基于Ergonomics的強直性脊柱炎患者輔助護具設計研究

魯詩琪　曹學偉　謝安博

摘要：為緩解強直性脊柱炎患者的日常疼痛。通過結合人機工程學（Ergonomics）相關理論及人體脊椎外型特點進行分析，利用Rhino等軟件，對輔助護具進行概念化設計。得到相關輔助護具概念化模型及穿戴渲染效果圖。依據人機工學數據及強直性脊柱炎的特性所設計的輔助護具，通過外形，功能，材質的設計可以在一定程度上緩解人們的身體疼痛和心理焦慮，提高其生活質量。

關鍵詞：人機工學 輔助護具 強直性脊柱炎 穴位按摩rhino模型

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）02-0044-04

引言

強直性脊柱炎（AS），是以脊柱慢性炎癥及骶髂關節為主的全身骨關節病。隨著疾病發展過程，脊柱逐漸會成為一個單一的，不靈活的單位。常年伴有此疾病的患者，其日常活動十分受限，目前生活中極少有針對于患有強直性脊柱炎的人群的輔助護具。基于上述問題，設計一款基于Ergonomics的強直性脊柱炎患者輔助護具，本項目充分考慮家居環境下人體不同姿態特征及長時間保持某一姿態等關鍵問題，結合傳統中醫推拿手法，并以Ergonomics為設計原則，對護具結構進行設計，最大限度地幫助使用者緩解疼痛;戶外輔助護具的設計則主要考慮使用者外出活動等舒適性需求，以輕便性、良好的身體貼合性等為目標，采用結構和延展性好易收納的材料進行設計，為人們便利出門提供了可能性。

一、基于人機工程學的輔助護具設計思路

（一）研究方向

1.國內外按摩產品分析：根據相關數據的搜集，現有市場有多種按摩護具，大小規格都不同，人們的可選擇性也有很多。但是我們發現現有市場上沒有針對于強直性脊柱炎人群的按摩護具，我們將結合強直性脊柱炎患者疾病的實際情況對同類產品進行痛點分析，如圖1。

在搜集和整理市場已有的按摩產品中我們發現，許多按摩坐具需要足夠大的空間才能夠進行擺放，不便于搬動調整。這類產品不適合患有強直性脊柱炎的人使用，在搬動此類產品時會出現，應力性骨折等造成脊椎損傷的情況。另一種按摩坐具可以方便人們在床上或者沙發上放置使用，易于人們存放。由于強直性脊柱炎患者的特殊性，在材料的軟硬度上，有待考量，如圖2。

在搜集和整理腰部肩部護具產品信息中，我們發現用于矯正支撐脊椎的護具會出現材質過軟或者穿戴后不便于人們活動的情況。市場上有很多腰部護具設計，所針對的人群是鍛煉健身的人群或者康復訓練的老年人群體。這些產品會有一定的負重加固的設計，外形并不美觀，對于患有強直性脊柱炎的職場工作者并不適宜。

2.國外治療強直性脊柱炎方法：國外治療該類病癥一般會開具藥物給人們進行服用（生物制劑十非甾體抗炎藥十慢作用藥物），人們長期服用藥物作用影響并不大。

3.國內治療強直性脊柱炎方法：國內對于此類病癥的治療有開具藥物治療，也有通過傳統推拿脊椎的手法進行治療的方法。相關資料表明，將推拿脊椎按摩療法與口服藥物結合治療，與單純口服藥物兩組療效數據就相對比，發現中西結合的治療效果更佳。可以有效地緩解人們夜間疼痛，早起晨僵的病癥。但是該項方法，對于患有強直性脊柱炎的職場工作者或老人而言，定期前往診所推拿治療的可能性并不大。

基于以上調查研究，根據強直性脊柱炎患者病癥和生活的特殊性，并結合人機工程學的相關知識，為強直性脊柱炎患者設計一款適用于他們的輔助護具，具有極大的可行性和必要性。

（二）模型草圖設計

考慮到使用者的生活環境的變化，使用環境分為兩類：家居生活（室內）和戶外活動（室外）。不同類型的護具適用于不同的生活環境，如圖3。

本護具由靠背座椅的基礎形態進行衍生，與人體脊椎，肩胛骨，盆骨的外型相結合進行仿生設計;最后生成雛形，如圖4。本輔助護具產品（家居使用）由靠墊部分和電動裝置部分組成。

