CN108742804B - 一种用于骨折复位的并联外固定支架 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种骨折复位的方法及用于骨折复位的并联外固定支架，本发明的骨折复位方法适用于现有的六支链环状并联骨科外固定支架或本发明的支架，主要步骤包括：安装外固定支架、进行医学影像扫描和三维图像重建、识别位姿信息、交互式规划复位运动、求解外固定支架调节方案、调节外固定支架。本发明的外固定支架由两个固定环、六条可调节支链和六个标记物组成，固定环设置有多个连接孔，支链设置有球铰链、可锁紧的驱动关节、快拆装结构和虎克铰链，标记物由标记球体和销轴组成。使用本发明的骨折复位方法可以准确、直观、微创地治疗骨折或骨畸形，结合本发明的支架可以进一步提升治疗的精确度、可靠性和操作便捷性。

Description

一种用于骨折复位的并联外固定支架
技术领域
本发明涉及骨科外固定领域，特别是涉及一种基于三维图像诊断骨折畸形、指导骨折复位的方法，以及一种支链可自由布局、整体可快速拆装的并联式外固定支架。
背景技术
骨折是骨外科的常见病症。骨折骨块经复位治疗后，需要采用一定手段固定。目前常用的骨折固定方法包括石膏、小夹板、髓内钉、外固定支架等。与其他固定方法相比，外固定支架具有微创、适应性强等优势。其中外固定支架又分为串联外固定支架和并联外固定支架。与串联外固定支架相比，并联外固定支架具有更好的稳定性，且可以精确地调节实现骨折的复位微调。此外，并联外固定支架还可用于肢体矫形治疗，进行截骨骨块的形态长期调节。
专利US6030386A、US8439914B2和专利WO2011163406A2提出了一种并联外固定支架，这类支架由六条拓扑结构相同的支链和两个固定环组成。支链按照周向对称的方式排列并通过两端的铰链分别连接两个固定环。使用金属骨针将两个固定环分别与患者骨折骨块的两端固联，并连接六条支链，可实现骨折固定。此外，按照一定的方法调节六条支链的长度，使两个固定环结合骨折骨块产生空间相对运动，可实现骨折的复位微调。上述专利提出的并联外固定支架具有如下问题：1)支架的六条支链与固定环的连接只有唯一的周向对称形式，临床安装时支链与骨针之间易产生干涉；2)支链驱动关节的刻度分辨率不高，调节精度较低；3)支链驱动关节在骨折固定状态下无法锁紧，其间隙导致支架的稳定性降低。
并联外固定支架的支链之间为并联的拓扑结构，因而骨折复位的运动由各驱动关节的调节运动耦合生成，需要采用一定的方法求解六条支链的长度调节方案。专利US9524581，US5728095和EP2767252提出的方法可具化为如下流程：首先，拍摄含有完整外固定支架的骨折部位的X射线正位片和侧位片；其次，在X射线影像上手工测量骨折断端间的位姿参数、骨块与外固定支架间的安装参数，并读取外固定支架各个支链的长度；进而，将数据输入至计算机系统，使用一定的算法求解各支链驱动关节的调节方案，形成电子处方；最后，依据电子处方调节外固定支架六条支链的长度，实现骨折断端的复位。上述专利提出的复位方法存在如下不足：1)X射线正位片和侧位片不能反映骨折断端绕轴线的旋转畸形，且无法标准化X射线影像的拍摄角度、拍摄距离和患者肢体摆放等因素；2)手工测量X射线影像时，存在多种主、客观误差；3)不能可视化展示骨折复位运动，难以预判骨折复位过程中骨块可能产生的干涉。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种适用于现有的六支链环状并联外固定支架进行微创骨折复位或肢体截骨矫形治疗的骨折复位方法，并提供一种可以更好地实现本发明方法的并联外固定支架结构。
本发明是通过以下技术方案实现：
一种骨折复位的方法，包括以下步骤：
(1)安装外固定支架，步骤为：
(a)针对骨折患者或肢体畸形患者，临床完成创伤处理或畸形骨截骨处理后，将骨折部位的近端骨块和远端骨块分别与外固定支架的近端固定环和远端固定环固定相连；
(b)在近端固定环和远端固定环之间连接第一支链至第六支链；
(c)在外固定支架的近端固定环上选择三个未连接零件且相互尽量远离的连接孔，分别插入第一标记物、第二标记物和第三标记物，形成固定连接；在远端固定环上选择所三个未使用且相互尽量远离的连接孔，分别插入第四标记物、第五标记物和第六标记物，形成固定连接；所述的六个标记物具有相同结构，分别包括一个开有内螺纹孔的标记球体和一个与所述的标记球体螺纹连接的标记物销轴，所述的标记物销轴能够直接插入固定环的连接孔并且两者固定相连，所述的标记球体使用金属材料，所述标记物销轴使用塑料材料加工；
(2)识别位姿信息，步骤为：
(a)使用现有的医学三维CT影像设备扫描骨折部位及整个外固定支架，经过图像处理和三维重建，六个标记球体被识别形成第一三维球体、第二三维球体、第三三维球体、第四三维球体、第五三维球体和第六三维球体，得到包括近端骨块三维实体、远端骨块三维实体、第一三维球体、第二三维球体、第三三维球体、第四三维球体、第五三维球体和第六标记球三维球体的三维图像，并存储于计算机系统中；
(b)在计算机操作界面内，指定所述的三维图像中，第一三维球体至第六三维球体与外固定支架上的第一标记物至第六标记物的对应关系；
(c)计算机系统采用球面拟合算法，识别第一三维球体至第六三维球体在三维图像中的球心位置，使用所述的第一三维球体、第二三维球体和第三三维球体的球心位置，确定近端固定环在三维图像中的位置和姿态；识别所述的第四三维球体、第五三维球体和第六三维球体的球心位置，确定远端固定环在三维图像中的位置和姿态；
