文章编号 1671-7104(2014)04-0255-04 上下眼睑反相滚压及包络运动的睑板腺按摩机构 者 张建寰1 周圆1 徐功浩1 马雄1 陈延平1 李炜2 1 厦门大学机电工程系 厦门市 361005 2 厦门大学医学院 厦门市 361005 摘 要 在睑板腺功能障碍的治疗过程中 睑板腺按摩是一种有效的辅助治疗手段 该文针对传统的机械辅助按摩结构中的缺陷 进行了改进 提出了一种基于反相按摩辊滚压和包络原理的按摩机构 以提高阻塞物排出顺畅度和提高按摩区域覆盖 率 最终达到提高辅助治疗效果的目的 同时 针对机构中电机受尺寸影响较大的情况 对运转过程中输入动力与输出 载荷和损耗进行了评估计算 初步验证了所设计机构的可行性 关 键 词 睑板腺按摩 反相滚动 包络运动 功率评估 中图分类号 R473.77 doi:10.3969/j.issn.1671-7104.2014.04.006 文献标志码 A 作 A Meibomian Gland Massage Mechanism for Upper and Lower Eyelids Based on Anti-phase Rolling and Enveloping Movement Writers Zhang Jianhuan1, Zhou Yuan1, Xu Gonghao1, Ma Xiong1, Chen Yanping1, Li Wei2 1 Department of Mechanical and Electrical Engineering, Xiamen University, Xiamen, 361005 2 Medical college, Xiamen University, Xiamen, 361005 Abstract During the course of meibomian gland dysfunction (MGD) treatment, meibomian gland massage is an effective auxiliary method. Based on an extrusion method using anti-phase massage rollers and a theory on envelope plane, a massage mechanism was proposed in this paper for the defect of the traditional mechanical assist massage structure to discharge obstruction of Meibomian gland more smoothly and to enlarge massage coverage. Meanwhile, for the case that the power of motor was significantly limited by size, an evaluation, about the input, output and loss, was carried out to initially verify the feasibility of the designed mechanism. Key words meibomian gland massage, anti-phase rolling, enveloping movement, power evaluation 家庭使用不便 相比之下 外眼睑按摩所能达到的效果固然 相对较弱 但其结构简单 方便机械化集成加工制 造 单人操作方便 因此在外眼睑上施力的按摩装 置的研究一直没有停止过 其中 辊式按摩是最常 见方式之一 [11] 其特征为 在上下外眼睑的待按摩 处分别设置按摩辊 使其各自向内侧滚动 对外眼睑 进行持续的滚压按摩作用 但是这种常见结构存在两 个突出问题 如图1所示 (1) 两按摩辊相向滚动按摩 时 上下眼睑因同时受到挤压力而易被挤在一起 导 致睑板腺阻塞物排除不畅 (2) 按摩辊不能完全作用 0 引言 [1-3] 睑板腺功能障碍是引发蒸发过强型干眼症 的主要原因之一 在临床上 使用睑板腺按摩的方 法 [ 4-5] 配合热敷 [6]的融化作用 将睑板腺中的阻塞 物挤压出来 从而达到辅助治疗的目的 常用的人工 按摩方法是 医生一只手使眼睑外翻 另一只手使用 无菌生理盐水棉签对睑板腺进行挤压 该过程较为繁 琐 按摩效果受操作人员经验的影响较大 同时按压 力度不均易引起患者不适 因此 用机械替代人工操 作是一种有效的改进方法 通常的人工睑板腺按摩方法 需要先进行翻睑 操作 然后对眼睑内侧的睑板施力 而一般针对睑 板腺按摩的替代机械机构 都无法做到眼睑内侧施 力 因为按摩机构深入到眼睑内侧[7]的难度较大 安 全性较低 美国眼泪科学公司在相关领域进行了大 量的研究 [8-9] 并且开发出了一款带有隔离眼睑特征 的按摩仪器 [10] 虽然分开眼睑后的按摩效果较好 但是其使用需要医疗人员辅助 专业性过强 个人 图1常见辊式按摩结构示图 收稿日期 2014-03-13 作者简介 张建寰 E-mail: aeolus@xmu.edu.cn Fig.1 Image of massage rollers' common structure 255
