開題報告 一種骨骼牽引機構(gòu)的設(shè)計和實現(xiàn)
一種骨骼牽引機構(gòu)的設(shè)計和實現(xiàn)
張亞飛 011115170
1 課題背景及研究的目的和意義
1.1 課題背景
古往今來，成百上千萬的人因為疾病、工傷、交通事故或意外傷害因而受到傷病的折磨，致使上肢、下肢受到損傷。特別是近年來，隨著改革開放的不斷深入，隨著工業(yè)、交通事業(yè)的快速發(fā)展以及隨著我國經(jīng)濟規(guī)模不斷擴大且持續(xù)快速發(fā)展，這一數(shù)字正在以驚人的速度增加。據(jù)有關(guān)全國殘疾人抽樣調(diào)查結(jié)果顯示，目前我國殘疾人越有6000萬，其中上、下肢殘疾者各達到將近600萬。一項調(diào)研表明，我國每年就有將近11萬人因上肢或者下肢不能得到及時有效的治療修復而無奈導致病人的截肢，使他們失去了正常人的生活。對于這些病人來說，能到先進醫(yī)療機構(gòu)的有效治療，以使他們不失去人類最基本的行動功能對他們來說是一件夢寐以求的事情。
隨著幾年來我國改革開放的不斷深入發(fā)展、我國經(jīng)濟的不斷提高、我國人民生活水平的不管提高，以及人工智能、計算機、信息、控制、康復醫(yī)學工程技術(shù)的深入研究，人們對這一醫(yī)療領(lǐng)域提出了更高的要求，都是為了使殘疾病人重獲健康的夢想成為現(xiàn)實。同時，由于國外在該領(lǐng)域機械機構(gòu)價格方面的種種原因與國內(nèi)的可接受范圍相距甚遠，完全依賴國外的機構(gòu)使病人得到最好的康復治療在近期希望渺茫。
將當代先進的智能控制技術(shù)、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、機械設(shè)計與制造技術(shù)、新材料技術(shù)與生物醫(yī)學工程和康復醫(yī)療工程技術(shù)融合在一起，研究真正有意義的骨骼牽引醫(yī)療機構(gòu)，是殘疾病人得到最好的醫(yī)療治愈，讓他們能恢復健康，這對于他們重新回歸社會生活，重新恢復正常人的生活、學習和工作，對減輕社會負擔、同時填補我國在該領(lǐng)域的空白、對促進我國康復醫(yī)學工程技術(shù)的發(fā)展無疑都有極其重要的意義。
在這樣的背景下，研究開發(fā)一種新式的有助于殘疾病人上、下肢康復治療的醫(yī)療機構(gòu)迫在眉睫,為使他們花出最低的成本，得到最行之有效的治療是我們該課題的主要目的和意義。而且該機構(gòu)的研發(fā)對于我國醫(yī)學在該領(lǐng)域的發(fā)展有著極其重要的意義，這使得該機構(gòu)的研發(fā)顯得更為重要。
1.2 研究的目的和意義
在四肢受傷并經(jīng)過手術(shù)后的患者需要康復治療，而康復治療技術(shù)是一項使康復患者或殘疾人或需要進行康復鍛煉的人進行適當鍛煉的新興技術(shù)。本課題的目的設(shè)計一種骨骼牽引與拉伸治療機構(gòu),讓手術(shù)后的患者或者需要進行康復治療的病人可以更方便地進行受傷四肢的牽引拉伸,從而使上、下肢能夠得到及時以及適當?shù)目祻湾憻?，達到康復治療的目的。使患者能夠盡快地恢復正常生活，能夠正常的工作和學習?？祻椭委熂夹g(shù)這項新興技術(shù)有著非常光明的前景和發(fā)展勢頭，該技術(shù)和機械發(fā)展反映了患者對康復治療這項技術(shù)的迫切要求。在康復治療的過程中，除了需要家人的悉心照顧、醫(yī)生護士的精心就診和照料、更加需要先進精密的儀器的治療，這就為這項技術(shù)的發(fā)展提供了強大的依據(jù)。該牽引機構(gòu)的核心是使用伺服主電機運轉(zhuǎn)帶動柱狀伸縮桿進而帶動活動板（將患者需要進行康復鍛煉四肢置于活動板上）上下牽引，加之滑輪上的配重，進而使四肢得到適當?shù)臓恳憻挕?