(d)计算机采用使用机器人学领域的运动学算法，求解并记录该初始安装状态下近端固定环和远端固定环的空间相对位置和相对姿态，完成上述位姿信息的识别工作后，拆除第一标记物至第六标记物；
(3)规划骨折复位或骨畸形矫正运动，步骤为：
(a)在计算机操作界面内，观察所述的近端骨块三维实体和远端骨块三维实体，按照预期的骨折复位或骨畸形矫正运动，使用键盘和鼠标等输入设备逐步调整近端骨块三维实体和远端骨块三维实体的空间相对状态，形成骨折复位或骨畸形矫正运动步骤；
(b)计算机系统依次记录每个运动步骤中近端固定环和远端固定环的相对位置和姿态数据，从而确定近端骨块和远端骨块的空间相对状态，在每个运动步骤和前一个运动步骤之间，计算机计算所述的近端固定环和远端固定环的相对位置和姿态数据的变化量，自动进行数据插补，得到离散化的骨折复位或骨畸形矫正运动轨迹；
(c)计算机系统基于所述的离散化运动轨迹在操作界面中绘制骨折近端骨块三维实体和远端骨块三维实体相对运动的仿真动画，操作者检查所述的仿真动画是否符合预期的运动、是否存在骨折骨块之间的碰撞；若仿真结果不理想，返回本步骤的步骤(a)开始处重新规划运动步骤；若仿真结果合理，计算机系统存储离散化的骨折复位或骨畸形矫正运动轨迹；
(4)求解调整方案，求解方法为：计算机系统针对所记录的骨折复位或骨畸形矫正运动轨迹，使用机器人学领域的并联机构运动学算法，求解步骤(3)的骨折复位或骨畸形矫正运动轨迹的每个离散点处第一支链至第六支链的长度数据，并存储于离散点支链长度矩阵中，根据患者的治疗类型，在计算机操作界面中选择“骨折复位”模式或“骨畸形矫正”模式，在“骨折复位”模式中，计算机从所述的离散点支链长度矩阵中，读取各个骨折复位运动步骤下第一支链至第六支链的长度数据，并将这些长度数据按照所述的运动步骤的顺序排列形成骨折复位的支链调节方案；在“骨畸形矫正”模式下，操作者根据骨外科领域的牵张成骨原理技术，设定每日骨畸形矫正最大位移量；计算机按所述的运动步骤的顺序，从所述的骨畸形矫正运动轨迹中分别以设定的每日骨畸形矫正最大位移量作为最大间隔，选取数个离散点形成每一日的骨畸形矫正轨迹点；按照所述的每一日骨畸形矫正轨迹点从所述的离散点支链长度矩阵选取相应的第一支链至第六支链的长度数据，排列形成骨畸形矫正的支链调节方案；
(5)调节外固定支架，方法为：根据步骤(4)选择的模式，对于“骨折复位”模式，依照所述的骨折复位的支链调节方案，按照调节方案中各步骤的支链长度数据，多次调节六条支链的长度，使外固定支架直接复位骨折；对于“骨畸形矫正”模式，依照所述的骨畸形矫正的支链调节方案，每日调节六条支链的长度，使外固定支架在一定时期内逐步矫正骨畸形。
一种用于骨折复位的并联外固定支架，包括：
近端固定环以及设置在近端固定环下方的远端固定环，所述的近端固定环和远端固定环具有相同环状结构，在所述的环状结构的外周壁上均匀间隔的设置有六个突出部位，在所述的环状结构上整周均匀间隔的开有轴线沿竖直方向设置的多个内圈连接孔，在所述的突出部位上均匀间隔的开有轴线沿竖直方向设置的外圈连接孔，在所述的近端固定环和远端固定环之间设置有结构相同的六条支链，所述六条支链可按如下规则自由布局：第一支链至第六支链绕固定环的圆周方向依次布置，相邻两支链呈互不平行的关系，且相互之间不相交；所述支链的特征在于：
每条支链包括从上至下依次相连的球铰链、驱动关节、快拆装结构和虎克铰链；
所述的驱动关节是一种丝杠机构，所述的销钉螺杆的下侧杆段依次穿过驱动螺母的中间螺纹孔和滑槽套筒的中间孔，所述的销钉螺杆与驱动螺母组成螺旋运动副；所述的驱动螺母包括筒形结构，在所述的筒形结构顶壁上设置有直径小于筒形结构的凸台，所述的滑槽套筒上部插在筒形结构内并与筒形结构腔体内壁转动配合，在所述的筒形结构腔体顶壁周向均匀间隔地开有多个轴线沿竖直方向的钢珠孔，在所述的滑槽套筒的顶面上与钢珠孔对应地开有一个弹簧孔，在所述的弹簧孔内安装有一个弹簧，所述的弹簧的底端与弹簧孔底壁相连并且弹簧的顶端固定有一个钢珠；所述的钢珠孔的深度小于钢珠的半径，持续旋转驱动螺母时，所述的钢珠在弹簧的作用下周期性部分嵌入或退出钢珠孔，提供旋转运动量的振动触感反馈，在所述的滑槽套筒位于筒形结构底部的外壁上设置有一段外螺纹，一个锁定环套装在驱动螺母的筒形结构上，所述的锁定环的下端与滑槽套筒上的外螺纹形成螺纹连接；在所述的锁定环上端的空腔内壁上开有凹槽并镶嵌有垫片，所述的垫片套装在所述驱动螺母的凸台外部并与筒形结构顶壁滑动接触，限制驱动螺母的轴向运动，通过旋转所述的锁定环，所述的锁定环能够压紧垫片或者松开垫片，形成驱动关节的锁紧状态或可调节状态。在所述的滑槽套筒的侧壁上沿其的轴线方向开有观测槽，在与所述的观测槽对应的侧壁处沿槽套筒的轴线方向设置有伸缩示数刻线；在所述的观测槽顶端沿滑槽套筒的轴线方向设置有一条轴向刻线，所述的销钉螺杆的下侧杆段设置有销钉，所述的销钉插入观测槽并且能够相对观测槽滑动；在所述的销钉的端面设置有横向刻线，所述的横向刻线与伸缩示数刻线彼此相对设置以指示支链的伸长或者缩短数值，在所述的驱动螺母凸台的外壁上设置有周向刻线，所述的周向刻线与轴向刻线彼此相对设置以指示驱动螺母相对滑槽套筒的旋转数值；
所述的滑槽套筒下部通过快拆装结构与一个快换杆的上部可拆卸连接，所述的快换杆上部具有一圈圆周刻线，并且下部外壁上设置有快换杆外螺纹，所述的快换杆外螺纹与一个虎克铰链上部的螺纹孔形成螺纹连接，所述的虎克铰链下部的螺纹轴穿过远端固定环的一个外圈连接孔或内圈连接孔，并通过六角螺母与远端固定环固定相连；
