开题报告正文-一种骨骼牵引机构的设计和实现

开题报告 一种骨骼牵引机构的设计和实现一种骨骼牵引机构的设计和实现张亚飞 0111151701 课题背景及研究的目的和意义1.1 课题背景古往今来，成百上千万的人因为疾病、工伤、交通事故或意外伤害因而受到伤病的折磨，致使上肢、下肢受到损伤。特别是近年来，随着改革开放的不断深入，随着工业、交通事业的快速发展以及随着我国经济规模不断扩大且持续快速发展，这一数字正在以惊人的速度增加。据有关全国残疾人抽样调查结果显示，目前我国残疾人越有6000万，其中上、下肢残疾者各达到将近600万。一项调研表明，我国每年就有将近11万人因上肢或者下肢不能得到及时有效的治疗修复而无奈导致病人的截肢，使他们失去了正常人的生活。对于这些病人来说，能到先进医疗机构的有效治疗，以使他们不失去人类最基本的行动功能对他们来说是一件梦寐以求的事情。随着几年来我国改革开放的不断深入发展、我国经济的不断提高、我国人民生活水平的不管提高，以及人工智能、计算机、信息、控制、康复医学工程技术的深入研究，人们对这一医疗领域提出了更高的要求，都是为了使残疾病人重获健康的梦想成为现实。同时，由于国外在该领域机械机构价格方面的种种原因与国内的可接受范围相距甚远，完全依赖国外的机构使病人得到最好的康复治疗在近期希望渺茫。将当代先进的智能控制技术、计算机技术、微电子技术、机械设计与制造技术、新材料技术与生物医学工程和康复医疗工程技术融合在一起，研究真正有意义的骨骼牵引医疗机构，是残疾病人得到最好的医疗治愈，让他们能恢复健康，这对于他们重新回归社会生活，重新恢复正常人的生活、学习和工作，对减轻社会负担、同时填补我国在该领域的空白、对促进我国康复医学工程技术的发展无疑都有极其重要的意义。在这样的背景下，研究开发一种新式的有助于残疾病人上、下肢康复治疗的医疗机构迫在眉睫,为使他们花出最低的成本，得到最行之有效的治疗是我们该课题的主要目的和意义。而且该机构的研发对于我国医学在该领域的发展有着极其重要的意义，这使得该机构的研发显得更为重要。1.2 研究的目的和意义在四肢受伤并经过手术后的患者需要康复治疗，而康复治疗技术是一项使康复患者或残疾人或需要进行康复锻炼的人进行适当锻炼的新兴技术。本课题的目的设计一种骨骼牵引与拉伸治疗机构,让手术后的患者或者需要进行康复治疗的病人可以更方便地进行受伤四肢的牵引拉伸,从而使上、下肢能够得到及时以及适当的康复锻炼，达到康复治疗的目的。使患者能够尽快地恢复正常生活，能够正常的工作和学习。康复治疗技术这项新兴技术有着非常光明的前景和发展势头，该技术和机械发展反映了患者对康复治疗这项技术的迫切要求。在康复治疗的过程中，除了需要家人的悉心照顾、医生护士的精心就诊和照料、更加需要先进精密的仪器的治疗，这就为这项技术的发展提供了强大的依据。该牵引机构的核心是使用伺服主电机运转带动柱状伸缩杆进而带动活动板（将患者需要进行康复锻炼四肢置于活动板上）上下牵引，加之滑轮上的配重，进而使四肢得到适当的牵引锻炼。随着科技的发展，各项理论都在结合，进而在某些领域发挥更好的作用，为消费者带来便利。我国致力于将医学理论与机械理论相结合，设计出有助于四肢需要康复治疗的患者使用的牵引机构。目前，在我国骨骼牵引机构的应用越来越广，也越来越现代化，而且国内对机械的使用要求也越来越高，对骨骼牵引机构的需求也越来越大。在我国医疗装备系统中大多实行加速发展的同时，即设备投入运行后会进行大量应用。该骨骼牵引机构设计结构简单、操作方便,解决了上、下肢能够方便操作以达到牵引治疗的难题。使得患者在术后可以进行有效快捷的牵引治疗，减少痛苦并早日恢复健康。2 国内外骨骼牵引机构的发展现状和趋势2.1 国内骨骼牵引机构的发展现状和趋势目前，国内骨骼牵引机构普遍采用手动操作、种类单一，康复治疗效果往往难以满足患者的需要，延缓病人恢复健康的时机。