隨著科技的發(fā)展，各項理論都在結(jié)合，進而在某些領(lǐng)域發(fā)揮更好的作用，為消費者帶來便利。我國致力于將醫(yī)學理論與機械理論相結(jié)合，設(shè)計出有助于四肢需要康復治療的患者使用的牽引機構(gòu)。目前，在我國骨骼牽引機構(gòu)的應用越來越廣，也越來越現(xiàn)代化，而且國內(nèi)對機械的使用要求也越來越高，對骨骼牽引機構(gòu)的需求也越來越大。在我國醫(yī)療裝備系統(tǒng)中大多實行加速發(fā)展的同時，即設(shè)備投入運行后會進行大量應用。該骨骼牽引機構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、操作方便,解決了上、下肢能夠方便操作以達到牽引治療的難題。使得患者在術(shù)后可以進行有效快捷的牽引治療，減少痛苦并早日恢復健康。
2 國內(nèi)外骨骼牽引機構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢
2.1 國內(nèi)骨骼牽引機構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢
目前，國內(nèi)骨骼牽引機構(gòu)普遍采用手動操作、種類單一，康復治療效果往往難以滿足患者的需要，延緩病人恢復健康的時機。這在傳統(tǒng)醫(yī)療器械競爭優(yōu)勢不良情況下的確是令國家、政府、醫(yī)院頭疼的事情，但隨著各種醫(yī)療器械種類的不斷增加和對檢測要求的日益嚴格，傳統(tǒng)的醫(yī)療器械顯然不能滿足病人要求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，醫(yī)療器械設(shè)備種類單一，不能滿足日益增多的病人康復治療的要求；第二：裝夾機構(gòu)結(jié)構(gòu)功能簡單，僅能夠滿足少數(shù)特定病人肢體的安裝需要；第三：傳統(tǒng)的操作機構(gòu)在使用時效率低，主要表現(xiàn)在為病人進行肢體的裝夾、調(diào)節(jié)不方便；第四，由于傳統(tǒng)醫(yī)療器械機構(gòu)以啟動為主，所以無法控制病人的使用結(jié)果，并且產(chǎn)生的波動較大。
在現(xiàn)代醫(yī)療器械方面，國內(nèi)外各大公司不僅在開發(fā)產(chǎn)品方面做了很大的研究，而且在創(chuàng)新研發(fā)方法上也投入了大量的物力、財力和人力。各公司企業(yè)延續(xù)傳統(tǒng)的醫(yī)療器械的大部分優(yōu)點，并為提出新的創(chuàng)新方案，而且很難進一步調(diào)高牽引的質(zhì)量和效率。
國內(nèi)企業(yè)（如上海市人民醫(yī)療器械有限公司）在對病人進行康復治療的牽引機構(gòu)上采用靜態(tài)調(diào)節(jié)，這不僅導致精度和質(zhì)量低于國外 30%，還使使用成本與治療時間較國外多出1倍多。針對如此巨大的差距，國內(nèi)正展開積極的研究，并取得了一定的成效。
近年來，我國醫(yī)療器械行業(yè)的發(fā)展勢頭強勁，骨骼牽引機構(gòu)的研究也受到國內(nèi)外企業(yè)的關(guān)注和歡迎。并且都取得了一定的研究成效，也在市場上有一定的份額，這都是國家、社會和各企業(yè)共同投入努力而得到的結(jié)果。但總體上，該機構(gòu)的總體質(zhì)量還是不夠硬，精度不夠高，病人所要求滿意的程度還遠遠未達到，很難達到高質(zhì)量和高效率的完美統(tǒng)一。因此，對骨骼牽引機構(gòu)的創(chuàng)新和研發(fā)制作是未來5-10年內(nèi)的一項巨大趨勢，具有極其廣闊的市場前景，既出于對病人進行最好康復治療的考慮，也出于提高我國在該行業(yè)綜合競爭力的考慮，研發(fā)最新骨骼牽引機構(gòu)時不我待。
隨著我國改革開放的深入，我國的骨骼牽引技術(shù)有了明顯的進步，但是依舊存在一些難以解決的問題，比較主要的便是深靜脈血栓的形成仍舊無法有效的避免，所以這仍舊是骨骼牽引機構(gòu)發(fā)展前進所急需攻克的內(nèi)容，骨骼牽引技術(shù)和相關(guān)醫(yī)療器械仍有很大的發(fā)展空間和非常強大的發(fā)展勁頭。
2.2 國外骨骼牽引機構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢
眾所周知，國外的骨骼牽引技術(shù)的發(fā)展是世界牽引技術(shù)發(fā)展的源泉，骨骼牽引技術(shù)的歷史最早可追溯到古希臘。伴隨著布朗式牽引架的發(fā)明，休·歐文·托馬斯發(fā)明了托馬斯支架，在骨科牽引的發(fā)展上有著不可磨滅的貢獻。國外更加看重其他種類的牽引，尤其是牽引技術(shù)在口腔方面的應用。在四肢牽引方面則是于科技的進步緊密的結(jié)合在一起，通過與計算機和電機的結(jié)合，能夠更加精準的控制牽引所需要的力的大小，通過計算機三維技術(shù)的發(fā)展和應用，在電腦上能夠進行有效的模型模擬和精準的牽引，以減少病人在治療過程中的痛苦和加快病人的恢復速度。雖然我國也在進行相關(guān)技術(shù)的研究，但與國外始終有著一定的距離。