在近端固定环上的三个未连接零件且相互尽量远离的连接孔内分别连接有第一标记物、第二标记物和第三标记物，在远端固定环上的三个未使用且相互尽量远离的连接孔内分别连接有第四标记物、第五标记物和第六标记物；六个标记物具有相同结构，六个标记物分别包括一个开有内螺纹孔的标记球体和一个与所述的标记球体螺纹连接的标记物销轴，所述的标记物销轴插入连接孔并且两者固定相连，所述的标记球体使用金属材料，所述标记物销轴使用塑料材料加工。
所述的球铰链包括一个上端为螺纹轴的球铰链连接轴，所述的球铰链连接轴的螺纹轴能够穿过近端固定环上的一个外圈连接孔或内圈连接孔，并通过六角螺母与近端固定环固定相连；所述的球铰链连接轴的下端与一个十字轴结构的长轴的两端转动相连，所述的十字轴结构安装在一个滑动连接套的上部，并且所述的十字轴结构的另两根短轴的两端分别转动连接在滑动连接套的开孔内，在所述的滑动连接套的下部腔体内转动安装有一个滑动轴承，所述的滑动轴承的内圈与一个销钉螺杆的上部螺纹连接，所述的销钉螺杆顶部穿过滑动轴承并与一个防松螺母固定相连，防止滑动轴承与销钉螺杆的螺纹连接松动，一个限位螺母通过外螺纹与滑动连接套的腔体底部的内螺纹连接，所述的销钉螺杆外表面与限位螺母的内孔存在一定间隙，能够自由相对转动，所述的限位螺母起到滑动轴承轴向定位的作用。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的骨折复位方法的信息提取自医学三维CT影像，具有与空间真实尺寸相等的尺度数据，可完全反映骨折断端和外固定支架的空间信息；
(2)骨折复位方法使用图像识别算法提取三维图像的信息，有效避手工测量X射线正、侧位影像时的主、客观误差；
(3)规划骨折复位运动时，通过三维可视化仿真动画展示骨折复位运动的轨迹，易于操作者掌握外固定支架复位骨折的过程，且可有效规避骨折复位过程中断端干涉的风险；
(4)本发明的外固定支架的六条支链可自由布局，有效避免临床安装时支链与金属骨针之间的干涉问题；
(5)外固定支架的支链驱动关节具有驱动螺母旋转量的指示结构，可以高精度地指示驱动关节的运动量数值，并准确地调节和定位；
(6)外固定支架的支链驱动关节具有锁紧结构，可锁定支链的长度并消除驱动关节的微小间隙，提高外固定支架固定骨折的稳定性；
附图说明
图1是现有六支链环状形式的并联外固定支架的一般结构示意图；
图2是本发明骨折复位方法的流程框图；
图3是现有六支链环状外固定支架的两个固定环分别与骨折部位两侧骨块连接的效果图；
图4是本发明的外固定支架的两个固定环分别与骨折部位两侧骨块连接的效果图；
图5是在本发明外固定支架的近端固定环和远端固定环之间安装第一支链和第一标记物的方法示意图；
图6是本发明外固定支架的一种临床安装完成状态的效果图；
图7是本发明结构中的标记物的结构示意图；
图8是使用医学三维CT影像设备扫描后获得的一种三维图像；
图9是按照图6所示安装外固定支架后的患者体表效果图；
图10是一种骨折复位运动步骤对应的骨折骨块相对运动示意图；
图11是本发明的并联外固定支架的结构示意图；
图12A、图12B、图12C和图12D是近端固定环和远端固定环的结构示意图；
图13是支链的结构示意图；
图14A是支链球铰链使用的一种市售零件的结构示意图；图14B、图14C和图14D分别是一种优选的支链球铰链的整体剖视平面结构、球铰链中心十字的三维结构、球铰链整体装配三维结构示意图；
图15是支链驱动关节的剖视平面结构示意图；
图16A和图16B是支链驱动关节的两种不同角度的剖视三维结构示意图；
图17A和图17B分别是支链驱动螺母结构的正向视图和侧向视图；
图17C是支链驱动螺母结构的三维视图；
图18是使用支链驱动关节调节支链长度的方法示意图；
图19是切换支链驱动关节的工位的方法示意图；
图20是支链快拆装结构的结构示意图；
图21是不同长度的支链快换杆的结构示意图；
图22是又一种可以采用的支链快拆装结构的结构示意图；
图23是使用本发明的外固定支架复位骨折或矫正骨畸形后的效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
本发明的一种骨折复位的方法，适用于现有的六支链环状并联外固定支架(例如专利CN201120414672、US8454604或US6030386)或者本发明提出的并联外固定支架，进行骨折复位或肢体截骨矫形的治疗。所使用的外固定支架一般具有如图1所示的结构，由近端固定环101和远端固定环102以及连接在近端固定环101和远端固定环102之间的第一支链103、第二支链104、第三支链105、第四支链106、第五支链107和第六支链108组成。
本发明的骨折复位的方法如图2所示的流程，具体包括以下步骤：
(1)安装外固定支架，步骤为：
(1a)针对骨折患者或肢体畸形患者，临床完成创伤处理或畸形骨截骨处理后，将骨折部位的近端骨块和远端骨块分别与外固定支架的近端固定环101和远端固定环102固定相连。如图3所示，借助金属骨针及骨针连接零件将所述的近端固定环101与近端骨块固定相连，将远端固定环102与远端骨块固定相连。
