于曉杰,張宇玲,徐鵬飛,趙展,鄒任玲
(上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院,上海200093)
踝關節(jié)是人體負重關節(jié)中距離地面最近的,全身負重最多的關節(jié)[1-2],也是骨折最易發(fā)生的部位之一。踝關節(jié)的穩(wěn)定性和靈活性是人體完成站立、行走、跳跑等動作的基本保障,同時也是本體感覺與平衡功能的反映。踝關節(jié)損傷若不及時診治或者診治不徹底,容易造成局部組織不能完全愈合和韌帶恢復不了原來的狀態(tài),對踝關節(jié)穩(wěn)定性造成嚴重影響。踝關節(jié)不穩(wěn)定容易再次發(fā)生踝關節(jié)損傷,長期反復的踝關節(jié)損傷形成慢性踝關節(jié)不穩(wěn),影響正常步態(tài)[3-4]。正確有效的康復訓練對踝關節(jié)的恢復具有重要的作用。然而,在進行臨床康復治療時,依舊以治療師按摩、針灸、敷藥等手工康復為主,這些方法耗時耗力,有的甚至需要一對一進行治療。這樣的康復治療方式大大降低了醫(yī)生的工作效率。因此,開發(fā)智能踝關節(jié)訓練康復器,讓患者在家正確、方便地進行康復訓練變得十分重要。
在踝關節(jié)的康復訓練中,有一種最簡單易操作的毛巾訓練法,利用毛巾固定腳掌,以一定的力度和方向拉動毛巾,達到訓練踝關節(jié)和增強踝關節(jié)靈活性的目的。這種方法可以看做是最簡單的繩索控制的訓練方法。我們將繩索控制方法引入踝關節(jié)訓練器中,設計了一款基于繩索控制的踝關節(jié)康復訓練器。
該康復訓練器采用繩索牽引,可拆卸、易操控,具有一定的實用價值和良好的應用前景。
該踝關節(jié)康復訓練器,包括支架機構(滑輪、張緊輪、雙滑輪、滑輪支架、掛鉤、底座、滑槽、萬向輪),支撐機構(氣壓升降臺、氣壓升降臺抓盤、小腿托),驅動機構(電機組件、腳套、牽引繩、花籃螺絲收緊器、鋼絲繩),運用電機帶動繩索,通過滑輪改變方向帶動踝關節(jié)運動。見圖1。
圖1 踝關節(jié)康復訓練器整體結構圖111滑輪、112張緊輪、113雙滑輪、114滑軌、12滑輪支架、121掛鉤、13底座、14滑槽、15萬向輪、21氣壓升降臺、22氣壓升降臺抓盤、31小腿托、41電機組件、51腳套Fig 1 The overall structure of ankle rehabilitation apparatus
康復訓練器支架機構下面安裝萬向輪以方便訓練器移動,滑輪支架可在底座上移動以方便的調整位置,且滑輪支架可拆卸,方便收納?;喗M采用雙滑輪和單滑輪組合,張緊輪可以在滑軌上滑動以調節(jié)繩索的長度來適應不同的使用者跖屈背屈的活動度。支撐機構可以在滑槽上滑動以調節(jié)與使用者之間的間距。多個掛鉤的設計可以根據(jù)使用者腿長選擇不同的掛鉤來提供不同運動檔位,可以根據(jù)使用者的不同位置提供繩索不同的控制角度。同時配件和滑輪支架可以拆卸,方便放置。見圖2。
圖2 踝關節(jié)康復訓練器拆卸圖Fig 2 Disassembly graph of ankle rehabilitation apparatus
氣壓機構的氣壓升降臺可自由調整小腿托上下位置,氣壓升降臺抓盤能在滑槽上滑動,方便調整位置。小腿托采用氣壓控制可自由調整角度,并且小腿托上采用魔術貼固定使用者的小腿,使用方便且可以牢固的固定使用者的小腿。見圖3。
圖3 支撐機構圖Fig 3 Support mechanism of ankle rehabilitation apparatus
