手臂骨折術(shù)后康復(fù)治療支具設(shè)計(jì)

亢凈

引言

骨折在近年來(lái)的發(fā)病率越來(lái)越高，無(wú)論是事故的發(fā)生還是骨質(zhì)的好壞都共同影響著骨折發(fā)生的概率。在骨折的治療中有很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，那就是康復(fù)治療，康復(fù)治療是骨折治療的重要階段，是防止發(fā)生并發(fā)癥和及早恢復(fù)功能的重要保證。然而現(xiàn)在市場(chǎng)上大多針對(duì)手臂骨折護(hù)具的產(chǎn)品還都較原始，通常為固定式，無(wú)法引導(dǎo)人們進(jìn)行功能鍛煉，患者進(jìn)行功能鍛煉時(shí)，需單獨(dú)拆下該護(hù)具，操作過程繁瑣，同是也使患者在鍛煉過程中缺乏保護(hù)。在這種情況下，人們進(jìn)行功能鍛煉的意識(shí)也比較薄弱，而缺乏功能鍛煉可能會(huì)造成關(guān)節(jié)與肌肉粘連，影響關(guān)節(jié)靈活度，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致終身殘疾。

針對(duì)這種情況提出設(shè)計(jì)一種旨在引導(dǎo)人們進(jìn)行正確功能鍛煉的手臂骨折護(hù)具，該護(hù)具在滿足基本功能手臂固定的基礎(chǔ)下，能夠引導(dǎo)患者進(jìn)行功能鍛煉，幫助患者快速康復(fù)。

一、市場(chǎng)調(diào)查

（一）手臂骨折研究

1.手臂骨折復(fù)位及固定：骨折是人類的一種多發(fā)性疾病，可由直接暴力，間接暴力，積累性勞損引起。車輪撞擊，緊急剎車，以及長(zhǎng)期反復(fù)損傷某個(gè)部位都可能造成骨折。常見的骨折有鎖骨骨折、手臂骨折、腕部骨折、踝部骨折、足部骨折。其中，50%的成年人骨折發(fā)生于手臂，而手臂骨折有時(shí)需要數(shù)月才能恢復(fù)。

按年齡分，骨折分為小兒骨折和成人骨折，年齡不同，愈合難度也不同，由于骨骼結(jié)構(gòu)不同，小兒骨骼愈合速度通常比成年人快。

一般來(lái)說，骨折治療包合三個(gè)步驟，第一個(gè)步驟是復(fù)位，骨折發(fā)生移位后，骨折塊必須放回原來(lái)的位置，常用的骨折復(fù)位有手法復(fù)位、手術(shù)復(fù)位、持續(xù)牽引復(fù)位三種。其中手法復(fù)位損傷小，是目前使用得最廣泛的一種治療方式。手術(shù)復(fù)位，又稱切開復(fù)位，能解剖復(fù)位，但會(huì)增加局部損傷，同時(shí)還可能會(huì)有感染的風(fēng)險(xiǎn)，常用于開放性骨折、關(guān)節(jié)內(nèi)骨折、骨折不愈合、合并血管和神經(jīng)損傷以及手法復(fù)位失敗的骨折。

手法復(fù)位損傷最小愈合時(shí)間快。手術(shù)復(fù)位，治療難度大，愈合時(shí)間長(zhǎng)，按不同部位能達(dá)到3月至半年之久。

骨折治療的第二個(gè)步驟是固定，固定的方式取決于骨折的嚴(yán)重程度，是否為開放性骨折，骨折累及的部位，固定的方式有內(nèi)固定和外固定，常見的外固定方式為石膏固定和支具固定。

治療的第三個(gè)步驟是功能鍛煉。經(jīng)過第二個(gè)步驟后，手臂被石膏板或者固定支具固定，會(huì)影響血液循環(huán)，骨折愈合過程中會(huì)形成骨痂，缺乏功能運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)處與與軟組織粘連，肌肉萎縮等情況，甚至造成殘疾。

功能鍛煉分為主動(dòng)運(yùn)動(dòng)和被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)運(yùn)動(dòng)如手臂等長(zhǎng)收縮，手臂屈伸。被動(dòng)運(yùn)動(dòng)如按摩等。