(1b)在近端固定环和远端固定环之间连接第一支链103至第六支链108。支链的安装方式可以按照CN201120414672、US8454604或US6030386等专利提出的方法，进行完全对称的连接。在采用本发明的装置时，支链可以在一定的安装范围内自由连接(参见图4)：在支架的近端固定环101上分别选取第一上连接孔401、第二上连接孔402、第三上连接孔403、第四上连接孔404、第五上连接孔405和第六上连接孔406，用于连接六根支链上部的螺纹轴；在本发明的支架的远端固定环102上分别选取第一下连接孔407、第二下连接孔408、第三下连接孔409、第四下连接孔410、第五下连接孔411和第六下连接孔412，用于连接六根支链下部的螺纹轴；所选择的十二个连接孔应使得六条支链围绕固定环的圆周方向呈折线状排列、六条支链彼此不平行且不交叉。按图5所示的方法，依次在所选择的连接孔之间安装六根支链，以第一支链103为例，选择所述的第一上连接孔401，将第一支链103上部的螺纹轴穿过该连接孔，并使用一个螺母501固定连接；选择所述的第一下连接孔407，将第一支链103下部的螺纹轴穿过该连接孔，并使用一个螺母502固定连接；将支链的上部503和下部504之间使用一根快换杆2002连接，完成第一支链103的安装；类似地，安装第二支链104至第六支链108。本发明的外固定支架安装完成后，一种安装效果如图6所示。
(1c)在外固定支架的近端固定环101上选择三个未连接零件且相互尽量远离的连接孔，分别插入第一标记物601(如图5所示)、第二标记物602和第三标记物603，形成固定连接；在远端固定环102上选择所三个未使用且相互尽量远离的连接孔，分别插入第四标记物604、第五标记物605和第六标记物606，形成固定连接；所述的六个标记物在支架上的一种安装效果如图6所示。所述的六个标记物具有相同结构，分别包括一个开有内螺纹孔的标记球体701和一个与所述的标记球体701螺纹连接的标记物销轴702(见图7)。所述的标记物销轴702可以直接插入固定环的连接孔并且两者固定相连。所述的标记球体701使用金属材料，所述标记物销轴702使用塑料材料加工。患者安装完成外固定支架及标记物的一种效果参见图9。
(2)识别位姿信息，步骤为：
(2a)使用现有的医学三维CT影像设备扫描骨折部位及整个外固定支架，经过图像处理和三维重建，六个标记球体701被识别形成第一三维球体803、第二三维球体804、第三三维球体805、第四三维球体806、第五三维球体807和第六三维球体808，而标记物销轴702不会被识别(见图8)，得到包括近端骨块三维实体801、远端骨块三维实体802、第一三维球体803、第二三维球体804、第三三维球体805、第四三维球体806、第五三维球体807和第六标记球三维球体808的三维图像，并存储于计算机系统中。
(2b)在计算机操作界面内，操作者指定所述的三维图像中，第一三维球体803至第六三维球体808与外固定支架上的第一标记物601至第六标记物606的对应关系。
(2c)计算机系统采用球面拟合算法，识别第一三维球体803至第六三维球体808在三维图像中的球心位置，使用所述的第一三维球体803、第二三维球体804和第三三维球体805的球心位置，确定近端固定环101在三维图像中的位置和姿态；类似地，识别所述的第四三维球体806、第五三维球体807和第六三维球体808的球心位置，确定远端固定环102在三维图像中的位置和姿态。
(2d)计算机采用使用机器人学领域的运动学算法，求解并记录该初始安装状态下近端固定环101和远端固定环102的空间相对位置和相对姿态。完成上述位姿信息的识别工作后，拆除第一标记物601至第六标记物606。
(3)规划骨折复位或骨畸形矫正运动，步骤为：
(3a)在计算机操作界面内，观察所述的近端骨块三维实体801和远端骨块三维实体802，按照预期的骨折复位或骨畸形矫正运动，使用键盘和鼠标等输入设备逐步调整近端骨块三维实体801和远端骨块三维实体802的空间相对状态，形成骨折复位或骨畸形矫正运动步骤(例如，图10的运动步骤1001、运动步骤1002、运动步骤1003、运动步骤1004至运动步骤1005)。
(3b)计算机系统依次记录每个运动步骤中近端固定环101和远端固定环102的相对位置和姿态数据，从而确定近端骨块和远端骨块的空间相对状态。在每个运动步骤和前一个运动步骤之间，计算机计算所述的近端固定环101和远端固定环102的相对位置和姿态数据的变化量，自动进行数据插补，得到离散化的骨折复位或骨畸形矫正运动轨迹。
(3c)计算机系统基于所述的离散化运动轨迹在操作界面中绘制骨折近端骨块三维实体801和远端骨块三维实体802相对运动的仿真动画。操作者检查所述的仿真动画是否符合预期的运动、是否存在骨折骨块之间的碰撞等。若仿真结果不理想，返回步骤(3a)的开始处重新规划运动步骤；若仿真结果合理，计算机系统存储离散化的骨折复位或骨畸形矫正运动轨迹。
(4)求解调整方案，求解方法为：计算机系统针对所记录的骨折复位或骨畸形矫正运动轨迹，使用机器人学领域的并联机构运动学算法，求解步骤(3)的骨折复位或骨畸形矫正运动轨迹的每个离散点处第一支链103至第六支链108的长度数据，并存储于离散点支链长度矩阵中。根据患者的治疗类型，在计算机操作界面中选择“骨折复位”模式或“骨畸形矫正”模式。在“骨折复位”模式中，计算机从所述的离散点支链长度矩阵中，读取各个骨折复位运动步骤下第一支链103至第六支链108的长度数据，并将这些长度数据按照所述的运动步骤的顺序排列形成骨折复位的支链调节方案。在“骨畸形矫正”模式下，操作者根据骨外科领域的牵张成骨原理技术(参考专利US4978348)，设定每日骨畸形矫正最大位移量；计算机以所述的每日骨畸形矫正最大位移量作为最大间隔，按所述的运动步骤的顺序从各个支链骨畸形矫正运动轨迹的离散点中选取数个离散点、形成各个支链矫正轨迹点；根照所述的各个支链矫正轨迹点从所述的离散点支链长度矩阵选取相应的第一支链103至第六支链108的长度数据，排列形成骨畸形矫正的支链调节方案。
