開題報(bào)告 一種骨骼牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
一種骨骼牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)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?yàn)榧膊?、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(jì)規(guī)模不斷擴(kuò)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(dá)到將近600萬。一項(xiàng)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(shí)有效的治療修復(fù)而無奈導(dǎo)致病人的截肢，使他們失去了正常人的生活。對(duì)于這些病人來說，能到先進(jìn)醫(yī)療機(jī)構(gòu)的有效治療，以使他們不失去人類最基本的行動(dòng)功能對(duì)他們來說是一件夢(mèng)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(jì)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(jì)算機(jī)、信息、控制、康復(fù)醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的深入研究，人們對(duì)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(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，由于國外在該領(lǐng)域機(jī)械機(jī)構(gòu)價(jià)格方面的種種原因與國內(nèi)的可接受范圍相距甚遠(yuǎn)，完全依賴國外的機(jī)構(gòu)使病人得到最好的康復(fù)治療在近期希望渺茫。
將當(dāng)代先進(jìn)的智能控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、新材料技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)工程和康復(fù)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(jī)構(gòu)，是殘疾病人得到最好的醫(yī)療治愈，讓他們能恢復(fù)健康，這對(duì)于他們重新回歸社會(huì)生活，重新恢復(fù)正常人的生活、學(xué)習(xí)和工作，對(duì)減輕社會(huì)負(fù)擔(dān)、同時(shí)填補(bǔ)我國在該領(lǐng)域的空白、對(duì)促進(jìn)我國康復(fù)醫(yī)學(xué)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(fù)治療的醫(yī)療機(jī)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?cè)撜n題的主要目的和意義。而且該機(jī)構(gòu)的研發(fā)對(duì)于我國醫(yī)學(xué)在該領(lǐng)域的發(fā)展有著極其重要的意義，這使得該機(jī)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(fù)治療，而康復(fù)治療技術(shù)是一項(xiàng)使康復(fù)患者或殘疾人或需要進(jìn)行康復(fù)鍛煉的人進(jìn)行適當(dāng)鍛煉的新興技術(shù)。本課題的目的設(shè)計(jì)一種骨骼牽引與拉伸治療機(jī)構(gòu),讓手術(shù)后的患者或者需要進(jìn)行康復(fù)治療的病人可以更方便地進(jìn)行受傷四肢的牽引拉伸,從而使上、下肢能夠得到及時(shí)以及適當(dāng)?shù)目祻?fù)鍛煉，達(dá)到康復(fù)治療的目的。使患者能夠盡快地恢復(fù)正常生活，能夠正常的工作和學(xué)習(xí)?？祻?fù)治療技術(shù)這項(xiàng)新興技術(shù)有著非常光明的前景和發(fā)展勢(shì)頭，該技術(shù)和機(jī)械發(fā)展反映了患者對(duì)康復(fù)治療這項(xiàng)技術(shù)的迫切要求。在康復(fù)治療的過程中，除了需要家人的悉心照顧、醫(yī)生護(hù)士的精心就診和照料、更加需要先進(jìn)精密的儀器的治療，這就為這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的依據(jù)。該牽引機(jī)構(gòu)的核心是使用伺服主電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)柱狀伸縮桿進(jìn)而帶動(dòng)活動(dòng)板（將患者需要進(jìn)行康復(fù)鍛煉四肢置于活動(dòng)板上）上下牽引，加之滑輪上的配重，進(jìn)而使四肢得到適當(dāng)?shù)臓恳憻挕?