睑板腺区域 按摩盲区的范围很大 本文针对常见的于外眼睑面施力的辊式按摩机 构存在的缺陷 提出了反相半辊滚压结构和包络运动 方案 以分别实现阻塞物排出顺畅和按摩无盲区的目 标 从而提高治疗效果 1 结构及工作原理 该按摩机构同时实现反相按摩和包络运动 使上 下眼睑处在分时按摩状态 睑板腺阻塞物可以顺畅排 出 按摩运动不受阻碍 同时包络运动又使按摩可以 覆盖整个眼睑区域 使按摩无盲区 1.1 反相半辊滚压结构 图3 眼睑表面结构及睑板腺范围图[12] Fig.3 Image of eyelid surface and meibomiangland region[12] 辊结构 另一部分为可将中央按摩区域扩展到整个 眼表包络面的扫掠结构 包络按摩原理的结构如图4 所示 按摩辊为方便显示其作用范围 用完整的按 摩辊来代替半辊 上下按摩辊的大小及位置的选择 依据是在眼部中央截面上按摩辊能够最大范围的覆 盖眼表面 反相半辊滚压的结构示图及运转循环如图2所 示 相比于图1的辊式按摩法 本结构中的按摩辊沿 轴线对半剖开只取一半 这样每个按摩辊都能够间歇 性的对眼睑进行滚压按摩 避免了眼睑受到持续按摩 产生的疲劳 按摩辊的初始相位具有180º的相差 即 上下两个按摩辊的各有半周期工作 转动方向相反 即反相运动 该相位特点的存在 使得结构在运转过 程中 同一时间只有一个眼睑会受到按摩作用 而另 外一个则处在休息状态中 这样由于上下眼睑不同时 受到按摩 就不会因为同时产生挤压形变而造成睑板 腺阻塞物排除不畅 以及可能存在的按摩辊运动受阻 的情况 图4 包络按摩结构原理图示 Fig.4 Diagram of enveloping massage movement 1.3 工作原理 根据以上两个结构特点及原理的叙述 本文提 出的按摩机构可分解成两个部分 (1) 纵向的辊式按 摩 (2) 横向按摩辊沿着包络面/线的扫掠运动 观察人眼外轮廓上视图 其轮廓线近似于一段 [12-13] 圆弧 那么可以用内齿圈与齿轮的啮合结构来具 图2 反相半辊相差滚压的运动循环 Fig.2 Motion cycle of half-roller anti-phase rolling 1.2 包络原理 如图3所示 黄色标示上下睑板的中央高度 分 别为上睑板(8 12) mm 下睑板(3.5 4) mm 即睑 板纵向高度约在(12 16) mm之间 同时睑板的分布 高度自中央至两端逐渐递减 图3中红色标示所示为 成人平均睑裂宽度27.88 mm 本文提出一种包络结构 来解决按摩辊布局与 按摩盲区之间的矛盾 包络原理的结构由两个部分组 成 其中一部分为上文所述的能够按摩睑板中央的半 体实现包络原理 眼球中部的截面轮廓的范围是最大 的 其余部分的截面轮廓可近似看成是中部轮廓的一 部分 那么只要所设计的按摩辊能够对此处的眼睑做 到最大范围的覆盖 那么整个眼睑外表面就能够在按 摩辊的扫掠作用下 达到全覆盖的效果 而按摩辊的 位置及大小则可通过此截面轮廓线确定 256
如图1所示 按摩辊的表面通常设计有颗粒状凸 起阵列 可加强按摩效果 而上下按摩辊可以通过齿 轮啮合作用 达到同速传动 稳定相位差的目的 按 摩辊的宽度 由于扫掠运动的存在 可以很小 由于纵向的按摩运动与横向的扫掠运动是各自独 立的 因此在设计中可以采用两个低速电机分别驱动 1.4 实际结构 从图6中可以看出 按摩过程中机构的总体输入 为电机提供的动力 输出为按摩负载和机构各部位间 的损耗 其中损耗具体表现为 按摩辊两侧与支撑壁 之间的摩擦 齿轮侧面与支撑壁之间摩擦以及各个转 轴与支撑壁摩擦 即 (1) POUT=P负载+P损耗-壁+P损耗-轴 根据能量守恒定律 按摩机构输入总功等于输出 总功 又由于物体转动的功率等于转矩与角速度的乘 积 按摩运动过程中的各个部分的角速度可以进行归 一化处理 这样可以运动的能量评估可以转化对电机 输入转矩与输出合转矩之间的比较 同时 多次计算 验证中发现 