CN109077786A - 全对称三支链并联外固定支架 - Google Patents

全对称三支链并联外固定支架 Download PDF

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Abstract

本发明公开了全对称三支链并联外固定支架，由上固定环、下固定环和三条结构相同的支链构成；上固定环和下固定环为环状结构、沿圆周方向均布有数个连接孔，下固定环沿圆周方向还等间隔设置有三个旋转驱动副机构，每个旋转驱动副机构由一组蜗轮蜗杆机构组成，并设置有指示刻线显示旋转机构的转动量；三条支链在上固定环和下固定环之间沿圆周方向对称分布，每条支链均设置有一个球铰链和一个直线驱动副机构，直线驱动副机构设置有指示刻线显示移动量。使用本发明的支架固定骨折部位后，通过一定的方法确定骨折骨块的空间畸形参数并调节各个直线驱动副和旋转驱动副机构，可以精确、有效地实现骨折畸形的六自由度复位。

Description

全对称三支链并联外固定支架
技术领域
本发明涉及骨科外固定器械领域，特别是涉及一种由三条支链构成、适用于骨折复位或肢体矫形治疗的并联外固定支架。
背景技术
在骨折复位和肢体矫形治疗中，需要对骨折断端或截骨的骨块进行有效的调整以实现骨畸形的复位；复位后需要对骨块进行可靠的固定，为康复提供适宜的生物力学环境。使用由多根可调节支链构成的并联外固定支架，不仅可以实现石膏、夹板或髓内钉等传统外固定器械的固定骨块功能，还可以在微创条件下一定程度上复位骨折。因此，并联外固定支架在骨折复位和肢体矫形领域具有广阔的应用前景。
最早应用于临床的并联外固定支架是由G.A.Ilizarov于1990年在ClinicalOrthopaedics and Related Research临床骨科及相关研究杂志发表的Clinicalapplication of the tension-stress effect for limblengthening(拉张-应力效应在肢体延长术中的临床应用)一文中提出的一种称为Ilizarov的外固定支架，包括两个结构相同的具有多个连接孔的固定环和3至4根长度相同的螺纹杆。两个固定环穿过骨折或骨畸形的肢体，通过金属骨针分别与骨折两端的骨块固定相连；螺纹杆之间相互平行、按圆周方向均匀分布，并分别穿过两个固定环的连接孔；螺纹杆与固定环之间通过一对螺母实现相对固定；同步调节各个螺纹杆与固定环之间的螺母，可以改变固定环之间的距离，从而调整骨块之间的相对位置、复位骨折或矫正骨畸形。该支架结构简单、固定稳定，但仅具有轴线方向的单一调节自由度，面对一般的空间骨折或骨畸形治疗效果有限。
专利CN 02229946和专利CN 203408090在上述Ilizarov外固定支架的基础上提出了一些零件结构的变形，提高了临床应用的精度和效率，但没有改变其可调节的自由度。
专利US 7226449提供了一种将三支链的Ilizarov支架改进获得的并联外固定支架，该支架的每根支链中间设计了一种特殊的铰链，使各个支链两端具有相对横向平移和相对侧向旋转的自由度，为外固定支架的两个固定环之间提供五个调节自由度；但是该外固定支架的五个调节自由度无法完全解决复位骨折畸形所需要的空间六自由度相对调整需求，且该支架的调节依赖于医生的经验、不能做到精确的量化调整。