这在传统医疗器械竞争优势不良情况下的确是令国家、政府、医院头疼的事情，但随着各种医疗器械种类的不断增加和对检测要求的日益严格，传统的医疗器械显然不能满足病人要求，主要体现在以下几个方面：第一，医疗器械设备种类单一，不能满足日益增多的病人康复治疗的要求；第二：装夹机构结构功能简单，仅能够满足少数特定病人肢体的安装需要；第三：传统的操作机构在使用时效率低，主要表现在为病人进行肢体的装夹、调节不方便；第四，由于传统医疗器械机构以启动为主，所以无法控制病人的使用结果，并且产生的波动较大。 在现代医疗器械方面，国内外各大公司不仅在开发产品方面做了很大的研究，而且在创新研发方法上也投入了大量的物力、财力和人力。各公司企业延续传统的医疗器械的大部分优点，并为提出新的创新方案，而且很难进一步调高牵引的质量和效率。国内企业（如上海市人民医疗器械有限公司）在对病人进行康复治疗的牵引机构上采用静态调节，这不仅导致精度和质量低于国外 30%，还使使用成本与治疗时间较国外多出1倍多。针对如此巨大的差距，国内正展开积极的研究，并取得了一定的成效。近年来，我国医疗器械行业的发展势头强劲，骨骼牵引机构的研究也受到国内外企业的关注和欢迎。并且都取得了一定的研究成效，也在市场上有一定的份额，这都是国家、社会和各企业共同投入努力而得到的结果。但总体上，该机构的总体质量还是不够硬，精度不够高，病人所要求满意的程度还远远未达到，很难达到高质量和高效率的完美统一。因此，对骨骼牵引机构的创新和研发制作是未来5-10年内的一项巨大趋势，具有极其广阔的市场前景，既出于对病人进行最好康复治疗的考虑，也出于提高我国在该行业综合竞争力的考虑，研发最新骨骼牵引机构时不我待。随着我国改革开放的深入，我国的骨骼牵引技术有了明显的进步，但是依旧存在一些难以解决的问题，比较主要的便是深静脉血栓的形成仍旧无法有效的避免，所以这仍旧是骨骼牵引机构发展前进所急需攻克的内容，骨骼牵引技术和相关医疗器械仍有很大的发展空间和非常强大的发展劲头。2.2 国外骨骼牵引机构的发展现状和趋势众所周知，国外的骨骼牵引技术的发展是世界牵引技术发展的源泉，骨骼牵引技术的历史最早可追溯到古希腊。伴随着布朗式牵引架的发明，休欧文托马斯发明了托马斯支架，在骨科牵引的发展上有着不可磨灭的贡献。国外更加看重其他种类的牵引，尤其是牵引技术在口腔方面的应用。在四肢牵引方面则是于科技的进步紧密的结合在一起，通过与计算机和电机的结合，能够更加精准的控制牵引所需要的力的大小，通过计算机三维技术的发展和应用，在电脑上能够进行有效的模型模拟和精准的牵引，以减少病人在治疗过程中的痛苦和加快病人的恢复速度。虽然我国也在进行相关技术的研究，但与国外始终有着一定的距离。3 研究内容、实现方法以及需解决的关键问题3.1 研究内容牵引技术，是目前最常用的骨骼治疗方法。牵引装置，即利用悬垂物的重量为作用力，自己身体的重量的反作用力，实现肢体的拉伸，以达到锻炼的目的，还能整复四肢关节，并能预防和矫正软组织挛缩，以及对某些疾病术前组织松懈和术后制动的一种治疗方法。本课题是属于研究设计类的课题，主要内容涉及机械结构设计和传动机械设计。在一定医学理论知识的支撑下，需要对成年人体的上、下肢部分结构，尤其是骨骼部分的结构有一定的了解，目的是这将以助于在进行结构设计的时候进行合理的结构设计以及相关制作材料的选择。同时还需要对于四肢关节的基本活动形式有所了解，这样在进行四肢固定的时候才能够更加的准确无误，同时可以进行适当的恢复活动。在机构的基本设计完成以后，要进行行程模拟，防止各个机构之间的相互干预，这符合人体的运动规律。考虑到核心部分活动板需要与人体四肢直接接触，这将对材料的选择提出更高更精细的要求，要有一定的刚度、强度和韧性，能够承受一定范围的重力作用，其次材料要求与人体长时间的接触并不会损害到人肢体的皮肤以及骨骼。该机构的其余架构部分可采用使用较为广泛的45号钢和价格低廉的铸铁制造。最后还需适当考虑骨骼牵引机构的使用舒适度。因为骨骼牵引一般的牵引的使用周期都在三个礼拜左右，时间较长，对于康复中的患者本来就是一种负担，所以在满足工作条件后，要尽量地保证患者进行牵引时的舒适程度，通过加装内饰垫等方法增加舒适程度，减少患者的痛苦。