以下采用一具体实施例对本步骤的求解调整方案加以详细说明：在“骨折复位”模式中，对于步骤(3)中所规划的运动步骤(例如，图10的运动步骤1001、运动步骤1002、运动步骤1003、运动步骤1004至运动步骤1005)，求解每个运动步骤下第一支链103至第六支链108的长度数据并按顺序整理，形成的支链调节方案如表1所示。在“骨畸形矫正”模式中，对于步骤(3)中所规划的运动步骤，设定每日骨畸形矫正最大位移量为1mm，则以1mm为最大间隔从各个支链的骨畸形矫正运动轨迹离散点中选取数个点，作为每日骨畸形矫正点(例如，运动步骤1至运动步骤2过程中，骨折骨块的空间相对位移量为4.83mm，则完成步骤1至步骤2的畸形矫正运动需要5日调节；从步骤1至步骤2的骨畸形矫正运动轨迹离散点中，以1mm的位移量为间隔顺序选取四个轨迹点，作为近端骨块和远端骨块在第1日至第4日中，每日应达到的空间点；从第4日的轨迹点处以0.83mm的位移量为间隔选取下一个轨迹点，作为近端骨块和远端骨块在第5日应达到的空间点；余下的矫正过程参见表2)；计算机按照上述确定的每日骨畸形矫正点，从所述的离散点支链长度矩阵中，读取对应的第一支链103至第六支链108的长度数据，形成骨畸形矫正的支链调节方案如表2所示。
表1骨折复位的支链调节方案
运动步骤 第一支链 第二支链 第三支链 第四支链 第五支链 第六支链
1 108.5mm 112.4mm 131.0mm 127.3mm 118.8mm 106.5mm
2 110.1mm 113.5mm 133.9mm 131.2mm 120.1mm 109.1mm
3 113.0mm 115.6mm 134.8mm 134.0mm 122.5mm 110.4mm
4 113.8mm 115.0mm 136.4mm 134.6mm 122.9mm 111.2mm
5 110.6mm 113.2mm 132.8mm 130.4mm 119.6mm 109.2mm
表2畸形矫正的支链调节方案
Figure GDA0002109013920000131
(5)调节外固定支架，方法为：在使用现有的外固定支架时，根据步骤四选择的模式，对于“骨折复位”模式，依照步骤(4)得到的骨折复位的支链调节方案，按各个步骤处给出的支链长度数据，调节六条支链的长度(支链长度的调节方法可以参见现有外固定支架对应的专利，如专利CN201120414672、US8454604和US6030386等)，使外固定支架按照既定步骤运动、直接复位骨折。对于“骨畸形矫正”模式，依照步骤(4)得到的骨畸形矫正的支链调节方案，按每一日给出的支链长度数据，调节六条支链的长度，使外固定支架在一定时期内逐步矫正骨畸形。
为了使所述的外固定支架的调节过程更精确有效，本发明提供的一种外固定支架具有驱动关节锁定的功能，下面以本发明所示的并联外固定支架对本发明的支链调节方案加以详细说明：对于“骨折复位”模式，将所述的第一支链103至第六支链108的锁定环1503相对滑槽套筒1504逆时针旋转(见图19)，锁定环1503和滑槽套筒1504之间的螺纹配合使垫片1602放松驱动螺母1502，使驱动关节置于“驱动”工位；按照所述的骨折复位的支链调节方案，转动第一支链103至第六支链108的驱动螺母1502，改变各个所述支链的长度，外固定支架的近端固定环101和远端固定环102相对运动，复位骨折。对于“骨畸形矫正”模式，每一日进行支链长度的调节，调节方法为，将所述的第一支链103至第六支链108的锁定环1503相对滑槽套筒1504逆时针旋转(见图19)，锁定环1503和滑槽套筒1504之间的螺纹配合使垫片1602放松驱动螺母1502，使驱动关节置于“驱动”工位；按照所述的骨畸形矫正的支链长度调整方案，转动第一支链103至第六支链108的驱动螺母1502，改变各个所述支链的长度；外固定支架的近端固定环101和远端固定环102相对运动，矫正当日的骨畸形量；将所述的第一支链103至第六支链108的锁定环1503相对滑槽套筒1504顺时针旋转，锁定环1503带动垫片1602压紧驱动螺母1502，使驱动关节置于“锁定”工位；每日重复上述操作直至完成骨畸形矫正。
(6)复位骨折或矫正骨畸形后(使用本发明提出的外固定支架的一种效果如图23所示)，锁定外固定支架的六条支链的长度，直至骨折或骨畸形部位愈合生长康复后，拆除外固定支架，完成骨折或骨畸形的治疗。
为了更好地实现本发明方法，本发明提供了一种并联外固定支架，可具化为图11所示的型式，包括：
近端固定环101以及设置在近端固定环101下方的远端固定环102，所述近端固定环101和远端固定环102具有相同环状结构(见图12)，在所述的环状结构的外周壁上均匀间隔的设置有6个突出部位，在所述的环状结构上整周均匀间隔的开有轴线沿竖直方向设置的多个内圈连接孔，在所述的突出部位上均匀间隔的开有轴线沿竖直方向设置的外圈连接孔。所述的近端固定环101和远端固定环102具有系列化的直径(见图12)。操作者可针对不同患者的需求，选择直径合适的固定环，分别作为外固定支架的近端固定环101和远端固定环102。优选的，所述近端固定环101和远端固定环102的上下边缘均作圆角处理。
