基于模塊化的下肢康復訓練產品設計研究

謝嘉俊

（南京工業大學,江蘇南京 210009）

我國下肢骨科康復目前仍處在起步階段?？祻歪t療人員短缺、康復中心無法形成規模效應降低成本、患者及家屬受康復醫療教育平均程度低等原因，都導致了下肢骨科治療、康復過程中“重治療，輕康復”的現狀。下肢骨科治療、康復過程具有周期長、見效緩慢的特點，需要相關康復護理人員與患者投入大量的時間精力，患者及其家屬易感覺費用高昂的同時收效甚微，從而導致患者主觀積極性低，進一步影響康復治療效果。如何在康復護理人員短缺的情況下經濟有效地為患者提供康復治療成為一個亟待解決的問題。

一、下肢康復訓練產品模塊化設計概述

下肢康復訓練可使因傷病等原因導致下肢功能或結構障礙、個體活動以及參與能力受限的患者在恢復速度、恢復效率及恢復效果等多方面提升，最終提高生活質量和盡早重返社會。

（一）下肢康復訓練產品現狀

目前我國下肢康復訓練產品無論沖數量還是質量上都有明顯的不足，整體發展水平有待提升，在一些地區或很多醫療機構中甚至沒有配備相應的康復醫療器具仍采用通用性的簡易輔具或純人工輔助康復，即使有所配備，起高昂的價格也讓很多患者望而卻步。而在經濟發展水平高的城市或大型三甲醫院設有的康復中心或康復科室中則配備有康復機器人及完備的康復運動器械。

在品類繁多的下肢康復訓練產品中，根據其技術水平、造價成本等因素分為五類：

表1 下肢康復訓練產品分類總結

（二）產品模塊化設計概念

產品模塊化設計是將復雜的產品系統按功能或者性能,進行重新拆分，將承擔單一功能或者性能的部分提取并單元化，再講各個單元通過各種形式進行聯系、連接，共同構成分立有序的產品總系統。

單元化的子系統可根據產品的具體特性或全部或選擇性地組合成不同的新系統，模塊化設計是產品設計的方法學中極具創新且意義非凡的理念，能夠實現加快產品更新周期，快速完善產品，還能減少在生產制造中的損耗，提高生產效率。

二、下肢康復訓練產品模塊化設計思路

（一）下肢康復訓練產品模塊化設計的需求

我國人口老齡化趨勢愈發嚴重，康復醫療行業無論是康復醫院數量、康復床位數量、康復專業技術人才數量還是康復器械數量與質量上都明顯供給不足?，F有下肢康復訓練產品研究往往圍繞傷病本身，追求在康復治療過程中組織器官的最大程度復原及修復而忽略了下肢康復訓練產品必須從人-機-環境的角度充分考慮人在各種使用環境中的窘境，如康復訓練頻率與費用、移動到康復中心的距離之間的矛盾等。

下肢康復訓練產品若背離人-環境的關系，僅考慮產品功能、人與機器的連接，并不能設計出符合用戶整體需求的產品。從已上市的產品類目角度，我國并不缺乏下肢康復機器人、有源關節康復運動器等高技術的下肢康復訓練產品，但從其覆蓋率、使用率、使用頻率、使用成本等角度，下肢康復機器人及大部分有源關節康復運動器并不能滿足一般患者的需求。阻抗用具等低技術的下肢康復訓練產品的科學使用需要專業的康復醫療人員的指導陪同使用，這與我國康復醫療人員數量嚴重不足的現狀相矛盾。

因此，具有一定技術水平同時兼顧患者自主使用及經濟性下肢康復訓練產品亟須被設計，下肢康復訓練產品通過模塊化設計，分析下肢康復訓練產品在不同階段、不同部位、不同訓練形式、不同使用環境的用戶需求，使得下肢康復訓練產品參與到整個康復流程中，不僅能同時兼顧不同需求的患者，更能使產品更具有經濟性。同時，模塊化的下肢康復訓練產品更容易依附于其他輔具之上配合使用，使得康復過程更安全有效。

