數控氣壓式骨科牽引器的研發

王澤昊

設計由來

我跟爸爸去醫院探望因車禍受傷的奶奶，看見隔壁病床病人的腿被繃帶裹著，通過滑輪連接一串砝碼垂向地面。聽醫生說，病人的腿骨骨折了，這是為了保持骨頭生長方向的一種牽引治療手段。當時我就有了疑問：用砝碼做重力拉力是不是太原始了？而且病人身體移動會導致砝碼碰到地面，碰地的話，這牽引還有用嗎？設備只有支架、滑輪、砝碼，也沒有什么地方顯示牽引使用了多大的力，顯得很簡陋粗糙，這樣的治療設備能達到良好的治療效果嗎？疑問促使我產生了好奇心——假如能夠設計一個新的裝置，使治療更加智能、更加方便，那將是很有意義的一件事！

設計思路

我著手從網上搜索了解現有的骨科牽引治療方法及相關的醫療器械，結果發現，國內外的相關治療設備都比較原始，主要還是采取砝碼等重物垂重方式，關于骨科牽引數字化的研究和應用實際上是個新課題，這給了我極大的動力。現有的骨傷牽引醫療裝置是利用砝碼的重量起到牽引作用，用一根繩子連接砝碼，通過滑輪改變方向后向地面做靜態拉動（圖1）。我想設計的新裝置的改進思路是：首先，設計一個給力系統，改變砝碼垂重的落后方式;其次，能直觀顯示拉力大小，并能調節控制拉力大小。

設計要點

設計一個給力系統，其拉力可根據需要設定并保持穩定，且拉力必須均衡、輕柔;設計一個數顯系統，能直觀顯示拉力大小數值;假如病人體位變化導致拉力發生變化，設備可以自動跟蹤拉力變化并調節恢復到設定的拉力值;可以使用遙控器完成調整或控制;裝置方便移動，并能根據需要把牽引高度和方向調節到病人舒適的位置。

給力系統設計思路

新裝置的動力系統由砝碼換成氣缸。氣缸是一種常用的動力系統，相比較電機，氣缸輸出的動力更加均衡、穩定，可以克服電機關閉后的慣性，避免給病人帶來傷害。

構成要件：拉力傳感器、壓力控制器、氣泵、儲氣罐、氣缸。

工作過程：當拉力傳感器檢測到牽引拉力小于設定拉力時，儲氣罐開始向氣缸充氣，從而產生拉力，直到實際拉力值達到設定拉力值;反之，則氣缸放氣，直到實際拉力值達到設定拉力值。

顯示系統設計思路

顯示系統由智能儀表、拉力傳感器、氣體電磁閥等組成，利用智能儀表檢測壓力值，并通過數顯器顯示。

外觀及電源系統設計思路

外觀系統：設計成可以移動的箱體，可以在床腳固定。

電源系統：設計成12V電瓶和充電器2種模式，安全，無外接電源時也可工作。

工作原理

裝置實物如圖2所示，實際使用情況如圖3 所示。裝置是一個有拉桿、帶輪子的箱體裝置，移到床腳后固定位置;用包裹帶裹住下肢，利用升降桿調整拉力方向和高度，用包裹帶拉鉤連接牽引裝置;用遙控器設定牽引力大小，開啟氣泵產生拉力（牽引力）;醫生根據治療需要，在遙控器上調節拉力大小;數顯器下排數字顯示設定拉力大小，上排顯示實際拉力大小;拉力設定后，設備會自動達到設定拉力值，并保持穩定。不需要使用時，隨時可以關閉整個裝置。裝置采用直流供電，安全穩固。本裝置設計的最大拉力值為30千克。

使用方法

打開設備箱蓋，內設電源總空氣開關合上，拉出數顯表，撥動上面開關，顯示初始數值。

認識遙控器：1#按鈕是拉緊或放松牽引繩切換，2#可以手動拉伸加力，3#是下調設定拉力值，4#是上調設定拉力值，5#是主支撐桿上升，6#是主支撐桿下降;2#還有放松牽引繩作用。

??當數顯表上紅綠燈都亮，牽引線處在放松狀態;此時，拉力值（紅色）小于設定值（綠色）時，牽引繩自動放出;當綠色燈滅時，進入拉緊狀態。

??當數顯表上實際拉力值（紅色）接近設定拉力值（綠色）時，停止拉緊，保持穩定拉力。

??由于病員躺姿變動引起實際拉力值下降后，設備會自動起動，直到接近設定拉力值。

??按遙控器 3#（往下調設定拉力值）或4#（往上調設定拉力值），設定合適的拉力值。

??按遙控器 5#（主桿上升）或6#（主桿下降），使得牽引支架主桿高度與下肢同高度，把牽引繩掛鉤與下肢繃帶包裹上的掛鉤連接，準備牽引。

??牽引結束，按鈕 1# 放氣，收理器材。

技術檢測結果

經廣州廣電計量檢測股份有限公司（信息產業部電子602 計量站）檢測，本裝置提供的拉力持續穩定，拉力數據可實時顯示，可追蹤拉力變化并自動調節恢復到設定的原始拉力值。

臨床試驗情況

經浙江醫院骨科、富陽骨傷科醫院、江干區人民醫院等試用，本裝置能較好地提升醫療的精準性，保證穩定的治療效果，且方便、智能，可作為新一代骨科治療牽引器，應用于皮膚牽引、兜帶牽引和直接骨牽引等不同場景，適用于醫院、家庭等不同場合。

創新點

??提高了醫療設備的科技含量，使牽引器材從“定性”走向“定量”。

??可以根據需要自主調節牽引力的大小和方向。

??儀器可以跟蹤壓力變化，自動調節，恢復還原到設定壓力值，從而保證穩定的治療效果。

??應用廣泛，可以用于四肢、頸椎、腰椎等不同部位治療，適用于皮膚牽引、兜帶牽引、直接骨牽引等不同方式。

結論與展望

經過反復操作試驗，以及專業機構技術檢測和省級綜合性醫院、骨科專科醫院等臨床試用，本發明裝置較好地解決了現有骨科牽引設備不夠精準、不能顯示拉力值、缺乏穩定性及缺少醫患互動等問題，有效地提升了骨科牽引治療器械的技術含量和智能化水平，具有較好的市場前景。

下一步我們打算結合應用實際，進一步優化相關設計：①減輕機身重量，進一步提升設備的靈巧性和精準性。目前，本裝置是按照最大30千克拉力值設計的，導致機身偏重。據了解，在實際應用過程中，用于腿部等牽引治療一般不超過10千克，若降低最大拉力值，可大大減輕機身重量，提升設備的靈巧性和精準性。②增加一個輔助固定裝置，使設備工作時更加穩固。③針對頸椎牽引、腰椎牽引等，設計支架等輔助器材，滿足不同應用場景需要。④優化設計機身的外觀和包裝，使之更加美觀時尚。⑤結合物聯網技術，開發數據采集反饋系統，讓醫生可遠程監測、調節治療進展。

專家評語

該裝置采用氣壓數控操作，加力更加精準，控制更方便。通過遙控可使病人自己進行調節，調節力度可以精確控制，操作簡單方便，應用前景廣。建議增加記憶存儲功能，方便醫生和病人了解康復過程，可增加結構強度，提高使用可靠性。