在所述的近端固定环101和远端固定环102之间设置有结构相同的六条支链，如图11分别为第一支链103、第二支链104、第三支链105、第四支链106、第五支链107和第六支链108。所述六条支链可按如下规则自由布局：第一支链至第六支链绕固定环的圆周方向依次布置，相邻两支链呈互不平行的关系，且相互之间不相交。如图13所示，每条支链包括从上至下依次相连的球铰链1301、驱动关节1302、快拆装结构1303和虎克铰链1304。
所述的球铰链1301是机械连接领域常见的、具有三个转动自由度的球关节零件，其结构可以如图14A所示，上部的球杆零件1410与下部的球套零件1411之间以球面配合的形式连接(详细结构可以参见专利CN201380070568的描述)。优选的，所述的球铰链1301的结构如图14B、14C和14D所示，具有更大的转角工作空间。所述的球铰链1301包括一个上端为螺纹轴的球铰链连接轴1401，所述的球铰链连接轴1401的螺纹轴可以穿过近端固定环101上的一个外圈连接孔(或内圈连接孔)，并通过六角螺母501与近端固定环101固定相连(见图5)；所述的球铰链连接轴1401的下端与一个十字轴结构的长轴1403的两端转动相连。所述的十字轴结构安装在一个滑动连接套1406的上部，并且所述的十字轴结构的另两根短轴1402的两端分别转动连接在滑动连接套1406的开孔内。在所述的滑动连接套1406的下部腔体内转动安装有一个滑动轴承1407，所述的滑动轴承1407的内圈与一个销钉螺杆1501的上部螺纹连接，所述的销钉螺杆1501顶部穿过滑动轴承1407并与一个防松螺母1405固定相连，防止滑动轴承1407与销钉螺杆1501的螺纹连接松动。一个限位螺母1408通过外螺纹与滑动连接套1406的腔体底部的内螺纹连接，所述的销钉螺杆1501外表面与限位螺母1408的内孔存在一定间隙，可以自由相对转动。所述的限位螺母1408起到滑动轴承1407轴向定位的作用。
如图15所示，所述的驱动关节1302是一种丝杠机构，所述的销钉螺杆1501的下侧杆段依次穿过驱动螺母1502的中间螺纹孔和滑槽套筒1504的中间孔。所述的销钉螺杆1501与驱动螺母1502组成螺旋运动副。所述的驱动螺母1502包括筒形结构，在所述的筒形结构顶壁上设置有直径小于筒形结构的凸台，所述的滑槽套筒1504上部插在筒形结构内并与筒形结构腔体内壁转动配合。在所述的筒形结构腔体顶壁周向均匀间隔地开有多个轴线沿竖直方向的钢珠孔1701(见图16A和图17A、17B、17C)，在所述的滑槽套筒1504的顶面上与钢珠孔1701对应地开有一个弹簧孔1601，在所述的弹簧孔1601内安装有一个弹簧1506，所述的弹簧1506的底端与弹簧孔1601底壁相连并且弹簧1506的顶端固定有一个钢珠1505；所述的钢珠孔1701的深度小于钢珠1505的半径，持续旋转驱动螺母1502时，所述的钢珠1505在弹簧1506的作用下周期性部分嵌入或退出钢珠孔1701，提供旋转运动量的振动触感反馈。在所述的滑槽套筒1504位于筒形结构底部的外壁上设置有一段外螺纹1603，一个锁定环1503套装在驱动螺母1502的筒形结构上，所述的锁定环1503的下端与滑槽套筒上的外螺纹1603形成螺纹连接；在所述的锁定环1503上端的空腔内壁上开有凹槽并镶嵌有垫片1602，所述的垫片1602套装在所述驱动螺母1502的凸台外部并与筒形结构顶壁滑动接触，限制驱动螺母1502的轴向运动(见图16B)。通过旋转所述的锁定环1503，所述的锁定环1503能够压紧垫片1602或者松开垫片1602。在所述的滑槽套筒1504的侧壁上沿其的轴线方向开有观测槽1508，在与所述的观测槽1508对应的侧壁处沿槽套筒的轴线方向设置有伸缩示数刻线1801(见图18)；在所述的观测槽1508顶端沿滑槽套筒的轴线方向设置有一条轴向刻线1803。所述的销钉螺杆1501的下侧杆段设置有销钉1507，所述的销钉1507插入观测槽1508并且能够相对观测槽滑动；在所述的销钉1507的端面设置有横向刻线1802，所述的横向刻线1802与伸缩示数刻线1801彼此相对设置以指示支链的伸长或者缩短数值，在所述的驱动螺母1502凸台的外壁上设置有周向刻线1804，所述的周向刻线1804与轴向刻线1803彼此相对设置以指示驱动螺母1502相对滑槽套筒1504的旋转数值。
所述的驱动关节1302具有“驱动”和“锁定”两种工位。所述的驱动关节在初始状态下为“锁定”工位，锁定环1503通过垫片1602将驱动螺母1502相对滑槽套筒1504沿轴线方向压紧，产生的压力使驱动螺母1502无法相对滑槽套筒1504转动，锁紧驱动关节。将所述的锁定环1503相对滑槽套筒1504进行逆时针旋转1901(见图19)，锁定环1503和滑槽套筒1504之间的螺纹配合使垫片1602松开驱动螺母1502，进入“驱动”工位。所述的驱动关节1302处于“驱动”工位时，所述的驱动螺母1502可以自由转动：相对滑槽套筒1504顺时针转动驱动螺母1502可增加支链的长度(见图18)、逆时针转动驱动螺母1502可缩短支链的长度，形成所述支链的伸长/缩短运动。通过所述的伸缩示数刻线1801和横向刻线1802的指示，可以读取所述的伸长/缩短运动的整数数值；通过轴向刻线1803和周向刻线1804，可以读取驱动螺母1502相对滑槽套筒1504的旋转数值，并经过换算可以获得所述支链的伸长/缩短运动的小数数值。
