一种跖屈及背伸康复训练计数仪的设计与实现

摘要

目的

设计一款用于足踝关节康复训练的具有跖屈、背伸及计数功能的设备，并制作出样机。

方法

基于市场上可购得的磁感计数器、木板、弹簧、胶带等物品，按照设计尝试制作康复训练计数仪样机。

结果

成功设计出样机并进行了总结讨论，该样机具有足踝关节康复训练及计数功能。

结论

该设备适用于足踝康复训练且具有计数功能，同时为类似产品的开发与设计提供了一种新的思路。

关键词

踝关节; 跖屈; 背伸; 康复训练; 计数仪

人体的站立、行走、跑跳等动作，与足踝的作用密切相关。踝关节属于人体重要承重关节，由于运动不当、意外事故、疾病、老化等多种因素造成的足踝关节损伤屡见不鲜，如扭伤、神经损伤、炎症、代谢性疾病、肿瘤等^［1］。严重足踝损伤需要手术治疗，术后普遍都需要进行功能锻炼以及康复运动，但功能康复训练往往是枯燥且痛苦的。关于脚踝的康复训练，勾脚尖称为背伸，绷脚尖称为跖屈。研究表明，患者每天需要做几十或几百次训练，以缓解关节僵硬、促进足踝血液循环、促进韧带及神经重塑、增加肌肉力量、预防静脉血栓。但总的来说，一部分患者的依从性较差，并且有他们自己的理由^［2］。部分患者时常由于意志力不坚定，或害怕疼痛，或感到麻烦而不能坚持锻炼。家属无法有效监督，常规护理干预措施主要以疾病为护理干预重点，无法改善患者因疼痛、肿胀等因素引起的焦躁、不耐烦等不良心理，致使不愿积极配合治疗训练，最终影响康复效果。更有患者持无所谓的态度，认为休息一段时间就会康复，从而缺乏主动训练积极性。其实不然，适当的休息是需要的，但并不是治疗的全部，科学的康复训练同样不可少。此外，客观事实还包括下肢患者在康复初期下肢运动能力较弱^［3］，必须采取正确、适宜的治疗与康复训练，才能取得良好的疗效，尽量减少后遗症的发生。

本文设计了一种跖屈及背伸康复训练计数仪，该计数仪具有跖屈训练与背伸训练二合为一的功能。通过患者足踝的运动控制磁感计数器的磁感闭合接触，完成单次计数，从而达成对患者康复训练的定量计数管理。该计数仪具有计数清零功能。

该设备已申请实用新型专利（专利号：ZL 2022 2 1305509.3）。

1 计数仪方案设计

踝关节只需要在小范围内活动，因此设计无需过于复杂^［4］。计数仪依据人体工程学原理，利用患者足踝前后运动产生的机械力，带动磁感应装置的吸合，完成单次计数。在本设计中，足踝运动的方式包括两种，即跖屈与背伸。单次计数必须有患者足踝运动的参与方可实现。本设计的运行需要小负荷的电能，普通的两节5号干电池即可实现供电需求。

在非工作状态下，计数仪的磁感应装置是断开的，不会实现计数功能。在工作状态时，患者可在床上坐直，计数仪也同样水平高度放在床上。将患者的一侧下肢通过胶带的方式固定在计数仪上。按照治疗师要求，将一侧下肢调整固定至合适、舒适、能达成有效训练的位置。确保计数仪供电正常，将计数仪电源打开并确保计数清零。

按照治疗计划，在治疗师的监督指导下，患者即可开始当日的康复训练。例如，当日患者计划跖屈训练、背伸训练各100次，且先完成跖屈训练，再开始背伸训练，则只要患者进行有效跖屈动作1次，则计数器即计数1次，直至计数器数值显示“100”，则跖屈训练完成，之后再以相同的方式完成100次背伸训练。在以上过程中，无论是康复师或是患者本人都无需自行人工计数。患者使用该计数仪时的初始状态、跖屈状态、背伸状态的工作原理，见图1~图3。

