手臂骨折术后康复治疗支具设计

2019-05-20亢净

设计 2019年8期

亢净

引言

骨折在近年来的发病率越来越高，无论是事故的发生还是骨質的好坏都共同影响着骨折发生的概率。在骨折的治疗中有很重要的一个环节，那就是康复治疗，康复治疗是骨折治疗的重要阶段，是防止发生并发症和及早恢复功能的重要保证。然而现在市场上大多针对手臂骨折护具的产品还都较原始，通常为固定式，无法引导人们进行功能锻炼，患者进行功能锻炼时，需单独拆下该护具，操作过程繁琐，同是也使患者在锻炼过程中缺乏保护。在这种情况下，人们进行功能锻炼的意识也比较薄弱，而缺乏功能锻炼可能会造成关节与肌肉粘连，影响关节灵活度，严重时甚至会导致终身残疾。

针对这种情况提出设计一种旨在引导人们进行正确功能锻炼的手臂骨折护具，该护具在满足基本功能手臂固定的基础下，能够引导患者进行功能锻炼，帮助患者快速康复。

一、市场调查

（一）手臂骨折研究

1.手臂骨折复位及固定：骨折是人类的一种多发性疾病，可由直接暴力，间接暴力，积累性劳损引起。车轮撞击，紧急刹车，以及长期反复损伤某个部位都可能造成骨折。常见的骨折有锁骨骨折、手臂骨折、腕部骨折、踝部骨折、足部骨折。其中，50%的成年人骨折发生于手臂，而手臂骨折有时需要数月才能恢复。

按年龄分，骨折分为小儿骨折和成人骨折，年龄不同，愈合难度也不同，由于骨骼结构不同，小儿骨骼愈合速度通常比成年人快。

一般来说，骨折治疗包合三个步骤，第一个步骤是复位，骨折发生移位后，骨折块必须放回原来的位置，常用的骨折复位有手法复位、手术复位、持续牵引复位三种。其中手法复位损伤小，是目前使用得最广泛的一种治疗方式。手术复位，又称切开复位，能解剖复位，但会增加局部损伤，同时还可能会有感染的风险，常用于开放性骨折、关节内骨折、骨折不愈合、合并血管和神经损伤以及手法复位失败的骨折。

手法复位损伤最小愈合时间快。手术复位，治疗难度大，愈合时间长，按不同部位能达到3月至半年之久。

骨折治疗的第二个步骤是固定，固定的方式取决于骨折的严重程度，是否为开放性骨折，骨折累及的部位，固定的方式有内固定和外固定，常见的外固定方式为石膏固定和支具固定。

治疗的第三个步骤是功能锻炼。经过第二个步骤后，手臂被石膏板或者固定支具固定，会影响血液循环，骨折愈合过程中会形成骨痂，缺乏功能运动会导致关节处与与软组织粘连，肌肉萎缩等情况，甚至造成残疾。

功能锻炼分为主动运动和被动运动，主动运动如手臂等长收缩，手臂屈伸。被动运动如按摩等。

患者往往在手术1～2周后就需要开始进行功能训练，此时骨折断端不稳定，容易发生再移位，因此在功能锻炼中，需遵从循序渐进的原则，以不引起关节移位为宜，此过程需在医生的指导下进行。

此外，适当地加快血液循环同样有助于术后骨折的康复，而热敷与冷敷有助于促进血液循环。

（二）现有相关产品调查

1.产品现状：手臂固定支具：锁骨骨折及肩关节脱位护具，这是目前骨折术后普遍使用得固定护具，成本低廉，功能单一，患者在康复过程中无法同时进行功能锻炼（如图1）。

2.消费者调查：消费者调查采用的方法是直接询问法（如表1）。

3.调查结果及分析：92.6%的人认为需要一款能够引导人们进行功能锻炼的手臂骨折康复支具，因此产品是具有良好的开发前景，在对产品关注的点上，83.1%重视产品本身的牢固性，稳定性;79.8%的人群关心产品的人机;84.3%的人希望产品具有更完善的功能整合，加热方式上，62.9%的人更喜欢成本较低，功能齐全的加入凝胶袋控温的方式，远高于操作相对简单，成本较高，功能单一，需加入电路控制的电热丝加热方式。

三、方案初步设计及选定

（一）市场定位

产品定位：中高端医疗产品

初步市场定价：400～600RMB

消费者定位：13岁以上成人手臂骨折，复位方式为手术复位，治疗周期较长，且可通过手臂屈伸进行功能锻炼的人群。

产品类别：医疗护具。

使用环境：病人通过手术复位康复后。

（二）设计目标

设计一套有助于患者骨折康复治疗的治疗仪，主要是—种医疗护具，能起到固定作用，同时也能够辅助功能锻炼、控制功能锻炼的运动量，同时该护具能进行热敷，促进血液循环，帮助患者快速恢复。产品在设计过程中应充分考虑可行性与佩戴的舒适性。

