一种用于铅衣支撑的轻量化外骨骼装置

技术领域

本发明属于介入医学技术领域，涉及一种人体外骨骼装置，尤其是涉及一种用于铅衣支撑的轻量化外骨骼装置。

背景技术

介入治疗是一门集医学影像学和临床治疗于一体的新兴学科，利用现代高科技手段进行微创性治疗。介入治疗能够在数字减影血管造影(Digital SubtractionAngiography，DSA)X线设备引导下，将特制的导管、导丝等精密器械导入人体，对体内病变部位进行诊断或局部治疗，具有定位准确、简便安全、创伤轻微等优势，目前已被广泛应用于多个系统疾病的临床诊疗，尤其是心脑血管疾病领域，且随着技术的发展，越来越多的临床急症也可经由紧急介入治疗挽救患者生命。随之而来的，是介入医生工作时间也随之明显延长。

在进行介入手术时，医护人员需暴露在辐射场内，导致医护人员身体各部位会受到不同程度的X线照射，对身体造成伤害，辐射射线成为医护人员每天躲不过的健康威胁。为了保护介入治疗医护人员的健康，有效阻隔辐射射线，最常用的防护措施就是穿戴铅制防护服(简称“铅衣”)。铅衣的平均重量约在10-20kg不等，穿着铅衣的同时完成一系列精细操作需要耗费极大的体力，一般介入手术短则一个小时，长则五、六个小时，使得介入医生长期处于一种负重作业的状态，导致脊柱、肌肉、骨关节(尤其是膝关节、肩胛骨、腰部)等受到劳损甚至损伤。

通过临床调研及查新检索发现，针对铅衣支撑问题目前尚无成熟解决方案，已有的设计主要侧重于追求0重力0辐射，但便携性大幅降低，缺乏在不同的体位下转换(例如左右转动、前后俯仰等)的技术方案，如遇抢救或复杂操作，术者无法灵活操作。

因此，亟需发明一款更加轻便实用的铅衣支撑系统，在不影响介入医生进行操作，方便活动的前提下，在手术过程中对铅衣的重量进行负重转移，减轻手术医生身体需要承担的负重，缓解疲劳。

为解决上述问题，本领域技术人员研究开发得到一些新式的支撑装置，如申请号为CN202110318176.1的中国发明专利公开了一种介入防护服的外骨骼辅助装置及其控制方法，包括腰托，其前侧开口；可调节固定带，其两端分别与腰托的开口两侧连接；背部支撑装置，其竖直设置，且一端与腰托的后侧铰接；一对肩部支撑板，其位于腰托上方，且对称间隔设置；背部支撑装置的另一端分别与对应肩部支撑板铰接；颈托，其设置在肩部支撑板之间，且与背部支撑装置的另一端铰接；一对手部助力臂，其分别与对应肩部支撑板铰接，用于助力手臂关节；一对腿部助力臂，其分别与腰托两侧铰接，用于助力腿部关节。本技术方案还提供一种介入防护服的外骨骼辅助装置的控制方法，确保使用者不会摔倒，同时能够采集佩戴防护服的使用者的运动状态，并基于BP神经网络确定下一运动状态，辅助使用者运动。但该装置由于重量原因，必须依靠外部动力来提供支持，才能确保各关节处实现随动，对使用者来说，一是进一步增加了装置的重量和使用成本，使用过程中由于电机设备的延迟，使得肢体活动显得不灵活，二是该机械设备在使用过程中存在着一定的安全风险。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于铅衣支撑的轻量化外骨骼装置，采用无外部动力控制的轻量化结构，使得整个装置更轻、更灵活、更安全，达到了有效转移铅衣重量，有效降低介入治疗医护人员身体负重的效果。

本发明是通过如下技术方案予以实现的。

一种用于铅衣支撑的轻量化外骨骼装置，包括上支撑部和下支撑部，所述上支撑部与下支撑部通过腰部支撑架连接；

所述上支撑部包括肩部支撑板、背部固定板、上身固定带、背部托板和腰部支撑架，所述肩部支撑板与背部固定板相连，所述背部固定板支撑肩部支撑板，下端与背部托板固定连接；所述背部托板上端与固定板连接固定，下端与腰部支架连接固定；所述上身固定带两端分别与背部固定板和背部托板两侧连接；所述腰部支撑架与背部托板下段两侧相连；