患者往往在手術(shù)1～2周后就需要開始進(jìn)行功能訓(xùn)練，此時(shí)骨折斷端不穩(wěn)定，容易發(fā)生再移位，因此在功能鍛煉中，需遵從循序漸進(jìn)的原則，以不引起關(guān)節(jié)移位為宜，此過程需在醫(yī)生的指導(dǎo)下進(jìn)行。

此外，適當(dāng)?shù)丶涌煅貉h(huán)同樣有助于術(shù)后骨折的康復(fù)，而熱敷與冷敷有助于促進(jìn)血液循環(huán)。

（二）現(xiàn)有相關(guān)產(chǎn)品調(diào)查

1.產(chǎn)品現(xiàn)狀：手臂固定支具：鎖骨骨折及肩關(guān)節(jié)脫位護(hù)具，這是目前骨折術(shù)后普遍使用得固定護(hù)具，成本低廉，功能單一，患者在康復(fù)過程中無(wú)法同時(shí)進(jìn)行功能鍛煉（如圖1）。

2.消費(fèi)者調(diào)查：消費(fèi)者調(diào)查采用的方法是直接詢問法（如表1）。

3.調(diào)查結(jié)果及分析：92.6%的人認(rèn)為需要一款能夠引導(dǎo)人們進(jìn)行功能鍛煉的手臂骨折康復(fù)支具，因此產(chǎn)品是具有良好的開發(fā)前景，在對(duì)產(chǎn)品關(guān)注的點(diǎn)上，83.1%重視產(chǎn)品本身的牢固性，穩(wěn)定性;79.8%的人群關(guān)心產(chǎn)品的人機(jī);84.3%的人希望產(chǎn)品具有更完善的功能整合，加熱方式上，62.9%的人更喜歡成本較低，功能齊全的加入凝膠袋控溫的方式，遠(yuǎn)高于操作相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較高，功能單一，需加入電路控制的電熱絲加熱方式。

三、方案初步設(shè)計(jì)及選定

（一）市場(chǎng)定位

產(chǎn)品定位：中高端醫(yī)療產(chǎn)品

初步市場(chǎng)定價(jià)：400～600RMB

消費(fèi)者定位：13歲以上成人手臂骨折，復(fù)位方式為手術(shù)復(fù)位，治療周期較長(zhǎng)，且可通過手臂屈伸進(jìn)行功能鍛煉的人群。

產(chǎn)品類別：醫(yī)療護(hù)具。

使用環(huán)境：病人通過手術(shù)復(fù)位康復(fù)后。

（二）設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)一套有助于患者骨折康復(fù)治療的治療儀，主要是—種醫(yī)療護(hù)具，能起到固定作用，同時(shí)也能夠輔助功能鍛煉、控制功能鍛煉的運(yùn)動(dòng)量，同時(shí)該護(hù)具能進(jìn)行熱敷，促進(jìn)血液循環(huán)，幫助患者快速恢復(fù)。產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮可行性與佩戴的舒適性。

（三）設(shè)計(jì)初步構(gòu)想

本產(chǎn)品主要是一種手臂骨折術(shù)后康復(fù)支具，在患者術(shù)后康復(fù)過程中，能對(duì)患者手臂進(jìn)行固定，引導(dǎo)患者進(jìn)行功能鍛煉，功能鍛煉的主要形式是手臂屈伸，強(qiáng)度可隨著時(shí)間和手臂康復(fù)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)品宜適用于大部分人的穿戴習(xí)慣，因此長(zhǎng)度可調(diào)節(jié);產(chǎn)品具有冷敷，熱敷的功能。

1.草圖方案

方案一：（如圖2）所示，方案一支撐旋轉(zhuǎn)部分的支架較細(xì)，預(yù)采用鋁合金，兩支架之間有一個(gè)D型殼，前支架位于D形殼內(nèi)，后支架與D形殼外殼通過螺釘固定連接，D形殼上有一個(gè)開口，前支架沿著該開口相對(duì)后支架旋轉(zhuǎn)。D形殼殼體內(nèi)合有固定，限制支架旋轉(zhuǎn)范圍的零件。外側(cè)有旋鈕，通過旋鈕實(shí)現(xiàn)功能運(yùn)動(dòng)與固定模式的切換。支架與穿戴部分的套筒通過螺紋固定連接，無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度調(diào)節(jié)功能。此外，套筒的加熱方式為電熱絲加熱。