3.2 研究方法在设计前期，需要查阅相关资料，对各种元器件的工作原理和特性进行深入分析，了解其对工作环境的要求。在此基础上，合理对各元器件进行安排布置以适应不同尺寸的器件。执行机构应增加闭环反馈的设计，以达到高精度、高可靠性的目的。对于检测部件，要根据其相关特性进行合理排布，并通过实验来检测其工作特性，根据需要不断调整各部件的位置和间距，最终达到理想的工作效果。滤波是过滤掉病人肌肉之间运动的干扰，保证sEMG的质量，特征提取和特征分类是肌电控制的核心内容，模式分类的性能决定了控制系统的性能。然后根据模式分类得到病人的动作模式后，发送指令脉冲，控制牵引机构做出适当的动作。最后牵引机构通过主电机带动伸缩杆带动活动板，实现带动病人肢体的运动，从而达到康复治疗的效果，形成一个动作控制模式系统。3.3 课题拟解决的关键问题本课题为一项将医学与机械理论相结合，设计出一个骨骼牵引机构。前期，在阅读和搜集大量的与四肢关节骨牵引机构相关的文献资料以后，铜锅与导师及师兄们的探讨，初步拟定了设计方案，在设计过程中，发现了最主要的并需解决的关键问题为骨骼牵引机构的是否可拆以及是否方便携带的问题，若能将这两个问题在最后的设计中加以改进，将是一个质的突破，为医生、患者、正常人带来无比的方便。4 拟采取的技术路线、进度计划、预期结果4.1 技术路线(1)采用适当的研究类比方法，搜集、参考、查阅大量的相关文献资料，确定骨骼传动机构的运动功能；(2)制定骨骼牵引机构的总体结构设计方案；(3)根据结构设计方案绘制零件图，再将零件进行装配，进而得到总装配三维实体图；(4)对关键零部件结构进行有限元分析；(5)检查并完善机构设计；(6)撰写毕业设计论文；4.2 进度计划第1周：接受课题、熟悉了解骨骼牵引机构的基本概念；第23周：进行相关文献资料的搜集和整理，明确设计的思路以及主要设计方向，明确工作原理；编写开题报告；第46周：了解机构的运行状况，三维设计及程序仿真，使其符合运行过程；第710周：详细设计，查漏补缺，进行运动模拟；第1113周：对部分结构进行选型及计算，进行有限元分析；第1416周：撰写修改论文，制作PPT准备答辩。4.3 预期结果（1）完成骨骼牵引机构的总体结构设计；（2）完成骨骼牵引机构的总装配三维图绘制以及关键零件图绘制；（3）完成骨骼牵引机构关键零件的特性分析并撰写毕业论文报告。 参考文献1 Fengfa Lang, Yinjie Cao, Hui Huang, Yan Wang, Pengpeng Yu, Xinghai Xie. The design of automatic flipping-body nursing bedP. 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.智能护理轮椅系统的研究与设计J. 科学与医疗周刊,2002,7(7):527.8 刘福民.等 一种新型紧急救护搬运椅J. 中国医学, 2002(2):5-8.9 刘红亮.双臂手救援工程机械转台设计与优化D. 辽宁：大连理工大学，2012.6.10 李森林.360度翻转笔记本电脑转轴力学性能研究及优化J. 中国水运 2018.10.11 白建军.多功能护理服务机器人的设计与研究D. 江西：南昌大学，2010.9.12 王小琴.一种骨科牵引架的设计与应用J. 当代护士(中旬刊),2017(04):63.13 王年云.损伤肢体助动康复器的研制J. 医疗卫生装备,2005,(10):75-76.14 顾绮芳.一种坐卧变换式轮椅的设计J . 电脑知识与技术,1999, (2):121.15 唐海燕,杨婉瑜,蔡秋兰.改进下肢骨牵引装置的应用效果J. 医疗装备,2017,30(22):174-176.16 王文杰, 詹艳, 周庆焕.可调式布朗式牵引架的设计与应用J. 中华现代护理杂志, 2017, 23(2).1