电机的功率通常是能够满足要求的 限 制其应用的主要参数是转矩的大小 文中涉及两个主要的处理过程 即对相似部件的 参数统一化处理和对输出参数的极大值处理 用以简化 计算 并且补偿实际制作装配过程中可能的精度误差 其中统一化处理的参数为 (1) 按摩辊上的齿轮 z1和传动齿轮z2 其角速度前一种均为ω1 后一种均 根据上述工作原理 利用塑料模具的设计方法 完成按摩机构的设计 图5所示为按摩机构的单眼结 构图示 基于反相滚压结构的按摩机芯 安装于包络 模块的滑动支承上 整个机构被医用TPU柔性气囊所 包裹 用于隔离按摩机构与人眼 同时其上附带的薄 膜加热电路具有热敷功效 整个系统具有按摩和热敷 的辅助治疗功能 为ω2 并且 图5 按摩机构设计图示 (2) 转轴均采用相同碳 钢轴 (3) 按摩辊及齿轮等与支撑臂之间的接触面为 相同大小的圆面 半径为R=1.35 mm Fig.5 Design drawing of the massage mechanism 2 功率损耗的计算 按摩辊对眼睑外表面的滚压按摩中 滚轴的转动 速度需求很小 又由于电机被设置在按摩机构附近 其形状大小受到了限制 为了符合低转速和小尺寸的 要求 因此选择了微型步进电机 而电机的扭矩受到 电机直径和长度的制约 因此本文提出机构所用电机 能否满足驱动机构正常运转的要求 即本机构合理性 的论证 需要通过对运转过程中输入动力与输出载荷 和损耗的评估来完成 2.1 纵向上的按摩运动分析 图7 按摩过程的负载简化模型 纵向上的按摩运动 如图6所示 电机通过多级 齿轮啮合作用 带动两个按摩辊进行相向转动 而按 摩辊直接对眼睑外表面进行滚压操作 Fig.7 Simplified model of power while massaging 从图7的模型可得出 按摩过程中负载为按摩辊 与相贴近气囊之间摩擦阻力 其近似值 (2) P 负载=M 负载ω 1=[iN 总 µ 1R 上辊+(1-i)N 总 µ 1R 下辊]ω 1 N 总 µ 1R 上辊 ω 1=1.6N 总µ 1R 上辊 ω 2 按摩辊及齿轮与支撑壁之间的摩擦损耗可以近似 计算如下 (3) 转轴与支撑壁之间的摩擦损耗可用式(4)表示 N P损耗-轴= 图6 纵向按摩机构图示图 Fig.6 Image of endwise massage structure 257 +G总2 µ 4r 轴ω 1 2 总 (4)
式中M 负载 表示按摩辊作用面上的转矩 N 总 为 按 摩 压 力 G 总为 齿 轮 按 摩 辊 以 及 转 轴 的 重 量 和 R 上辊和R下辊分别为上 下按摩辊直径 摩擦系数为 µ 1-按摩辊与气囊 µ 2-塑料与塑 料 µ 4-碳钢与塑料 其中0 i 1用来表示按摩辊的运转过程 k =0.5 表示支撑壁上压力与按摩压力的比例系数 均取极大 值估算 综上 纵向按摩结构的总输出为 POUT = P负载+P损耗-壁+P损耗-轴 12.4 1.6N 总 µ 1R 上辊ω 2+kN 总 µ 2 3 +1.6 Rω 2 N 根据设计尺寸 可知 为相啮合的 齿轮齿圈中径的反比 代入已知量后 得到 (8) P OUT横向=0.147 10-5 ω 内 由P IN横向 =P 电机 >>P OUT横向 可以看出所选电机能 够正常驱动所设计的横向上的往复扫掠运动 2.3 按摩机构按摩效果评价 (5) 采用3D打印技术 用PVC材料制作了样机一 台 对所制作的上下眼睑按摩及扫掠机构样机分别就 瞳距调节 按摩力度调节 扫掠覆盖效果进行实测 其中瞳距调节 按摩力度调分别在瞳距相差较大 脸 型各异的10名志愿者的眼部进行了瞳距调节和按摩力 度调节的功能性实验 而扫掠覆盖效果则在一化妆用 硅胶头模的眼部覆一层复写纸 分别进行了一个周期 扫掠覆盖效果和多周期扫掠覆盖效果的测试 从硅胶 头模的一个周期扫掠在复写纸上的印迹也定性地得到 了按摩力度的客观性评价结果 测试结果 瞳距调节距离满足最大瞳距调节要 求 通过头带长度调节机构可实现按摩力度大小调 节 志愿者主观按摩力度测试和头模客观定性分析结 果证明满足要求 头模眼部复写纸的扫掠覆盖效果测 试证明所设计的机构实现了睑板腺区域的全覆盖 所设计的按摩机构达到了预期目标 +G总2 µ 4r 轴ω 2 2 总 其中气囊与按摩辊之间的力如上文所述为N 总 方向相反 N 支 承 与 按 摩 模 块 总 体 质 量 相 关 令 N 支 承 = 4 0 m N 使之远大于正常值 以作估算 POUT横向=P损耗-气囊+P损耗-气囊=(µ 1N总R内+µ 2N支承R外)ω外 (7) 假定按摩压力N总为500 mn ω 2=3 rad/s 并代入 其他已知设计量 