一種踝關(guān)節(jié)多維康復(fù)訓(xùn)練器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張宇玲，孫倩，賀晨

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海康復(fù)器械工程技術(shù)研究中心，上海市 200093

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)老齡化程度提高，生活節(jié)奏加快，踝關(guān)節(jié)損傷患者越來(lái)越多。踝關(guān)節(jié)是主要的負(fù)重關(guān)節(jié)，正常行走時(shí)承擔(dān)身體大部分重力，在奔跑和跳躍時(shí)將承擔(dān)巨大的沖擊和載荷[1-2]。踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，活動(dòng)頻率高，踝關(guān)節(jié)肌肉附著少，在跖屈位過(guò)度內(nèi)外翻和旋轉(zhuǎn)時(shí)，易發(fā)生損傷。跑跳運(yùn)動(dòng)外傷中，25%是踝關(guān)節(jié)損傷，位居人體六大關(guān)節(jié)損傷的首位；損傷帶來(lái)的局部疼痛、腫脹、活動(dòng)受限等，給日常生活帶來(lái)不便[3-4]。

及時(shí)有效的康復(fù)訓(xùn)練可以改善踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能障礙[5]。目前常用的踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器械主要有彈力繃帶[6]、塑料泡沫滾筒、Biodex平衡系統(tǒng)[7]、持續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)(continuous passive motion,CPM)訓(xùn)練器[8]等，這些器械或依賴(lài)康復(fù)治療師完成，或功能單一，忽略了患者個(gè)性化康復(fù)需求。高端智能康復(fù)訓(xùn)練器很多還處于研究階段，整體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，研發(fā)成本高；現(xiàn)有的智能器械價(jià)格較為昂貴，不適合居家康復(fù)使用。

本研究著眼于踝關(guān)節(jié)多自由度康復(fù)訓(xùn)練需求，設(shè)計(jì)一款踝關(guān)節(jié)被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練器。訓(xùn)練器結(jié)合旋轉(zhuǎn)平面和活動(dòng)機(jī)構(gòu)，滿(mǎn)足多自由度的康復(fù)訓(xùn)練需求，可制定個(gè)性化訓(xùn)練方案，優(yōu)化康復(fù)效果，降低治療成本，減輕治療師勞動(dòng)，推進(jìn)康復(fù)器械小型化、居家化進(jìn)程。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分成3 個(gè)平面，水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)完成內(nèi)收/外展運(yùn)動(dòng)，冠狀面內(nèi)旋轉(zhuǎn)完成內(nèi)翻/外翻運(yùn)動(dòng)，矢狀面內(nèi)旋轉(zhuǎn)完成跖屈/背屈運(yùn)動(dòng)。采用SolidWorks進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，以簡(jiǎn)約小型化為設(shè)計(jì)理念，整體結(jié)構(gòu)包括底座、轉(zhuǎn)盤(pán)、伸縮桿、球鉸、萬(wàn)向節(jié)以及足板等(圖1)。轉(zhuǎn)盤(pán)上方的機(jī)構(gòu)以并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為主，通過(guò)3根支桿連接上方動(dòng)平臺(tái)和下方定平臺(tái)，每根支桿包括連接動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)副連接件、1 個(gè)移動(dòng)副伸縮桿和1個(gè)連接定平臺(tái)的球鉸。訓(xùn)練器運(yùn)行時(shí)，通過(guò)控制伸縮桿長(zhǎng)度，帶動(dòng)足板完成跖屈/背屈和內(nèi)翻/外翻；通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)足板完成內(nèi)收/外展。踝關(guān)節(jié)在背伸25°時(shí)，會(huì)伴有4°外翻和6°外展；跖屈30°時(shí)，伴有6°內(nèi)翻和4°內(nèi)收[9]。本訓(xùn)練器通過(guò)合理控制各零件配合，可完成踝關(guān)節(jié)復(fù)合運(yùn)動(dòng)，治療師可針對(duì)不同患者設(shè)計(jì)個(gè)性化訓(xùn)練方案。

圖1 踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器整體結(jié)構(gòu)圖

底座中空，內(nèi)部空間可通過(guò)鉆孔預(yù)留電機(jī)及其他部件排線的空間；底座通過(guò)轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)盤(pán)連接，旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)完成旋轉(zhuǎn)動(dòng)作；轉(zhuǎn)盤(pán)上方預(yù)留螺紋孔，用于固定球鉸和萬(wàn)向節(jié)；伸縮桿和萬(wàn)向節(jié)配合，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)翻/外翻和跖屈/背屈運(yùn)動(dòng)；伸縮桿末端與球鉸相連，形成小范圍的萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)，滿(mǎn)足伸縮桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的微小移動(dòng)；足板側(cè)面預(yù)留固定尼龍織帶的孔，適應(yīng)不同足長(zhǎng)，方便收緊和固定；足板后方設(shè)置圍擋，防止足在運(yùn)動(dòng)中滑脫；足板設(shè)計(jì)可使患者的腳貼合足板完成被動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