（三）设计初步构想

本产品主要是一种手臂骨折术后康复支具，在患者术后康复过程中，能对患者手臂进行固定，引导患者进行功能锻炼，功能锻炼的主要形式是手臂屈伸，强度可随着时间和手臂康复情况进行调节，产品宜适用于大部分人的穿戴习惯，因此长度可调节;产品具有冷敷，热敷的功能。

1.草图方案

方案一：（如图2）所示，方案一支撑旋转部分的支架较细，预采用铝合金，两支架之间有一个D型壳，前支架位于D形壳内，后支架与D形壳外壳通过螺钉固定连接，D形壳上有一个开口，前支架沿着该开口相对后支架旋转。D形壳壳体内合有固定，限制支架旋转范围的零件。外侧有旋钮，通过旋钮实现功能运动与固定模式的切换。支架与穿戴部分的套筒通过螺纹固定连接，无法实现长度调节功能。此外，套筒的加热方式为电热丝加热。

产品造型简单，多采用柔和的曲线，亲和力较强。

方案二：（如图3）所示，方案二支撑旋转部分无D形壳，前支架与后支架均为塑料件，辅助实现产品功能的零件位于前支架与后支架之间，支架与套筒之间合有导轨，导轨与套筒螺纹固定连接，导轨可沿着支架移动，调节产品长短;套筒内合有凝胶袋，凝胶袋可取出制冷制热。

外观上，方案二支架设计更整体，多采用规则几何，风格较死板，对其外壳表面进行面分割。

2.方案评比

（1）评价方法：以下是对以上两个方案进行评估过程，具体权重（如表2）所示。

选10人对方案一，方案二各项参数进行合理性评估，5分制，取平均值标准和结果如下如下：

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：超出预期

（2）评价结果：评价结果（如表3）所示，根据（如表4）数据，得到方案—方案二权数：

根据表格得出结论：方案一与方案二都属于合理方案，方案二优于方案一。

（3）评价分析

整体造型：方案一轮廓曲线流畅，轻便，阐述了关怀的产品语义;方案二方正、简洁，风格统一、但略显传统、古板。

功能：方案一D形壳开口不宜设置过大，可旋转角度范围受到限制，方案二允许手臂活动范围较大，结构相对稳固;而0～120的旋转角度范围为合理角度;方案二能同时对手臂进行冷敷热敷;二者互相结合更有益与手臂骨折康复过程的治疗;方案2能实现调节长短的功能，而方案1不能实现。

人机：方案1较轻，操作较简单。方案2较稳固，长度可调有益于佩戴更舒适。操作略繁杂。

成本：方案1曲面造型较多，加工工序多，加工困难。方案2加工简单。

四、详细设计

（一）功能

1.固定及功能锻炼：产品主要包含支撑旋转部分和穿戴部分。支撑旋转部分上包含前支架，后支架，通过旋钮调节，前支架与后支架可相对固定，也可绕着中心轴做定轴旋转。旋转角度可调节，最大范围为0-120°。患者复位前期不能进行手臂屈伸运动，主要通过手臂等长肌肉收缩进行功能锻炼，即在不活动关节的情况下做握拳等活动，后期手臂屈伸角度宜遵循循序渐进的原则，根据医生的指导逐渐加大功能运动的运动量，保证康复锻炼的有效性，防止运动过度造成伤势复发，影响骨折治疗。

2.泠敷热敷：套筒内部包合一个真丝布袋，侧面开口，内合凝胶袋，凝胶袋可单独取出制冷，制热。

3.可穿戴性：套筒设计宜符合^机，适合13岁以上95%以上的人佩戴，套筒可沿导轨移动，改变产品长短。

4.医疗产品：产品形态设计宜符合医疗产品的语义。

（二）人机考量与套筒设计

1.人体骨骼研究以及肌肉轮廓测量：（如图4）为人体上臂肌肉图，（如图5）为人体上肢骨骼图，靠近肩关节一侧的骨头为肱骨，靠近掌心下端的骨头为尺骨，上端为挠骨，肘关节以后的肌肉为肱二头肌和肱三头肌，肘关节以前的前臂肌肉，关节以后手臂轮廓偏圆，关节前手臂轮廓扁平，在现实中随机抽取10男10女人对肱骨离外性踝2cm左右的肌肉轮廓进行测量，横向长度為8.06cm，纵向长度为8.76cm，对这二十人尺骨距外上踝4cm的肌肉轮廓进行测量，横向长度为8.23cm，纵向长度为6：13cm，对这二十人尺骨距外上踝10cm处肌肉轮廓进行测量，取平均值，横向长度为7.02cm，纵向长度为6.01cm、7.98cm。人体上臂存在5-15度的携带角，又称肱外偏角。