（二）下肢康復訓練產品模塊化設計的目標

下肢失能患者出現“重治療，輕康復”思維傾向，可通過降低患者康復成本、優化患者康復路徑等方式減緩甚至打消患者對康復訓練的抵觸、抗拒心理。模塊化的下肢康復訓練產品的設計應在經濟性的原則下通過將各模塊進行層次性劃分，充分考慮用戶需求，針對康復過程的不同階段、不同部位、不同訓練形式、不同使用環境等作出相應配置，能使得下肢康復訓練產品在整個康復周期中發揮更大作用。

從患者康復路徑角度，比起每日1-2次前往康復中心集中康復，可移動的康復訓練產品能使患者在病床上甚至家中自主使用進行康復，同時有利于提高訓練頻率進而實現少量多次的康復訓練使相關患者更快恢復。

（三）下肢康復訓練產品模塊化設計的方向

下肢康復患者多須限制關節活動范圍以保證康復訓練的安全性及康復的穩定性，下肢康復患者在治療期間大量、高比例地使用支具作為治療用具，同時支具本身對于關節的使用與連接自帶模塊化屬性，設計下肢康復訓練產品與下肢支具結合或配合使用不僅能保證康復訓練時關節的安全穩定，還能延長患者已購置支具的使用周期及附加值、減少做設計的下肢康復訓練產品的結構以降低成本減少浪費。因此，針對全康復周期的普適性下肢康復訓練產品設計圍繞單關節或多關節支具是綜合多因素下的明智之選。

（四）下肢康復訓練產品模塊化設計的方法

下肢康復訓練產品模塊化設計的核心是科學地、有選擇地將產品中的要素提取成為具有獨立功能的子系統，同時兼顧子系統與產品系統之間、子系統與子系統之間的關系，充分考慮系統的靈活性、拓展性。

下肢康復訓練產品的功能形式與下肢康復訓練的康復鍛煉方式息息相關，下肢康復訓練的康復訓練方式分為被動訓練、助力訓練、主動訓練、抗組訓練，各種訓練有其不同特點。

根據下肢康復訓練的康復鍛煉方式，并基于模塊化設計的層次性劃分，產品模塊劃分大致遵循層次性的過程，可簡單概括為從需求層到功能層、結構層的逐層模塊劃分進程。根據下肢康復訓練產品現狀的分類匯總分析的結果顯示，運用最簡化的設計結構而不使用復雜精確的系統可有效降低用戶的使用成本，現從患者康復訓練的全周期綜合考慮后對下肢康復訓練產品的進行層次性劃分，如圖1所示。

圖1 基于模塊化設計的下肢康復訓練產品模塊劃分

基于康復醫學相關研究，患者康復所需的訓練需求可劃分為關節活動、肌力維持、肌力提高和安全穩定。同時，對滿足這四項需求的功能元也即功能形式進行的劃分，分別為被動訓練、輔助訓練、等速訓練、阻抗訓練。

單一需求并不一定只能由單一功能元實現，如關節活動可由多種功能形式滿足，而阻抗訓練和等速訓練都能滿足肌力維持的需要，其中，因被動訓練需要能量的輸入及復雜的控制，并不在設計范圍內，故不做功能模塊的設置。

三、下肢康復訓練產品模塊化設計實踐

（一）設計需求的滿足

基于下肢康復訓練產品模塊化設計思路，已經分析出現階段的用戶需要一款優于簡易姿態輔助支架類、阻抗用具類等產品但又不能具有過高技術成本的產品，于是在經濟性的原則下，應考慮提高其結構上的功能性與實用性，同時選用市面已經大量生產的標準化零部件，減少非標準件的定制、使用。

（二）設計目標的實現

基于模塊化設計的下肢康復訓練產品設計，可針對陪伴下肢康復患者度過康復的前中后期，設置輔助訓練、等速訓練、阻抗訓練模式，分別對應助力、穩定、提升三個康復訓練階段，充分發揮了模塊化設計的優勢，小型化、可拆卸的優勢使得用戶可在任意環境（如病床上）使用進行全天候訓練。使用康復訓練盒進行訓練有效解決了出院后的康復訓練路徑問題，早期臥于病床進行康復訓練可避免因移動帶來的二次損傷，同時也將相應的康復進程提前，減少患者在康復期花費的時間、成本，待患者無須住院觀察時，使用康復訓練盒可在家中、戶外甚至工作場合進行康復訓練，使患者盡早回歸工作和生活。