所述下支撑部包括腰腿连接关节、大腿支撑板、膝关节连接件、小腿支撑组件和脚部支撑组件，所述腰腿连接关节上端与腰部支撑架连接，下端与大腿支撑板一体连接，大腿支撑板下端通过膝关节连接件与小腿支撑组件连接，小腿支撑组件下端连接脚部支撑组件。

进一步地，所述腰腿连接关节位于髋部，包括内支撑板、外支撑板、腰部支撑转动件和球形轴，所述腰部支撑转动件位于内支撑板与外支撑板之间，上端通过腰部支撑连接件与腰部支撑架连接，下端通过球形轴与内支撑板和外支撑板铰接。

进一步地，所述大腿支撑板上部通过腰部支撑转动件、腰部支撑连接件与腰部支撑架连接，所述腰部支撑转动件与腰部支撑连接件的连接采用可调整高度的连接结构。

进一步地，所述脚部支撑组件包括固定足前垫、柔性足后垫、第一连接件、弹簧气缸、第三连接件和第二连接件，所述固定足前垫后端外侧与小腿支撑组件下端连接，所述柔性足后垫前端与固定足前垫尾部连接，后端通过第一连接件、弹簧气缸、第三连接件、第二连接件与小腿支撑组件连接，柔性足后垫末端悬空，通过第一连接件支撑。

进一步地，所述脚部支撑组件上设有脚部固定环，所述脚部固定环位于固定足前垫上，通过脚部固定环将脚掌固定在脚部支撑组件上。

进一步地，所述大腿支撑板内侧设有大腿固定环，所述大腿固定环安装处设有第一调节槽，大腿固定环可在第一调节槽中上下调整。

进一步地，所述小腿支撑组件内侧设有小腿固定环A，所述小腿固定环A位于小腿下支撑板上，小腿固定环A安装处设有第二调节槽，小腿固定环A可在第二调节槽中上下调整。

进一步地，所述小腿固定环A下方还设有小腿固定环B，小腿固定环B的位置可上下调节。

进一步地，所述小腿支撑组件包括膝盖外支撑板和小腿下支撑板，所述膝盖外支撑板上端与膝关节连接件铰接，下端与小腿下支撑板连接；所述膝盖外支撑板下端与小腿下支撑板连接处可通过选择不同的连接孔来调整其连接的长度，从而调整整个小腿支撑组件的长度。

进一步地，所述上身固定带为环形固定装置，采用弹性材质制成。

本发明的有益效果是：

本技术方案所述的一种用于铅衣支撑的轻量化外骨骼装置，主要目的在于转移铅衣本身的重量，减轻医护工作者不必要的负重及体力消耗，在设计理念上兼顾实用性、穿戴便携性、轻量化、关节灵活性、安全性等特征。

本技术方案采用了无源转动结构，各个关节处采用小巧灵活的连接部件进行拼接，使得各个关节的活动角度增大，运动幅度增加，整个装置灵活性得到提升，安全性也更高。具体的有益效果如下：

①通过在肩部设置肩部支撑板，不仅保证了外形的美观，又可以通过背部固定板和背部托板将肩部的力量传导至腰部；

②腰部通过腰部支撑架支撑，腰腿连接关节处设置球形轴，使腰部支撑转动件与大腿支撑板之间不仅能前后转动，还能承受一定幅度的左右转动，活动度得到增加，方便介入医生左右操作时身体的转动；

③腰部支撑转动件与腰部支撑连接件之间的连接、小腿下支撑板与膝盖外支撑板之间的连接均采用可调节的连接结构，实现了髋关节处和小腿支撑组件处的高矮调节，解决了由于介入医生体型、身高等原因导致大小不合适的问题；