如图20所示，所述的滑槽套筒1504下部通过快拆装结构1303与一个快换杆的上部可拆卸连接。如图21所示，所述的快换杆2002上部具有一圈圆周刻线2101，并且下部外壁上设置有快换杆外螺纹2103，优选的在所述的快换杆外螺纹2103杆段和快换杆2002的光滑杆段之间设置有定位凸台面2102；所述的快换杆2002具有多种不同的轴向长度。所述的快换杆外螺纹2103与一个虎克铰链1304上部的螺纹孔(见图13和图20)形成螺纹连接。所述的虎克铰链1304下部的螺纹轴穿过远端固定环102的一个外圈连接孔(或内圈连接孔)，并通过六角螺母502与远端固定环102固定相连(见图5)。所述的虎克铰链1304是机械传动构件领域常见的一种万向关节零件，虎克铰链1304为其两端连接的快换杆2002和远端固定环102之间提供两个转动自由度。
作为本发明的一种优选的实施方式，如图20所示，所述的快拆装结构1303包括一个开有内孔的锁紧套2001，所述的锁紧套2001内孔的上端具有内螺纹2011并且下端为锥形孔；所述的滑槽套筒1504下部具有外螺纹并且滑槽套筒1504外螺纹2012下部为锥形端2013，在所述的锥形端2013的侧壁上沿锥形端母线方向间隔开有多个豁口形成具有弹性的锁紧爪2014；所述的滑槽套筒1504通过外螺纹2012与锁紧套2001内螺纹形成螺纹配合并且滑槽套筒1504的锁紧爪2014与锁紧套2001锥形孔构成锥面配合。一根快换杆2002前端的光滑杆段穿过所述的锁紧套2001的内孔并插入锁紧爪2014的内孔；通过滑槽套筒1504与锁紧套2001的螺纹配合以及滑槽套筒1504的锁紧爪2014与锁紧套2001锥形孔构成的锥面配合，能够实现快换杆2002与滑槽套筒1504的固定连接或者拆分。具体操作方法为：从多根长度不同的快换杆(如图21)中选择一根长度适宜的快换杆2002，穿过所述的锁紧套2001的内孔并插入锁紧爪2014的内孔；将锁紧爪2014插入锁紧套2001的内孔并逆时针转动锁紧套2001，在二者的螺纹配合和锥面配合的作用下，锁紧爪2014的内孔的直径逐渐缩小并夹紧快换杆2002的外表面，实现快换杆2002与滑槽套筒1504的固定连接；相反地，顺时针旋转锁紧套2001，可以使锁紧爪2014的内孔的直径逐渐增大并松开快换杆2002，实现快换杆2002与滑槽套筒1504的拆分。
当然所述的快拆装结构1303还可以是一种可快速夹紧轴类零件的夹头装置，如图22所示，所述的快速拆装结构1303的一端2202与滑槽套筒1504连接；快换杆2002前端的光滑杆段可以在快拆装结构1303放松的状态下从另一端2201伸入；快速拆装结构1303可以夹紧插入的快换杆2002，形成固定连接。所述的快拆装结构的机械结构不局限于上述形式，如专利CN201711062794或CN201510692150等具有快速夹紧轴类零件功能的机械结构均可加以采用。
本发明的外固定支架还提供一种标记物，用于实现精确的骨折复位或骨畸形矫正。在外固定支架的近端固定环101上选择三个未连接零件且相互尽量远离的连接孔，按图5所示，分别插入第一标记物601、第二标记物602和第三标记物603，形成固定连接；在远端固定环102上选择三个未使用且相互尽量远离的连接孔，分别插入第四标记物604、第五标记物605和第六标记物606，形成固定连接。所述的六个标记物在支架上的一种安装效果如图11所示。所述的六个标记物具有相同结构，分别包括一个开有内螺纹孔的标记球体701和一个与所述的标记球体701螺纹连接的标记物销轴702(见图7)。所述的标记物销轴702插入连接孔并且两者固定相连。所述的标记球体701使用金属材料，所述标记物销轴702使用塑料材料加工。
结合图13，本外固定支架各条支链的球铰链1301、驱动关节1302和虎克铰链1304共为支链提供六个自由度，包括：球铰链301具有绕相互正交且交于一点的三根轴线A1、A2和A3的三个转动自由度R1、R2和R3；驱动关节1302在进行旋转操作1310时，具有沿轴线A3方向的平移自由度P1；所述的虎克铰链304具有绕相互正交的轴线B1和B2的两个转动自由度R4和R5。
以上对本发明的描述仅仅是示意性的，而不是限制性的，所以，本发明的实施方式并不局限于上述的具体实施方式。如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，做出其他变化或变型，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于骨折复位的并联外固定支架，包括近端固定环(101)以及设置在近端固定环(101)下方的远端固定环(102)，所述近端固定环(101)和远端固定环(102)具有相同环状结构，在所述的环状结构的外周壁上均匀间隔的设置有六个突出部位，在所述的环状结构上整周均匀间隔的开有轴线沿竖直方向设置的多个内圈连接孔，在所述的突出部位上均匀间隔的开有轴线沿竖直方向设置的外圈连接孔，在所述的近端固定环(101)和远端固定环(102)之间设置有结构相同的六条支链，所述六条支链可按如下规则自由布局：第一支链至第六支链绕固定环的圆周方向依次布置，相邻两支链呈互不平行的关系，且相互之间不相交，其特征在于：
每条支链包括从上至下依次相连的球铰链(1301)、驱动关节(1302)、快拆装结构(1303)和虎克铰链(1304)；
