楊藍瑜，花日瀚，陳珈裕，楊婉雯，袁曉樂，王遠軍

1.上海理工大學健康科學與工程學院（上海，200093）

2.上海理工大學出版印刷與藝術設計學院（上海，200093）

0 引言

褥瘡是由于人體局部組織長期受壓，發(fā)生持續(xù)缺血、缺氧、營養(yǎng)不良而致的組織潰爛壞死［1］。大量研究表明，長期臥床是褥瘡主要的引發(fā)原因，中國住院患者中褥瘡發(fā)病率為3%～14%［2］，其中長期臥床引發(fā)的褥瘡占褥瘡患者的70%左右，由此可見褥瘡發(fā)生率與人體局部受壓時間成正比。當人體局部皮膚的體表壓力高于32 mmHg（1mmHg=0.133 kPa）時，皮膚下層血管易受損，可發(fā)生變形或扭曲，導致局部血液循環(huán)受阻，發(fā)生壞死，進而形成褥瘡［3］。減輕局部壓力，控制受壓時間和壓力強度，及時翻身是最簡單有效的預防措施。

在對市場上現(xiàn)有褥瘡防治產(chǎn)品以及醫(yī)學上褥瘡防治的手段進行調查后發(fā)現(xiàn)，市面上現(xiàn)有褥瘡防治產(chǎn)品主要包括褥瘡圈、三角墊、充氣床墊和護理床等。褥瘡圈和三角墊適用于局部褥瘡防治，對于長期被動臥床者來說，并無防治效果；而護理床和充氣床墊普遍存在翻身時間滯后以及不適感強等問題。

我們鑒于現(xiàn)有產(chǎn)品的不足，設計出一款可移動式醫(yī)用護理支架。我們支架能適時改變受壓點的原理、參照人體尺寸以及醫(yī)用病床參數(shù)設計，以旋轉臂支架為主要機械結構。與其他褥瘡防治方法相比，我們提出的新型醫(yī)用護理支架不需要依賴人力，降低成本的同時提高了靈活性，集翻身、起背和曲腿功能于一身，優(yōu)于市場上大多褥瘡防治設備。

1 護理支架的人機工學分析

1.1 人體生物學特征分析

我們設計的新型醫(yī)用護理支架的適用對象包括外傷導致的高位截癱、高齡失能以及漸凍癥患者等多種疾病導致長期臥床的群體。由于患者需長期臥床，力學因素的改變、理化因素刺激、醫(yī)療措施不當、營養(yǎng)狀況不佳及其他的應急因素等，可能都會導致褥瘡發(fā)生［5］。而長期臥床的患者多存在排便障礙及四肢癱瘓等癥狀［6］。褥瘡患者臥床取仰臥位時，受壓點主要位于肩胛部、臀部、肘、枕骨粗隆、足跟等處［7］；取側臥位時，受壓點主要位于耳部、肘部、髖部、膝關節(jié)內外側、內外踝等處。左右 30°側臥位交替進行，2 h 更換一次，能讓枕部、足跟骶尾部減壓休息時間延長，促進這幾處的血液循環(huán)［8］。另外，膝間墊高、雙下肢錯開屈曲，減少皮膚間摩擦也是褥瘡防治中的重要護理方法。

1.2 可行性以及操作者特征分析

新型護理支架操作者包括醫(yī)院、養(yǎng)老院的護工以及患者家屬等護理人員。患者的日常生活（包括進食、沐浴、如廁等）和定時翻身均需要護理人員完成。我們提出的用于褥瘡防治的新型護理支架為護理人員提供了一種全新的方法，在滿足褥瘡防治需求的同時，可以有效減輕護理人員的負擔、避免高強度工作導致的肌肉骨骼疾病。

2 護理支架機構設計

褥瘡常見于脊髓損傷的截癱患者和老年臥床患者等行動不便人士，在康復治療中，定時改變患者體位是防治褥瘡最有效的方法［10］，我們設計了一款新型護理支架，不僅可以幫助患者翻身、改變并保持體位，還可以用于短距離的移動患者。其設計思路如圖1 所示。

圖1 新型護理支架設計思路Fig.1 New nursing support design ideas

新型護理支架由抬桿、抬臂、旋轉臂、以及電動推桿等部分組成，其中4 種電動推桿統(tǒng)一由支架內部電機驅動。導軌中設置電動推桿，用于推動整個主體部分上下移動，以適應不同護理床及病床的高度，擴大適用范圍?？傮w結構如圖2 所示。