④背部固定板和背部托板采用了人体工程学结构，与脊柱更好的贴合的同时，起到支撑作用，使操作者的前倾及后仰动作不会影响到肩部支撑板的支撑功能；

⑤在脚掌后部设置柔性足后垫，并通过弹簧气缸来支撑，可大大提高脚部支撑组件的舒适度，又能起到力的转化的作用，还能起到保证操作者身体平衡的作用；

⑥装置各部件采用与人体尽可能贴合的结构设计，在满足佩戴人舒适度的前提下还能达到很好的减重效果，通过材料优化进一步达到了轻量化的目的；

⑦各大肢体部位还配备环形固定带，防止装置与人体分离，具有固定肢体的作用，固定带巧妙的采用弹性材料，不会束缚佩戴者，不同体型的使用者均适用；

⑧在每一个固定环的安装处均设置调节槽，固定环可以在调节槽中上下滑动，从而在肢体固定时找到更加合适、更加舒适的位置。

本技术方案采用独特设计理念，设计合理，经过专业团队的反复讨论，能够从临床介入医生的角度出发，采用外骨骼支撑支架以减轻人体对铅衣的负重，巧妙地解决了力学支撑方案，在保证医务人员减负的前提下又保证了医务人员在手术时的灵活转动，自由灵活开展手术操作，可大大减轻介入医生的疲劳，且轻便、穿戴快捷，极具实用性和临床推广应用价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中腰腿连接关节处的局部结构示意图。

图3为本发明中小腿支撑组件的局部结构示意图。

图4为本发明中脚部支撑组件的局部结构示意图。

图5为本发明在坐姿状态下的结构示意图。

图中：1-上支撑部，101-肩部支撑板，102-背部固定板，103-上身固定带，104-背部托板，105-腰部支撑架，106-腰部支撑连接件，2-下支撑部，201-腰腿连接关节，202-大腿支撑板，203-大腿固定环，204-膝关节连接件，205-小腿支撑组件，206-小腿下支撑板，207-小腿固定环A，208-弹簧气缸，209-脚部支撑组件，210-脚部固定环，211-球形轴，212-内支撑板，213-外支撑板，214-第一调节槽，215-腰部支撑转动件，216-第二调节槽，217-膝盖外支撑板，218-固定足前垫，219-第三连接件，220-小腿固定环B，221-柔性足后垫，222-第一连接件，223-第二连接件。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1所示，本发明所述的一种用于铅衣支撑的轻量化外骨骼装置，包括上支撑部1和下支撑部2，所述上支撑部1与下支撑部2通过腰部支撑架105连接；

所述上支撑部1包括肩部支撑板101、背部固定板102、上身固定带103、背部托板104和腰部支撑架105，

所述肩部支撑板101为2块，左右各一，独立延伸，肩部支撑板101与背部固定板102相连，是使用者肩部支撑铅衣的主要承力点；

所述背部固定板102为1块，支撑肩部支撑板101，下端与背部托板104固定连接；

所述背部托板104为1块，上端与固定板102连接固定，下端与腰部支架105连接固定；背部托板104和背部固定板102相结合，采用人体工程学设计，与使用者背部更加贴合、舒适，在背部托板104上设镂空花纹，兼具减轻重量、美观与实用的效果。所述肩部支撑板101通过背部固定板102和背部托板104将肩部的负重传导至腰部；

所述上身固定带103为2条，上身固定带103为环形固定装置，两端分别与背部固定板102和背部托板104的两侧连接，可根据佩戴者身高体型调节，达到上身、腰部固定的效果；上身固定带103为弹性材质，不会有紧勒感；

如图1所示，所述腰部支撑架105为2块，左右各一，分别与背部托板104下段两侧相连，并且在外沿设有圆钩，可以将铅衣固定在该圆钩上，实现腰部重量的传导和转移，同时解决了铅衣固定不牢容易晃动的问题。

如图1所示，所述下支撑部2包括腰腿连接关节201、大腿支撑板202、膝关节连接件204、小腿支撑组件205和脚部支撑组件209，所述腰腿连接关节201上端与腰部支撑架105连接，下端与大腿支撑板202一体连接，大腿支撑板202下端通过膝关节连接件204与小腿支撑组件205连接，小腿支撑组件205下端连接脚部支撑组件209。