2.套筒形态及尺寸：以上研究背景为基础，设计了套筒内侧的形态以及尺寸，套筒俯视图的形态为长方形与椭圆的组合的演变。长方形的长度为3cm，前臂肌肉处的套筒为前套筒，肱二头肌以及肱三头肌处的套简称之为后套筒。前套筒正视图为梯形的演变，前套筒靠近手掌一端的椭圆长径为9cm，短径为4cm;靠近关节一端的椭圆长径为11cm，短径为6cm。后套筒长径为12cm，短径为9cm。由于人的上臂存在5～15度携带角，因而在设计时，后套筒的中心位置相对前套筒中心位置往远离支架方向偏移了1厘米。佩戴更舒适。

（三）结构设计

1.总体结构：产品主要包含支撑旋转部分和穿戴部分。支撑旋转部分包括前支架，后支架，导轨，固定旋钮，角度调节旋钮，中心轴，旋紧件一，旋紧件2，弹簧，调节柄，螺栓。

穿戴部分包含前后两个套筒，两套筒与两支架之间分别有一个导轨，导轨与套筒固定连接，套筒可通过导轨相对支架移动。

2.支撑旋转部分：（如图6）支架装配图，（如图7）为本产品的功能原理图，固定旋钮，前支架，旋紧件1，弹簧，旋紧件2，后支架，调节柄，旋钮2同轴连接。前支架与后支架之间有旋紧件1，旋紧件2，旋紧件表面有T型齿，两旋紧件之间有弹簧，固定旋钮与旋紧件通过螺纹固定连接，压缩弹簧时，顺时针旋转固定旋钮，使固定旋钮上螺纹与前支架上的螺纹配合，此时前盖，前支架，旋转件1之间为固定连接，弹簧处于压缩状态，旋紧件1与旋紧件2表面相接触，旋紧件1与旋紧件表面有T形齿，按紧时不可发生相对转动，旋紧件2与后盖固定连接，因此此时前支架不能相对后支架转动，实现固定作用。

前支架上设有空腔和支出块，后支架上设有空腔和调节柄旋钮。调节柄旋钮上设有挡块。支出块在旋转过程沿着前支架和后支架之间的空腔移动，逆时针旋转角度调节旋钮，拨动调节柄至合适的角度后，再顺时针旋转角度调节旋钮，使角度调节旋钮压紧调节柄。调节柄与调节柄之间均设有橡胶层。按紧时产生摩擦力，从而固定调节柄和挡块的至预先设置的位置，限制前支架相对后支架的旋转角度。

支架与导轨通过螺栓连接，支架上有导轨滑道，导轨可沿着导轨滑道沿着支架移动。

3.穿戴部分：（如图8）所示，穿戴部分主要包合套筒，扣具，绑带，凝胶袋。

套筒可分为前套筒和后套筒，套筒包合塑料外壳，内垫，凝胶袋。套筒与导轨螺栓固定连接，套筒可通过导轨沿着支架移动、调节佩戴时的长短。绑带通过卡扣以及套筒一侧开口缠绕在套筒上，卡扣与套筒通过螺栓连接。扣具包含卡扣和长带扣，卡扣和扣具均为已有产品，无需单独设计。绑带包含两个部分：套筒上的绑带，长带扣上的绑带，套筒上的绑带用于固定套筒与手臂相对位置，长带扣上的绑带挂在脖子上，主要起固定作用。套筒内垫上设有一开口，该开口处与真丝布布袋通过缝合连接，真丝布布袋侧面开口，凝胶袋可方便地放进、取出。为使凝胶袋体量在不影响功能的情况下尽量小，提高产品佩戴时的舒适性。对胶袋中间掏空。

4.外观细节设计

（1）配色设计：对产品进行配色，塑料件外壳均用乳白色，支架喷珍珠漆，内垫采用天蓝色，考虑到本产品是一种医疗产品，色彩设计宜柔和而干净（如图6）所示。

（2）质感：支架进行喷珍珠漆处理，绑带加入皮革，套筒外层加入皮革材质与绑带相照应。

五、操作过程

1.取出凝胶袋，将凝胶袋放入冰箱（或温水）中，进行制冷（制热）后，通过内垫布袋右侧开口将凝胶袋放入其中。

2.逆时针旋动角度调节旋钮，拨动调节柄，调至医生指导下的角度后，顺时针旋转拧紧角度调节旋钮，固定调节柄位置。

3.逆时针旋动前盖，使弹簧处于自然状态。

4.逆时针旋转旋紧螺母，调节长短。

5.戴上套筒，系上绑带。

6.功能锻炼。

7.旋紧前盖，压紧弹簧，固定支架至合适角度。

8.系上长带，挂在脖子上。（选）