3 研究內(nèi)容、實現(xiàn)方法以及需解決的關(guān)鍵問題
3.1 研究內(nèi)容
牽引技術(shù)，是目前最常用的骨骼治療方法。牽引裝置，即利用懸垂物的重量為作用力，自己身體的重量的反作用力，實現(xiàn)肢體的拉伸，以達到鍛煉的目的，還能整復四肢關(guān)節(jié)，并能預防和矯正軟組織攣縮，以及對某些疾病術(shù)前組織松懈和術(shù)后制動的一種治療方法。
本課題是屬于研究設(shè)計類的課題，主要內(nèi)容涉及機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和傳動機械設(shè)計。在一定醫(yī)學理論知識的支撐下，需要對成年人體的上、下肢部分結(jié)構(gòu)，尤其是骨骼部分的結(jié)構(gòu)有一定的了解，目的是這將以助于在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及相關(guān)制作材料的選擇。同時還需要對于四肢關(guān)節(jié)的基本活動形式有所了解，這樣在進行四肢固定的時候才能夠更加的準確無誤，同時可以進行適當?shù)幕謴突顒?。在機構(gòu)的基本設(shè)計完成以后，要進行行程模擬，防止各個機構(gòu)之間的相互干預，這符合人體的運動規(guī)律。
考慮到核心部分活動板需要與人體四肢直接接觸，這將對材料的選擇提出更高更精細的要求，要有一定的剛度、強度和韌性，能夠承受一定范圍的重力作用，其次材料要求與人體長時間的接觸并不會損害到人肢體的皮膚以及骨骼。該機構(gòu)的其余架構(gòu)部分可采用使用較為廣泛的45號鋼和價格低廉的鑄鐵制造。
最后還需適當考慮骨骼牽引機構(gòu)的使用舒適度。因為骨骼牽引一般的牽引的使用周期都在三個禮拜左右，時間較長，對于康復中的患者本來就是一種負擔，所以在滿足工作條件后，要盡量地保證患者進行牽引時的舒適程度，通過加裝內(nèi)飾墊等方法增加舒適程度，減少患者的痛苦。
3.2 研究方法
在設(shè)計前期，需要查閱相關(guān)資料，對各種元器件的工作原理和特性進行深入分析，了解其對工作環(huán)境的要求。在此基礎(chǔ)上，合理對各元器件進行安排布置以適應不同尺寸的器件。執(zhí)行機構(gòu)應增加閉環(huán)反饋的設(shè)計，以達到高精度、高可靠性的目的。對于檢測部件，要根據(jù)其相關(guān)特性進行合理排布，并通過實驗來檢測其工作特性，根據(jù)需要不斷調(diào)整各部件的位置和間距，最終達到理想的工作效果。
濾波是過濾掉病人肌肉之間運動的干擾，保證sEMG的質(zhì)量，特征提取和特征分類是肌電控制的核心內(nèi)容，模式分類的性能決定了控制系統(tǒng)的性能。然后根據(jù)模式分類得到病人的動作模式后，發(fā)送指令脈沖，控制牽引機構(gòu)做出適當?shù)膭幼?。最后牽引機構(gòu)通過主電機帶動伸縮桿帶動活動板，實現(xiàn)帶動病人肢體的運動，從而達到康復治療的效果，形成一個動作控制模式系統(tǒng)。
3.3 課題擬解決的關(guān)鍵問題
本課題為一項將醫(yī)學與機械理論相結(jié)合，設(shè)計出一個骨骼牽引機構(gòu)。前期，在閱讀和搜集大量的與四肢關(guān)節(jié)骨牽引機構(gòu)相關(guān)的文獻資料以后，銅鍋與導師及師兄們的探討，初步擬定了設(shè)計方案，在設(shè)計過程中，發(fā)現(xiàn)了最主要的并需解決的關(guān)鍵問題為骨骼牽引機構(gòu)的是否可拆以及是否方便攜帶的問題，若能將這兩個問題在最后的設(shè)計中加以改進，將是一個質(zhì)的突破，為醫(yī)生、患者、正常人帶來無比的方便。
4 擬采取的技術(shù)路線、進度計劃、預期結(jié)果
4.1 技術(shù)路線
(1)采用適當?shù)难芯款惐确椒?，搜集、參考、查閱大量的相關(guān)文獻資料，確定骨骼傳動機構(gòu)的運動功能；
(2)制定骨骼牽引機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；
(3)根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案繪制零件圖，再將零件進行裝配，進而得到總裝配三維實體圖；
(4)對關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)進行有限元分析；
(5)檢查并完善機構(gòu)設(shè)計；
(6)撰寫畢業(yè)設(shè)計論文；
4.2 進度計劃
第1周：接受課題、熟悉了解骨骼牽引機構(gòu)的基本概念；
第2—3周：進行相關(guān)文獻資料的搜集和整理，明確設(shè)計的思路以及主要設(shè)計方向，明確工作原理；編寫開題報告；
第4—6周：了解機構(gòu)的運行狀況，三維設(shè)計及程序仿真，使其符合運行過程；
第7—10周：詳細設(shè)計，查漏補缺，進行運動模擬；
