腰椎穿刺定位儀設(shè)計(jì)

陳亮　唐珊

摘 要：對(duì)臨床上腰椎穿刺的過(guò)程結(jié)合醫(yī)師經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了深入探討，分析了造成腰穿失敗的主要原因，創(chuàng)造性地提出了解決問(wèn)題的辦法，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性因素的考慮，設(shè)計(jì)了一款腰椎穿刺定位儀，實(shí)踐證明能夠有效提升穿刺成功率，減輕病人痛苦。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品設(shè)計(jì)；腰椎穿刺；定位儀；經(jīng)濟(jì)性因素

腰椎穿刺（簡(jiǎn)稱“腰穿”）是神經(jīng)外科常用的診療技術(shù)，腰穿檢查常取3～4或4～5腰椎間隙進(jìn)行，臨床上常用于釋放腦脊液治療顱內(nèi)高壓病人、顱內(nèi)壓測(cè)定、腦脊液化驗(yàn)檢查，也可用于腰穿置管，從管內(nèi)注入藥液，對(duì)病人起到直接治療的作用。[1]但是，在臨床工作中，腰穿失敗是常見(jiàn)現(xiàn)象，在李柏勝等人的研究中，隨機(jī)分組的100位患者一次性腰穿成功的僅為67例，[2]穿刺位置偏移、穿刺方向不當(dāng)、穿刺太淺或太深，被認(rèn)為是腰穿失敗的主要原因，[3]對(duì)本身腰椎間隙狹窄或肥胖病例尤其如此。由于腰穿診療是一種創(chuàng)傷性診斷檢查且伴隨有附發(fā)癥，為了提高成功率，減少病人痛苦，胡林春等人設(shè)計(jì)的兒童腰椎穿刺用體位固定器、蔡麗萍等人設(shè)計(jì)的腰椎穿刺術(shù)位置固定裝置都是利用一系列的限位板將人體體位限制起來(lái)以保持利于腰椎穿刺的側(cè)臥位，但這些限位板操作繁瑣且并不精確，甚至?xí)?duì)病患心理造成一定影響；趙文海等人設(shè)計(jì)了一種智能式腰椎穿刺裝置，該裝置通過(guò)減速電機(jī)提供推力，在推力軸承上安裝有壓力傳感器，當(dāng)穿刺針穿透韌帶與硬腦膜進(jìn)入脊髓腔后無(wú)壓力時(shí)自動(dòng)停止進(jìn)針，但是并未解決穿刺點(diǎn)定位和保證穿刺方向問(wèn)題。針對(duì)這一現(xiàn)狀，在深入分析腰椎穿刺過(guò)程和要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一款可輔助定位并能提高穿刺成功率、減輕病患痛苦的腰椎穿刺定位儀十分必要。

1 設(shè)計(jì)調(diào)查及分析

1.1 穿刺器具及穿刺前要求

腰穿過(guò)程所使用的器具為一次性使用的腰穿包，執(zhí)行企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)家備案。一次性腰穿包包括腰椎穿刺針、一次性使用無(wú)菌注射器和注射針、鑷子、測(cè)壓管、試管、試管塞、試管架、橡膠醫(yī)用手套、醫(yī)用脫脂紗布、一次性醫(yī)用棉球、一次性醫(yī)用棉簽、自粘傷口敷料、孔巾、中單、小方盒和吸塑盒組成。見(jiàn)

圖1（a）所示。

穿刺前，首先選擇穿刺位置：由于脊髓在第2腰椎水平（L2）終止形成馬尾而浸泡于腦脊液中，常選L3和L4椎間隙為穿刺點(diǎn)，見(jiàn)圖1（b）所示；其次，體位選擇：病人可取坐位趴在桌上或者取側(cè)臥位，臨床上以側(cè)臥位居多，病人靠近床邊，雙膝屈于胸前，暴露背部，使脊柱盡量后凸以增寬椎間隙，便于進(jìn)針，在操作過(guò)程中，護(hù)士可協(xié)助病人維持體位，如圖1（c）所示。