產(chǎn)品造型簡(jiǎn)單，多采用柔和的曲線，親和力較強(qiáng)。

方案二：（如圖3）所示，方案二支撐旋轉(zhuǎn)部分無(wú)D形殼，前支架與后支架均為塑料件，輔助實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的零件位于前支架與后支架之間，支架與套筒之間合有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌與套筒螺紋固定連接，導(dǎo)軌可沿著支架移動(dòng)，調(diào)節(jié)產(chǎn)品長(zhǎng)短;套筒內(nèi)合有凝膠袋，凝膠袋可取出制冷制熱。

外觀上，方案二支架設(shè)計(jì)更整體，多采用規(guī)則幾何，風(fēng)格較死板，對(duì)其外殼表面進(jìn)行面分割。

2.方案評(píng)比

（1）評(píng)價(jià)方法：以下是對(duì)以上兩個(gè)方案進(jìn)行評(píng)估過程，具體權(quán)重（如表2）所示。

選10人對(duì)方案一，方案二各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行合理性評(píng)估，5分制，取平均值標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)果如下如下：

0分：完全不合理

1分：部分不合理

2分：基本合理

3分：合理

4分：十分合理

5分：超出預(yù)期

（2）評(píng)價(jià)結(jié)果：評(píng)價(jià)結(jié)果（如表3）所示，根據(jù)（如表4）數(shù)據(jù)，得到方案—方案二權(quán)數(shù)：

根據(jù)表格得出結(jié)論：方案一與方案二都屬于合理方案，方案二優(yōu)于方案一。

（3）評(píng)價(jià)分析

整體造型：方案一輪廓曲線流暢，輕便，闡述了關(guān)懷的產(chǎn)品語(yǔ)義;方案二方正、簡(jiǎn)潔，風(fēng)格統(tǒng)一、但略顯傳統(tǒng)、古板。

功能：方案一D形殼開口不宜設(shè)置過大，可旋轉(zhuǎn)角度范圍受到限制，方案二允許手臂活動(dòng)范圍較大，結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)固;而0～120的旋轉(zhuǎn)角度范圍為合理角度;方案二能同時(shí)對(duì)手臂進(jìn)行冷敷熱敷;二者互相結(jié)合更有益與手臂骨折康復(fù)過程的治療;方案2能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)長(zhǎng)短的功能，而方案1不能實(shí)現(xiàn)。

人機(jī)：方案1較輕，操作較簡(jiǎn)單。方案2較穩(wěn)固，長(zhǎng)度可調(diào)有益于佩戴更舒適。操作略繁雜。

成本：方案1曲面造型較多，加工工序多，加工困難。方案2加工簡(jiǎn)單。

四、詳細(xì)設(shè)計(jì)

（一）功能

1.固定及功能鍛煉：產(chǎn)品主要包含支撐旋轉(zhuǎn)部分和穿戴部分。支撐旋轉(zhuǎn)部分上包含前支架，后支架，通過旋鈕調(diào)節(jié)，前支架與后支架可相對(duì)固定，也可繞著中心軸做定軸旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角度可調(diào)節(jié)，最大范圍為0-120°?；颊邚?fù)位前期不能進(jìn)行手臂屈伸運(yùn)動(dòng)，主要通過手臂等長(zhǎng)肌肉收縮進(jìn)行功能鍛煉，即在不活動(dòng)關(guān)節(jié)的情況下做握拳等活動(dòng)，后期手臂屈伸角度宜遵循循序漸進(jìn)的原則，根據(jù)醫(yī)生的指導(dǎo)逐漸加大功能運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，保證康復(fù)鍛煉的有效性，防止運(yùn)動(dòng)過度造成傷勢(shì)復(fù)發(fā)，影響骨折治療。

2.泠敷熱敷：套筒內(nèi)部包合一個(gè)真絲布袋，側(cè)面開口，內(nèi)合凝膠袋，凝膠袋可單獨(dú)取出制冷，制熱。

3.可穿戴性：套筒設(shè)計(jì)宜符合^機(jī)，適合13歲以上95%以上的人佩戴，套筒可沿導(dǎo)軌移動(dòng)，改變產(chǎn)品長(zhǎng)短。

