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基于Ergonomics的强直性脊柱炎患者辅助护具设计研究

范文

鲁诗琪　曹学伟　谢安博

摘要：为缓解强直性脊柱炎患者的日常疼痛。通过结合人机工程学（Ergonomics）相关理论及人体脊椎外型特点进行分析，利用Rhino等软件，对辅助护具进行概念化设计。得到相关辅助护具概念化模型及穿戴渲染效果图。依据人机工学数据及强直性脊柱炎的特性所设计的辅助护具，通过外形，功能，材质的设计可以在一定程度上缓解人们的身体疼痛和心理焦虑，提高其生活质量。

关键词：人机工学辅助护具强直性脊柱炎穴位按摩rhino模型

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2021）02-0044-04

引言

強直性脊柱炎（AS），是以脊柱慢性炎症及骶髂关节为主的全身骨关节病。随着疾病发展过程，脊柱逐渐会成为一个单一的，不灵活的单位。常年伴有此疾病的患者，其日常活动十分受限，目前生活中极少有针对于患有强直性脊柱炎的人群的辅助护具。基于上述问题，设计一款基于Ergonomics的强直性脊柱炎患者辅助护具，本项目充分考虑家居环境下人体不同姿态特征及长时间保持某一姿态等关键问题，结合传统中医推拿手法，并以Ergonomics为设计原则，对护具结构进行设计，最大限度地帮助使用者缓解疼痛;户外辅助护具的设计则主要考虑使用者外出活动等舒适性需求，以轻便性、良好的身体贴合性等为目标，采用结构和延展性好易收纳的材料进行设计，为人们便利出门提供了可能性。

一、基于人机工程学的辅助护具设计思路

（一）研究方向

1.国内外按摩产品分析：根据相关数据的搜集，现有市场有多种按摩护具，大小规格都不同，人们的可选择性也有很多。但是我们发现现有市场上没有针对于强直性脊柱炎人群的按摩护具，我们将结合强直性脊柱炎患者疾病的实际情况对同类产品进行痛点分析，如图1。

在搜集和整理市场已有的按摩产品中我们发现，许多按摩坐具需要足够大的空间才能够进行摆放，不便于搬动调整。这类产品不适合患有强直性脊柱炎的人使用，在搬动此类产品时会出现，应力性骨折等造成脊椎损伤的情况。另一种按摩坐具可以方便人们在床上或者沙发上放置使用，易于人们存放。由于强直性脊柱炎患者的特殊性，在材料的软硬度上，有待考量，如图2。

在搜集和整理腰部肩部护具产品信息中，我们发现用于矫正支撑脊椎的护具会出现材质过软或者穿戴后不便于人们活动的情况。市场上有很多腰部护具设计，所针对的人群是锻炼健身的人群或者康复训练的老年人群体。这些产品会有一定的负重加固的设计，外形并不美观，对于患有强直性脊柱炎的职场工作者并不适宜。

2.国外治疗强直性脊柱炎方法：国外治疗该类病症一般会开具药物给人们进行服用（生物制剂十非甾体抗炎药十慢作用药物），人们长期服用药物作用影响并不大。

3.国内治疗强直性脊柱炎方法：国内对于此类病症的治疗有开具药物治疗，也有通过传统推拿脊椎的手法进行治疗的方法。相关资料表明，将推拿脊椎按摩疗法与口服药物结合治疗，与单纯口服药物两组疗效数据就相对比，发现中西结合的治疗效果更佳。可以有效地缓解人们夜间疼痛，早起晨僵的病症。但是该项方法，对于患有强直性脊柱炎的职场工作者或老人而言，定期前往诊所推拿治疗的可能性并不大。

基于以上调查研究，根据强直性脊柱炎患者病症和生活的特殊性，并结合人机工程学的相关知识，为强直性脊柱炎患者设计一款适用于他们的辅助护具，具有极大的可行性和必要性。

（二）模型草图设计

考虑到使用者的生活环境的变化，使用环境分为两类：家居生活（室内）和户外活动（室外）。不同类型的护具适用于不同的生活环境，如图3。

本护具由靠背座椅的基础形态进行衍生，与人体脊椎，肩胛骨，盆骨的外型相结合进行仿生设计;最后生成雏形，如图4。本辅助护具产品（家居使用）由靠垫部分和电动装置部分组成。