1.2 穿刺過(guò)程分析

病患在護(hù)士指導(dǎo)下保持背部立面與床平面垂直、腰椎L3部位水平方向與床平面平行的側(cè)臥位體位；目前采用的定位方法為手摸，摸好位置后掐出痕跡；消毒、局麻后穿刺針垂直人體背部立面緩慢刺入L3和L4椎間隙，進(jìn)針到脊椎推板處時(shí)退針0.1mm，并向頭部斜15度左右刺入；當(dāng)針頭刺到黃韌帶有阻力時(shí)接注射器；繼續(xù)刺入，感到阻力突然消失有落空感時(shí)即進(jìn)入硬膜外腔，停止進(jìn)針；置管；此時(shí)可將針芯慢慢抽出（以防腦脊液迅速流出，造成腦疝），即可見(jiàn)腦脊液流出。成人刺入深度4～6cm，兒童刺入2～4cm，可接上壓力管測(cè)定腦脊液的壓力，移去測(cè)壓管后，用無(wú)菌容器收集腦脊液標(biāo)本進(jìn)行醫(yī)學(xué)測(cè)定或分析。穿刺結(jié)束后拔針，用敷料覆蓋吸收漏出的腦脊液或血液，病人應(yīng)平臥6～12h以預(yù)防腰椎穿刺后常見(jiàn)的頭痛。[1]整個(gè)穿刺過(guò)程見(jiàn)圖2。

1.3 問(wèn)題分析

通過(guò)對(duì)穿刺過(guò)程的分析，結(jié)合腰穿失敗的主要原因，[3]可以得出造成穿刺位置偏移、穿刺方向不當(dāng)?shù)闹饕蚴牵?/p>

第一，穿刺點(diǎn)無(wú)法精確定位。用手觸摸找到刺入點(diǎn)比較容易，但現(xiàn)有穿刺時(shí)采用指甲掐痕定位的做法，既不衛(wèi)生也不準(zhǔn)確。第二，在腰穿過(guò)程中，人體側(cè)臥位體位由于受消毒液、針扎等的外界刺激或自身調(diào)整發(fā)生變化導(dǎo)致不能保持正確的穿刺體位，從而使穿刺針在刺入時(shí)不能垂直扎入。調(diào)整時(shí)也僅靠護(hù)士目測(cè)，不夠準(zhǔn)確。

正確的穿刺體位應(yīng)是在穿刺針進(jìn)入時(shí)，背部立面（圖3中黃色立面）與床平面（圖3中灰色水平面）垂直，腰椎L3水平面（圖3中紫色水平面）與床平面平行，穿刺針行進(jìn)方向立面（圖3中綠色立面）與人體背部立面垂直。見(jiàn)圖3所示。在穿刺過(guò)程中保持此種狀態(tài)的體位，是保證穿刺成功的首要條件。

1.4 設(shè)計(jì)目標(biāo)

綜合上述分析，腰椎穿刺定位儀作為腰椎穿刺時(shí)的輔助設(shè)備，設(shè)計(jì)應(yīng)符合以下幾個(gè)要求：第一，結(jié)合手工穿刺的方式，能夠準(zhǔn)確定位刺入點(diǎn)；第二，穿刺過(guò)程中能夠輔助護(hù)士調(diào)整、保持病患正確的穿刺體位；第三，操作簡(jiǎn)單，易用；第四，占據(jù)空間小且便于收納、放置；第五，盡可能的降低成本。

2 設(shè)計(jì)方案構(gòu)思及優(yōu)化

2.1 方案構(gòu)思

從滿足功能要求出發(fā)，定位儀實(shí)際上就是要實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的垂直以及一個(gè)方向與床面的平行，考慮到水平儀（水平泡）是檢測(cè)平行與否的常用物件，因此，設(shè)計(jì)方案就從與水平泡相結(jié)合的三軸垂直裝置展開(kāi)，主要對(duì)其旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和與人體的固定方式展開(kāi)設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖4。

圖4（a）所示方案一是將水平泡置入了三個(gè)塊體中，三個(gè)塊體代表三個(gè)方向，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)塊體B、C通過(guò)螺絲與A塊體相結(jié)合，B、C塊體圍繞A塊體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；與人體的固定方式采用了帶卡扣的帶子，使用時(shí)將2個(gè)帶子纏繞在人體上并用卡扣卡緊即可?？ňo后旋轉(zhuǎn)B、C，通過(guò)觀察水平泡的位置調(diào)整人體體位直到適合為止。

