浅析基于医疗康复辅具研发工作的设计理念运用及案例

浅析基于医疗康复辅具研发工作的设计理念运用及案例

张墨染

南京康尼智能技术有限公司    江苏南京    210000

摘要：中国已步入老龄化时代，老年人、失能、伤病人和慢性病人的群体数量逐年上升，接受康复治疗和训练的需求愈发迫切，这也给医疗康复辅具产品带来市场。但目前国内康复辅具缺乏专业性和种类、数量严重不足的实施，市场需要更加专业、优质和人性化的医疗康复辅具，这就需要技术研发人员在产品的设计阶段，对产品进行全方位、多角度的剖析，运用多种理念和方法，完成产品的方案设计。

关键词：医疗康复辅具 模块化 轻量化 智能化 人因工程

前言

我国目前康复医疗的现状大致可以用五点来总结，那就是：康复群体数量大、康复需求迫切、康复专业人员缺乏、康复医疗机构少、康复设备配置不足。而其中，康复专业人员的缺乏和康复设备配置的不足则显得尤为明显。可喜的是，面对巨大的社会需求，我国康复医疗器械市场正在蓬勃发展，另一方面，医疗康复辅具产品的不断升级，康复医疗的新模式、新技术、新产品层出不穷，也注定会再次将全名健康的国家战略提升一个层级。

目前国家对康复辅具的最新定义，是“改善残疾人功能状况而采用适配的或专门设计的任何产品、器具、设备或技术”。而康复辅具的关键是“辅助”，针对的是人，包括老年人、残疾人、伤病人和慢性病人等。

当今的中国，已经是一个步入人口老龄化的国家，据2021年5月第七次全国人口普查结果显示，我国60岁及以上人口占比超18%，人口老龄化程度进一步加深。据估计到2050年，全国60岁以上的人口将占全国总人口的1/3[1]。其直接结果，是社会上会出现一个以老人、病患为载体的高危人群，这类群体数量庞大且需要接受康复的种类和设备多种多样。

俗话说，“工欲善其事，必先利其器”，一套具有专业性、便携性、功能性且“以人为本”的医疗康复设备，是能够有效辅助人体功能提高、改善功能障碍者功能状况的必要条件，所以针对医疗康复设备开展的研发工作，其方法的正确性和思路的合理性显得尤为关键。

一、模块化

目前，模块化设计已经成为比较成熟的设计方法。模块化设计的基本原理，是将产品的功能和结构的要素进行划分，之后组合成一个个具有特定功能的子系统，再将这个子系统作为具有通用性的模块与其他产品要素进行多种组合，构成新的系统，产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品。模块化设计的优势在于，一方面可以缩短产品研发与制造周期，增加产品系列，提高产品质量，快速应对市场变化；另一方面，可以减少或消除对环境的不利影响，方便重用、升级、维修和产品废弃后的拆卸、回收和处理。相对独立、可互换、可通用是模块化设计和制造的三大特征。

以康复轮椅的适配为例，在评估功能及辅具单元时，我们可以将这些要素进行拆分和重新组合，例如将轮椅分为底盘和座椅两部分，座椅部分又可拆分成坐垫、靠背、扶手、脚踏和头枕等基本要素。之后，可以根据不同适配需求和人体体态，开发小、中、大三款底盘和各三种不同尺寸的坐垫、靠背、扶手、脚踏和头枕，这些部件运用统一的安装方式和通用的机械安装接口，根据不同病患的需求，可配置不同尺寸和功能的轮椅。在电气控制系统方面，也可以根据轮椅的功能将电气控制做成独立的子单元，根据病患需求的功能删减电控程序。作为轮椅的一些康复辅件，也可以做成统一接口的不同形式，便于安装、接线。统一的安装方式、通用安装接口、独立的功能单元，让新一代轮椅真正实现机械结构模块化、电控系统模块化和产品功能模块化。

二、轻量化

轻量化设计的概念最先起源于赛车运动，其目的是利用减轻车身重量位赛车带来更好的操控，其主要方法是结构优化和使用轻质材料两种手段解决问题。由于在赛车领域取得的成功，轻量化设计理念也被更多领域接受和使用。谈到轻量化设计，首先我们要了解轻量化材料。这是一种能使装备，特别是武器及航空航天装备减轻重量的材料体系。这种重量的减轻主要是以结构钢为基准，在同等体积上,可大幅度地消除装备的无效载荷，从而提高装备的机动性、灵活性。其中主要包括可作为结构材料的轻金属、结构陶瓷、树脂基复合材料、工程塑料与结构泡沫塑料等[2]。基于康复辅具需要高效、便捷和操作简便等特点，轻量化的设计理念非常适合运用到康复辅具的设计中。

在工业生产的早期，特别是汽车工业，绝大多数的金属结构件均以钢材为主，之后高性能的铝制材料慢慢进入人们的视线，再后来，我们又接触到了碳纤维材料和镁合金材料，例如铝合金的车架、碳纤维或是镁合金的覆盖件和结构件以及是碳纤维的轮毂，这些新型材料层出不穷的出现和使用，都是为了一个目的，那就是减重，在满足性能要求的同时，将重量降低到极限，从而换取车辆极致的性能优势。同时，有限元分析的广泛应用，可以让结构得到最大程度的优化，不论是医疗康复辅具的选材、性能或舒适度等，都可以通过有限元分析，轻松的完成材料、结构等各方面的优化，让康复辅具更加舒适、便捷，大大提升人性化和可操作性。