4.醫(yī)療產(chǎn)品：產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計(jì)宜符合醫(yī)療產(chǎn)品的語(yǔ)義。

（二）人機(jī)考量與套筒設(shè)計(jì)

1.人體骨骼研究以及肌肉輪廓測(cè)量：（如圖4）為人體上臂肌肉圖，（如圖5）為人體上肢骨骼圖，靠近肩關(guān)節(jié)一側(cè)的骨頭為肱骨，靠近掌心下端的骨頭為尺骨，上端為撓骨，肘關(guān)節(jié)以后的肌肉為肱二頭肌和肱三頭肌，肘關(guān)節(jié)以前的前臂肌肉，關(guān)節(jié)以后手臂輪廓偏圓，關(guān)節(jié)前手臂輪廓扁平，在現(xiàn)實(shí)中隨機(jī)抽取10男10女人對(duì)肱骨離外性踝2cm左右的肌肉輪廓進(jìn)行測(cè)量，橫向長(zhǎng)度為8.06cm，縱向長(zhǎng)度為8.76cm，對(duì)這二十人尺骨距外上踝4cm的肌肉輪廓進(jìn)行測(cè)量，橫向長(zhǎng)度為8.23cm，縱向長(zhǎng)度為6：13cm，對(duì)這二十人尺骨距外上踝10cm處肌肉輪廓進(jìn)行測(cè)量，取平均值，橫向長(zhǎng)度為7.02cm，縱向長(zhǎng)度為6.01cm、7.98cm。人體上臂存在5-15度的攜帶角，又稱肱外偏角。

2.套筒形態(tài)及尺寸：以上研究背景為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了套筒內(nèi)側(cè)的形態(tài)以及尺寸，套筒俯視圖的形態(tài)為長(zhǎng)方形與橢圓的組合的演變。長(zhǎng)方形的長(zhǎng)度為3cm，前臂肌肉處的套筒為前套筒，肱二頭肌以及肱三頭肌處的套簡(jiǎn)稱之為后套筒。前套筒正視圖為梯形的演變，前套筒靠近手掌一端的橢圓長(zhǎng)徑為9cm，短徑為4cm;靠近關(guān)節(jié)一端的橢圓長(zhǎng)徑為11cm，短徑為6cm。后套筒長(zhǎng)徑為12cm，短徑為9cm。由于人的上臂存在5～15度攜帶角，因而在設(shè)計(jì)時(shí)，后套筒的中心位置相對(duì)前套筒中心位置往遠(yuǎn)離支架方向偏移了1厘米。佩戴更舒適。

（三）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.總體結(jié)構(gòu)：產(chǎn)品主要包含支撐旋轉(zhuǎn)部分和穿戴部分。支撐旋轉(zhuǎn)部分包括前支架，后支架，導(dǎo)軌，固定旋鈕，角度調(diào)節(jié)旋鈕，中心軸，旋緊件一，旋緊件2，彈簧，調(diào)節(jié)柄，螺栓。

穿戴部分包含前后兩個(gè)套筒，兩套筒與兩支架之間分別有一個(gè)導(dǎo)軌，導(dǎo)軌與套筒固定連接，套筒可通過導(dǎo)軌相對(duì)支架移動(dòng)。

2.支撐旋轉(zhuǎn)部分：（如圖6）支架裝配圖，（如圖7）為本產(chǎn)品的功能原理圖，固定旋鈕，前支架，旋緊件1，彈簧，旋緊件2，后支架，調(diào)節(jié)柄，旋鈕2同軸連接。前支架與后支架之間有旋緊件1，旋緊件2，旋緊件表面有T型齒，兩旋緊件之間有彈簧，固定旋鈕與旋緊件通過螺紋固定連接，壓縮彈簧時(shí)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)固定旋鈕，使固定旋鈕上螺紋與前支架上的螺紋配合，此時(shí)前蓋，前支架，旋轉(zhuǎn)件1之間為固定連接，彈簧處于壓縮狀態(tài)，旋緊件1與旋緊件2表面相接觸，旋緊件1與旋緊件表面有T形齒，按緊時(shí)不可發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，旋緊件2與后蓋固定連接，因此此時(shí)前支架不能相對(duì)后支架轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)固定作用。