µ 1=0.244 µ 2=0.14 µ 4=0.34 G总 =13.818 0 mn 计算得到机构正常运转最大总输出量 为P OUT=5.46 10-3 W 按摩仪中所选的电机额定输 出转矩为25 10-5 kg m 计算中 直齿轮渐开线齿 轮的外啮合效率 [1]为0.99 由图5所示 齿轮组的级 数为三级 则齿轮的传动效率η=0.99 3 0.97 则计算 经齿轮传动输出的功率为P 电机=η M电机 ω 2=7.13 10-3 W>POUT=5.46 10-3 W 证明所选电机能够实现驱动 所设计的按摩辊实现按摩功能 2.2 横向扫掠运动分析 横向上的扫掠运动也是由一步进电机驱动的 在 此方向上 按摩模块在一段圆弧道滑轨上匀速往复运 动 其中 能量输入为步进电机的转矩输入 能量输 出包括滑轨与支承之间的摩擦损耗以及按摩辊与气囊 之间的摩擦损耗 运动受力分析如图8所示 3 结论 本文论述了一种用于睑板腺按摩的机构 通过 反相半辊按摩结构和包络原理提出 对传统按摩机构 缺陷进行了改进 原理上可以达到对眼睑间歇性按 摩 保证阻塞物的有效排除 最大化按摩覆盖面积的 效果 并且通过一系列的功率损耗的分析 验证了机 构的可行性 为电机的选型和机构开发的成功奠定基 础 同时 可实现使用机械方法替代人工睑板腺按 摩 提高疗效 降低治疗难度 具有重大的意义 参考文献 [1] 刘祖国. 干眼的治疗[J]. 中华眼科杂志, 2006, 42(1): 71-74. [2] Driver PJ, Lemp MA. Meibomian gland dysfunction[j]. Surv Ophthalmol, 1996, 40(5): 343-367. [3] Tiffany JM. Tears in health and disease[j]. Eye, 2003, 17: 923 926. 图8 横向上的扫掠运动受力分析图示 Fig.8 Force analysis image of broadwise enveloping movement 由图8得 P损耗-气囊=f内 R内ω外=μ1N总R内ω外 P损耗-支承=f外 R外 ω外=μ2n支承r外 ω外 (6) 下接第273页 258
ICU的数字化建设还较少提及 本文在借鉴了国内同 行数字化手术室研究的基础上[9-10] 对ICU的报警管 [3] Avinash K, Barbara O, Thomas JB. Reducing hospital noise: a review of medical device alarm management[j]. Biomed Instrument Tech, 2012, 46: 478-487. [4] 齐丽晶. YY0709-2009中听觉报警信号声压级测试方法探讨[J]. 中国医疗器械杂志, 2013, 37(3): 218-219. [5] 国家食品药品监督管理局. YY0709-2009 医用电气设备 第1-8部 分: 安全通用要求 并列标准: 通用要求 医用电气设备和医用电 气系统中报警系统的测试和指南[S]. [6] Dyell D. Beyond sound: using systems integration to advance alarm functionlity[j]. Biomed Instrument Tech, 2011, 45(Suppl1): 72-75. [7] Moorman BA, Gee T. Functional Basics of Third-Party Alarm Notification Systems[J]. Biomed Instrument Tech, 2011, 45(Suppl1): 76-82. [8] AAMI. Medical Device Alarms Summit[EB/OL]. [2011-10-04]. http://www.aami.org/publications/summits/2011_alarms_summit_ publication.pdf. [9] 冯靖祎, 陈华, 刘济全. 设备互联和信息集成技术在数字化手术 室建设中的设计和实现[J]. 生物医学工程学杂志, 2011, 28(10): 876-880. [10] 郑建立, 杨勇勇, 王云龙. 数字化手术室医疗设备集中控制方法 的研究[J]. 计算机测量与控制, 2013, 21(3): 674-676. 