二、輔助護具設計分析

（一）室內輔助護具設計

1.靠墊部分：靠墊的外形仿照人的肩胛骨，脊椎骨，盆骨的外形進行結合設計。

靠墊的每一個體塊都進行中間較薄兩端較厚的設計，使得中間有一定的凹槽，對應著使用者的脊椎，對使用者的脊椎進行防護。本護具為人們提供舒適的躺臥環境，減少人們由于躺臥環境不適而不斷調整睡姿體態而導致脊椎損傷的情況。本護具將形成一定的角度，通過與床頭或者墻面進行相互依靠，為人們的躺臥提供支撐力。

對于靠墊連接處的設計，我們考慮到是和人體進行接觸的。大量的零件機械結構，可能會影響人們的體驗感。所以我們想到人體脊椎的骨連接方式，通過對護墊每一個體塊連接處外形之間的設計，進行巧妙的連接。避免由于使用金屬連接件對人體產生的不適感，如圖5。

2.電動裝置部分：我們對本產品進行電動裝置的設計。給使用者的靠墊中內置一個按摩機芯。圖6所示紅色區域為按摩區域，在按摩器中內置藍牙等連接裝置，當開啟的時候，內部的按摩裝置連接喚醒，對使用者進行按摩。該按摩有強度的設置可以根據個人需要來進行調控。按摩器裝置的開啟可以分為兩種：一種是使用者自己進行開啟;另外一種是家人可以通過手機進行檢測來開啟或者調整。按摩的區域的設置多為強直患者疼痛的多發區域，通過按摩這些穴位，減緩使用者的疼痛，如圖6。

3.人體按摩穴位參考：由于疾病的困擾，患者身體時而會出現一些僵硬或者疼痛的問題。需要家人或者外物進行輔助幫忙按摩來慢慢地恢復身體功能。這對于患者和家人會造成生活上的不便。人們進行居家自主按摩時，由于對人體穴位的了解少，因此往往達不到預期舒緩疼痛的效果。通過相關資料收集，我們發現通過按摩按摩大椎，腎門，秩邊，環跳等穴位有利于緩解強直性脊柱炎患者的疼痛。我們擬將傳統中醫推拿按摩方式與護具的按摩功能進行結合，如圖6、7。

4.人體按摩手法研究，如圖8。

（二）戶外活動輔助護具設計

戶外活動時候，人們過度的活動，會對自身的脊椎造成不必要的傷害。由此設計一款適用于戶外活動的護具來輔助人們，為其減少傷害，同時起到舒緩酸痛的作用。

根據人們身體不同的部位，設計了兩款戶外活動時候的護具。分別針對于肩部以及腰部。人們可以根據自身需求進行穿戴。

1.肩部護具：人們在過度活動后，會出現肩部不舒適的狀況。因此我們為護具設置了散發熱量的區域，通過該區域釋放一定的熱量來給肩部酸痛進行放松。最初的護具外型設計思路是為人們設計一款背心穿戴式的肩部護具。考慮到材料浪費以及人們對于背心式的護具產生不適感等因素。我們對于肩部外形進行再設計，如圖9。

背心的外形輪廓和人體肩胛骨的外形相似，設置半個肩帶。給肩部護具設置了三個磁鐵部位，可以通過這三點，通過吸附在衣服上將護具固定在肩部，同時不影響人們的活動，如圖10。

該部分在肩部護具中添加發熱的裝置對人的肩部進行散發一定的熱量，從而減輕人們的酸痛不適。參考于，家居使用的電熱毯的溫度和人體所適溫度。可設置發熱墊的溫度在25"C-36°C。

2.腰部護具：在許多的活動中，人們都需要腰部來進行支撐或者發力。所以腰部是一個經常活動的零件。對于患有強直性脊椎炎的人們來說更是需要保護的對象。腰部護具對于他們來說，可以分散一部分腰部的壓力，減少痛苦，也能夠規范他們的姿勢，減少骨折等狀況，如圖11。

腰部護具采用鏤空的設計，具有一定透氣感。在腰部護具的背部設置三處發熱區域貼合人體腰部結構。功能同理于肩部護具。鏤空設計也表現出人體脊椎的形狀。考慮到每個人的身材腰身不一樣，所以腰部護具的材料需要延伸感。護具的連接處采用魔力貼的模式。對于不同年齡層的人都可以方便輕松的粘貼固定，如圖12。

