针对肩胛带肌肉萎缩患者的辅具产品设计研究毕业论文

2020-02-19 10:02

摘要

随着社会的发展，残障人士的生活需求乃至心理需求越来越被重视。由于意外事故、突发疾病(重症肌无力、帕金森等）、年老体弱、长时间高强度的手臂劳累等诸多原因，许多人都会碰到不同程度的双臂功能弱化、肌肉萎缩等问题。目前市面上针对下肢的训练及辅助产品非常之多，然而针对上肢的辅具产品却很少。因此本研究在这样一个背景之下，以由于肩胛带肌肉萎缩而导致的上肢行动不便的患者为目标用户，运用合理的设计理念，针对目标患者的需求进行设计研究，最终设计一款使用便利、结构合理的外骨骼辅具产品设计方案。以达到提升目标用户生活品质以及减轻康复训练负担的目的。

关键词: 肩胛带肌肉萎缩；辅具产品；外骨骼动力；创新设计

Abstract

With the development of society, the needs of people with disabilities and even their psychological needs are gradually being paid more and more attention. Due to accidents, sudden illness (myasthenia gravis, Parkinson's, etc.), old and frail, long-term high-intensity arm fatigue, and many other reasons, many people will encounter different degrees of weakened arms and muscle atrophy. . At present, there are many training and auxiliary products for the lower limbs on the market, but there are few accessories for the upper limbs. Therefore, in this context, the study aimed at patients with inconvenient movements of the upper limbs due to muscle atrophy of the scapula, using reasonable design concepts and design research for the psychology and needs of the target patients, and finally designing a use. Convenient and well-structured accessory product design. In the end, it aims to improve the quality of life of the target users and reduce the burden of rehabilitation training.

Key words: Shoulder strap muscle atrophy；accessory products；exoskeleton power；innovative design

第一章绪论 7

1.1研究背景 7

1.1.1我国残疾人的基本现状 7

1.1.2我国医疗康复训练产业的市场现状 7

1.2研究意义 8

1.3研究的内容及方法 8

1.4研究的创新点 10

第二章我国肢体残障人士的现状 11

2.1肢体功能障碍患者的概念诠释 11

2.2我国目前肢体功能障碍患者的基本状况 12

2.3我国目前肢体功能障碍患者的康复训练状况 12

2.4小结 15

第三章上肢功能障碍患者概述 16

3.1上肢运动功能概述 16

3.1.1上肢肌肉的种类与分布 16

3.1.2上肢运动势态分析 17

3.2造成上肢功能障碍的原因分析 18

3.3针对现有上肢功能障碍患者的训练康复措施归纳 18

3.4肩胛带肌肉萎缩患者的用户研究 20

3.4.1用户现状 20

3.4.2需求调研与分析 20

3.5 小结 23

第四章外骨骼机器人技术的现状 24

4.1外骨骼的基本技术 24

4.2现有外骨骼助力工具的分类 24

4.3康复机器人在医疗领域的应用 25

4.4上肢外骨骼 25

4.4.1上肢外骨骼设计案例分析 25

4.5针对肌肉萎缩患者的外骨骼辅助措施 27

4.6小结 27

第五章针对肩胛带肌肉萎缩患者的辅助外骨骼设计实践 28

5.1概念模型的推导和提出——轻型模块化的上肢辅助外骨骼 28

5.2技术与结构支持 29

5.3创新产品的功能设计 29

5.4产品形态推敲 30

5.4.1造型分析 30

5.4.2材料分析 32

5.4.3色彩分析 34

5.5设计方案 35

第六章结论与展望 38

参考文献 39

注释 41

致谢 43

第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1我国残疾人的基本现状

随着国家政策的变化及社会的发展，我国人口正在持续增加。而残疾人作为我国人口分布中的一部分群体，数量也在不断的增加。

根据中国残疾人联合会的资料显示，2015年末我国残疾人群体总人数达到8000万人，占全国总人口的约6%。此外，人口老龄化进程加快正在加剧我国人口残疾率的提升，据预测，至 2040 年我国残疾人口的比率将达到10%。

而在残疾人口中，由疾病、交通事故、工伤意外等原因导致的临时性肢体功能障碍群体比重非常大。在我国有约2亿慢性病患者（以肌肉萎缩、中风、帕金森综合症为主），而其中存在康复需求的约超过900万人。此外，因为交通、工伤事故致残的伤残患者，每年的增加数量也多达80多万，其中绝大部分都存在一定程度的康复需求。

