一种新型下肢助行器的研发

叶桂峰，郭腾鹏，杨镔，侯亮，周伟（厦门大学附属中山医院 创伤骨科，福建 厦门36004；厦门大学 机电工程系，福建 厦门36005）

目前，临床上针对下肢骨折与损伤的康复治疗期间使用的助行设备绝大部分为无动力型助行器，市场上常见的包括手杖、前臂杖、腋杖、平台杖等。其中最为经典与常见是双拐，其使用方便、结构简单、价格低廉，但也存在腋下挤压酸痛、不适感，上肢受力较大，易发生不正确使用等缺点。基于上述状况，开发一种简单、方便、易操作，且经济实用的助行器显得尤为必要。

1 材料与方法

1.1 设计要求

通过设计出一种新型助行器，要求达到以下功能：①分散受力点，减少局部力量，减少不适感与并发症，特别是减少腋部的压力与并发症；②使用方便、操作流程易懂，不易发生使用时违反操作规程，可满足不同状态下和不同高度人体的使用；③结构简单、制造方便、价格合理。

创新点：类似于普通拐杖，增加了小腿支撑结构，下肢力线传导过程由拐杖脚通过小腿支撑传导到大腿；小腿通过穿戴支具保护后，承受上半身力量。达到小腿及远端受力明显减少的目的，通过下肢承受力量，明显减小腋窝与手臂的受力。

静止站立状态下：通过小腿支撑接受身体力量，小腿及远端因助行器的应力遮挡与力学传导改变，明显减小受力，腋窝与手臂的受力通过分散受力后，应力亦明显减小。

行走状态下：足部与助行器脚先为平行排列，腋部及手把可以控制助行器的稳定性，小腿可接受较大的力量，而不感觉患肢肌肉疲劳，行走时，健侧下肢伸出身体重心向前，同时患者助行器可以拐杖脚垫处为旋转中心点向前倾斜，当健侧下肢着地后，身体重心可继续向前移动，患侧肢体携带助行器，通过手把把住助行器控制并向前行。

此外，此助行器可单独使用，亦可通过解除小腿支撑并配合对侧助行器形成双拐一样使用，可满足不同状态下需求，同时通过多处调节结构，满足不同身高者的使用。

适用范围：适用于单侧肢体损伤，包括小腿远端骨折或损伤，如：踝关节扭伤、关节及周围骨折、跟腱断裂、足部骨折与损伤等需要患肢保护，禁止负重的病例。

新型助行器结构组成包括新型拐杖部分与患侧肢体穿戴保护两部分。

1.2 设计方法

拐杖主体部分基于Solidwork 17.0进行设计：整体略呈长“T”形，主要包括腋托、手把、小腿支撑，拐杖脚等部分。其中，杖身采用单直管设计，利于手的把握，左右对称。手把及小腿支撑可增加受力点，减轻腋部压力，可使腋部、手臂和下肢不同程度处于受力支撑状态，避免单一部位受力过大和疲劳，尤其增加了小腿支撑，可较大地分散应力，有效及显著地减小腋下压力和手部支撑力。

顶端有腋托，横形，为身体第一个支撑点与活动时的旋转中心，主要负责腋窝处应力，表面套有硅胶，质地柔软，在腋下有利于分散应力，保持与腋部接触并作为拐杖工作时的控制点与旋转中心。

体部有手把，可在主体中调整，为主体支撑中腋窝下方的一结构，可以分担拐杖工作时腋部压力，并通过灵活的上肢作前行的动作，是整体拐杖工作时重要的控制中心，此处有一调节装置，以适应不同臂长的人。

小腿支撑：可在主体中调整，为主体支撑中手把下方的一结构，通过小腿穿戴支具，可以分担拐杖工作时腋部与前臂的压力，亦可以通过转向调节装置，与身体前行方向一致，在非工作状态下或快速前行时不影响下肢活动。

杖脚：可在主体下段中调整，依据不同人调节长度，满足不同身高需求。

杖脚垫：防滑软材料 （橡胶等），易于抓地，最底面为平面，不易打滑，适应不同状态下地面。

患侧肢体穿戴部分：小腿穿戴护具主要负责与柱杖小腿支撑的接触，分散应力，避免小腿直接受力后疼痛，内表面与小腿接触区主要由软材料组成，可以固定于小腿，对小腿亦有保护的作用。

总体特点：对称美，呈长 “T”形，以便一些特殊结构的转换，满足左右侧肢体不同状态下使用，多处可调整，以适应不同身高、臂长、腿长的使用者，结构简单，制造方便。整体设计效果见图1。

图1 整体设计效果图及穿戴部分

2 主体各部分受力的有限元分析及结果

研究中设定助行器主体采用304不锈钢管的规格为：粗管外直径25 mm，细管外直径23 mm，管壁厚度为1 mm。

采用美国HKS公司功能强大的ABAQUS6 14.0有限元分析软件进行分析，共有17 794网格单元，采用缩减积分单元C3D8R（单元为3维实体单元，具有8个节点），以减小网格的扭曲，缩短计算时间。304不诱钢管材料属性定义把杖体及主要支撑结构部件的材料，选择手把及腿撑，在把手横向把握面及脚撑支撑处均匀分布1 kN的法向力进行模拟。见表1。

