一種面向腦卒中的手部康復(fù)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李雄偉　林雨晴　賈江鳴

摘要：為了提高腦卒中患者的康復(fù)效果并降低對患者的二次傷害，設(shè)計(jì)了一種手部軟體康復(fù)裝置，介紹了該裝置結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和工作原理。采用一體化多腔體手指的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)不同手指不同關(guān)節(jié)的彎曲，其結(jié)構(gòu)簡單、便于控制，易于實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的小型化，具有良好的被動柔性。軟體康復(fù)手不同關(guān)節(jié)的連續(xù)主動、被動控制使其比傳統(tǒng)康復(fù)手更符合人手的自然運(yùn)動規(guī)律和動作習(xí)慣，更能體現(xiàn)仿生康復(fù)的概念。

關(guān)鍵詞：軟體驅(qū)動器;腦卒中;手指康復(fù);多腔體

中圖分類號：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0104—02

0引言

腦卒中是我國成年人致死、致殘的首位病因，具有發(fā)病率高、致殘率高、死亡率高和復(fù)發(fā)率高的特點(diǎn)。2016年全球疾病負(fù)擔(dān)（GBD）數(shù)據(jù)顯示，腦卒中是造成我國壽命年損失（YLL）的第一位病因。《2018中國衛(wèi)生健康統(tǒng)計(jì)提要》數(shù)據(jù)顯示，2017年腦血管病占我國居民疾病死亡比例在農(nóng)村人群為23.18%、城市人群為20.52%，這意味著每5位死亡者中就至少有1人死于腦卒中。從這看來，腦卒中的預(yù)防與治療是必不可少的。

我國的后期康復(fù)技術(shù)較為落后，現(xiàn)有的康復(fù)器械主要存在便攜程度低、價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需人工介入等問題。若在偏癱早期輔以適當(dāng)?shù)目祻?fù)器械、開展適當(dāng)?shù)目祻?fù)訓(xùn)練，對癱瘓肢體功能的恢復(fù)可以達(dá)到一定效果。

本文針對腦卒中患者設(shè)計(jì)了一個(gè)手部軟體康復(fù)器具裝置，包括驅(qū)動器和系統(tǒng)控制器，該裝置是一種由軟體驅(qū)動器驅(qū)動的，模擬人手的結(jié)構(gòu)，具有多自由度，采用肌電信號特征參數(shù)作為康復(fù)判定，不同病程的康復(fù)病人適用相應(yīng)康復(fù)程序的新型手指康復(fù)器械。

1手部康復(fù)裝置軟體驅(qū)動器的設(shè)計(jì)

人手的結(jié)構(gòu)及手指的運(yùn)動非常復(fù)雜，為了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理的機(jī)器人，對人手的生物學(xué)特性展開分析研究。通過查閱關(guān)于人手運(yùn)動的研究，得到了手指各關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍。

在設(shè)計(jì)康復(fù)裝置時(shí)，除了各關(guān)節(jié)角度的運(yùn)動范圍，手指各骨骼關(guān)節(jié)長度也是重要的參考指標(biāo)，同樣通過查閱資料，得到手指各指骨長度。

通過對手部尺寸參數(shù)的分析，得到了軟體驅(qū)動器的設(shè)計(jì)依據(jù)。以中指設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)，軟體驅(qū)動器長×寬×高：140mm×20mm×10mm，驅(qū)動器設(shè)計(jì)成分段腔體結(jié)構(gòu)如圖1所示，從而更好地接近人手運(yùn)動規(guī)律，佩戴舒適感更好。

2手部康復(fù)裝置驅(qū)動器的整體結(jié)構(gòu)方案

本文設(shè)計(jì)的手部康復(fù)裝置驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。手部康復(fù)裝置驅(qū)動器包括手套本體，手套本體包括指套，指套設(shè)有5個(gè)，與人體5根手指對應(yīng)，指套外部上表面設(shè)有腔體套。多腔體軟體驅(qū)動器設(shè)于腔體套內(nèi)部;壓力傳感器設(shè)于指套前端;肌電信號傳感器用于采集表面肌電信號，即采集sMEG;柔性彎曲傳感器設(shè)于腔體套內(nèi)表面。此多氣腔一體化的柔性驅(qū)動器為本文的關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)，此類型驅(qū)動器可帶動患者手指彎曲，適應(yīng)性好，達(dá)到安全、可靠的效果。為了更加貼合手指，采取多段式手指的設(shè)計(jì)，不同的關(guān)節(jié)都有其軟體驅(qū)動器，達(dá)到更好的訓(xùn)練效果。

3多腔體軟體驅(qū)動器的制作工藝流程

軟體驅(qū)動器的腔體的主體材料是硅膠，本文采用的是通過美國FDA食品級認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)食品級硅膠恒昌硅膠公司的HC-860#型號的硅膠材料，其中本為A/B兩種組分，通過混合比例1：1進(jìn)行配比攪拌，通過離心攪拌機(jī)進(jìn)行充分混合，再澆3D打印制成的模具中，將模具放入真空抽氣罐抽出模具中的空氣，最后靜置等待硅膠固化。該硅膠的可操作時(shí)間約為15min，在室溫25℃左右固化時(shí)間為3～4h。