（二）設計方向的落實

下肢康復訓練患者大量使用的支具形態各異、尺寸不一，針對這一特點，下肢康復訓練產品在設計時應將產品與支具的連接方式作適應性處理，以滿足不同品牌、不同型號支具的使用。同時，可設計專門配合下肢康復訓練產品使用的標準支具，以期達到最優的使用效果。

（四）設計方法的應用

經過下肢康復訓練產品模塊化設計的層次性劃分后得出了針對不同時期、不同需求下的功能模塊，并為相應的功能模塊設計對應的結構模塊，選配零部件，最終設計完成下肢康復訓練產品總體功能結構與具體結構，并命名為“一種兼顧動作輔助及關節訓練的無動力小型多功能裝置”，該實用新型專利已獲得授權，康復訓練盒創新性地將不同訓練模式所需連接的結構模塊分置到了不同的活動平面內，通過旋鈕于導軌活動柱直接的圓柱凸輪配合將主齒輪推至相應活動面進行連接使用：當模式切換器選擇阻抗訓練模式，使得主齒輪與阻力齒輪嚙合。此時阻力齒輪與支具關節同步旋轉，旋轉時受到摩擦片提供的摩擦力而實現阻抗訓練。該實施例將提供壓緊力的螺釘螺母中的螺母置于外殼外側，使得用戶使用時刻隨時旋轉螺母無極調整壓緊力大小從而改變訓練阻力；當模式切換器選擇輔助訓練模式時，切換旋鈕推動圓柱凸輪使旋臂被推至外殼底蓋處，此時旋臂上的缺口卡住扭簧的活動腳。該模式下支具關節兩桿在相向旋轉時會使儲能元件蓄能，背向旋轉時能量被釋放輔助關節旋轉，達到助力效果。該模式能幫助肌力較弱的用戶完成訓練動作或日?；顒樱划斈Ｊ角袚Q器選擇等速訓練模式，使得主齒輪與阻尼齒輪嚙合。此時旋轉阻尼轉動軸與支具關節同步旋轉，旋轉時受到旋轉阻尼控制速度，實現接近等速訓練，減少訓練中對人體關節的傷害。等速訓練在康復訓練當中有著重要地位，能使還為完全修復的關節實現早期地活動，減少組織粘連，促進血液循環，有助于康復。

方案中的結構可簡單地將康復訓練盒內旋臂與外殼分別固定于關節相連的兩側支具旋轉關節兩桿上以實現功能模塊可拆卸的設計要求，可分別安裝于髖、膝、踝單個或多個關節的支具上進行訓練。與此同時設計了一款與康復訓練盒設計風格整體一致的下肢支具，髖關節-膝關節支具、膝關節-踝關節支具之間可通過連接器連接使用。

患者可在治療期間購置相應關節支具用于早期的關節固定，待進入康復期添置康復訓練盒安裝于支具上進行康復訓練；可拆卸康復訓練盒同時兼容市面上其他支具，可單獨添置后安裝于已有支具上進行康復訓練。同時，圍繞支具進行康復訓練，可將彈力帶等阻抗用具固定于支具上增加阻抗及動作形式，進一步提高康復用具的利用度和康復的效果。

此外，設計結果中的結構零件可具體選擇如旋轉阻尼、彈簧等為市面上已大規模量產的通用件，不僅相關性能有保證，其單價也可降到最低，具有極大的實用性和經濟價值。

結語

基于模塊化設計的下肢康復訓練產品，可使得在手術及支具上花費過大，無力承擔后續高昂的康復醫師費用及康復中心相關費用的患者以較低的成本獲得更好地康復訓練效果，同時針對有限次數的康復訓練收效緩慢，康復周期過長的問題運用模塊化小型化可隨時訓練的優勢使得患者訓練頻率得以有效增加，減少因難以堅持而導致的心理抗拒，是符合用戶需要的新產品。