综上所述，庞大的残疾人口规模将会对我国的医疗保障体系、相关医疗服务及辅具产品产业、公共卫生体系、社会保障体系带来严峻的挑战与机遇。

1.1.2我国医疗康复训练产业的市场现状

我国庞大的人口基数决定了其对康复器械存在非常大的刚性需求，据调查统计，近年来我国医疗康复训练相关的辅具产品产业的平均增速在25%左右。

表1.1 2012-2016年中国康复医疗器械行业市场规模及增长情况^[1]

而随着社会经济、科技水平的发展，人们的物质生活条件变得越来越好，许多人开始追求更高的生活品质，由此也促进了各式各样的技术与相关产品的发展。残障人士的生活需求乃至心理需求慢慢的越来越被重视，这也对现有的医疗康复训练服务模式及相关医疗辅具产品提出了更高的要求。

目前，我国肢体功能障碍患者，在康复训练方式上，会选择以下几种：

（1）前往医院的康复中心进行康复训练，然而现状是目前我国医院的康复资源覆盖面较小，这造成了80%需要康复的人群得不到康复中心的治疗及训练。以对康复需求较大的脑血管疾病为例，据调研数据统计，我国高血压患者数量已达到1.6亿，而每年新增患者为大约350万人，高血压引起的脑卒中后遗症（肢体行动不便、半身不遂等）患者高达900万人。而其中绝大部分人群都只能在家自行康复训练等。

（2）选择市场上具有针对性的康复训练及辅助器具。目前市面上针对下肢的训练及辅助产品非常之多，可供选择的产品玲琅满目，标准较为混乱。然而针对上肢的辅具产品却非常之少。

综上所述，消费级医疗康复训练产品需求量大，发展前景较好；而上肢医疗相关产品在市场中较为空白，因此笔者将此次设计研究对象定为上肢医疗康复训练辅助产品。

1.2研究意义

由于意外事故、突发疾病(重症肌无力、帕金森等)、年老体弱、长时间高强度的手臂劳累等诸多原因，许多人都会碰到不同程度的双臂功能弱化、肌肉萎缩等问题。目前传统的方法是前往专门的康复医院进行康复训练，然而由于成本较高、过于占用时间，有很多患者并不会选择专门的医疗机构进行训练。同时，由于上肢力量较弱，会导致患者出现手臂抬起困难、许多日常的动作无法顺利完成的情况（如吃饭、抬起物体、外出购物等），这些都对他们的生活造成了诸多的不便。此外，在进行上肢肌肉康复运动训练的时候，许多患者没有遵从循序渐进的原则，在训练时往往操之过急，强行使手臂肌肉发力，且训练过量，这样不但得不到训练的效果，而且还有可能造成肌肉拉伤，使症状进一步加重。因此在日常生活中，一款能够辅助患者进行日常生活及训练的产品显得尤为重要。

1.3研究的内容及方法

本研究主要分为六个部分，第一部分为研究绪论，旨在阐明该研究基于的社会背景，以及该研究所蕴含的社会价值。同时，该章节也会阐述该项研究的创新意义。

第二部分为介绍我国目前肢体残障人士的现状，解释与定义肢体残障人士的概念以及说明该群体的基本生活情况。此外，该章节也会总结目前我国大部分肢体残障人士的康复训练情况，以及他们所采用的康复训练方法。

第三部分为目标用户调研，笔者会着重讨论该论文的研究对象——以肩胛带肌肉萎缩为例的上肢功能障碍患者。首先笔者会对人体上肢肌肉的种类与分布进行分类，并对上肢的运动态势进行分析，找出人体上肢运动的一般规律。随后笔者会对造成上肢功能障碍的原因进行详细分析并分类，探究可以被设计改善的部分。接下来笔者会运用多种调研方法、分析工具对用户群体及调研数据进行分析思考，发觉肩胛带肌肉萎缩患者在日常生活（如做各类家务、外出购物等）和康复训练中的不便之处以及潜在用户需求，从目标人群体态分析到需求调研以及当前康复训练方法归纳，旨在寻找出研究对象的痛点及设计突破点。