第11—13周：對部分結(jié)構(gòu)進行選型及計算，進行有限元分析；
第14—16周：撰寫修改論文，制作PPT準備答辯。
4.3 預期結(jié)果
（1）完成骨骼牽引機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計；
（2）完成骨骼牽引機構(gòu)的總裝配三維圖繪制以及關(guān)鍵零件圖繪制；
（3）完成骨骼牽引機構(gòu)關(guān)鍵零件的特性分析并撰寫畢業(yè)論文報告。
參考文獻
[1] Fengfa Lang, Yinjie Cao, Hui Huang, Yan Wang, Pengpeng Yu, Xinghai Xie. The design of automatic flipping-body nursing bed[P]. Artificial Intelligence, Management Science and Electronic Commerce (AIMSEC), 2011 2nd International Conference on,2011.
[2] TODOH Masahiro Development of Electric Wheel Chair with Active Seat for Level Holding [J] J-stage 2005.
[3] Doorgakant Ashtin,Parmar Rishee,Ngulube Christopher. The Ntcheu derotation splint for lower limb traction.[J]. Tropical Doctor,2013,42(4).
[4] Musa A A. Re: An anti-rotation device in skin traction of the lower limb.[J]. East African medical journal,2000,76(11).
[5] Kaplan A V,Pozhariski? V F. [Skeletal traction in modern treatment of bone fractures].[J]. Khirurgiya. Zhurnal im. NI Pirogova,1974(9).
[6] Leonard F.?Peltier, A Brief History of Traction, J Bone Joint Surg Am, 1968 Dec;?50?(8):?1603?-1617.
[7] 杜勇.智能護理輪椅系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J]. 科學與醫(yī)療周刊,2002,7(7):527.
[8] 劉福民.等 一種新型緊急救護搬運椅[J]. 中國醫(yī)學, 2002(2):5-8.
[9] 劉紅亮.雙臂手救援工程機械轉(zhuǎn)臺設(shè)計與優(yōu)化[D]. 遼寧：大連理工大學，2012.6.
[10] 李森林.360度翻轉(zhuǎn)筆記本電腦轉(zhuǎn)軸力學性能研究及優(yōu)化[J]. 中國水運 2018.10.
[11] 白建軍.多功能護理服務機器人的設(shè)計與研究[D]. 江西：南昌大學，2010.9.
[12] 王小琴.一種骨科牽引架的設(shè)計與應用[J]. 當代護士(中旬刊),2017(04):63.
[13] 王年云.損傷肢體助動康復器的研制[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2005,(10):75-76.
[14] 顧綺芳.一種坐臥變換式輪椅的設(shè)計[J] . 電腦知識與技術(shù),1999, (2):121.
[15] 唐海燕,楊婉瑜,蔡秋蘭.改進下肢骨牽引裝置的應用效果[J]. 醫(yī)療裝備,2017,30(22):174-176.
[16] 王文杰, 詹艷, 周慶煥.可調(diào)式布朗式牽引架的設(shè)計與應用[J]. 中華現(xiàn)代護理雜志, 2017, 23(2).
[17] 董維,郭楊,馬勇.下肢骨牽引支架的發(fā)展與創(chuàng)新[J]. 中國中醫(yī)骨傷科雜志,2015,23(08):75-77.
[18] 張渤海. 多功能康復床的設(shè)計與研究[D]. 天津：天津科技大學，2009.
[19] 寧樺.托馬斯支架的發(fā)明人——H·O托馬斯[J]. 中國矯形外科雜志,2013,21(14):1462.
[20] 周斐.中老年人骨折相關(guān)調(diào)查分析及預防[J]. 中國衛(wèi)業(yè),2017,14(25):150-151.
[21] 祖立秋,王莉英,李志勇,高權(quán).小腿骨牽引架結(jié)構(gòu)、特點及其應用[J]. 中國地方病防治雜志,2014,29(S1):142.
[22] 徐曄. 組合式雙側(cè)下頜骨牽引器的研制與動物實驗[D]. 河北：河北醫(yī)科大學,2005.
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