1.1 內(nèi)收/外展

踝關(guān)節(jié)內(nèi)收、外展活動(dòng)度為25°～30°。本訓(xùn)練器通過(guò)底座和轉(zhuǎn)盤(pán)的配合完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)不區(qū)分左右腳設(shè)計(jì)，底座靜止，轉(zhuǎn)盤(pán)帶動(dòng)上方零件向身體中線方向轉(zhuǎn)動(dòng)為內(nèi)收，反向?yàn)橥庹埂Ｗ笥易畲笮D(zhuǎn)角度設(shè)為45°，具體活動(dòng)度由底座上的擋板控制，便于治療師調(diào)整。

底座采用圓形設(shè)計(jì)，直徑50 cm；相較于方形底座，圓形底座占地面積更小，且不會(huì)產(chǎn)生邊角磕碰問(wèn)題，較為安全。底座全接觸地面，穩(wěn)定支撐整個(gè)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)，不易傾倒。底座設(shè)有旋轉(zhuǎn)卡盤(pán)，與轉(zhuǎn)盤(pán)配合，完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；底座上表面標(biāo)示活動(dòng)度(圖2)，以15°為一檔；設(shè)有擋板，阻擋轉(zhuǎn)盤(pán)運(yùn)動(dòng)，控制旋轉(zhuǎn)角度。擋板采用自鎖開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，第1 次按下時(shí)，擋板與底座平面重合，即自鎖，不影響轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)；第2次按下時(shí)，鎖定斷開(kāi)，同時(shí)擋板按鈕彈起，阻擋轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)。內(nèi)收、外展角度可由康復(fù)訓(xùn)練師根據(jù)患者情況自由選定。

圖2 底座上表面

1.2 內(nèi)翻/外翻

踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻活動(dòng)度一般為35°～40°，外翻活動(dòng)度15°。為了不區(qū)分左右腳設(shè)計(jì)，內(nèi)外翻角度最大值都設(shè)為40°，通過(guò)控制伸縮桿伸縮長(zhǎng)度，完成對(duì)內(nèi)外翻實(shí)際運(yùn)動(dòng)角度的設(shè)定。鎖定后方伸縮桿，保證足板與矢狀軸平行，左右兩側(cè)伸縮桿伸縮，使得萬(wàn)向節(jié)沿矢狀軸左右擺動(dòng)，帶動(dòng)足板進(jìn)行內(nèi)翻/外翻運(yùn)動(dòng)(圖3)。

圖3 內(nèi)翻/外翻運(yùn)動(dòng)示意圖

伸縮桿采用醫(yī)療電動(dòng)推桿系列中的TOMUU-U2(東莞市特姆優(yōu)傳動(dòng)科技有限公司)，利用直流永磁電機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)渦輪、蝸桿帶動(dòng)軸承，推動(dòng)梯形螺紋絲桿，實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)。

1.3 跖屈/背屈

踝關(guān)節(jié)跖屈活動(dòng)度一般為40°～50°，背屈活動(dòng)度25°～30°。本訓(xùn)練器跖屈/背屈運(yùn)動(dòng)控制與內(nèi)翻/外翻運(yùn)動(dòng)控制相似(圖4)：通過(guò)鎖定左右兩側(cè)伸縮桿，控制后方伸縮桿伸縮，伸縮桿伸長(zhǎng)，萬(wàn)向節(jié)帶動(dòng)足板前傾為跖屈，反之為背屈。

圖4 跖屈/背屈運(yùn)動(dòng)示意圖

1.4 連接件

訓(xùn)練器的主要連接件有萬(wàn)向節(jié)、球鉸以及伸縮桿和足板之間的小鉸鏈(圖5)。萬(wàn)向節(jié)用于連接轉(zhuǎn)盤(pán)和足板，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，允許所連接的兩軸之間有較大的交角，可改變傳動(dòng)軸線方向，滿(mǎn)足足板在矢狀面和冠狀面上的運(yùn)動(dòng)。球鉸固定轉(zhuǎn)盤(pán)上，根據(jù)內(nèi)翻/外翻和跖屈/背屈角度確定其位置，與伸縮桿的球狀末端球面接觸，接觸面積大，壓強(qiáng)低，傳力均勻，可接受任意方向的壓力和剪力，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，運(yùn)動(dòng)限制小。小鉸鏈為自主設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，用于連接足板和伸縮桿，有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向，當(dāng)足板完成內(nèi)翻/外翻和跖屈/背屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，伸縮桿上端可有微小調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)空間。