電機組件包括電機、時間繼電器和開關,可以實現(xiàn)正反轉有規(guī)律的變換。腳套弧度的設計符合人體力學和人因工程學,貼合人體腳部形狀,使用舒適。繩索采用張緊輪控制保證繩索一直處于張緊狀態(tài),可以有效地傳遞電機的力?;ɑ@螺絲收緊器在內翻外翻模式下可以控制鋼絲繩一直處于拉緊狀態(tài)。見圖4,圖5。
圖4 配件腳套結構示意圖Fig 4 The structure diagram of training slipper
圖5 配件繩索及花籃螺絲收緊器結構示意圖A.牽引繩521,B.花籃螺絲收緊器522,C.鋼絲繩523,D.花籃螺絲收緊器522與鋼絲繩523連接的局部示意圖Fig 5 The structure diagram ropes and turn buckles A.hauling rope,B.turn buckle,C.wirerope,D.Connection Diagram for B and C
通過時間繼電器控制電機[5-6],保證電機有規(guī)律的正反轉,實現(xiàn)踝關節(jié)運動的連續(xù)性,規(guī)律性。見圖6。KT1、KT2作時間控制元件,中間繼電器KA1、KA2起中間控制作用。合上電源開關Q和旋轉開關S,這時時間繼電器KT1得電,中間繼電器KA1得電吸合。接觸器KM1得電并吸合,電動機作正向限時運轉。待延時時間到,時間繼電器KT1常閉延時斷開觸點斷開,使中間繼電器KA1斷電,其觸點KA1斷開,接觸器KM1線圈斷電,主觸點KM1斷開,電動機瞬時停止正轉。
在時間繼電器KT1常閉延時斷開觸點斷開的同時,其常開延時閉合觸點KT1閉合,反轉中間繼電器KA2暫時得電吸合,其常開觸點閉合自鎖,并使時間繼電器KT2得電,反轉接觸器KM2得電并吸合,電動機作反向限時運轉。
為適應不同肌力和活動度的使用者,電機采用變速電機。提供三種運動模式,快速,中速,慢速。第一種快速運動:為跖屈(內翻)最大角度到背屈(外翻)最大角度為20 s,停頓10 s,背屈(外翻)最大角度到跖屈(內翻)最大角度為20 s,停頓10 s,以此往復,該模式適用于踝關節(jié)功能較好的使用者;第二種中速運動,為跖屈(內翻)最大角度到背屈(外翻)最大角度為40 s,停頓10 s,背屈(外翻)最大角度到跖屈(內翻)最大角度為40 s,停頓10 s,以此往復;第三種,慢速運動,跖屈(內翻)最大角度到背屈(外翻)最大角度為60 s,停頓10 s,背屈(外翻)最大角度到跖屈(內翻)最大角度為60 s,停頓10 s,以此往復。
圖6 控制系統(tǒng)示意圖Fig 6 The schematic diagram of control system for ankle rehabilitation apparatus
使用者通過小腿托固定小腿,腳掌穿入腳套內,通過滑輪支架和氣壓升降臺的移動確定適合的位置,通過小腿托的旋轉確定合適的角度,通過繩索的長度調節(jié)踝關節(jié)的運動范圍,通過不同的接線方式確定踝關節(jié)運動的模式。
4.1.1 跖屈背屈訓練 繩索連接電機通過雙滑輪和張緊輪連接于腳套上的掛鉤上,電機啟動帶動繩索,然后由繩索帶動腳套運動,實現(xiàn)跖屈背屈的康復運動。跖屈背屈的活動度最大允許值均為30°[7-8]。運用張緊輪在滑軌上的滑動調節(jié)繩索的長度以適應不同的使用者的跖屈背屈的活動度,并且張緊輪保證繩索一直處于張緊狀態(tài),可以很好的傳遞電機輸出的力。見圖7。