图1  初始状态

图2  跖屈状态

图3  背伸状态

2 计数仪结构设计

本设计总体上的结构可视为机械部分与电磁部分的结合。为了使用上的方便，在保证产品能够产生有效预期功能的前提下，应尽量简化设备结构并缩减设备尺寸^［2］。

2.1 机械部分设计

机械部分的所需物料及规格、数量，见表1。

表1  制作机械部分所需物料

物料	规格/尺寸	数量	作用	备注
木板A	约50 cm×22 cm×2.3 cm	1块	水平放置板	尺寸数据不唯一,合适即可
木板B	约30 cm×12 cm×2.3 cm	1块	垂直放置板
金属片A	约15 cm×1.8 m×0.3 cm	2片	钉在木板A上	尺寸数据不唯一,合适即可;材质亦不限,不锈钢、铁、铜均可
金属片B	约8 cm×1.8 m×0.3 cm	2片	钉在木板B上
金属段A	约2 cm×2 m×0.3 cm	2段	与金属片A垂直焊接,用以连接金属片A与金属片B
铝(铜)片	制作成合适的长度,见图4
单面魔术贴	至少宽5 cm	6段	固定患者下肢与足部	1 m备用,切割成长度适中的6段

注:  另备自攻丝、普通螺丝、螺丝垫片、绿色漆、白色漆等若干。

2.2 电磁部分设计

综合考量目前市面上所能购买的计数仪的质量、尺寸及使用方法等，最终选择台邦电子品牌的TB-5S型号数显电子计数器，其额定功率$\le$3 VA，计数位数5位，聚合物材质，能够满足本设计的电磁部分需求。

需要注意的是，本设计具备跖屈、背伸两项计数功能，所以需要采购两台磁感应计数仪。

3 制作及说明

该计数仪作为一种医疗设备，首要考虑因素是要对患者无毒无害，并要做到耐用、易消毒且不易生锈，下面列出具体制作步骤及使用说明。

3.1 制作步骤

①按照表1的参数，选用实木制作出木板A、木板B，且出于美观、易清洁的考虑，将两块木板分别涂上油漆。若不选用实木而是选用复合木板，则建议选用E1级以上环保板材。②将金属片A、金属段A按照表1的描述及图4所示进行焊接，焊接之后再与金属片B用螺丝固定于木板A、木板B，使得两块木板呈垂直连接状，至此计数仪的骨架基本成型。③将铝（铜）片、单面魔术贴、两台磁感应计数仪按图4所示，用自攻丝、普通螺丝等安装到设备骨架上。④调节铝（铜）片的角度，使得设备静止（非工作状态）时，计数仪的磁感应装置处于断开状态。⑤轻按暂停键锁屏，停止计数；按住清零键1.5 s清零；长按暂停键即关机。

图4  成品左视图

3.2 说明

①本计数仪在设计、制作的过程中，参考了国家标准GB/T 10000—1988《中国成年人人体尺寸》^［5］，但在本文写作的过程中，新的国家标准GB/T 10000—2023《中国成年人人体尺寸》^［6］发布并将于2024年3月1日实施。后续学者应参考新版本的国家标准进行研究。②以图4（成品左视图）为主视角，木板B右侧部分的木板A起到承载患者下肢主要是小腿及足踝部的作用；按照下肢放置位置，则木板B起到撑托患者足底的作用；魔术贴起到将患者下肢固定于计数仪上的作用，同时确保安全性及背伸训练的有效性。③跖屈训练时，患者足底部向木板B的方向踩踏，木板B、弹簧同时作用，达到阻力训练目的；背伸训练时，患者足部勾住魔术贴并向木板B的反方向用力，木板B、弹簧、魔术贴同时作用，也达到阻力训练目的。④本计数仪的足踝关节康复训练运动范围的设计指标如表2所示，设计符合正常人体踝关节生理特征，相应的结构设计也适用于踝关节的康复要求。⑤使用前检查各部件结构是否松动或磨损老化，确保计数仪可正常使用。使用完毕后，注意清洁、消毒，并置于安全干燥处。

表2  计数仪踝关节角度范围

自由度	范围
跖屈	0°~70°
背伸	-30°~0°

4 讨论

本文从足踝关节的康复训练需求出发，从总体方案设计、机械结构设计、电磁部分设计及实物样机制作四个方面介绍了研究工作。康复训练设备需考虑的是保持患者康复训练时的稳定性^［3］，既要达到训练效果，又要减轻患者下肢的非必要负担。本设计人机协作良好，且兼具安全性、透气性、稳定性、便捷性、经济性及可重复性等优点，不仅可应用于医院内康复，也适合家庭及社区康复。

本文提出的一种跖屈及背伸康复训练计数仪，为后续同类型医用设备的设计和进一步优化提供了基础^［7］。但现阶段本计数仪样机的制作尚不够精细，没有对患者下肢长度、脚掌长度作出具体适用范围，未来将进一步优化升级该计数仪，持续参考来自临床的研究数据，同时也势必会朝着更加智能化、多功能化、轻便化的方向发展。