幼儿脊椎矫正多功能操作台设计

余洋阳，孙东明

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院）

0 引言

早发性脊柱侧弯指幼儿5 岁前发生的特发性脊柱侧凸，且随着患儿生长，脊椎侧弯程度也逐渐增大[1]，手术治疗是目前治疗脊椎侧弯的主要方法[2]，但由于患儿处于生长发育高速期，手术治疗影响身体健康和胸廓发育。目前，普遍使用石膏外固定法抑制患儿脊椎侧弯，等到患儿10岁生长发育接近成熟以后选择手术治疗[3-4]。石膏外固定治疗脊椎侧弯在临床应用中效果显著[5-6]。

目前医生使用石膏外固定治疗脊椎侧弯时，一般采用2 根木棍支撑幼儿体重，在木棍上涂上石蜡油，以方便石膏模型完成后木棍取出。将2木棍放在齐腰高度的矮凳上，医生压紧固定木棒位置，因为幼儿处于全身麻醉的状态，需要2 名医生防护患儿免从木棒上掉落，一名医生利用枕额带牵引头部，另一名医生牵引足部进行对抗。牵引操作时，以患儿脊椎刚离开支撑木棒为标准，牵引力量约为患儿质量的3 倍，利用Cotrol和 Morel 方法对患儿侧弯进行去旋转塑形，最后对幼儿脊椎进行石膏外敷，得到适合脊椎矫正的石膏外模[7]。

通过医生操作过程可知，医生操作复杂，费时费力，容易造成医生的疲劳，无法进行连续矫正操作。目前，国外使用脊椎矫正床辅助医生治疗脊椎侧弯，国内关于脊椎矫正床的发明较少，且结构简单，功能单一，没有实际应用于临床中。2015 年，首都医科大学附属毕竟儿童医院孙琳提出一种脊柱侧弯石膏矫形床，通过托付机构、牵引机构和反光镜组来支撑患儿身体，方便石膏外敷。由于患儿处于麻醉状态，托付机构托起患儿臀部，牵引机构牵引患儿头部和腿部，容易损伤患儿身体[8]；2017 年，天津市天津医院解礼伟发明一种脊椎侧弯石膏矫正床[9]，利用多个水平支撑杆支撑患者头部、胯部和腿部，用4 根竖直支撑杆与顶丝活动装置调节水平支撑杆高度。

在满足安全性和提高医生操作方便性基础上，我们研制了移动式多功能幼儿脊椎矫正操作台。

1 移动式幼儿脊椎矫正多功能操作台设计思路

在针对医生利用石膏外固定法治疗脊椎侧弯操作不方便的基础上，本文设计一款新型幼儿脊椎矫正多功能操作台。联系实际环境中操作台的使用要求，幼儿多功能操作台的设计要求与设计方案如下：

（1）此设备应能满足不同身高医生的使用，体现人机交互性设计，通过液压驱动多杆升降机构；

（2）此设备需要能够支撑不同年龄段身高的幼儿。操作台选用导轨式滑动拉伸改变长度，适应不同幼儿的需要；

（3）该操作台在支撑幼儿的同时，能够将幼儿背部露出在医生的视野中,方便石膏的外敷。我们选择用支架支撑幼儿臀部和肩部，布带支撑幼儿背部。通过布带自锁装置，使布带在承受压力的同时，施加给滑块的缠绕力与布带穿过滑块部分摩擦自锁。方便下次使用时方便布带的安装；

（4）面对不同患儿的脊椎侧弯情况，设计多功能辅助机构，对患儿头部固定和腿部提升，方便医生对脊椎预矫正。

2 机械结构的设计

医生在使用时，通过患儿身高提前将移动操作平台后部沿导轨移动到适当位置，转动定位手柄，通过导轨固定机构将移动操作平台后部固定。然后，将布带通过布带自锁机构与棘轮棘爪装置张紧，幼儿平躺在布带与支撑台上时，布带自锁机构中布带受拉，带动滑块摩擦自锁，随后医生通过操作摇杆使液压缸上升，带动升降机构运动，使操作平台升高到适合医生操作的高度，针对复杂的幼儿脊椎侧弯情况，通过多功能辅助装置对患儿的躯体进行牵引。如图1 所示，在使用时，医生先通过辅助机构吊轮使用布带拉动双腿抬高，头部牵引装置固定双臂和下颚，通过额带拉伸头部。由于布带束缚腿部，医生牵引患儿头部，患儿脊椎向正常状态转动。在患者通过移动操作平台横板支撑肩膀和臀部，背部通过布带支撑，使背部露出，另外一名医生通过移动操作平台下方的镜子给患者涂敷石膏。

