淺析掌指關節被動運動康復器的研制

周子航，戚仕濤，陳鏡安，許天宇

（1.南京市中醫院臨床醫學工程部，江蘇 南京 210000；2.南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019；3.南京技師學院智能制造系，江蘇 南京 210000）

手部康復運動分為兩種，一種為手指向內屈曲，這種運動主要活動手指的指骨間關節；另一種為向外伸展，這種運動主要活動手指的掌指關節；在現有的指關節康復器當中，大部分為將手固定后做屈曲運動，能做伸展運動的康復器極為少見，想讓病人做伸展運動只能靠醫護人員用手將病人的手向上掰，再將病人的手屈回本來的位置。讓醫護人員給患者的手部做伸展運動十分耗費人力，在這種情況下，研制一種可替代醫護人員幫病人手動做伸展運動的康復器則可改善上述情況。

1 手部伸展運動的治療作用

1.1 對于腦卒中偏癱患者的效果

“腦卒中”，又名“中風”，是一種急性腦血管疾病，我國腦卒中患者平均年齡為63歲。隨著中國進入老齡化社會，據統計，2019年底中國60歲以上老人達2.6億，占比18.7%；而全國目前腦卒中發病人數近 1242萬人，每年新增病例250萬左右，致殘人數 800萬，死亡人數 196萬人。腦卒中通常使患者手臂麻木，甚至是半身不遂。如果缺少康復治療那手指的活動性就會逐漸降低，之后都有可能造成肌肉萎縮的現象。據路瑩等“重復局部肌肉振動聯合鏡像視覺反饋訓練對腦卒中偏癱患者上肢功能、手指活動度的影響”的研究表明，將78位腦卒中患者作為研究對象，平均分為兩組，各組都進行常規康復，另一組在常規康復的基礎上加入肌肉振動治療。治療一個月后，比較兩組的手指活動度，比較發現，兩組患者的手指最大伸展角度均大于治療前（如表1）。

表1 手指伸展運動對于腦卒中偏癱患者手部康復效

1.2 對于掌指骨骨折患者術后的康復效果

掌指關節受到損傷，經由手術后，患者可能出現陣痛、腫脹等現象。據白江博等“掌指骨骨折的術后康復觀察”的研究表明，掌指骨骨折患者術后的兩到三天可以開始進行手部的主動及被動運動，一天進行約三次的康復治療，每一次治療時間在十到二十分鐘左右；在訓練時；引導患者自己至少有一次將關節伸至正常角度，在進行一到兩周后，患者的創口疼痛及腫脹基本消失，而后鼓勵患者進行主動康復運動。

1.3 對于帕金森病患者的康復效果

帕金森病是一種常見的神經系統疾病，我國約有 294萬人患有帕金森病，其中60歲以上老人占患者的大多數。帕金森的常見癥狀為“肌強直”，在檢查患者肢體時，可發現到明顯的阻力。而患者的手部關節，因受肌肉僵直的影響，患者的手一般會呈現類似“雞爪狀”；手掌屈曲嚴重，使得手掌張開困難，而其他手指關節僵硬，又使得握拳困難。對于這種癥狀的患者，將其手指進行伸展運動，并將此動作不斷重復，可達到防止掌指關節畸形的效果。

2 掌指關節被動運動康復器設計原理

2.1 結構組成該康復器

由機殼、底座、傳動系統、控制系統四大部分組成；其中控制系統內含有電機、零位傳感器、限位傳感器等，主要功能為控制電機的正反轉；傳動系統含有特制的掛鉤板、滑輪等，主要功能為帶動手指進行上下運動，以達到康復的效果。

2.2 機殼

為了使機器運作的更加順暢，外表更加美觀，機殼選用了長300mm、寬155mm、高400mm的電箱（如圖1-A、1-B中1所示）。電箱內包含所有電路控制系統及部分傳控系統。其中中間繼電器、時間繼電器與開關電源安裝在箱體的底板；電機安裝在箱體的頂端；底座接在箱體的底端；在箱體上方有一根延長桿（如圖1-A中2所示）用來引出牽引的線；在箱體右側有一根延長桿（如圖1-A中4所示）并裝有固定手腕的夾子（如圖1-A、1-B中5所示）。