隨著科技的發(fā)展，各項(xiàng)理論都在結(jié)合，進(jìn)而在某些領(lǐng)域發(fā)揮更好的作用，為消費(fèi)者帶來便利。我國致力于將醫(yī)學(xué)理論與機(jī)械理論相結(jié)合，設(shè)計(jì)出有助于四肢需要康復(fù)治療的患者使用的牽引機(jī)構(gòu)。目前，在我國骨骼牽引機(jī)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣，也越來越現(xiàn)代化，而且國內(nèi)對(duì)機(jī)械的使用要求也越來越高，對(duì)骨骼牽引機(jī)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(shí)行加速發(fā)展的同時(shí)，即設(shè)備投入運(yùn)行后會(huì)進(jìn)行大量應(yīng)用。該骨骼牽引機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便,解決了上、下肢能夠方便操作以達(dá)到牽引治療的難題。使得患者在術(shù)后可以進(jìn)行有效快捷的牽引治療，減少痛苦并早日恢復(fù)健康。
2 國內(nèi)外骨骼牽引機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)
2.1 國內(nèi)骨骼牽引機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)
目前，國內(nèi)骨骼牽引機(jī)構(gòu)普遍采用手動(dòng)操作、種類單一，康復(fù)治療效果往往難以滿足患者的需要，延緩病人恢復(fù)健康的時(shí)機(jī)。這在傳統(tǒng)醫(yī)療器械競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)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(duì)檢測(cè)要求的日益嚴(yán)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(gè)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(fù)治療的要求；第二：裝夾機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)功能簡(jiǎn)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(jī)構(gòu)在使用時(shí)效率低，主要表現(xiàn)在為病人進(jìn)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(jī)構(gòu)以啟動(dòng)為主，所以無法控制病人的使用結(jié)果，并且產(chǎn)生的波動(dòng)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(cái)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(diǎn)，并為提出新的創(chuàng)新方案，而且很難進(jìn)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(duì)病人進(jìn)行康復(fù)治療的牽引機(jī)構(gòu)上采用靜態(tài)調(diào)節(jié)，這不僅導(dǎo)致精度和質(zhì)量低于國外 30%，還使使用成本與治療時(shí)間較國外多出1倍多。針對(duì)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(shì)頭強(qiáng)勁，骨骼牽引機(jī)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(chǎng)上有一定的份額，這都是國家、社會(huì)和各企業(yè)共同投入努力而得到的結(jié)果。但總體上，該機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到，很難達(dá)到高質(zhì)量和高效率的完美統(tǒng)一。因此，對(duì)骨骼牽引機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新和研發(fā)制作是未來5-10年內(nèi)的一項(xiàng)巨大趨勢(shì)，具有極其廣闊的市場(chǎng)前景，既出于對(duì)病人進(jìn)行最好康復(fù)治療的考慮，也出于提高我國在該行業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力的考慮，研發(fā)最新骨骼牽引機(jī)構(gòu)時(shí)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(jìn)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(jī)構(gòu)發(fā)展前進(jìn)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(qiáng)大的發(fā)展勁頭。
2.2 國外骨骼牽引機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)
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(xiàn)。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(yīng)用。在四肢牽引方面則是于科技的進(jìn)步緊密的結(jié)合在一起，通過與計(jì)算機(jī)和電機(jī)的結(jié)合，能夠更加精準(zhǔn)的控制牽引所需要的力的大小，通過計(jì)算機(jī)三維技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在電腦上能夠進(jìn)行有效的模型模擬和精準(zhǔn)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(fù)速度。雖然我國也在進(jìn)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?jī)?nèi)容、實(shí)現(xiàn)方法以及需解決的關(guān)鍵問題
3.1 研究?jī)?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(shí)現(xiàn)肢體的拉伸，以達(dá)到鍛煉的目的，還能整復(fù)四肢關(guān)節(jié)，并能預(yù)防和矯正軟組織攣縮，以及對(duì)某些疾病術(shù)前組織松懈和術(shù)后制動(dòng)的一種治療方法。
本課題是屬于研究設(shè)計(jì)類的課題，主要內(nèi)容涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)。在一定醫(yī)學(xué)理論知識(shí)的支撐下，需要對(duì)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(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及相關(guān)制作材料的選擇。同時(shí)還需要對(duì)于四肢關(guān)節(jié)的基本活動(dòng)形式有所了解，這樣在進(jìn)行四肢固定的時(shí)候才能夠更加的準(zhǔn)確無誤，同時(shí)可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕謴?fù)活動(dòng)。在機(jī)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)完成以后，要進(jìn)行行程模擬，防止各個(gè)機(jī)構(gòu)之間的相互干預(yù)，這符合人體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
考慮到核心部分活動(dòng)板需要與人體四肢直接接觸，這將對(duì)材料的選擇提出更高更精細(xì)的要求，要有一定的剛度、強(qiáng)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(zhǎng)時(shí)間的接觸并不會(huì)損害到人肢體的皮膚以及骨骼。該機(jī)構(gòu)的其余架構(gòu)部分可采用使用較為廣泛的45號(hào)鋼和價(jià)格低廉的鑄鐵制造。