圖2 新型護理支架總體結構圖Fig.2 General structure drawing

考慮到臥位姿勢不同的患者的受壓點有所差異，支架設計思路根據(jù)人體承重生理分析劃分成頭部、軀干部、下肢部3 個部分。負責上肢與軀干的2 個支架部分與下肢分開，每個組件可獨立運行，但統(tǒng)一由滑道中電動推桿調整整體高度。旋轉臂旋轉區(qū)間為0°～90°，見圖3（a），保證收納的便捷性的同時對抬臂和抬桿的角度調整起前提作用。對側翻功能直接起作用的抬桿，由具有自鎖功能的艾迪特公司的ANT-38 小型電動推桿，推動繞旋轉支點改變角度，保證被動臥床者的側翻區(qū)間為0°～30°，見圖3（b），完成轉移、起背以及曲腿功能的抬臂由其下方的選用艾迪特公司的ANT-38 小型電動推桿，負責使用角度的調整與固定［11］。抬桿和抬臂通過改變被動臥床者臥姿受力點，從而有效預防褥瘡的發(fā)生。

圖3 新型護理支架結構與運動區(qū)間示意圖Fig.3 Main mechanism structure and motion interval schematic

新型護理支架每個組件可獨立運行。對于下肢失能患者而言，下肢抬臂置于腘窩下方，其可升高的特點保證了曲腿、抬腿功能的完成；頭部、軀干部可幫助高位癱瘓、植質狀態(tài)、不可逆昏迷等患者改變軀干體位并固定，完成側身、偏頭等基本動作；3 部位抬臂同時使用時還可以實現(xiàn)對患者的移動功能，底座下方附輪（可自鎖）方便使用者移動，抬臂運動角度區(qū)間為0°～15°，見圖3（c），這保證了實現(xiàn)移動功能時的穩(wěn)定性及安全性。

我們設計的新型護理支架其抬臂旋轉中心與人體各部位質心位于同一水平面上，使運用時被動臥床者與護理產(chǎn)品之間產(chǎn)生的摩擦力最小。

3 護理支架仿真設計

3.1 運動功能人體仿真

Jack 軟件是一款代表性的人體仿真與工效分析軟件，具有數(shù)據(jù)準確、功能豐富的特點，適用于任務環(huán)境下的人體行為動作的仿真研究［12］。因為受者本身可能處于無意識狀態(tài)，因此采用Jack 虛擬仿真數(shù)字人模擬健康人體起背、屈腿、側身，進行不同姿勢分析、關節(jié)受力評估。Jack中一個數(shù)字人體模型包含69 個部位和68 個關節(jié)以及135 個自由度，在進行數(shù)字人體模型創(chuàng)建時可以自定義數(shù)字人體模型的身體的各個尺寸數(shù)據(jù)，使得人機功效分析更加具有針對性和準確性［13］。為保證受力結構穩(wěn)定，設定數(shù)字人參數(shù)如下（見圖4）：男性，身高175.49cm，體重77.69kg 仿真分析關節(jié)包括右腕前屈，左腕前屈，右上肢前屈，左上肢前屈，軀干前屈，后屈，采集數(shù)據(jù)囊括、力矩（Nm）、肌肉效應、Jack 度（deg）、力量平均值（Nm）和強度標準偏差（Nm），用數(shù)字人仿真結果分析后進行驗證，進而確立尺寸及功能角度設計。

圖4 起背、屈腿、翻身仿真界面Fig.4 Stimulation of Back up,Roll over and Leg Bend

3.2 尺寸及功能角度設計

為了最大化適用人群，在進行尺寸設計時參考中國醫(yī)療器械注冊產(chǎn)品標準監(jiān)管要求［14］以及中國成年人人體尺寸GB 10000—88［15］。人體生理尺寸見表1［16］。

表1 人體生理尺寸Tab.1 Size of Human Body(mm)

最終確定抬臂、抬桿長度500 mm；頭部與軀干部相對滑道中心軸而言伸縮區(qū)間為400～800 mm；滑道中間電推桿適應不同床體高度，進程為360～950 mm（見圖5）。在數(shù)字人仿真實驗中可以得出結論，當起背角度介于5°～45°之間時便可以在人體關節(jié)承受范圍內起到褥瘡防治的作用。在體位管理中，30°側臥更換能更好地減輕骨突壓力，特別是減輕身體對股骨粗隆、兩側髂嵴的垂直壓力，讓一部分重力落在臀大肌平面上，另一部分重力落在支架軟墊上，讓壓力被分散掉，促進骨突部位血液循環(huán)，避免形成褥瘡［17］；對下肢部功能參數(shù)分析可得，人體下肢各關節(jié)角度范圍分別為踝關節(jié)90°～110°、膝關節(jié)100°～140°、髖關節(jié)95°～115°［18］。根據(jù)實驗可得在膝關節(jié)的角度α接近110°時患者生理舒適度達到最高［19］，如圖5 所示。由人體下肢長度分析可得，臀部加大腿長528.25 mm，小腿長369.75 mm，當α=110°時膝關節(jié)位于床上方高度247.61 mm 處。對以上所有動作定量分析后可以得出新型護理支架最優(yōu)的技術參數(shù)。

圖5 被動臥床者姿勢示意圖（床面水平方向）Fig.5 Schematic diagram of passive bedridden posture(horizontal direction of bed surface)