二、辅助护具设计分析

（一）室内辅助护具设计

1.靠垫部分：靠垫的外形仿照人的肩胛骨，脊椎骨，盆骨的外形进行结合设计。

靠垫的每一个体块都进行中间较薄两端较厚的设计，使得中间有一定的凹槽，对应着使用者的脊椎，对使用者的脊椎进行防护。本护具为人们提供舒适的躺卧环境，减少人们由于躺卧环境不适而不断调整睡姿体态而导致脊椎损伤的情况。本护具将形成一定的角度，通过与床头或者墙面进行相互依靠，为人们的躺卧提供支撑力。

对于靠垫连接处的设计，我们考虑到是和人体进行接触的。大量的零件机械结构，可能会影响人们的体验感。所以我们想到人体脊椎的骨连接方式，通过对护垫每一个体块连接处外形之间的设计，进行巧妙的连接。避免由于使用金属连接件对人体产生的不适感，如图5。

2.电动装置部分：我们对本产品进行电动装置的设计。给使用者的靠垫中内置一个按摩机芯。图6所示红色区域为按摩区域，在按摩器中内置蓝牙等连接装置，当开启的时候，内部的按摩装置连接唤醒，对使用者进行按摩。该按摩有强度的设置可以根据个人需要来进行调控。按摩器装置的开启可以分为两种：一种是使用者自己进行开启;另外一种是家人可以通过手机进行检测来开启或者调整。按摩的区域的设置多为强直患者疼痛的多发区域，通过按摩这些穴位，减缓使用者的疼痛，如图6。

3.人体按摩穴位参考：由于疾病的困扰，患者身体时而会出现一些僵硬或者疼痛的问题。需要家人或者外物进行辅助帮忙按摩来慢慢地恢复身体功能。这对于患者和家人会造成生活上的不便。人们进行居家自主按摩时，由于对人体穴位的了解少，因此往往达不到预期舒缓疼痛的效果。通过相关资料收集，我们发现通过按摩按摩大椎，肾门，秩边，环跳等穴位有利于缓解强直性脊柱炎患者的疼痛。我们拟将传统中医推拿按摩方式与护具的按摩功能进行结合，如图6、7。

4.人体按摩手法研究，如图8。

（二）户外活动辅助护具设计

户外活动时候，人们过度的活动，会对自身的脊椎造成不必要的伤害。由此设计一款适用于户外活动的护具来辅助人们，为其减少伤害，同时起到舒缓酸痛的作用。

根据人们身体不同的部位，设计了两款户外活动时候的护具。分别针对于肩部以及腰部。人们可以根据自身需求进行穿戴。

1.肩部护具：人们在过度活动后，会出现肩部不舒适的状况。因此我们为护具设置了散发热量的区域，通过该区域释放一定的热量来给肩部酸痛进行放松。最初的护具外型设计思路是为人们设计一款背心穿戴式的肩部护具。考虑到材料浪费以及人们对于背心式的护具产生不适感等因素。我们对于肩部外形进行再设计，如图9。

背心的外形輪廓和人体肩胛骨的外形相似，设置半个肩带。给肩部护具设置了三个磁铁部位，可以通过这三点，通过吸附在衣服上将护具固定在肩部，同时不影响人们的活动，如图10。

该部分在肩部护具中添加发热的装置对人的肩部进行散发一定的热量，从而减轻人们的酸痛不适。参考于，家居使用的电热毯的温度和人体所适温度。可设置发热垫的温度在25"C-36°C。

2.腰部护具：在许多的活动中，人们都需要腰部来进行支撑或者发力。所以腰部是一个经常活动的零件。对于患有强直性脊椎炎的人们来说更是需要保护的对象。腰部护具对于他们来说，可以分散一部分腰部的压力，减少痛苦，也能够规范他们的姿势，减少骨折等状况，如图11。

腰部护具采用镂空的设计，具有一定透气感。在腰部护具的背部设置三处发热区域贴合人体腰部结构。功能同理于肩部护具。镂空设计也表现出人体脊椎的形状。考虑到每个人的身材腰身不一样，所以腰部护具的材料需要延伸感。护具的连接处采用魔力贴的模式。对于不同年龄层的人都可以方便轻松的粘贴固定，如图12。