表1 304不诱钢管材料属性

经网格划分和添加约束后，对助行器手把支撑面和脚撑支撑面施加1 kN载荷进行运算分析，得出助行器在1 kN载荷下最大应力为130 MPa，最大应变为6.911E－4，小于304不锈钢材料的屈服强度207 MPa，强度符合材料使用应力要求。同理对助行器手把支撑面和小腿撑支撑面施加1.5倍应力 （即1.5 kN）的载荷再次进行运算分析，得出助行器在1.5 kN载荷下的最大应力为195 MPa，最大应变为1.037E－3，仍小于304不锈钢材料的屈服强度207 MPa，材料仍符合强度要求。由于施加力已大于国家检测标准中的1 kN。由此综合判断，该设计可靠，可以安全使用。见图2。

3 讨论

采用普通304不锈钢管作为材料，容易购买，价格低廉，且在日常生产生活中普遍使用。采用304不锈钢管材制造的助行器主体符合强度要求，将受力标准提高1.5倍仍符合国家检测标准，故该设计安全、可靠，可以使用。当然，亦可再通过增加不锈钢管和管壁厚度与直径而增加其整体强度，甚至达到其数倍强度标准，以满足更高、更苛刻的安全要求标准。设计的助行器，结构简单，使用方便，操作流程易懂；通过不同机械结构设计，改变助行器小腿支撑的不同状态与方向，可满足不同状态下需求，通过长度调节机构，同时满足不同高度人体的使用，因人制定不同要求，满足个性化需求。

助行器是下肢损伤与骨折康复治疗期间的重要治疗辅助工具［1］，规范正确使用时，可给患者带来行动上诸多自由，确保了治疗后期的效果［2］。目前市场上常见的可用于患肢保护、非负重下肢无动力型助行器具主要包括拐杖，还有渐流行的前臂杖等。拐杖历史悠久、效果确切、应用广泛、使用方便、结构简单、价格低廉，但也存在使用时腋下挤压酸痛、不适感，严重时出现腋部血管神经包括臂丛神经［3］、前臂骨间背侧神经［4－5］损害，腕部损伤［6］等，甚至血管损伤血栓形成［7］、致残等。

此外，因患肢悬空，肌肉长时间收缩，易发生疲劳，加之日常双下肢行走习惯发生改变，术后随访的患者相当部分使用不当，患肢着地，四点式行走，患肢仍然承受较大应力，故可见部分病例因局部受力后微动，继而发生骨不连，时间一长，发生内固定物松动、断裂［8］，不得不面对二次手术，重新植骨内固定，如此病例的完全愈合时间可长达2～3年不等，甚至更长时间，给患者造成极大的经济伤害与心理创伤。通过增加小腿支撑结构，既让小腿有一定支撑受力点，不至于长时间悬空状态下肌肉持续收缩而发生疲劳，又让其继续接受支撑力，发挥下肢身体支撑功能，在使用助行器期间，不能形成患肢着地的情况。

受力部位主要位于腋部、手臂等处，更确切地说主要受力点仍位于上肢，而上肢主要功能主要是精细动作，相对于下肢不能承受较大的应力。本研究创新地通过增加小腿处受力支撑点，下肢的主要功能是负重，尽可能保持肢体原有功能，减少对肌肉组织影响［9］，相对上肢可承受更大的应力，而不会出现疲劳，结合穿戴式支具，保护小腿受力处，分散应力，同时保护患处；亦可避免使用双拐时患肢需悬空的状态，造成长时间悬空时患肢疲劳，或易着地活动受力，造成不正确使用，从而出现无效助行，损伤后再损伤，更甚者出现内固定失败的情况。

该设计类似普通双拐，但力学结构基础完全不一样，普通拐杖基于腋部与手臂承受身体力量，新设计的助行器基于小腿支撑承受较大的力量，甚至可以几乎全部力量承受于小腿支撑，而腋部及手臂将作为辅助力量，控制身体与助行器前进。设计产品可单侧使用，也可以适当改变其结构后，将小腿支撑转向，避免行动时器具与身体撞击，双侧保护与使用，与普通拐杖使用相类似，对下肢神经肌肉损伤者有保护助行的作用［10］，简单易懂，满足不同需求，同时结合多处长度调节结构，可改变不同部位长度要求，以满足不同个体的需求，灵活多变，最大程度满足不同人的要求。

设计产品所适用范围局限于单侧肢体损伤，包括小腿下段骨折或损伤、踝关节扭伤［11］、骨关节及周围骨折、跟腱断裂、足部骨折与损伤等需要患肢保护，禁止负重的病例。因使用该助行器时小腿近端及大腿与髋部仍在受力范围，故并不能应用于大腿或髋部损伤的病例，适用范围相对局限。当然，该设计仍有不足之处，或是广泛使用后一些不可预知的情况，将在以后实际应用中不断改进，本研究亦可为基于下肢受力点开发新的助行器提供参考。

图2 1.5kN应力作用下杖体受力分析

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