最后還需適當(dāng)考慮骨骼牽引機(jī)構(gòu)的使用舒適度。因?yàn)楣趋罓恳话愕臓恳氖褂弥芷诙荚谌齻€(gè)禮拜左右，時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于康復(fù)中的患者本來就是一種負(fù)擔(dān)，所以在滿足工作條件后，要盡量地保證患者進(jìn)行牽引時(shí)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(jì)前期，需要查閱相關(guān)資料，對(duì)各種元器件的工作原理和特性進(jìn)行深入分析，了解其對(duì)工作環(huán)境的要求。在此基礎(chǔ)上，合理對(duì)各元器件進(jìn)行安排布置以適應(yīng)不同尺寸的器件。執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)增加閉環(huán)反饋的設(shè)計(jì)，以達(dá)到高精度、高可靠性的目的。對(duì)于檢測(cè)部件，要根據(jù)其相關(guān)特性進(jìn)行合理排布，并通過實(shí)驗(yàn)來檢測(cè)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(dá)到理想的工作效果。
濾波是過濾掉病人肌肉之間運(yùn)動(dòng)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(dòng)作模式后，發(fā)送指令脈沖，控制牽引機(jī)構(gòu)做出適當(dāng)?shù)膭?dòng)作。最后牽引機(jī)構(gòu)通過主電機(jī)帶動(dòng)伸縮桿帶動(dòng)活動(dòng)板，實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)病人肢體的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到康復(fù)治療的效果，形成一個(gè)動(dòng)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(xiàng)將醫(yī)學(xué)與機(jī)械理論相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一個(gè)骨骼牽引機(jī)構(gòu)。前期，在閱讀和搜集大量的與四肢關(guān)節(jié)骨牽引機(jī)構(gòu)相關(guān)的文獻(xiàn)資料以后，銅鍋與導(dǎo)師及師兄們的探討，初步擬定了設(shè)計(jì)方案，在設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)的是否可拆以及是否方便攜帶的問題，若能將這兩個(gè)問題在最后的設(shè)計(jì)中加以改進(jìn)，將是一個(gè)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(jìn)度計(jì)劃、預(yù)期結(jié)果
4.1 技術(shù)路線
(1)采用適當(dāng)?shù)难芯款惐确椒?，搜集、參考、查閱大量的相關(guān)文獻(xiàn)資料，確定骨骼傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)功能；
(2)制定骨骼牽引機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；
(3)根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案繪制零件圖，再將零件進(jìn)行裝配，進(jìn)而得到總裝配三維實(shí)體圖；
(4)對(duì)關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析；
(5)檢查并完善機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；
(6)撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文；
4.2 進(jìn)度計(jì)劃
第1周：接受課題、熟悉了解骨骼牽引機(jī)構(gòu)的基本概念；
第2—3周：進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)資料的搜集和整理，明確設(shè)計(jì)的思路以及主要設(shè)計(jì)方向，明確工作原理；編寫開題報(bào)告；
第4—6周：了解機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀況，三維設(shè)計(jì)及程序仿真，使其符合運(yùn)行過程；
第7—10周：詳細(xì)設(shè)計(jì)，查漏補(bǔ)缺，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬；
第11—13周：對(duì)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型及計(jì)算，進(jìn)行有限元分析；
第14—16周：撰寫修改論文，制作PPT準(zhǔn)備答辯。
4.3 預(yù)期結(jié)果
（1）完成骨骼牽引機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
（2）完成骨骼牽引機(jī)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(jī)構(gòu)關(guān)鍵零件的特性分析并撰寫畢業(yè)論文報(bào)告。
參考文獻(xiàn)
[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(hù)理輪椅系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J]. 科學(xué)與醫(yī)療周刊,2002,7(7):527.
[8] 劉福民.等 一種新型緊急救護(hù)搬運(yùn)椅[J]. 中國醫(yī)學(xué), 2002(2):5-8.
[9] 劉紅亮.雙臂手救援工程機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D]. 遼寧：大連理工大學(xué)，2012.6.
[10] 李森林.360度翻轉(zhuǎn)筆記本電腦轉(zhuǎn)軸力學(xué)性能研究及優(yōu)化[J]. 中國水運(yùn) 2018.10.
[11] 白建軍.多功能護(hù)理服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究[D]. 江西：南昌大學(xué)，2010.9.
[12] 王小琴.一種骨科牽引架的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 當(dāng)代護(hù)士(中旬刊),2017(04):63.
[13] 王年云.損傷肢體助動(dòng)康復(fù)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(jì)[J] . 電腦知識(shí)與技術(shù),1999, (2):121.
[15] 唐海燕,楊婉瑜,蔡秋蘭.改進(jìn)下肢骨牽引裝置的應(yīng)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(jì)與應(yīng)用[J]. 中華現(xiàn)代護(hù)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(fù)床的設(shè)計(jì)與研究[D]. 天津：天津科技大學(xué)，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(yù)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(diǎn)及其應(yīng)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(dòng)物實(shí)驗(yàn)[D]. 河北：河北醫(yī)科大學(xué),2005.
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