图1 幼儿脊椎矫正多功能操作台结构Fig.1 Structure of multi-functional operator's station for spinal correction in young children

2.1 液压升降机

如图2 所示，考虑到设备成本，本机构采用手动式液压缸，以方便医生控制升降高度。当用手向上提起杠杆1 时，小活塞2 就被拉动上升，小缸3 的下腔密封容积增大，腔内压力降低，构成一些真空。这时放油阀9 通路封锁，油箱10中的油液就在大气压力的效果下推开钢球4 沿吸油孔进入小缸的下腔，完结一次吸油动作。压下杠杆1，小活塞下移，小缸下腔的密封容积减小，腔内压力升高，这时钢球4 主动封锁了油液流回油箱的通路，小缸下腔的压力油就推开钢球5 挤入大缸6 的下腔，推进大活塞将操作台机架8 向上顶起一段间隔。

图2 液压升降油缸工作原理Fig.2 Working principle of hydraulic lifting cylinder

大活塞带动机架整体上升高，机架与转角杆转角处相连，转角杆一端与液压缸连接，绕其做转动，另一端与连杆相连，推动连杆向右转动。摇杆转动带动滑轮向左滑动，使升降车尾部随机架整体升高。液压升降结构示意图如图3 所示。

图3 液压升降机构结构简图Fig.3 Schematic diagram of hydraulic lifting mechanism structure

2.2 移动操作平台

移动操作平台分为前后两部分，如图4（a）为移动操作平台前部，固定在操作台机架上；图4（b）为移动操作平台后部，通过导轨连接操作平台机架。移动操作平台通过横板托起幼儿躯干，操作平台上有布带自锁装置，即将布带穿过滑动块，绕滑块缠绕，拉向有棘轮棘爪装置的另一端，转动棘轮手柄，通过棘轮装置转动张进布带。图4（b）中，移动操作台分为2 部分：横板负责支撑幼儿臀部和肩部，布带负责支撑起背部躯干，防止幼儿在麻醉状态下躯干从两横板间滑落，对麻醉状态下的幼儿造成伤害。移动操作台前部和后部内侧有波浪式内凹齿，与横板下面凸出的半圆形突出齿相配合，通过与不同段的齿咬合，可以调节横板位置的作用，增大不同身高儿童使用的灵活性。

图4 移动操作平台Fig.4 Mobile operating platform

移动操作台通过导轨固定装置改变两部分操作台距离。移动操作台后部通过两导轨与操作台机架连接，偏心轮压紧固定装置固定在机架上，带切面的横梁穿过其导向孔，参见图5。如图6所示，偏心轮压紧固定装置手柄1 与偏心轮2 固定连接，偏心轮与压柱3 接触，压柱下方套有一弹簧4。图6 中，手柄转动带动偏心轮转动，带动压柱向下运动，压缩弹簧，与横梁切面压紧，固定移动操作台后部。手柄逆转，偏心轮对压柱压力减小，弹簧回复，使压杆回到原来位置，移动操作平台恢复可沿导轨移动。

图5 导轨固定机构安装示意图Fig.5 Installation diagram of guide rail fixing mechanism

图6 移动平台后部导轨固定装置Fig.6 Mobile platform rear rail fixing device

2.3 多功能辅助装置

针对复杂的幼儿脊椎侧弯问题，需要医生牵引头部和腿部对抗，使脊椎转动到正确的位置，为石膏外敷提供前期准备。幼儿脊椎侧弯情况不同，对患儿的牵引体态也不相同。

如图1 所示，在移动工作台前部增加了头部牵引轮带系统，通过支撑架支撑2 个滑轮，布带通过滑轮穿过幼儿额下，轻微拉紧使幼儿身体处于拉紧状态，固定幼儿头部。移动操作平台后部设置一个导轨滑轮移动系统，滑轮在导轨上移动通过布带束缚患者腿部，布带拉伸使腿部与躯干成不同的角度。通过医生牵引患儿头部，使其脊椎向正常状态转动。与目前脊椎外固定方法相比，通过多功能辅助机构减少了医生操作人数。为了便于医生在石膏外敷时视野方便看到幼儿背部，还所以在移动伸缩平台下面安装一倾斜镜面。目前该设备已经被应用于昆明医科大学第二附属医院（如图7 所示）。

图7 实际使用效果Fig.7 Actual use effect

3 结论

幼儿脊椎矫正多功能操作台在治疗幼儿脊椎侧弯方面提供了极大的帮助。该设备操作使用简单、方便快捷，各结构牢固可靠。在石膏矫正法的使用中，操作台的使用减少了医生的人力成本，提高了医护人员的工作效率。