如图1所示，所述腰腿连接关节201为2处，位于髋部，左右各一，如图2所示，腰腿连接关节201包括内支撑板212、外支撑板213、腰部支撑转动件215和球形轴211，所述腰部支撑转动件215位于内支撑板212与外支撑板213之间，上端通过腰部支撑连接件106与腰部支撑架105连接，下端通过球形轴211与内支撑板212和外支撑板213铰接。本技术方案中的腰腿连接关节201结构小巧灵活，使用者穿戴后可以完成前俯后仰动作，可接受的活动幅度大；通过球形轴211铰接，使得腰部支撑转动件215不光可以在其中心孔的周向上旋转，同时还能承受一定幅度内的左右转动，在使用者需要左右转身时，关节处更加柔韧。

如图1、图2所示，所述大腿支撑板202为2块，左右各一，贴合大腿外缘；大腿支撑板202上部通过腰部支撑转动件215、腰部支撑连接件106与腰部支撑架105连接，所述腰部支撑转动件215与腰部支撑连接件106的连接采用可调整高度的连接结构，通过选择连接的螺孔高度调整大腿支撑板202的总体高度，以适应不同身高、腿长的使用者使用。

如图1所示，所述膝关节连接件204为2块，左右膝关节各一，连接大腿支撑板202与小腿支撑组件205，膝关节连接件204的结构结合了人体工程学设计，小腿支撑组件205与大腿支撑板202之间可绕膝关节连接件204处转动，使佩戴者能够进行膝关节的屈伸运动并灵活行走；通过大腿支撑板202和小腿支撑组件205，可将腰部负重转移至脚下，达到力的转移的目的，并且能够助力下肢活动。

如图1、图4所示，所述脚部支撑组件209为2组，左右脚各一；所述脚部支撑组件209包括固定足前垫218、柔性足后垫221、第一连接件222、弹簧气缸208、第三连接件219和第二连接件223，所述固定足前垫218后端外侧与小腿支撑组件205下端连接，所述柔性足后垫221前端与固定足前垫218尾部连接，后端通过第一连接件222、弹簧气缸208、第三连接件219、第二连接件223与小腿支撑组件205连接，柔性足后垫221末端悬空，通过第一连接件222支撑；弹簧气缸208内部设有弹簧，当足跟部踩在柔性足后垫221上时，对柔性足后垫221形成向下的压力，柔性足后垫221拉动第一连接件222向下运动，从而拉动弹簧气缸208的缸筒端克服内部弹簧的拉力相对活塞杆端向下运动，由于缸筒内充满空气，缸筒端相对活塞杆端的运动就成为缓慢而柔性的运动；当足跟部离开柔性足后垫221，在弹簧气缸208内弹簧的作用下，气缸向活塞杆端复位。如此往复，使得使用者足跟部踩在柔性足后垫221上时，足跟部得到缓冲，以达到缓解长时间站立或走动时足跟疼痛的效果，同时还能驱动行走，防止后仰，又起到对脚部支撑组件209进行加固的作用。

如图4所示，所述脚部支撑组件209上设有脚部固定环210，所述脚部固定环210位于固定足前垫218上，环形固定双足，助力足部活动；使用者通过脚部固定环210将脚掌固定在脚部支撑组件209上，脚部支撑组件209接地面积大，承重能力强，可有效防止穿戴者摔倒。

如图1、图2所示，所述大腿支撑板202内侧设有大腿固定环203，所述大腿固定环203左右肢体上下各一，共4条，有利于大腿固定，同时助力下肢活动；所述大腿固定环203安装处设有第一调节槽214，大腿固定环203可在第一调节槽214中上下调整，以便使用者找到较为舒适的固定位置进行固定。

如图3所示，所述小腿支撑组件205为2组，左右各一，所述小腿支撑组件205贴合小腿外缘，采用伸缩支撑臂，适应不同腿长的使用者穿戴，同时将大腿的负重进一步向下转移，助力小腿活动；所述小腿支撑组件205包括膝盖外支撑板217和小腿下支撑板206，所述膝盖外支撑板217为2块，左右各一，上端与膝关节连接件204铰接，下端与小腿下支撑板206连接；所述膝盖外支撑板217下端与小腿下支撑板206连接处可通过选择不同的连接孔来调整其连接的长度，从而调整整个小腿支撑组件205的长度，以适应不同身高和腿长的使用者穿戴。