三、輔助護具技術及功能分析

（一）技術路線：本輔助護具考慮到針對的設計對象是患有強直性脊柱炎的人，其身體狀態具有一定的特殊性。我們在為其進行形態和功能設置上需要將該類人群現實需要作為考慮范圍，并參考人機工程學（Ergonomics）相關原理知識。我們將為輔助護具的設計，從功能設計，人機工程的運用，以及護具材料進行研究，分析其可行性，是否滿足用戶需求，如圖13。

（二）輔助護具功能設計與分析：家居護具的功能設計，我們擬在靠背處設置按摩功能。其按摩模式參考傳統中醫推拿按摩的方式，與有助于緩解強直性脊柱炎疾病患者痛苦的幾個穴位相結合。為護具設置此功能，可以幫助人們在家居生活時，隨時都可以根據自身需求進行按摩，無需長距離前往按摩治療所，節省時間和精力。

腰部護具的按摩機芯需要與中醫按摩手法相結合。傳統的中醫按摩手法普遍有揉捏，拍打等手法等。根據相關定義和要求，表1為按摩速度的取值范圍參考。

考慮該護具的使用環境多為人們夜間睡眠期間，我們擬選定相對按摩強度頻率較低的模式，輔助人們舒緩痛苦入眠。整個按摩裝置將由按摩機架結構，傳動系統，3D機芯組成。我們擬對機芯設置相對的XYZ方向移動，來實現其運動功能。我們將根據相關《家用和類似用途保健按摩儀》進行參數設置。本家居輔助護具具有一定的角度，人們使用時將其放置在床上靠墻處或者沙發處，形成一定的角度;人們躺下時，該護具將為為人們的脊椎提供支撐，如圖14。

肩部背部護具的功能設計，我們擬在貼合人體處設置相關發熱區域。該功能有利于幫助人們緩解酸痛。將該功能與穿戴方式進行結合，減少人們的束縛感。考慮到人們所使用該護具時所處的環境，我們的護具需要滿足人們節儉輕便的需求。本護具的發熱功能，擬采用吸濕發熱的方法實現。發熱區域擬采用發熱纖維。肩部護具的穿戴我們將進行軟性磁鐵的設置，使人體和護具通過輕質磁鐵這種介質相互連接，如圖15。

（三）人機工程學的運用：我們為護具設計進行功能賦予后還需考慮其尺寸是否合適。護具的或大或小都會影響人們的使用感及體驗感，不能舒緩其痛苦。所以，我們將根據人機工程學相關內容及人體坐姿尺寸，對護具進行尺寸設置。

圖16為人體頭肩頸部分活動范圍示意圖，我們將根據下表相關數據對肩部護具外形角度進行設置，避免由于護具大小形態設計不當，而導致的人們肩頸活動不便的情況出現。

我們通過對人體腰圍，肩寬等數據進行統計。為肩部腰部護具的尺度進行設置。圖16腰部肩部尺寸是我們擬根據人體尺寸數據取中間值進行設置。人們處于不同年齡階段將會有不同的尺寸，我們需要將尺寸設置具有大眾化，適于大眾所使用的。

護具的規格尺寸角度的設定，都將影響著人們的舒適度和體驗感。長期不恰當的坐躺臥姿勢會對人們的體態健康造成不良影響;正確得當的尺寸數據將會為人們提供良好的使用環境。由于人們站立時的體態體積與坐姿時有所不同，我們在護具尺寸設置是需考慮，人體在坐姿情況下的各項人體尺寸。坐高和坐深的尺寸數據，將為人們的臀部提供恰當的空間。坐姿臀寬，肘間寬將為人們的上半身提供舒適可活動的空間環境，如圖17。

四、輔助護具料參考

（一）室外護具材料參考：護具所佩戴的環境在戶外，所以對于材料的選擇要考慮是否防水防汗透氣，是否有彈性。對于不同的人群是否有延展性，柔軟不磨損人的肌膚。根據查找相關報告數據，列出如表2所示。由于是貼合人體設計，為人們所使用。所以我們考慮按摩材質時，更偏向對軟彈性纖維。通過相關報告吳利鋒-四種常見彈性纖維鑒別方法探討，我們發現，聚烯烴彈性纖維的軟硬結構賦予纖維彈性，不僅耐酸堿，耐高溫，同時經過反復的水洗漂白等方式也不會影響其彈性，具有耐用性。其材料也擁有綠色環保性，應用日趨廣泛，方便獲取。滿足人們日常需求。所以本護具設計擬采用聚烯烴彈性纖維與其他材料進行混合交織作為腰部護具的材料。