圖4（b）所示方案二與方案一類(lèi)似，只是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)發(fā)生變化，整體合起后變得更緊湊，與人體結(jié)合時(shí)采用醫(yī)用膠布直接粘在人體上，較為易用。

圖4（c）所示方案三從降低成本方面考慮，結(jié)合現(xiàn)有水平泡的大小設(shè)計(jì)了一個(gè)連接頭和三個(gè)附件，其中的兩個(gè)附件可通用，現(xiàn)有水平泡可直接插入連接頭和附件中，且旋轉(zhuǎn)打開(kāi)后三軸相互垂直且原點(diǎn)重合，與人體連接方式采用現(xiàn)有產(chǎn)品吸盤(pán)，吸盤(pán)也可插入到連接頭里固定。

2.2 基于模糊綜合評(píng)價(jià)的方案優(yōu)選

模糊綜合評(píng)價(jià)是對(duì)被評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行綜合分析，同時(shí)考慮多個(gè)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，所評(píng)價(jià)的基本因素有3個(gè)：評(píng)價(jià)指標(biāo)、等級(jí)評(píng)語(yǔ)以及指標(biāo)權(quán)重。模糊綜合評(píng)判的主要步驟包括：第一，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)集；第二，確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)盆；第三，確定評(píng)語(yǔ)等級(jí)集；第四，建立模糊關(guān)系矩陣R；第五，分別對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度：評(píng)價(jià)者對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)均給出一個(gè)等級(jí)，計(jì)算出各等級(jí)的頻率，即評(píng)價(jià)對(duì)象在每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)上各等級(jí)的隸屬度；第六，運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行計(jì)算得出綜合評(píng)價(jià)結(jié)論。[4]

因此，根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)的方法，設(shè)定評(píng)價(jià)指標(biāo)有5個(gè)：功能性（u1）、易用性（u2）、收納性（u3）、經(jīng)濟(jì)性（u4）、美學(xué)因素（u5），評(píng)價(jià)指標(biāo)的有限集合為U={u1，u2，u3，u4，u5}；對(duì)每個(gè)指標(biāo)限定的等級(jí)評(píng)語(yǔ)有4個(gè)：很好（v1）、較好（v2）、一般（v3）、較差（v4），等級(jí)評(píng)語(yǔ)的有限集合為V={v1，v2，v3，v4}；設(shè)定權(quán)重系數(shù)為W={0.25，0.25，0.15，0.15，0.2}為別對(duì)應(yīng)5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)功能性、易用性、收納性、經(jīng)濟(jì)性、美學(xué)因素。針對(duì)草圖方案，模糊綜合評(píng)價(jià)投票結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)理論，每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)（U）與任何一個(gè)等級(jí)評(píng)語(yǔ)（V）都有一定的數(shù)量關(guān)系，這種數(shù)量關(guān)系可用矩陣R表示，R就是由U和V合成的模糊關(guān)系，是一個(gè)（m x n）矩陣。[4]

權(quán)重系數(shù)W說(shuō)明了各評(píng)價(jià)指標(biāo)在評(píng)價(jià)總目標(biāo)中的相對(duì)重要程度（地位、作用等），各權(quán)數(shù)的總和為1。一個(gè)綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題，就是將評(píng)價(jià)指標(biāo)集合U這一論域上的一個(gè)模糊集合W經(jīng)過(guò)模糊關(guān)系R變換為評(píng)語(yǔ)集合V這一論域上的模糊集合B。模糊綜合評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型：[7]

根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型，可以計(jì)算出各個(gè)方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)方面的隸屬度（具體計(jì)算過(guò)程省略）。方案一綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為B1=（0.39，0.32，0.23，0.06），即功能性、易用性、收納性、經(jīng)濟(jì)性、美學(xué)因素的隸屬度，39%的人認(rèn)為好，32%的人認(rèn)為較好，23%的人認(rèn)為一般，6%的人認(rèn)為較差；方案二綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為B2=（0.37，0.32，0.25，0.06），即37%的人認(rèn)為好，32%的人認(rèn)為較好，25%的人認(rèn)為一般，6%的人認(rèn)為較差；方案三的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為B3=（0.41，0.34，0.21，0.04），即41%的人認(rèn)為好，34%的人認(rèn)為較好，21%的人認(rèn)為一般，4%的人認(rèn)為較差。