三、辅助护具技术及功能分析

（一）技术路线：本辅助护具考虑到针对的设计对象是患有强直性脊柱炎的人，其身体状态具有一定的特殊性。我们在为其进行形态和功能设置上需要将该类人群现实需要作为考虑范围，并参考人机工程学（Ergonomics）相关原理知识。我们将为辅助护具的设计，从功能设计，人机工程的运用，以及护具材料进行研究，分析其可行性，是否满足用户需求，如图13。

（二）辅助护具功能设计与分析：家居护具的功能设计，我们拟在靠背处设置按摩功能。其按摩模式参考传统中医推拿按摩的方式，与有助于缓解强直性脊柱炎疾病患者痛苦的几个穴位相结合。为护具设置此功能，可以帮助人们在家居生活时，随时都可以根据自身需求进行按摩，无需长距离前往按摩治疗所，节省时间和精力。

腰部护具的按摩机芯需要与中医按摩手法相结合。传统的中医按摩手法普遍有揉捏，拍打等手法等。根据相关定义和要求，表1为按摩速度的取值范围参考。

考虑该护具的使用环境多为人们夜间睡眠期间，我们拟选定相对按摩强度频率较低的模式，辅助人们舒缓痛苦入眠。整个按摩装置将由按摩机架结构，传动系统，3D机芯组成。我们拟对机芯设置相对的XYZ方向移动，来实现其运动功能。我们将根据相关《家用和类似用途保健按摩仪》进行参数设置。本家居辅助护具具有一定的角度，人们使用时将其放置在床上靠墙处或者沙发处，形成一定的角度;人们躺下时，该护具将为为人们的脊椎提供支撑，如图14。

肩部背部护具的功能设计，我们拟在贴合人体处设置相关发热区域。该功能有利于帮助人们缓解酸痛。将该功能与穿戴方式进行结合，减少人们的束缚感。考虑到人们所使用该护具时所处的环境，我们的护具需要满足人们节俭轻便的需求。本护具的发热功能，拟采用吸湿发热的方法实现。发热区域拟采用发热纤维。肩部护具的穿戴我们将进行软性磁铁的设置，使人体和护具通过轻质磁铁这种介质相互连接，如图15。

（三）人机工程学的运用：我们为护具设计进行功能赋予后还需考虑其尺寸是否合适。护具的或大或小都会影响人们的使用感及体验感，不能舒缓其痛苦。所以，我们将根据人机工程学相关内容及人体坐姿尺寸，对护具进行尺寸设置。

图16为人体头肩颈部分活动范围示意图，我们将根据下表相关数据对肩部护具外形角度进行设置，避免由于护具大小形态设计不当，而导致的人们肩颈活动不便的情况出现。

我们通过对人体腰围，肩宽等数据进行统计。为肩部腰部护具的尺度进行设置。图16腰部肩部尺寸是我们拟根据人体尺寸数据取中间值进行设置。人们处于不同年龄阶段将会有不同的尺寸，我们需要将尺寸设置具有大众化，适于大众所使用的。

护具的规格尺寸角度的设定，都将影响着人们的舒适度和体验感。长期不恰当的坐躺卧姿势会对人们的体态健康造成不良影响;正确得当的尺寸数据将会为人们提供良好的使用环境。由于人们站立时的体态体积与坐姿时有所不同，我们在护具尺寸设置是需考虑，人体在坐姿情况下的各项人体尺寸。坐高和坐深的尺寸数据，将为人们的臀部提供恰当的空间。坐姿臀宽，肘间宽将为人们的上半身提供舒适可活动的空间环境，如图17。

四、辅助护具料参考

（一）室外护具材料参考：护具所佩戴的环境在户外，所以对于材料的选择要考虑是否防水防汗透气，是否有弹性。对于不同的人群是否有延展性，柔软不磨损人的肌肤。根据查找相关报告数据，列出如表2所示。由于是贴合人体设计，为人们所使用。所以我们考虑按摩材质时，更偏向对软弹性纤维。通过相关报告吴利锋-四种常见弹性纤维鉴别方法探讨，我们发现，聚烯烃弹性纤维的软硬结构赋予纤维弹性，不仅耐酸碱，耐高温，同时经过反复的水洗漂白等方式也不会影响其弹性，具有耐用性。其材料也拥有绿色环保性，应用日趋广泛，方便获取。满足人们日常需求。所以本护具设计拟采用聚烯烃弹性纤维与其他材料进行混合交织作为腰部护具的材料。

