一種面向腦卒中的手部康復(fù)裝置設(shè)計與實現(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，從而實現(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。2016年全球疾病負擔(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?！?018中國衛(wèi)生健康統(tǒng)計提要》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)可以達到一定效果。

本文針對腦卒中患者設(shè)計了一個手部軟體康復(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

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

在設(shè)計康復(fù)裝置時，除了各關(guān)節(jié)角度的運動范圍，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)計依據(jù)。以中指設(shè)計為標(biāo)準，軟體驅(qū)動器長×寬×高：140mm×20mm×10mm，驅(qū)動器設(shè)計成分段腔體結(jié)構(gòu)如圖1所示，從而更好地接近人手運動規(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，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，此類型驅(qū)動器可帶動患者手指彎曲，適應(yīng)性好，達到安全、可靠的效果。為了更加貼合手指，采取多段式手指的設(shè)計，不同的關(guān)節(jié)都有其軟體驅(qū)動器，達到更好的訓(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食品級認證標(biāo)準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進行配比攪拌，通過離心攪拌機進行充分混合，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。該硅膠的可操作時間約為15min，在室溫25℃左右固化時間為3～4h。

軟體致動器的整個制作工藝流程如圖3所示，需要以下幾個步驟。

（1）制作上氣腔。首先根據(jù)事先計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)行器實物如圖3所示。

4手部軟體康復(fù)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計

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)后備保護的功能。液晶顯示屏、信號濾波器、繼電保護裝置、壓力傳感器和柔性彎曲傳感器均與ARM控制板電性連接。繼電保護裝置包括漏電保護器、電流過載保護器，可以保護設(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，實現(xiàn)系統(tǒng)自動運行。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)來實現(xiàn)充放氣。當(dāng)ARM控制板輸出開信號的時候，比例閥，電磁閥打開，空氣壓縮氣進入手指驅(qū)動器實現(xiàn)彎曲動作。選擇關(guān)的時候，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

手部軟體康復(fù)裝置的康復(fù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺的實現(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行設(shè)置，ARM控制板接收指令后，控制驅(qū)動器對患者進行康復(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)彎曲運動的新型類手指驅(qū)動器及設(shè)計配套的康復(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，達到居家康復(fù)的效果。