幼兒脊椎矯正多功能操作臺設計

余洋陽，孫東明

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學 機電工程學院）

0 引言

早發性脊柱側彎指幼兒5 歲前發生的特發性脊柱側凸，且隨著患兒生長，脊椎側彎程度也逐漸增大[1]，手術治療是目前治療脊椎側彎的主要方法[2]，但由于患兒處于生長發育高速期，手術治療影響身體健康和胸廓發育。目前，普遍使用石膏外固定法抑制患兒脊椎側彎，等到患兒10歲生長發育接近成熟以后選擇手術治療[3-4]。石膏外固定治療脊椎側彎在臨床應用中效果顯著[5-6]。

目前醫生使用石膏外固定治療脊椎側彎時，一般采用2 根木棍支撐幼兒體重，在木棍上涂上石蠟油，以方便石膏模型完成后木棍取出。將2木棍放在齊腰高度的矮凳上，醫生壓緊固定木棒位置，因為幼兒處于全身麻醉的狀態，需要2 名醫生防護患兒免從木棒上掉落，一名醫生利用枕額帶牽引頭部，另一名醫生牽引足部進行對抗。牽引操作時，以患兒脊椎剛離開支撐木棒為標準，牽引力量約為患兒質量的3 倍，利用Cotrol和 Morel 方法對患兒側彎進行去旋轉塑形，最后對幼兒脊椎進行石膏外敷，得到適合脊椎矯正的石膏外模[7]。

通過醫生操作過程可知，醫生操作復雜，費時費力，容易造成醫生的疲勞，無法進行連續矯正操作。目前，國外使用脊椎矯正床輔助醫生治療脊椎側彎，國內關于脊椎矯正床的發明較少，且結構簡單，功能單一，沒有實際應用于臨床中。2015 年，首都醫科大學附屬畢竟兒童醫院孫琳提出一種脊柱側彎石膏矯形床，通過托付機構、牽引機構和反光鏡組來支撐患兒身體，方便石膏外敷。由于患兒處于麻醉狀態，托付機構托起患兒臀部，牽引機構牽引患兒頭部和腿部，容易損傷患兒身體[8]；2017 年，天津市天津醫院解禮偉發明一種脊椎側彎石膏矯正床[9]，利用多個水平支撐桿支撐患者頭部、胯部和腿部，用4 根豎直支撐桿與頂絲活動裝置調節水平支撐桿高度。

在滿足安全性和提高醫生操作方便性基礎上，我們研制了移動式多功能幼兒脊椎矯正操作臺。

1 移動式幼兒脊椎矯正多功能操作臺設計思路

在針對醫生利用石膏外固定法治療脊椎側彎操作不方便的基礎上，本文設計一款新型幼兒脊椎矯正多功能操作臺。聯系實際環境中操作臺的使用要求，幼兒多功能操作臺的設計要求與設計方案如下：

（1）此設備應能滿足不同身高醫生的使用，體現人機交互性設計，通過液壓驅動多桿升降機構；

（2）此設備需要能夠支撐不同年齡段身高的幼兒。操作臺選用導軌式滑動拉伸改變長度，適應不同幼兒的需要；

（3）該操作臺在支撐幼兒的同時，能夠將幼兒背部露出在醫生的視野中,方便石膏的外敷。我們選擇用支架支撐幼兒臀部和肩部，布帶支撐幼兒背部。通過布帶自鎖裝置，使布帶在承受壓力的同時，施加給滑塊的纏繞力與布帶穿過滑塊部分摩擦自鎖。方便下次使用時方便布帶的安裝；

（4）面對不同患兒的脊椎側彎情況，設計多功能輔助機構，對患兒頭部固定和腿部提升，方便醫生對脊椎預矯正。

2 機械結構的設計

醫生在使用時，通過患兒身高提前將移動操作平臺后部沿導軌移動到適當位置，轉動定位手柄，通過導軌固定機構將移動操作平臺后部固定。然后，將布帶通過布帶自鎖機構與棘輪棘爪裝置張緊，幼兒平躺在布帶與支撐臺上時，布帶自鎖機構中布帶受拉，帶動滑塊摩擦自鎖，隨后醫生通過操作搖桿使液壓缸上升，帶動升降機構運動，使操作平臺升高到適合醫生操作的高度，針對復雜的幼兒脊椎側彎情況，通過多功能輔助裝置對患兒的軀體進行牽引。如圖1 所示，在使用時，醫生先通過輔助機構吊輪使用布帶拉動雙腿抬高，頭部牽引裝置固定雙臂和下顎，通過額帶拉伸頭部。由于布帶束縛腿部，醫生牽引患兒頭部，患兒脊椎向正常狀態轉動。在患者通過移動操作平臺橫板支撐肩膀和臀部，背部通過布帶支撐，使背部露出，另外一名醫生通過移動操作平臺下方的鏡子給患者涂敷石膏。

