁帶。

6.功能鍛煉。

7.旋緊前蓋，壓緊彈簧，固定支架至合適角度。

8.系上長帶，掛在脖子上。（選）

結論

本設計較完善地實現了預期功能，在滿足支具基本固定要求的基礎上，引導人們進行正確的功能鍛煉;創新性使用冷敷熱敷，促進血液循環，加快康復過程;結構上，布局合理，加工性能良好;造型上，忠實于“形式追隨功能”，打破原有的呆板，加入更多的人機關懷。具有良好的市場前景。