如图1、图3所示，所述小腿支撑组件205内侧设有小腿固定环A207，所述小腿固定环A207为2条，左右各一，位于小腿下支撑板206上，用于固定小腿腿肚部位，小腿固定环A207安装处设有第二调节槽216，小腿固定环A207可在第二调节槽216中上下调整，以便使用者将小腿固定环A207调整到适合自己的位置进行固定；如图4所示，所述小腿固定环A207下方还设有小腿固定环B220，用于加强使用者小腿下段与小腿支撑组件205之间的连接；小腿固定环B220的位置可上下调节，让使用者找到适合自己的较为舒适的固定位置。

值得说明的是，所述肩部支撑板101、背部固定板102、背部托板、腰部支撑架105、腰腿连接关节201、大腿支撑板202、膝关节连接件204、小腿支撑组件205、脚部支撑组件209均采用碳纤维材料制成，重量很轻。

本技术方案中，在腰部、膝部、踝部采用内置滑动轴承，使得机体与支撑装置间的调节余量大、穿戴简单，满足不同体型、身高使用者的需求，既保证了对铅衣高度调节的灵活性，提高了对放射铅衣的减重效果以及放射铅衣使用过程中的灵活性。

实施例

本技术方案是一种用于铅衣支撑的轻量化外骨骼装置，主体结构采用碳纤维材料制成，结构紧凑，重量轻，韧性好。

如图1、图4所示，穿戴时，先将双脚放入固定足前垫218中，足跟部位于柔性足后垫221上，将脚部固定环210绑在足背上舒适的位置，将脚部固定在固定足前垫218上。

然后根据使用者的身高腿长，分别调整小腿支撑组件205的长度和腰部支撑架105的高度；调整小腿支撑组件205的长度时，如图3所示，只需要调整小腿下支撑板206与膝盖外支撑板217连接处的连接孔，并锁紧即可；调整腰部支撑架105的高度时，如图2所示，只需要调整腰部支撑连接件106与腰部支撑传动件215连接处的连接孔，并锁紧即可。

下肢的高度调整完成后，从下到上，依次将小腿固定环B220和小腿固定环A207分别绑在小腿上舒适的位置，将小腿与小腿支撑组件205连接固定；再将大腿固定环203分别绑在大腿上舒适的位置，将大腿与大腿支撑板202连接固定。

最后将103绑在使用者上身适合的位置，将使用者上身与上身固定带103连接固定，肩部支撑板101的位置略高于使用者肩部即可。穿戴完成后，按操作规程穿上铅衣或防护服，适当活动四肢，适应其可活动的力度及幅度，即可正常投入工作。

本装置工作时，无外部动力介入，装置整体轻量化。工作过程中，铅衣或防护服受到肩部支撑板101的支撑，负重通过肩部支撑板101、背部固定板102和背部托板104传递到腰部；在腰部，铅衣或防护服内侧两侧被腰部支撑架105上的圆形钩勾住，将上半身的负重进行了分解，一部分在肩部支撑板101上并向下传递，另一部分在腰部支撑架105上并向下传递。

负重最终都经过腰部支撑架105传递到腰腿连接关节201，进入下支撑部2，然后经过大腿支撑板202、膝关节连接件204、小腿支撑组件205传递到脚部支撑组件209，最终通过固定足前垫218传递到地面，完成负重的转移。经过这一过程，将医护工作者身体对铅衣或防护服的负重最大限度地转移到外骨骼装置上，使医护工作者最大限度减少不必要的外部负重，将身体的力量投入到介入治疗等手术操作过程中去，提高操作的精准度，也降低医护工作者的身体负重强度，从而减轻介入工作对医护工作者造成的各关节处的疲劳性损伤。

使用本装置，使用者可以轻松完成抬腿、转身、弯腰等动作，还能完成坐姿，在不拆除铅衣或防护服的情况下，坐下来休息。如图5所示。

拆除时，从上向下操作，依次将上身固定带103、大腿固定环203、小腿固定环A207、小腿固定环B220解开，最后将脚部固定环210解开，将脚从固定足前垫218中取出，完成拆除。

上述的实施例只是示例性的，是为了使本领域技术人员能够更好的理解本技术方案内容，不应理解为是对本发明保护范围的限制，只要是根据本发明技术方案所作的改进、简单替换，均落入本申请的保护范围。