圖1 幼兒脊椎矯正多功能操作臺結構Fig.1 Structure of multi-functional operator's station for spinal correction in young children

2.1 液壓升降機

如圖2 所示，考慮到設備成本，本機構采用手動式液壓缸，以方便醫生控制升降高度。當用手向上提起杠桿1 時，小活塞2 就被拉動上升，小缸3 的下腔密封容積增大，腔內壓力降低，構成一些真空。這時放油閥9 通路封鎖，油箱10中的油液就在大氣壓力的效果下推開鋼球4 沿吸油孔進入小缸的下腔，完結一次吸油動作。壓下杠桿1，小活塞下移，小缸下腔的密封容積減小，腔內壓力升高，這時鋼球4 主動封鎖了油液流回油箱的通路，小缸下腔的壓力油就推開鋼球5 擠入大缸6 的下腔，推進大活塞將操作臺機架8 向上頂起一段間隔。

圖2 液壓升降油缸工作原理Fig.2 Working principle of hydraulic lifting cylinder

大活塞帶動機架整體上升高，機架與轉角桿轉角處相連，轉角桿一端與液壓缸連接，繞其做轉動，另一端與連桿相連，推動連桿向右轉動。搖桿轉動帶動滑輪向左滑動，使升降車尾部隨機架整體升高。液壓升降結構示意圖如圖3 所示。

圖3 液壓升降機構結構簡圖Fig.3 Schematic diagram of hydraulic lifting mechanism structure

2.2 移動操作平臺

移動操作平臺分為前后兩部分，如圖4（a）為移動操作平臺前部，固定在操作臺機架上；圖4（b）為移動操作平臺后部，通過導軌連接操作平臺機架。移動操作平臺通過橫板托起幼兒軀干，操作平臺上有布帶自鎖裝置，即將布帶穿過滑動塊，繞滑塊纏繞，拉向有棘輪棘爪裝置的另一端，轉動棘輪手柄，通過棘輪裝置轉動張進布帶。圖4（b）中，移動操作臺分為2 部分：橫板負責支撐幼兒臀部和肩部，布帶負責支撐起背部軀干，防止幼兒在麻醉狀態下軀干從兩橫板間滑落，對麻醉狀態下的幼兒造成傷害。移動操作臺前部和后部內側有波浪式內凹齒，與橫板下面凸出的半圓形突出齒相配合，通過與不同段的齒咬合，可以調節橫板位置的作用，增大不同身高兒童使用的靈活性。

圖4 移動操作平臺Fig.4 Mobile operating platform

移動操作臺通過導軌固定裝置改變兩部分操作臺距離。移動操作臺后部通過兩導軌與操作臺機架連接，偏心輪壓緊固定裝置固定在機架上，帶切面的橫梁穿過其導向孔，參見圖5。如圖6所示，偏心輪壓緊固定裝置手柄1 與偏心輪2 固定連接，偏心輪與壓柱3 接觸，壓柱下方套有一彈簧4。圖6 中，手柄轉動帶動偏心輪轉動，帶動壓柱向下運動，壓縮彈簧，與橫梁切面壓緊，固定移動操作臺后部。手柄逆轉，偏心輪對壓柱壓力減小，彈簧回復，使壓桿回到原來位置，移動操作平臺恢復可沿導軌移動。

圖5 導軌固定機構安裝示意圖Fig.5 Installation diagram of guide rail fixing mechanism

圖6 移動平臺后部導軌固定裝置Fig.6 Mobile platform rear rail fixing device

2.3 多功能輔助裝置

針對復雜的幼兒脊椎側彎問題，需要醫生牽引頭部和腿部對抗，使脊椎轉動到正確的位置，為石膏外敷提供前期準備。幼兒脊椎側彎情況不同，對患兒的牽引體態也不相同。

如圖1 所示，在移動工作臺前部增加了頭部牽引輪帶系統，通過支撐架支撐2 個滑輪，布帶通過滑輪穿過幼兒額下，輕微拉緊使幼兒身體處于拉緊狀態，固定幼兒頭部。移動操作平臺后部設置一個導軌滑輪移動系統，滑輪在導軌上移動通過布帶束縛患者腿部，布帶拉伸使腿部與軀干成不同的角度。通過醫生牽引患兒頭部，使其脊椎向正常狀態轉動。與目前脊椎外固定方法相比，通過多功能輔助機構減少了醫生操作人數。為了便于醫生在石膏外敷時視野方便看到幼兒背部，還所以在移動伸縮平臺下面安裝一傾斜鏡面。目前該設備已經被應用于昆明醫科大學第二附屬醫院（如圖7 所示）。

圖7 實際使用效果Fig.7 Actual use effect

3 結論

幼兒脊椎矯正多功能操作臺在治療幼兒脊椎側彎方面提供了極大的幫助。該設備操作使用簡單、方便快捷，各結構牢固可靠。在石膏矯正法的使用中，操作臺的使用減少了醫生的人力成本，提高了醫護人員的工作效率。