理进行了技术分析 希望能起到抛砖引玉的作用 让 我们对报警管理引起进一步的重视 并对数字化ICU 的建设建立一定的基础 国内大部分ICU的医疗设备 中 辐射床 监护仪 呼吸机 注射泵等摆放位置流 动性较大 这对有线信息采集的实现和临床应用带来 一定的麻烦 有必要采用新型 如无线 的数据采集 方式 当然 设备信息采集与集成是成功实现数字化 建设的首要条件 相关管理部门和临床工程师必须积 极介入标准的制定工作 以缩短数据接口和通信协议 从各个厂家自行定义走向标准化的过程 参考文献 [1] ECRI Institute. Top 10 health technology hazards for 2013[EB/ OL]. https://www.ecri.org/documents/secure/health_devices_ Top_10_Hazards_2013.pdf. [2] ECRI Institute. Top 10 technology health hazards for 2011[J]. Health Devices, 2010, 39(11): 404-416. 上接第258页 [4] 高莹莹, 庄铭忠, 范春梅. 睑板腺压榨治疗睑板腺开口阻塞的 疗效观察[J]. 中国全科医学, 2010, 06: 653-654. [5] 刘敬楠,董桂霞. 睑板腺功能障碍致蒸发过强性干眼症患者的 护理[J]. 解放军护理杂志, 2011, 20: 58-59+61. [6] Mori A, Shimazaki J, Shimmura S, et al. Disposable eyelidwarming device for the treatment of meibomian gland dysfunction[j]. Japan Ophthalmol, 2003, 47(6): 578-586. [7] Foulks, GN, Borchman D. Meibomian gland dysfunction: the past, present, and future[j]. Eye Contact Lens Sci Clin Pract, 2010, 36(5): 249-253. [8] Korb DR, Willis TR, Grenon SM. Treatment of meibomian glands [P]. [2011-07-19]. 7981145 B2. [9] Korb DR, Grenon SM, Willis TR, et al. System for inner outer heat and pressure treatment for treating meibomian gland dysfunction[p]. [2013-09-03].US8523928. [10]Korb DR, Grenon SM, Willis TR, et al. 用于治疗睑板腺功能 障碍的热处理的方法 系统和装置[P]. [2010-03-03].美国: CN101663064. [11]杨宏伟, 李仁忠, 孙健美, 等. 一种治疗眼睑板腺堵塞的装置 [P]. [2011-10-05]. 福建: CN102204854A. [12]国家质量技术监督局. GBT2428-1998成年人头部面部尺寸 [S]. [13]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准 化管理委员会. GBT23461-2009成年男性头型三维尺寸[S]. [14]巴兰伊, 汤伟林. 计算直齿轮的啮合效率[J]. 机械, 1989, 06: 46, 40. Indo-MIM荣获MPIF 4项大奖 近日 美国金属粉末工业联合会(MPIF)主办的 2014上海国际粉末注射成型峰会 召开 该盛会在金属注 射成型 MIM 行业深具影响力 在粉末冶金零件设计大赛颁奖典礼上 Indo-MIM荣获一项特等奖和3项杰出 设计奖 再次证明了其在MIM行业的领军地位和技术实力 Indo-MIM在此次大赛上荣获4项大奖分属汽车 五金工具 医疗行业 其中汽车领域4个发动机部件获得了特 等奖 1个底盘件获得杰出设计奖 五金工具领域3个部件获得最佳设计奖 医疗领域1个部件获得最佳设计奖 Indo-MIM总部位于印度班加罗尔 是目前世界规模最大的MIM公司 其强大的产品开发能力和充足的产 能赢得了全球45个国家客户的广泛赞誉 为更好地服务广大中国用户 Indo-MIM在上海设立了由工程师和技 术销售人员组成的技术销售代表处 Indo-MIM公司高级工程师Mr. Mukund Rao 在峰会上演讲 金属注射成型 MIM 工艺 及在汽车 消费及 医疗产品中的应用材料 得到与会者的广泛赞誉 本刊讯 273