第四部分以市场调查与技术调研为主。笔者会介绍动力外骨骼技术在医疗康复领域中的应用，了解上肢康复辅助器具的市场现状以及未来发展趋势，探究针对肩胛带肌肉萎缩患者改良上肢辅具的必要性。并以实际案例为分析，找出目前市场上医疗领域动力外骨骼的优势及劣势。其次，作为与人体运动密切相关的医疗辅助类产品，需要了解外骨骼设备与肌肉组织、运动方式、骨骼结构等的联系与区别。再者，上肢辅助设备也需要分析患者的运动特征和体态特征，因此肩胛带肌肉萎缩患者的运动特征分析也是必要的。

第五部分，在了解了以上背景资料后，设计具体方案，针对目标用户的需求特点进行材料、色彩分析。

第六部分则为该项技术及设计的未来展望。

本文将采用的研究方法主要有五个。

（1）文献研究法。搜集各类可获得的资料，其中包括期刊、论文、报告、新闻等。学习人体肌肉组织、肢体运动原理及规律的相关知识，搜集上肢功能障碍患者的相关资料，并对其步态、体态特征进行分析研究，以便从人机工程学的角度设计出更加符合目标用户的外骨骼产品。

（2）案例分析法。本文将运用具体案例分析现有外骨骼辅助器具、残疾人康复辅助器具、下肢助行器等产品，总结可借鉴之处。

（3）问卷分析法。通过设定相关问卷问题，分析普通群众对待上肢功能障碍患者的一般看法，及了解相关残障人士的生活现状。以便在产品设计中考虑到普通群众对使用者的看法以及致其引发的心里因素。

（4）归纳总结法。将搜集的信息进行一定的分类，提取对设计有效的部分，总结其共同点与规律，以得出最终结论。

（5）图表归纳法。整理各类信息、图表、数据，从各专业领域中提取有效信息，从而使设计分析更具逻辑性与说服力。

1.4研究的创新点

（1）采用动力外骨骼的新技术，以前瞻性的思维和方法解决或者改善肩胛带肌肉萎缩患者，乃至其他上肢功能障碍患者的基本日常生活（居家生活、外出等）现状。

（2）在具备通用性的基础上，也能够针对性的满足特殊患者的需求。例如在肩胛带肌肉萎缩患者中，有相当一部分的患者会有颈肌无力的情况，因此一般的外骨骼设备无法很好的满足他们的辅助需求，因此思考是否能将模块化设计的理念运用在该设计中。

（2）将生活辅助与康复训练相结合，使患者在兼顾改善生活现状的同时，也能够使平时的康复训练变得更加轻松。

（4）私人康复训练助理，帮助与记录患者的康复训练情况与上肢功能的恢复情况，并在手机app上形成可视化的折线图，辅助医生对患者的训练情况及恢复情况进行判断，以便制定进一步的医疗计划。

（5）改变固有的医疗类产品形象，从造型设计上寻找突破点，满足目标用户的心理需求。

第二章我国肢体残障人士的现状

2.1肢体功能障碍患者的概念诠释

肢体功能障碍(Limb dysfunction )通常情况下是指身体某个部位或连带性的肢体无法受到思维控制运动或受思维控制但不能完全按照思维控制去行动，常见的例子有：中风病人的肢体不能受意识支配，有感觉，但没支配意识。以及肌肉萎缩患者由于肌肉无力，而无法完成正常的肢体动作。

目前肢体功能障碍的认定在我国有一套较为严格的分级标准。肢体残疾分级标准是评定人体肢体运动功能缺失程度的准则。

笔者现以1987年四月份中国残疾人抽样调查的分类标准为例。

表2.1 我国肢体功能障碍分级表^[2]

从表中可见我国目前肢体残疾等级一共分为四个等级，其中最严重的等级为一级肢体残疾。我国肢体功能障碍患者的残障等级主要分布在四级和三级，主要表现为部分肢体功能缺失或部分肢体功能轻度障碍。可见这部分患者的用户群体最大，因此这也为笔者之后的设计研究奠定了一定的用户研究方向。

2.2我国目前肢体功能障碍患者的基本状况

据2006年第二次全国残疾人抽样调查主要数据公报显示，全国有残疾人（主要为肢体功能障碍患者）的家庭户共7050万户，占全国家庭户总户数的17.8%；在残疾人口的年龄构成方面，0-14岁的残疾人口为387万人，占比4.66%；而15-59岁的残疾人口数量达到了3493万人，占比为42.1%；60岁及以上的残疾人口数量最大，为4416万人，占53.24%（65岁及以上的人口为3755万人，占45.26%）。在年龄层级中，15-59岁群体对外出、生活锻炼方面的需求量最大。