圖7 跖屈背屈示意圖A.背屈示意圖,B.跖屈示意圖,C.跖屈背屈對比示意圖Fig 7 The schematic diagram of plan of ankle rehabilitation apparatus for plantar flexion and dorsiflexion A.dorsiflexion,B.plantar flexion,C.comparison of dorsiflexion and plantar flexion
4.1.2 內翻外翻訓練 鋼絲繩與花籃螺絲收緊器組合連接電機組件,穿過滑輪支架上的掛鉤連接于腳套上的掛鉤上,電機啟動帶動鋼絲繩,鋼絲繩帶動腳套運動,實現(xiàn)內翻外翻的康復運動。連接不同位置的掛鉤具有不同的活動度。內翻外翻的活動度最大允許值均為25°[9],根據(jù)使用者活動度的不同調整花籃螺絲收緊器來調節(jié)鋼絲繩的長度,配合適合的掛鉤,調整適合使用者的內翻外翻的活動度。見圖8。
圖8 內翻外翻示意圖A.內翻示意圖,B.外翻示意圖,C.內翻外翻對比示意圖Fig 8 The schematic diagram of plan of ankle rehabilitation apparatus for varus and valgus A.varus,B.valgus,C.comparison of varus and valgus
如圖4、5所示,配件包括腳套、鋼絲繩和繩索。腳套根據(jù)人體力學和人因工程學進行設計,方便穿戴且便于固定腳掌,防止因腳掌移動對訓練效果產(chǎn)生影響。鋼絲繩連接在花籃螺絲收緊器上方便調節(jié)鋼絲繩長度。繩索經(jīng)過張緊輪,通過張緊輪在滑軌上的滑動調節(jié)長度且保證繩索始終保持在張緊狀態(tài)。
抗阻訓練模式為在被動訓練模式的基礎上更換繩索,將牽引繩及繩索更換為彈性繩,去掉電機的連接,其它連接方式不變。以彈性繩的彈力作為訓練的阻力,使用者克服彈力繩的阻力進行抗阻訓練。調節(jié)彈力繩的彈力可以調節(jié)訓練器的阻力以適應不同的使用者。見圖9、圖10。
圖9 彈力繩示意圖Fig 9 The schematic diagram of bungee cord
為了適合不同的使用者,本裝置各處均采用可調性原則,方便調整位置和角度以適應個性化康復訓練。
圖10 抗阻訓練跖屈背屈接線示意圖Fig 10 The connection diagram of plantar flexion and dorsiflexion in active-resistive training
該款康復訓練器有三大特點,一是采用繩控系統(tǒng)(繩索與鋼絲繩)進行被動康復訓練和采用彈性繩進行抗阻康復訓練。被動訓練通過直流變速電機的轉動帶動繩索牽拉,分別實現(xiàn)踝關節(jié)的背屈、跖屈、內翻和外翻;通過鋼絲繩牽拉和繩索雙滑輪牽拉交替,實現(xiàn)踝關節(jié)雙自由度康復訓練;通過調節(jié)鋼絲繩牽拉角度的大小實現(xiàn)不同范圍的踝關節(jié)內翻和外翻運動;通過調整電機的運動模式可以調整使用者的運動速度??棺栌柧毑捎脧椓K的彈力提供阻力,調整彈力繩的彈力進行阻力的調整以適用不同肌力的抗阻訓練。二是加工成本低廉,適用于廣大使用者。本設計使用鋁型材,電機,牽拉繩等配件加工組裝,容易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化;部件易于采購,機械組裝十分簡便,從而整體造價也比較便宜。三是可拆卸式的踝關節(jié)康復訓練器,在展開的時候可滿足使用者正常進行康復訓練,拆卸時可節(jié)省空間。通過對該訓練器的試用,制定匹配的訓練計劃,可以有效的改善使用者踝關節(jié)關節(jié)活動度,增強足部肌力,預防關節(jié)攣縮和肌肉萎縮,從而開辟了踝關節(jié)家庭康復訓練的新通道。