軟體致動器的整個(gè)制作工藝流程如圖3所示，需要以下幾個(gè)步驟。

（1）制作上氣腔。首先根據(jù)事先計(jì)算的模具體積定出所需硅膠的量，分別取硅膠A和硅膠B倒入燒杯中，用攪拌棒緩慢攪拌大約5 min，然后靜置5 min，注入制作模具A與模具B的組合模具內(nèi)。將模具靜置7 h左右，取出固化的硅膠，去除多余的材料。

（2）合腔。在模具C底層中注入少量硅膠A與硅膠B的混合液，能夠平鋪2mm左右的高度，在將事先裁剪好的尼龍條嵌入硅膠混合液中，使之與硅膠混合液充分接觸，平鋪無折痕，無較大氣泡，將上氣腔倒扣在模具C上，靜置57 h左右取下，去除毛邊后即完成。執(zhí)行器實(shí)物如圖3所示。

4手部軟體康復(fù)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

手部軟體康復(fù)裝置控制系統(tǒng)由控制算法與康復(fù)程序、信號采集與反饋、氣動驅(qū)動控制、氣動驅(qū)動器、軟體康復(fù)手5個(gè)部分組成，如圖4所示，此系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)處理、控制程序執(zhí)行和系統(tǒng)后備保護(hù)的功能。液晶顯示屏、信號濾波器、繼電保護(hù)裝置、壓力傳感器和柔性彎曲傳感器均與ARM控制板電性連接。繼電保護(hù)裝置包括漏電保護(hù)器、電流過載保護(hù)器，可以保護(hù)設(shè)備防止發(fā)生損壞。電氣比例閥與繼電器電性連接，電氣比例閥與過濾減壓閥連接，過濾減壓閥與空壓機(jī)儲氣罐連接。ARM控制器控制方式根據(jù)病人不同的病程自動給出控制信號，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動運(yùn)行。采用ARM微控制器輸出控制信號，通過驅(qū)動電路或繼電器控制比例閥/電磁閥的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)充放氣。當(dāng)ARM控制板輸出開信號的時(shí)候，比例閥，電磁閥打開，空氣壓縮氣進(jìn)入手指驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)彎曲動作。選擇關(guān)的時(shí)候，由于驅(qū)動器里面氣壓大于外面氣壓，自動排氣，恢復(fù)原狀。

5康復(fù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺設(shè)計(jì)

手部軟體康復(fù)裝置的康復(fù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺的實(shí)現(xiàn)原理如圖5所示。用戶將手伸入手套本體內(nèi)，手指伸入相應(yīng)的指套內(nèi)，肌電信號傳感器貼于用戶手臂表面。在初始時(shí)刻，用戶通過平臺上的指令選擇康復(fù)的模式或醫(yī)生通過后臺為患者選擇初始康復(fù)模式，系統(tǒng)控制器控制驅(qū)動器執(zhí)行命令。在康復(fù)訓(xùn)練期間，肌電信號傳感器、手套內(nèi)部壓力傳感器和柔性彎曲傳感器時(shí)刻采集手部壓力等信號反饋給系統(tǒng)總控制臺。其中，壓力傳感器用于傳遞患者手指在發(fā)生彎曲時(shí)的壓力信號，柔性彎曲傳感器用于傳遞患者手指彎曲程度信號，系統(tǒng)控制器內(nèi)的信號濾波器將信號濾波之后根據(jù)ARM控制板內(nèi)的設(shè)定算法繪制信號曲線，系統(tǒng)控制器時(shí)刻將繪制的信號曲線傳遞到網(wǎng)絡(luò)平臺供醫(yī)生參考，醫(yī)生可根據(jù)數(shù)據(jù)反饋進(jìn)行判斷，并輸入新的控制指令，新的控制指令經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)平臺反饋給患者，患者根據(jù)醫(yī)生的反饋在液晶顯示屏上進(jìn)行設(shè)置，ARM控制板接收指令后，控制驅(qū)動器對患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

6結(jié)束語

本文針對我國中風(fēng)病患的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一款新型的軟體手指康復(fù)裝置。與現(xiàn)有手部康復(fù)裝置相比，本文主要是根據(jù)人手指關(guān)節(jié)運(yùn)動特性、關(guān)節(jié)彎曲性能的不同要求、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)大小的限制，設(shè)計(jì)適合人手指關(guān)節(jié)彎曲的軟體手指康復(fù)器械和設(shè)計(jì)軟體氣動柔性驅(qū)動器驅(qū)動的、模擬人手指關(guān)節(jié)彎曲運(yùn)動的新型類手指驅(qū)動器及設(shè)計(jì)配套的康復(fù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺，不僅適用于各醫(yī)療機(jī)構(gòu)，也適用于患者家中，為患者提供便利、舒適的康復(fù)環(huán)境，達(dá)到居家康復(fù)的效果。