圖5 連接件

2 訓(xùn)練方案

本訓(xùn)練器為踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器，借鑒臨床常見(jiàn)的治療師輔助運(yùn)動(dòng)，患者踩斜板、拉力帶等帶動(dòng)踝關(guān)節(jié)進(jìn)行牽伸運(yùn)動(dòng)等[10]，可用于常見(jiàn)踝關(guān)節(jié)疾病的早期康復(fù)，為進(jìn)一步康復(fù)訓(xùn)練奠定基礎(chǔ)[11]。

不同的踝關(guān)節(jié)損傷所需的康復(fù)方式不同。訓(xùn)練前應(yīng)評(píng)價(jià)踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)活動(dòng)度，確定踝關(guān)節(jié)訓(xùn)練范圍。

2.1 踝關(guān)節(jié)骨折

踝關(guān)節(jié)骨折的臨床癥狀主要表現(xiàn)為踝部腫脹、青紫、畸形、疼痛以及功能障礙等[12]。康復(fù)訓(xùn)練于石膏固定拆除后早期介入，可降低患者術(shù)后關(guān)節(jié)腫脹和疼痛程度，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)，降低并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)，提高生活質(zhì)量[13]。參考方案見(jiàn)表1。

表1 踝關(guān)節(jié)骨折患者的康復(fù)訓(xùn)練方案

2.2 腦卒中后運(yùn)動(dòng)功能障礙

腦卒中患者常表現(xiàn)特定的異常步態(tài)[14]：足下垂、內(nèi)翻，膝反張，呈拖曳或劃圈樣[15]。康復(fù)訓(xùn)練可以改善異常步態(tài)，降低踝關(guān)節(jié)痙攣，防止軟組織粘連、攣縮，改善踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能，提高下肢活動(dòng)能力[16-17]。參考方案見(jiàn)表2。

表2 腦卒中偏癱患者的康復(fù)訓(xùn)練方案

2.3 踝關(guān)節(jié)韌帶損傷

踝關(guān)節(jié)韌帶是維持踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定的重要結(jié)構(gòu)之一。內(nèi)側(cè)三角韌帶厚實(shí)且強(qiáng)韌，外側(cè)韌帶易受損傷[18]。臨床常見(jiàn)的韌帶損傷類(lèi)型為距腓前韌帶損傷和跟腓韌帶斷裂，兩者都是踝關(guān)節(jié)在跖屈位受到內(nèi)翻方向暴力所造成，跟腓韌帶斷裂是距腓前韌帶損傷后繼續(xù)受到內(nèi)翻力作用而產(chǎn)生的更加嚴(yán)重的傷害。

韌帶損傷后，康復(fù)治療在急性期以消除腫脹為主，后期可使用訓(xùn)練器進(jìn)行內(nèi)、外翻訓(xùn)練，恢復(fù)關(guān)節(jié)活動(dòng)度[19]。

3 討論

本研究設(shè)計(jì)的踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器有3 個(gè)自由度，滿(mǎn)足踝關(guān)節(jié)多維度康復(fù)需求，以被動(dòng)運(yùn)動(dòng)為主。訓(xùn)練器可通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)完成內(nèi)收/外展，通過(guò)擋板設(shè)計(jì)進(jìn)行角度調(diào)整；通過(guò)伸縮桿的控制完成內(nèi)翻/外翻和跖屈/背屈運(yùn)動(dòng)；模塊間相互組合可形成不同的運(yùn)動(dòng)模式，基本滿(mǎn)足踝關(guān)節(jié)功能障礙患者不同運(yùn)動(dòng)功能訓(xùn)練方案的要求。

本訓(xùn)練器具有以下4 個(gè)特點(diǎn)：①可進(jìn)行單軸或多維踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，模仿踝關(guān)節(jié)真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡，有針對(duì)性地完成踝關(guān)節(jié)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，滿(mǎn)足不同康復(fù)需求；②機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件少，易于采購(gòu)，安裝簡(jiǎn)便，使用方法簡(jiǎn)單；③加工成本低；④占地面積小，可在家庭使用。

使用本訓(xùn)練器進(jìn)行有針對(duì)性的康復(fù)訓(xùn)練，可以有效改善踝關(guān)節(jié)活動(dòng)度，也可以減輕治療師的勞動(dòng)，節(jié)約康復(fù)醫(yī)療資源。小型、居家化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可用于社區(qū)康復(fù)和居家康復(fù)，提高康復(fù)治療效果。

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