3.3 接觸人體面

軟墊與被動臥床者身體直接接觸，但在手臂運動的同時，由于摩擦力作用，受者的衣服會堆積，引起受者不適，影響褥瘡防治。護理支架的設計中，在軟墊內部填充剪切增稠流體填充物（由分散相粒子、分散介質和表面活性劑組成）［20］，可以提高軟墊與被動臥床者身體的貼合程度，使身體與手臂接觸部分受力均勻，減少被動臥床者身體由于受力集中而產(chǎn)生褥瘡的現(xiàn)象，還可阻止因為被動臥床者無意識的運動而造成的衣物擠壓，從而提高舒適感。軟墊表面使用抗菌的塑膠材料［20］，塑膠材料具有適當?shù)膹姸群蛷椥?，在實現(xiàn)起背翻身功能的同時，能兼顧舒適性和衛(wèi)生安全。

4 護理支架運動學及力學分析

4.1 運動學分析

新型護理支架主體機構運動簡圖如圖6 所示。

圖6 主體機構運動簡圖Fig.6 Schematic diagram of main motion mechanism

由圖可見，護理支架主體共有10 個活動構件。1、3、6、9 為原動件電動推桿，2、4、5、7、8、10 為從動件。1 和2，3 和4，4 和5，6 和8，7 和8、7 和9 之間組成轉動副，2 和3，5 和6，9 和10組成移動副。其工作原理為：電動推桿1 使主體部分上下移動，電動推桿3 使旋轉臂轉動，電動推桿6（鑒于電動機功率問題，實際有兩個電動推桿同時控制，由于結構完全對稱，不在簡圖中畫出）使手臂上下轉動，電動推桿9 使手臂實現(xiàn)側翻功能。這便實現(xiàn)了4 自由度的機構運動，與其他機構類型相比，不會造成自由度的剩余，因此可降低成本，提高效率。

4.2 力學分析

在設計中，參考同類產(chǎn)品與國家標準，制定了最大載重為100 kg 的設計目標，基于起背范圍（0°～84.5°）的動態(tài)分析，當旋轉臂0° 角度時候所需的推力最大，在推桿選型的過程中，需滿足此時的推力。旋轉臂0° 角時機構如圖7 所示。

圖7 零角度旋轉臂機構簡圖Fig.7 Schematic diagram of zero angle rotating arm mchanism

在側面翻身機構中有兩個任務目標，需要同時滿足側翻（5°～45°），和抱起（抬臂內翻，防止受者滑落）。側面翻身機構如圖8 所示。

圖8 側面翻身機構簡圖Fig.8 Schematic diagram of side turning mechanism

側翻機構由抬桿1 與電動推桿a 組成，其中G為重力鑒于安全性要求，側翻機構的力學驗證將在不考慮病床支持力的情況下，由側翻機構獨自完成翻身，以滿足更加嚴格的安全標準，應對復雜的側翻情況。

4.3 人機匹配度仿真

在設計新型醫(yī)用護理支架時，進行creosote建模，構建該機械結構尺寸數(shù)據(jù)，導入Jack 進行人機匹配度分析。本護理支架集屈腿、起背、翻身、搬運多種功能為一身，平躺和搬運姿勢下人機匹配度如圖9、圖10 所示。結果顯示，本新型護理支架能夠達到的平躺、起背和曲腿等功能，并且受者尺寸與支架尺寸匹配度較好。

圖9 平躺姿勢下人機匹配度圖Fig.9 Man-machine matching in flat position

圖10 搬運姿勢下人機匹配度圖Fig.10 Man-machine matching in transport position

4.4 運動控制

新型褥瘡防治護理支架采取12 個獨立的直流電動推桿作為驅動部件，其線路埋于支架外殼內部，連接于控制面板。操作者可根據(jù)不同的需要調整旋轉臂和抬臂角度。

5 結語

我們針對褥瘡防治提出一種創(chuàng)新的護理支架設計方案，鑒于現(xiàn)有產(chǎn)品難于滿足患者護理的需求，支架同時增加了短距離轉移病人的功能。設計方案是參考護理人員幫助病人起背、屈腿、翻身、抱起，以機械結構代替人完成這4 個動作，關鍵機構旋轉臂、抬臂均模擬人手臂的結構而設計。仿生設計使醫(yī)用護理支架的使用與護理人員的護理方式類似，病人更有熟悉感，有利于緩解病人對于陌生機械產(chǎn)品的恐懼心理，一定程度上解決了病人對于現(xiàn)有護理床和充氣床墊使用的不適感等問題。

與其他護理設備相比，我們提出的新型醫(yī)用護理支架對于人力的需求較低，簡單的結構設計降低成本的同時提高了靈活性，集翻身、起背、曲腿和搬運功能于一身。

但是本設計方案存在缺少電路控制和集成系統(tǒng)的不足，因此如何設計電路和集成控制，方便護理人員操作將成為未來的研究方向。