用最大隸屬度法來(lái)確定腰椎穿刺定位儀的最終方案。最大隸屬度法就是把各個(gè)評(píng)語(yǔ)等級(jí)中隸屬度最大的那個(gè)評(píng)語(yǔ)等級(jí)作為評(píng)判對(duì)象的最終評(píng)語(yǔ)，最終評(píng)語(yǔ)相同者則進(jìn)一步按隸屬度排序，優(yōu)良評(píng)語(yǔ)者以隸屬度大為先，差評(píng)語(yǔ)者以隸屬度小為先。方案一中39%的人認(rèn)為好，方案二中37%的人認(rèn)為好，方案三中41%的人認(rèn)為好，同時(shí)方案三中4%的人認(rèn)為差，也是三個(gè)方案中比例最小的，因此，綜合考慮選擇方案三為最終方案。

3 設(shè)計(jì)展示

腰椎穿刺定位儀的設(shè)計(jì)從現(xiàn)有原件出發(fā)，采用直徑20mm的吸盤(pán)和直徑為9.5mm長(zhǎng)度為40mm的水平泡作為基礎(chǔ)構(gòu)件，設(shè)計(jì)了連接頭來(lái)固定和連接水平泡和吸盤(pán)，其中一個(gè)水平泡上帶有三個(gè)可旋轉(zhuǎn)的定位裝置，用來(lái)定位穿刺針的行進(jìn)方向，整體合起時(shí)非常緊湊，便于存放。整體效果圖見(jiàn)圖5（a）。

使用時(shí)，在病人側(cè)臥位的狀態(tài)下，首先找準(zhǔn)穿刺點(diǎn)，把定位儀通過(guò)吸盤(pán)吸附在人體上；其次，旋轉(zhuǎn)定位儀上的兩個(gè)軸打開(kāi)定位儀使之成為三軸垂直的狀態(tài)；然后，觀察定位儀中水平泡的位置以調(diào)整病人體位，當(dāng)水平泡的指示位置在標(biāo)示線內(nèi)時(shí)，意味著達(dá)到了人體背部立面與床平面垂直、腰椎水平面與床平面平行、穿刺針行進(jìn)方向立面與人體背部立面垂直的穿刺體位要求；最后，調(diào)整三個(gè)水平泡上的定位裝置使之對(duì)準(zhǔn)穿刺點(diǎn)，穿刺針穿入即可。使用過(guò)程圖見(jiàn)圖5（b）。

水平泡上三個(gè)定位裝置可沿水平泡前后移動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn)，方便對(duì)準(zhǔn)穿刺點(diǎn)。形狀上采用下面兩個(gè)較大，起到支撐的作用，上面一個(gè)較小，上下合起后可容穿刺針通過(guò)，起到定位作用。在旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)部的設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)了只能旋轉(zhuǎn)90°的限位孔，可保證定位儀在打開(kāi)時(shí)實(shí)現(xiàn)三軸相互垂直且交于原點(diǎn)。細(xì)節(jié)圖見(jiàn)圖5（c）。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)臨床觀察和與醫(yī)師的深入探討，分析了造成腰穿失敗的原因，提出了創(chuàng)新的解決方案，并且基于經(jīng)濟(jì)性因素的考慮，對(duì)腰椎穿刺定位儀的結(jié)構(gòu)、造型、使用方式進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，通過(guò)三維數(shù)字模型和實(shí)物模型進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

腰椎穿刺定位儀能夠?qū)崿F(xiàn)腰椎穿刺時(shí)的定位要求，有效提升穿刺時(shí)的成功率，從而降低病患痛苦，成本低廉并且具有較好的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 李柏勝，陳永群.腰椎穿刺術(shù)100例分析[J].中國(guó)基層醫(yī)藥，2006，13（5）：792-793.

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[4] 金海明，王以華.工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)的探討[J].包裝工程，2007，28（7）：152.

作者簡(jiǎn)介：陳亮（1982—），男，陜西銅川人，碩士研究生，講師，發(fā)表論文8篇，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)。