在残疾人口的等级构成中，严重残疾患者（一、二级残疾障碍）约为2400万人，占29%；而轻度残疾患者（三、四级残疾障碍）则达到了5800万人，占比超过70%。

肢体功能障碍患者曾经接受的帮扶、服务的前四项及比例分别为：

(1)去过医院，并且接受过正规康复治疗的有35%。其中有很多残疾人无法接受医疗服务的原因有医疗意识不够、社区医疗场所及设施的建设较为落后等。

(2)接受过第三方机构或者个人救助帮扶的比例有12.53%。

(3)去过专门的医疗康复中心进行肢体康复训练的比例为8%，目前国内有很多地区周边的专业康复训练中心较少，因此在资源缺少的情况下，很多患者甚至连当地康复训练中心的信息都很难找到。

(4)使用过医疗辅助康复训练器具的患者仅有7%。目前市场上的医疗辅助器具种类较为繁多，很多标准不统一，因此很多患者难以选择到一款合适的肢体辅具类产品。

而在另一份调查报告中，残疾人的实际需求与状况远远大于这些数据。

2.3我国目前肢体功能障碍患者的康复训练状况

在完成对肢体功能障碍患者的概念诠释之后，笔者主要针对三级肢体残疾及四级肢体残疾的患者群体进行了广泛的调查，旨在阐明我国目前肢体功能障碍患者的基本生活状况以及患者的日常需求。因为调研群体的特殊性，此章节采用的调研方法主要为文献调查法。笔者在查阅了近几年针对肢体功能障碍患者的调查报告之后，整理总结了一部分结论，其有助于辅助笔者更加清楚的了解我国目前肢体功能障碍患者的现状与需求。

本章节中主要的数据来源于《肢体残疾人康复需求调查》，其刊载于《中国康复》杂志，2010年，作者张金明、高秋菊、高宇辰。其作者为了解成年肢体残疾人的康复需求状况，采用结构式问卷调查表对67例肢体功能障碍患者进行调查。

表2.2 67例上肢功能障碍患者对康复需求占总人数的百分比^[3]

这项调研数据可以看出除了手术药物的方式之外，肢体功能障碍患者对传统医疗方式以及理疗的需求占比为五成左右，需求量较大。而康复护理则占比14.7%。

表2.3 肢体功能障碍患者对日常辅助的需求^[4]

绝大多数肢体功能障碍患者（约七成）对自理能力及运动功能训练有着迫切需求。其中运动功能的训练需求占到45%，为所有训练需求中占比量最大的一项。因此在进行辅具产品设计研究时可重点关注这一项，即改善患者的运动功能以及提升患者在运动功能训练中的体验。

表2.4 肢体障碍患者的社会生活需求^[5]

本项调查说明了肢体功能障碍患者除了对家庭支持的需求非常高（占比达到93.4%）之外，对障碍环境改造、出行、社会理解关爱的需求也较高，占比均达到了80%以上；其中调查对象对出行的需求甚至达到了92.3%的占比。目前肢体功能障碍患者出行所遇到的困难主要有（1）腿脚不便，无法正常行走；（2）上肢运动不便，无法或难以进行一些基础的上肢运动动作，如提、拉等；（3）很多公共场合缺乏一些能满足肢体功能障碍患者需求的公共设施。

表2.5 辅助形式占比^[6]

在辅助形式中，行动辅助占比最大，在67例肢体障碍患者中达到了83.6%；而生活辅助则为占比第二大的辅助形式，为58.2%。即说明在肢体功能障碍患者中，行动及生活不便为两大急需改善的痛点。

2.4小结

在本章节中，笔者调查了我国肢体功能障碍患者的基本现状与生活和康复训练需求，得出了一系列的结论。在肢体残疾人中，残疾等级主要分布在三、四级的轻度肢体功能障碍。而在患者的日常生活中，其对运动辅助及生活辅助的需求量最大。这些结论也给笔者后续的研究方向提供了理论支持。

第三章上肢功能障碍患者概述

3.1上肢运动功能概述

3.1.1上肢肌肉的种类与分布

人体的运动是由骨骼与肌肉共同配合而完成的，一般称为运动系统。人体的运动系统包括206块骨骼与400多块肌肉和关节等结构。在运动中，骨骼作为支架支撑着躯体，活动则是由肌肉收缩与放松来进行，因此人体的运动与肌肉的状况直接关联。人体肌肉若发生异常（如肌肉萎缩等），则会直接影响肢体的活动。

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