前支架上設(shè)有空腔和支出塊，后支架上設(shè)有空腔和調(diào)節(jié)柄旋鈕。調(diào)節(jié)柄旋鈕上設(shè)有擋塊。支出塊在旋轉(zhuǎn)過程沿著前支架和后支架之間的空腔移動(dòng)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)旋鈕，撥動(dòng)調(diào)節(jié)柄至合適的角度后，再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)旋鈕，使角度調(diào)節(jié)旋鈕壓緊調(diào)節(jié)柄。調(diào)節(jié)柄與調(diào)節(jié)柄之間均設(shè)有橡膠層。按緊時(shí)產(chǎn)生摩擦力，從而固定調(diào)節(jié)柄和擋塊的至預(yù)先設(shè)置的位置，限制前支架相對(duì)后支架的旋轉(zhuǎn)角度。

支架與導(dǎo)軌通過螺栓連接，支架上有導(dǎo)軌滑道，導(dǎo)軌可沿著導(dǎo)軌滑道沿著支架移動(dòng)。

3.穿戴部分：（如圖8）所示，穿戴部分主要包合套筒，扣具，綁帶，凝膠袋。

套筒可分為前套筒和后套筒，套筒包合塑料外殼，內(nèi)墊，凝膠袋。套筒與導(dǎo)軌螺栓固定連接，套筒可通過導(dǎo)軌沿著支架移動(dòng)、調(diào)節(jié)佩戴時(shí)的長(zhǎng)短。綁帶通過卡扣以及套筒一側(cè)開口纏繞在套筒上，卡扣與套筒通過螺栓連接?？劬甙酆烷L(zhǎng)帶扣，卡扣和扣具均為已有產(chǎn)品，無(wú)需單獨(dú)設(shè)計(jì)。綁帶包含兩個(gè)部分：套筒上的綁帶，長(zhǎng)帶扣上的綁帶，套筒上的綁帶用于固定套筒與手臂相對(duì)位置，長(zhǎng)帶扣上的綁帶掛在脖子上，主要起固定作用。套筒內(nèi)墊上設(shè)有一開口，該開口處與真絲布布袋通過縫合連接，真絲布布袋側(cè)面開口，凝膠袋可方便地放進(jìn)、取出。為使凝膠袋體量在不影響功能的情況下盡量小，提高產(chǎn)品佩戴時(shí)的舒適性。對(duì)膠袋中間掏空。

4.外觀細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

（1）配色設(shè)計(jì)：對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行配色，塑料件外殼均用乳白色，支架噴珍珠漆，內(nèi)墊采用天藍(lán)色，考慮到本產(chǎn)品是一種醫(yī)療產(chǎn)品，色彩設(shè)計(jì)宜柔和而干凈（如圖6）所示。

（2）質(zhì)感：支架進(jìn)行噴珍珠漆處理，綁帶加入皮革，套筒外層加入皮革材質(zhì)與綁帶相照應(yīng)。

五、操作過程

1.取出凝膠袋，將凝膠袋放入冰箱（或溫水）中，進(jìn)行制冷（制熱）后，通過內(nèi)墊布袋右側(cè)開口將凝膠袋放入其中。

2.逆時(shí)針旋動(dòng)角度調(diào)節(jié)旋鈕，撥動(dòng)調(diào)節(jié)柄，調(diào)至醫(yī)生指導(dǎo)下的角度后，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)擰緊角度調(diào)節(jié)旋鈕，固定調(diào)節(jié)柄位置。

3.逆時(shí)針旋動(dòng)前蓋，使彈簧處于自然狀態(tài)。

4.逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋緊螺母，調(diào)節(jié)長(zhǎng)短。

5.戴上套筒，系上綁帶。

6.功能鍛煉。

7.旋緊前蓋，壓緊彈簧，固定支架至合適角度。

8.系上長(zhǎng)帶，掛在脖子上。（選）

結(jié)論

本設(shè)計(jì)較完善地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，在滿足支具基本固定要求的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)人們進(jìn)行正確的功能鍛煉;創(chuàng)新性使用冷敷熱敷，促進(jìn)血液循環(huán)，加快康復(fù)過程;結(jié)構(gòu)上，布局合理，加工性能良好;造型上，忠實(shí)于“形式追隨功能”，打破原有的呆板，加入更多的人機(jī)關(guān)懷。具有良好的市場(chǎng)前景。