對于腰部護具材料的選擇時，我們同時需要對工藝進行考慮。柔卡纖維是一種新型聚烯烴彈性纖維所采用熔融紡絲法生產，是一種可循環回收纖維，可以與其他材質進行交織。通過彭宏提出的聚烯烴彈性纖維柔卡及其絹絲面料開發中，將96.8%的絹布與3.2%柔卡進行交織，其克質量為145g/m。其克重量滿足人們戶外活動時輕便透氣的需求。

表3為肩部護具的材料選擇，我們著重在面料上進行比對選擇。經過一段時間的戶外活動，人們會有出汗的反應，所以肩部護具的材料選擇，要以其透氣性柔軟性為主要選擇方向（可以參考運動衣物面料材質）。考慮到該護具所穿戴后所處位置為人體肩背部，該區域為人體汗液分泌較多的地方。所以采用輕薄透氣的材料進行使用，竹纖維雖然具有吸濕透氣除臭的特性，但是在制造加工中難度較大，容易破損，目前市場上沒有純竹纖維產品。通過比對純棉布和天鵝絨的工藝及造價，我們擬將純棉布作為肩部護具的主要材料，可與其他材質混合交織以增加其彈性，耐用性。根據數據參考，一般的棉質制品克重量為70-250g/m。

關于肩部腰部的發熱區域，我們擬采用發熱纖維。結合人們戶外活動實際情況運用吸濕發熱的原理，為人們提供熱源。根據相關資料數據顯示，發熱纖維的克重量比棉花要小，單位體積分別比棉花和羽絨少30%和80%。這種材料不僅為人們提供發熱功能，也滿足人們方便攜帶，輕松收納的需求。

結合肩部及腰部護具尺寸圖與我擬選擇的纖維材料相結合，進行相關護具重量的計算。圓柱側面積計算公式為：

S_側=2πrh

其中r為腰部護具半徑40cm，h為腰部護具高22cm，分別將r及h帶入到公式中。得到腰部護具面積為5526.4cm，經過換算為0.55264m2。

我們將肩部護具類比成大小不一的兩個長方形，對其進行面積計算。

長方形面積計算公式為：

S=ab

S_總=a₁b₁+a₂b₂

其中a分別為8cm和19cm，b分別為15cm和30cm，分別將a，b帶入到公式中，得到一個肩部護具單面面積為690cm？，由于是兩個護具所以總面積為2760cm，經過換算為0.276m。

我們將所得面積將與所選材料克重量將相結合，以選擇含量為96.8%的絹布與3.2%柔卡腰部材料克重量145g/m？為例，將面積進行計算，得到護具重量約為120.35g。得出結論，選擇此類纖維材料進行護具設計，可滿足人們戶外攜帶輕便收納的需求。

（二）室內護具材料參考，如表4

室內護具是由多個體塊連接組成，為人們提供坐和靠的功能。材料面積運用大，所以要選擇具有易拆卸，易清洗，易晾曬，抗磨損等特性的材料。由于我們在本產品中還設置了電動按摩的裝置，所以我們還需考慮護具的材料的絕緣性，以此為人們提供安全舒適的使用環境。

結論

基于Ergonomics的強直性脊柱炎患者輔助護具設計，在結構創新上：室內輔助護具連接處采用無金屬零件連接，易拆卸;戶外輔助護具肩部穿戴采用軟性磁鐵進行吸附，使人們無束縛感;功能創新：家居輔助護具按摩方式與傳統中醫推拿方式相結合;戶外護具通過發熱纖維吸收發熱的原理，為人們提供發熱緩解酸痛的功能;應用創新：本輔助護具應用于患有強直性脊柱炎的人群，減輕他們的痛苦，提升其生活品質。

該項目的輔助護具設計，所針對是患有強直性脊柱炎的人群。結合強直性脊柱炎的癥狀表現和人機工程學（Ergonomics）相關理論，擬設計出一套適用于這類人群的輔助護具。通過結合傳統中醫按摩手法以及相關材料的特性，為實現輔助護具功能提供可能性。

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