对于腰部护具材料的选择时，我们同时需要对工艺进行考虑。柔卡纤维是一种新型聚烯烃弹性纤维所采用熔融纺丝法生产，是一种可循环回收纤维，可以与其他材质进行交织。通过彭宏提出的聚烯烃弹性纤维柔卡及其绢丝面料开发中，将96.8%的绢布与3.2%柔卡进行交织，其克质量为145g/m。其克重量满足人们户外活动时轻便透气的需求。

表3为肩部护具的材料选择，我们着重在面料上进行比对选择。经过一段时间的户外活动，人们会有出汗的反应，所以肩部护具的材料选择，要以其透气性柔软性为主要选择方向（可以参考运动衣物面料材质）。考虑到该护具所穿戴后所处位置为人体肩背部，该区域为人体汗液分泌较多的地方。所以采用轻薄透气的材料进行使用，竹纤维虽然具有吸湿透气除臭的特性，但是在制造加工中难度较大，容易破损，目前市场上没有纯竹纤维产品。通过比对纯棉布和天鹅绒的工艺及造价，我们拟将纯棉布作为肩部护具的主要材料，可与其他材质混合交织以增加其弹性，耐用性。根据数据参考，一般的棉质制品克重量为70-250g/m。

关于肩部腰部的发热区域，我们拟采用发热纤维。结合人们户外活动实际情况运用吸湿发热的原理，为人们提供热源。根据相关资料数据显示，发热纤维的克重量比棉花要小，单位体积分别比棉花和羽绒少30%和80%。这种材料不仅为人们提供发热功能，也满足人们方便携带，轻松收纳的需求。

结合肩部及腰部护具尺寸图与我拟选择的纤维材料相结合，进行相关护具重量的计算。圆柱侧面积计算公式为：

S侧=2πrh

其中r为腰部护具半径40cm，h为腰部护具高22cm，分别将r及h带入到公式中。得到腰部护具面积为5526.4cm，经过换算为0.55264m2。

我们将肩部护具类比成大小不一的两个长方形，对其进行面积计算。

长方形面积计算公式为：

S=ab

S总=a1b1+a2b2

其中a分别为8cm和19cm，b分别为15cm和30cm，分别将a，b带入到公式中，得到一个肩部护具单面面积为690cm？，由于是两个护具所以总面积为2760cm，经过换算为0.276m。

我们将所得面积将与所选材料克重量将相结合，以选择含量为96.8%的绢布与3.2%柔卡腰部材料克重量145g/m？为例，将面积进行计算，得到护具重量約为120.35g。得出结论，选择此类纤维材料进行护具设计，可满足人们户外携带轻便收纳的需求。

（二）室内护具材料参考，如表4

室内护具是由多个体块连接组成，为人们提供坐和靠的功能。材料面积运用大，所以要选择具有易拆卸，易清洗，易晾晒，抗磨损等特性的材料。由于我们在本产品中还设置了电动按摩的装置，所以我们还需考虑护具的材料的绝缘性，以此为人们提供安全舒适的使用环境。

结论

基于Ergonomics的强直性脊柱炎患者辅助护具设计，在结构创新上：室内辅助护具连接处采用无金属零件连接，易拆卸;户外辅助护具肩部穿戴采用软性磁铁进行吸附，使人们无束缚感;功能创新：家居辅助护具按摩方式与传统中医推拿方式相结合;户外护具通过发热纤维吸收发热的原理，为人们提供发热缓解酸痛的功能;应用创新：本辅助护具应用于患有强直性脊柱炎的人群，减轻他们的痛苦，提升其生活品质。

该项目的辅助护具设计，所针对是患有强直性脊柱炎的人群。结合强直性脊柱炎的症状表现和人机工程学（Ergonomics）相关理论，拟设计出一套适用于这类人群的辅助护具。通过结合传统中医按摩手法以及相关材料的特性，为实现辅助护具功能提供可能性。

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