所述的驱动关节(1302)是一种丝杠机构，销钉螺杆(1501)的下侧杆段依次穿过驱动螺母(1502)的中间螺纹孔和滑槽套筒(1504)的中间孔，所述的销钉螺杆(1501)与驱动螺母(1502)组成螺旋运动副，所述的驱动螺母(1502)包括筒形结构，在所述的筒形结构顶壁上设置有直径小于筒形结构的凸台，所述的滑槽套筒(1504)上部插在筒形结构内并与筒形结构腔体内壁转动配合，在所述的筒形结构腔体顶壁周向均匀间隔地开有多个轴线沿竖直方向的钢珠孔(1701)，在所述的滑槽套筒(1504)的顶面上与钢珠孔(1701)对应地开有一个弹簧孔(1601)，在所述的弹簧孔(1601)内安装有一个弹簧(1506)，所述的弹簧(1506)的底端与弹簧孔(1601)底壁相连并且弹簧(1506)的顶端固定有一个钢珠(1505)；所述的钢珠孔(1701)的深度小于钢珠的半径，持续旋转驱动螺母(1502)时，所述的钢珠(1505)在弹簧(1506)的作用下周期性部分嵌入或退出钢珠孔(1701)，提供旋转运动量的振动触感反馈，在所述的滑槽套筒(1504)位于筒形结构底部的外壁上设置有一段外螺纹(1603)，一个锁定环(1503)套装在驱动螺母(1502)的筒形结构上，所述的锁定环(1503)的下端与滑槽套筒上的外螺纹(1603)形成螺纹连接；在所述的锁定环上端的空腔内壁上开有凹槽并镶嵌有垫片(1602)，所述的垫片套装在所述驱动螺母(1502)的凸台外部并与筒形结构顶壁滑动接触，限制驱动螺母的轴向运动，通过旋转所述的锁定环(1503)，所述的锁定环能够压紧垫片(1602)或者松开垫片，在所述的滑槽套筒(1504)的侧壁上沿其的轴线方向开有观测槽(1508)，在与所述的观测槽对应的侧壁处沿槽套筒的轴线方向设置有伸缩示数刻线(1801)；在所述的观测槽顶端沿滑槽套筒的轴线方向设置有一条轴向刻线(1803)，所述的销钉螺杆(1501)的下侧杆段设置有销钉(1507)，所述的销钉(1507)插入观测槽并且能够相对观测槽滑动；在所述的销钉的端面设置有横向刻线(1802)，所述的横向刻线与伸缩示数刻线彼此相对设置以指示支链的伸长或者缩短数值，在所述的驱动螺母(1502)凸台的外壁上设置有周向刻线(1804)，所述的周向刻线与轴向刻线彼此相对设置以指示驱动螺母(1502)相对滑槽套筒的旋转数值；
所述的滑槽套筒(1504)下部通过快拆装结构(1303)与一个快换杆的上部可拆卸连接，所述的快换杆(2002)上部具有一圈圆周刻线(2101)，并且下部外壁上设置有快换杆外螺纹(2103)，所述的快换杆外螺纹(2103)与一个虎克铰链(1304)上部的螺纹孔形成螺纹连接，所述的虎克铰链下部的螺纹轴穿过远端固定环(102)的一个外圈连接孔或内圈连接孔，并通过六角螺母与远端固定环固定相连；
在近端固定环上的三个未连接零件且相互尽量远离的连接孔内分别连接有第一标记物(601)、第二标记物(602)和第三标记物(603)，在远端固定环上的三个未使用且相互尽量远离的连接孔内分别连接有第四标记物(604)、第五标记物(605)和第六标记物(606)；六个标记物具有相同结构，六个标记物分别包括一个开有内螺纹孔的标记球体(701)和一个与所述的标记球体(701)螺纹连接的标记物销轴(702)，所述的标记物销轴(702)插入连接孔并且两者固定相连，所述的标记球体(701)使用金属材料，所述标记物销轴(702)使用塑料材料加工。
2.根据权利要求1所述的用于骨折复位的并联外固定支架，其特征在于：所述的球铰链(1301)包括一个上端为螺纹轴的球铰链连接轴(1401)，所述的球铰链连接轴的螺纹轴能够穿过近端固定环(101)上的一个外圈连接孔或内圈连接孔，并通过六角螺母与近端固定环固定相连；所述的球铰链连接轴的下端与一个十字轴结构的长轴(1403)的两端转动相连，所述的十字轴结构安装在一个滑动连接套(1406)的上部，并且所述的十字轴结构的另两根短轴(1402)的两端分别转动连接在滑动连接套的开孔内，在所述的滑动连接套的下部腔体内转动安装有一个滑动轴承(1407)，所述的滑动轴承的内圈与一个销钉螺杆(1501)的上部螺纹连接，所述的销钉螺杆顶部穿过滑动轴承并与一个防松螺母(1405)固定相连，防止滑动轴承与销钉螺杆的螺纹连接松动，一个限位螺母(1408)通过外螺纹与滑动连接套的腔体底部的内螺纹连接，所述的销钉螺杆外表面与限位螺母的内孔存在一定间隙，能够自由相对转动，所述的限位螺母起到滑动轴承轴向定位的作用。
3.根据权利要求1或者2所述的用于骨折复位的并联外固定支架，其特征在于：所述的快拆装结构(1303)包括一个开有内孔的锁紧套(2001)，所述的锁紧套内孔的上端具有内螺纹(2011)并且下端为锥形孔；所述的滑槽套筒(1504)下部具有外螺纹并且滑槽套筒外螺纹(2012)下部为锥形端(2013)，在所述的锥形端(2013)的侧壁上沿锥形端母线方向间隔开有多个豁口形成具有弹性的锁紧爪(2014)；所述的滑槽套筒通过外螺纹与锁紧套内螺纹形成螺纹配合并且滑槽套筒的锁紧爪与锁紧套锥形孔构成锥面配合，一根快换杆(2002)前端的光滑杆段穿过所述的锁紧套的内孔并插入锁紧爪的内孔；通过滑槽套筒与锁紧套(2001)的螺纹配合以及滑槽套筒的锁紧爪与锁紧套锥形孔构成的锥面配合，能够实现快换杆与滑槽套筒的固定连接或者拆分。
4.根据权利要求3所述的用于骨折复位的并联外固定支架，其特征在于：在所述的快换杆外螺纹杆段和快换杆的光滑杆段之间设置有定位凸台面。
5.根据权利要求4所述的用于骨折复位的并联外固定支架，其特征在于：所述近端固定环和远端固定环的上下边缘均作圆角处理。
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