浅析掌指关节被动运动康复器的研制

周子航，戚仕涛，陈镜安，许天宇

（1.南京市中医院临床医学工程部，江苏 南京 210000；2.南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019；3.南京技师学院智能制造系，江苏 南京 210000）

手部康复运动分为两种，一种为手指向内屈曲，这种运动主要活动手指的指骨间关节；另一种为向外伸展，这种运动主要活动手指的掌指关节；在现有的指关节康复器当中，大部分为将手固定后做屈曲运动，能做伸展运动的康复器极为少见，想让病人做伸展运动只能靠医护人员用手将病人的手向上掰，再将病人的手屈回本来的位置。让医护人员给患者的手部做伸展运动十分耗费人力，在这种情况下，研制一种可替代医护人员帮病人手动做伸展运动的康复器则可改善上述情况。

1 手部伸展运动的治疗作用

1.1 对于脑卒中偏瘫患者的效果

“脑卒中”，又名“中风”，是一种急性脑血管疾病，我国脑卒中患者平均年龄为63岁。随着中国进入老龄化社会，据统计，2019年底中国60岁以上老人达2.6亿，占比18.7%；而全国目前脑卒中发病人数近 1242万人，每年新增病例250万左右，致残人数 800万，死亡人数 196万人。脑卒中通常使患者手臂麻木，甚至是半身不遂。如果缺少康复治疗那手指的活动性就会逐渐降低，之后都有可能造成肌肉萎缩的现象。据路莹等“重复局部肌肉振动联合镜像视觉反馈训练对脑卒中偏瘫患者上肢功能、手指活动度的影响”的研究表明，将78位脑卒中患者作为研究对象，平均分为两组，各组都进行常规康复，另一组在常规康复的基础上加入肌肉振动治疗。治疗一个月后，比较两组的手指活动度，比较发现，两组患者的手指最大伸展角度均大于治疗前（如表1）。

表1 手指伸展运动对于脑卒中偏瘫患者手部康复效

1.2 对于掌指骨骨折患者术后的康复效果

掌指关节受到损伤，经由手术后，患者可能出现阵痛、肿胀等现象。据白江博等“掌指骨骨折的术后康复观察”的研究表明，掌指骨骨折患者术后的两到三天可以开始进行手部的主动及被动运动，一天进行约三次的康复治疗，每一次治疗时间在十到二十分钟左右；在训练时；引导患者自己至少有一次将关节伸至正常角度，在进行一到两周后，患者的创口疼痛及肿胀基本消失，而后鼓励患者进行主动康复运动。

1.3 对于帕金森病患者的康复效果

帕金森病是一种常见的神经系统疾病，我国约有 294万人患有帕金森病，其中60岁以上老人占患者的大多数。帕金森的常见症状为“肌强直”，在检查患者肢体时，可发现到明显的阻力。而患者的手部关节，因受肌肉僵直的影响，患者的手一般会呈现类似“鸡爪状”；手掌屈曲严重，使得手掌张开困难，而其他手指关节僵硬，又使得握拳困难。对于这种症状的患者，将其手指进行伸展运动，并将此动作不断重复，可达到防止掌指关节畸形的效果。

2 掌指关节被动运动康复器设计原理

2.1 结构组成该康复器

由机壳、底座、传动系统、控制系统四大部分组成；其中控制系统内含有电机、零位传感器、限位传感器等，主要功能为控制电机的正反转；传动系统含有特制的挂钩板、滑轮等，主要功能为带动手指进行上下运动，以达到康复的效果。

2.2 机壳

为了使机器运作的更加顺畅，外表更加美观，机壳选用了长300mm、宽155mm、高400mm的电箱（如图1-A、1-B中1所示）。电箱内包含所有电路控制系统及部分传控系统。其中中间继电器、时间继电器与开关电源安装在箱体的底板；电机安装在箱体的顶端；底座接在箱体的底端；在箱体上方有一根延长杆（如图1-A中2所示）用来引出牵引的线；在箱体右侧有一根延长杆（如图1-A中4所示）并装有固定手腕的夹子（如图1-A、1-B中5所示）。