目前，都可以选用碳纤维材料进行制作，碳纤维耐摩、耐腐蚀的特性非常适合做一些新型的假肢和矫形器，而其超低的密度和超高的强度（铝合金4倍以上），非常适合做拐杖一类冲击力小但需要足够强度的器械。而带有康复功能的肢体机器人，冲了必要的元器件（电机、减速机等）外，绝大多数的结构件和覆盖件，均可以选用碳纤维来制作。

与此同时，镁合金材料的高速发展和运用也不容小觑。有消息表明，我国的轨道相关部门和企业尝试正在使用镁合金材料来制作高铁车身结构，这就意味着全世界最高速、最安全的轨道交通设备有望使用镁合金。而面对病患对于日常生活的便捷需求，企业全镁合金车架的轮椅、代步车也正在积极的尝试，目前市面上已经有了全镁合金车架的轻便折叠轮椅，这就是轻量化设计的典型案例。

三、智能化

智能化是指事物在计算机网络、大数据、物联网和人工智能等技术的支持下，所具有的能满足人的各种需求的属性。相对传统媒体，智能化是建立在数据化的基础上的媒体功能的全面升华。它意味着新媒体能通过智能技术的应用，逐步具备类似于人类的感知能力、记忆和思维能力、学习能力、自适应能力和行为决策能力，在各种场景中，以人类的需求为中心，能动地感知外界事物，按照与人类思维模式相近的方式和给定的知识与规则，通过数据的处理和反馈，对随机性的外部环境做出决策并付诸行动[3]。

目前市面上已经出现智能化的轮椅，比如通过语音指令控制轮椅的前进和后退、改变轮椅的姿态、实现轮椅的一些康复型功能（如拉伸腿部、模拟翻身等）。此外，带智能监测的手杖也出现在一些康复性质的创新大赛或行业论坛上，这种手杖可检测人的血压、脉搏，并带有倾倒呼叫、位置查询和SOS一键救援等功能，通过物联网和人工智能的技术，实现医疗康复辅具的智能化。这类产品，就要求在设计伊始，对病患的需求剖析到位，通过智能化的技术完成

四、人因工程

人因工程学（Human Factors Engineering）是研究人—机—环境三者之间相互关系的学科，是近几十年发展起来的一门边缘性应用学科。该学科在发展过程中有机地融合了生理学、心理学、医学、卫生学、人体测量学、劳动科学、系统工程学、社会学和管理学等学科的知识和成果，形成自身的理论体系、研究方法、标准和规范，研究和应用范围广泛并具有综合性。该学科的研究目的在于设计和改进人—机—环境系统，使系统获得较高的效率和效益，同时保证人的安全、健康和舒适[4]。我国关于该学科的命名已经出现多种，如人机工程学、人体工程学、工程心理学、人因工程学、人类工效学、人类工程学、人的因素等。近几年使用人因工程学和人类工效学命名的较多。

人因工程在医疗康复辅具产品的细节设计上应用非常广泛，大到整台设备的结构布局，小到仪器的细节设计，处处都能看到人因工程的应用。我们举两个示例。

以常用的医疗器械为例，我们要避免不自然的身体姿态、避免长时间抬头或弯腰操作、如需要双手操作时尽量做到左右对称等；比如康复设备控制器（比如智能轮椅）上的操控杆和按钮，其力度、方向、速度、阻尼、行程和准确度，都要求与人的运动输出特性相适应；具有强大按摩功能的康复理疗椅，座椅的座高、座宽、座深以及座面与靠背的夹角、坐垫和靠垫的选材等方面，都要考虑到年龄、性别、体重、身高等各方面因素，最终确定一个可以兼顾的设计尺寸。上述这些设计上的考量，都是基于人因工程的理论研究所得出的设计依据。

以康复型外骨骼机器人为例，运动系统是人体完成各种动作的器官系统充，由骨、关节和肌肉组成[5]。通过人因工程的学习，我们要确定人体各部分的比例、人体的步态、各关节的自由度及动作采集等诸多以“人”为基础的理论和形态，这样才可以得出机器人系统的最优尺寸，便于展开后续的机结构及电气控制的设计工作。

结束语

康复医疗是现代医学“预防、临床治疗、康复”三位一体的重要组成部分,随着康复医疗的发展，国内政策的不断完善和开放，我国中国康复医疗产业的市场价值和市场空间也在不断增长。模块化、轻量化、智能化和以人因工程为基础理论的设计方法，更多的是树立“以人为本”的核心设计理念，从医疗康复辅具功能的扩展性、操作的便捷性、使用的智能性和舒适性等维度，建立高效、实用的设计体系，促使我们康复辅具的可用性进一步提升。

随着未来科技的发展和运用，相信会有更多更好的设计方法和理论的出现，相信作为服务大众的医疗康复辅具，明天一定会有更加美好。

参考文献

[1]刘明. 老龄化路上如何回击健康挑战[J]. 中国卫生，2019(04)：55-56.

[2]唐磊，杜仲国. 轻量化材料技术[M]. 北京：国防工业出版社，2014.

[3]程栋. 智能时代新媒体概论[M]. 北京：清华大学出版社，2019.

[4]郭伏，钱省三. 人因工程学[M]. 北京：机械工业出版社，2018.

[5]唐智，黄波等. 人因工程设计及精彩案例解析[M]. 北京：化学工业出版社，2020.