2.3 底座

底座在整體結構上起到了支撐和固定的作用。因考慮到在使用時患者會將手固定在機器上，此時，機器將會承受手的重量。而想讓箱體受到外力但不傾斜，則需要底座自身有一定重量且設計亦較為穩定。為此，該底座選用三角支架（如圖1-A、1-B中3所示）。該支架總重量約為7000g，高610mm；三個支角之間分別為120°；每一個支角長220mm。

圖1 -A 掌指關節康復器主視圖

圖1 -B 掌指關節康復器側視

2.4 傳動系統

（1）傳動結構。該康復器的核心驅動為電機。因考慮到誤差精度等問題，在電機的選用上，選擇了精度高、體積小、重量輕的直流減速電機（如圖1-A、1-B中6所示），電機的轉速為30r/min。在電機的轉子上裝有孔徑為6.35mm的皮帶輪；將傳動帶纏繞在皮帶輪上，再經由箱體上方的延長桿（如圖1-A中2所示）至滑輪（如圖1-A、1-B中7所示）；經滑輪后垂直向下，傳動帶下方固定著特制掛鉤板（如圖1-A、1-B中8所示），掛鉤板上每個鉤子勾著一個彈簧，彈簧的下方勾著一個魔術貼，魔術貼用來固定手指，并可根據手指的粗細調節大小；魔術貼最大孔徑可達40mm，最小孔徑可至10mm。

（2）特殊的掛鉤板。人的手是鏡像相對的，兩只手的手指順序是相反的。為了使不同的手在使用時能得到相同的治療效果，在設計掛鉤板時設計了六個掛鉤，左手及右手分別使用時每一個手指都在特定的位置，現如圖2-A、2-B給左右手每根手指編號，則對應關系如下：鉤9右1，鉤10左5、右2，鉤11左4、右3，鉤12左3、右4，鉤13左2、右5，鉤14左1。

圖2 -A特制掛鉤板掛鉤示意圖

圖2 -B手指對應掛鉤示意圖

2.5 控制系統及工作原理

工作流程：傳達帶上置有一個感應片，按下“開啟”按鈕并設定使用時間后，電機開始正轉，當感應片到達高位傳感器時，電機開始反轉，當感應片到達零位傳感器時，電機開始正轉（工作流程圖如圖3-A所示）；在機殼內部設置一限位傳感器為保護系統，若高位傳感器失效，感應片到達限位傳感器時，機器將自動停止運轉。

停止流程：當設定的使用時間置零或按下“停止”按鈕后，傳動帶上的感應片移至零位傳感器后機器停止運行，保證手指的位置在使用前及結束后都在同一位置。

在電機正轉時，皮帶輪通過細繩帶動掛鉤板升起，在到達設定時間后電機開始反轉，皮帶輪通過傳動帶帶動掛鉤板下降；手指固定在掛鉤板上隨著傳動帶的升降一起運動，從而達到治療的效果。（原理圖如圖3-B所示）。

圖3 -A 工作流程圖

圖3 -B 康復器工作時手指伸展示意圖

3 使用方法

3.1 用前準備

患者取坐位，用手腕固定夾將需要治療的手給固定，掌心向下，手指呈自然下垂狀（如圖4所示），如患者因患病不能作自然下垂狀，則使手掌置于放松狀態；之后通過正轉或反轉按鈕，調節掛鉤所在位置，當把掛鉤下的魔術貼調至與手指平齊時，將各個手指固定在特定的魔術貼上；檢查是否有固定不牢靠的地方；檢查無誤后，按下正轉開關，開始進行康復治療。

圖4 手指自然下垂示意圖

3.2 用后步驟

在患者完成一次治療后，先按下停止按鈕，機器停止運行；之后，將魔術貼依次從患者手指上摘下，并將手腕從固定夾中移出；在將病人安置好后，需檢查魔術貼在使用后是否存在纏繞在一起的情況，如果存在，需將其纏繞點整理好，以便下次使用。

4 結語

目前，因為各種疾病導致手部不能正常活動的患者日漸趨多，而現有的指關節康復器價格昂貴，令許多家庭負擔不起；而本康復器在價格上比現有的低廉、在操作上也比現有的簡易。彌補了現有掌指關節康復技術的不足，可以對腦卒中、帕金森病、掌指骨骨折手術后等患者進行持續性的指部康復治療，具有較好的前景。