2.3 底座

底座在整体结构上起到了支撑和固定的作用。因考虑到在使用时患者会将手固定在机器上，此时，机器将会承受手的重量。而想让箱体受到外力但不倾斜，则需要底座自身有一定重量且设计亦较为稳定。为此，该底座选用三角支架（如图1-A、1-B中3所示）。该支架总重量约为7000g，高610mm；三个支角之间分别为120°；每一个支角长220mm。

图1 -A 掌指关节康复器主视图

图1 -B 掌指关节康复器侧视

2.4 传动系统

（1）传动结构。该康复器的核心驱动为电机。因考虑到误差精度等问题，在电机的选用上，选择了精度高、体积小、重量轻的直流减速电机（如图1-A、1-B中6所示），电机的转速为30r/min。在电机的转子上装有孔径为6.35mm的皮带轮；将传动带缠绕在皮带轮上，再经由箱体上方的延长杆（如图1-A中2所示）至滑轮（如图1-A、1-B中7所示）；经滑轮后垂直向下，传动带下方固定着特制挂钩板（如图1-A、1-B中8所示），挂钩板上每个钩子勾着一个弹簧，弹簧的下方勾着一个魔术贴，魔术贴用来固定手指，并可根据手指的粗细调节大小；魔术贴最大孔径可达40mm，最小孔径可至10mm。

（2）特殊的挂钩板。人的手是镜像相对的，两只手的手指顺序是相反的。为了使不同的手在使用时能得到相同的治疗效果，在设计挂钩板时设计了六个挂钩，左手及右手分别使用时每一个手指都在特定的位置，现如图2-A、2-B给左右手每根手指编号，则对应关系如下：钩9右1，钩10左5、右2，钩11左4、右3，钩12左3、右4，钩13左2、右5，钩14左1。

图2 -A特制挂钩板挂钩示意图

图2 -B手指对应挂钩示意图

2.5 控制系统及工作原理

工作流程：传达带上置有一个感应片，按下“开启”按钮并设定使用时间后，电机开始正转，当感应片到达高位传感器时，电机开始反转，当感应片到达零位传感器时，电机开始正转（工作流程图如图3-A所示）；在机壳内部设置一限位传感器为保护系统，若高位传感器失效，感应片到达限位传感器时，机器将自动停止运转。

停止流程：当设定的使用时间置零或按下“停止”按钮后，传动带上的感应片移至零位传感器后机器停止运行，保证手指的位置在使用前及结束后都在同一位置。

在电机正转时，皮带轮通过细绳带动挂钩板升起，在到达设定时间后电机开始反转，皮带轮通过传动带带动挂钩板下降；手指固定在挂钩板上随着传动带的升降一起运动，从而达到治疗的效果。（原理图如图3-B所示）。

图3 -A 工作流程图

图3 -B 康复器工作时手指伸展示意图

3 使用方法

3.1 用前准备

患者取坐位，用手腕固定夹将需要治疗的手给固定，掌心向下，手指呈自然下垂状（如图4所示），如患者因患病不能作自然下垂状，则使手掌置于放松状态；之后通过正转或反转按钮，调节挂钩所在位置，当把挂钩下的魔术贴调至与手指平齐时，将各个手指固定在特定的魔术贴上；检查是否有固定不牢靠的地方；检查无误后，按下正转开关，开始进行康复治疗。

图4 手指自然下垂示意图

3.2 用后步骤

在患者完成一次治疗后，先按下停止按钮，机器停止运行；之后，将魔术贴依次从患者手指上摘下，并将手腕从固定夹中移出；在将病人安置好后，需检查魔术贴在使用后是否存在缠绕在一起的情况，如果存在，需将其缠绕点整理好，以便下次使用。

4 结语

目前，因为各种疾病导致手部不能正常活动的患者日渐趋多，而现有的指关节康复器价格昂贵，令许多家庭负担不起；而本康复器在价格上比现有的低廉、在操作上也比现有的简易。弥补了现有掌指关节康复技术的不足，可以对脑卒中、帕金森病、掌指骨骨折手术后等患者进行持续性的指部康复治疗，具有较好的前景。