专利US 9044271提供了一种零件结构不同于以上支架的三支链并联外固定支架，该支架的每根支链包括上端的球铰链、中部的丝杠机构、下端的蜗轮蜗杆机构和连接丝杠与蜗轮蜗杆机构的万向铰链，支链上端与一个固定环的连接孔固定相连、支链下端通过一个轮齿机构与另一个固定环转动相连(支链下端可以沿固定环外表面圆周方向运动或者相对固定)；相比于上述外固定支架，专利US9044271的支架可以实现六自由度相对调节，但该支架的整体尺寸较大、固定环外缘的轮齿不易加工且可能割伤患者、支架的调节量不能量化读取。这些外固定支架均存在着不足之处，限制了并联外固定支架的临床应用效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种全对称三支链并联外固定支架，可以精确地矫正长骨骨块之间的六自由度空间畸形，实现肢体的骨折复位或骨畸形矫正治疗。本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明全对称三支链并联外固定支架，包括上下平行间隔设置的上固定环和下固定环，以及在上固定环与下固定环之间均布的三个具有相同结构的第一支链、第二支链和第三支链，每个支链的上端的销轴分别穿过上固定环的一个正对的连接孔，并通过螺母与销轴螺纹连接，使销轴与上固定环固定相连；
所述的上固定环和下固定环为环状结构；在所述的上固定环和下固定环上分别沿圆周方向均布有数个连接孔；
在所述的下固定环的环面上沿圆周方向等间隔设置有三个结构相同的旋转驱动副机构，在下固定环上沿下固定环圆周方向等间隔分布有三个安装断槽，在每个安装断槽内镶嵌固定有一个旋转驱动副的支撑壳体，所述的支撑壳体顶面为敞口，在所述的敞口的一侧固定有端盖；一个轴线沿水平方向设置的转动轴的外端安装在一个Y型铰链的岔口内，Y型铰链与转动轴通过一根穿过Y型铰链和转动轴的销轴转动连接，在所述的Y型铰链的直杆端的中间沿Y型铰链的主体轴线方向开有一个螺纹连接孔，每个Y型铰链通过所述的螺纹连接孔与正对设置的一个支链的下端的螺纹轴螺纹连接；
在所述的支撑壳体内安装有蜗轮以及与所述的蜗轮啮合配合的蜗杆，所述的转动轴的内端依次穿过支撑壳体的外壁、蜗轮以及支撑壳体的内壁，所述的转动轴与蜗轮之间同轴线固定连接；所述的转动轴与支撑壳体的外壁以及支撑壳体的内壁之间转动配合，所述的蜗杆顶部和底部的轴体分别穿过端盖上的孔以及支撑壳体的底盖上的孔，所述的蜗杆与端盖以及支撑壳体的底盖之间形成转动配合；
在所述的蜗杆的顶部开有凹槽，并在凹槽的一端设置有蜗杆指示箭头A1，端盖的顶面上设置有圆周方向均布的蜗杆指示刻线A2；蜗杆的转动量能够通过蜗杆指示箭头A1在蜗杆指示刻线A2上的指示位置读取，在所述的支撑壳体的敞口处的边沿上设置有一根蜗轮指示箭头B1，在所述的蜗轮的侧圆柱面上设置有均布的蜗轮指示刻线B2；蜗轮的转动量能够通过蜗轮指示箭头B1在蜗轮指示刻线B2上的指示位置读取；
每一个支链包括一个与所述的销轴的底部固定相连的具有三个转动自由度的球铰链，在所述的球铰链的下端开有内螺纹孔，一根丝杠的上端与球铰链的内螺纹孔通过螺纹配合固定相连，一个驱动螺母包括一个阶梯柱形体，在所述的阶梯柱形体的大直径柱体中间从底面向内开有中间凹槽，在所述的中间凹槽的顶壁中间向上开有贯穿阶梯柱形体的小直径柱体的螺纹孔，在所述的阶梯柱形体的大直径柱体上沿垂直于大直径柱体轴线的方向开有一个锁紧螺纹孔；一个套筒的上部设置有直径大于套筒主体部分的圆柱端，在圆柱端的中部沿外壁圆周方向开有环形凹槽，所述的圆柱端转动安装在驱动螺母的中间凹槽内；在所述的锁紧螺纹孔内螺纹连接有一个尖头螺纹销钉，所述的尖头螺纹销钉通过与锁紧螺纹孔的螺纹配合能够嵌入或者退出套筒的环形凹槽，使得驱动螺母与套筒锁紧连接或者转动连接；所述的丝杠的杆段穿过驱动螺母的螺纹孔以及套筒的内孔，所述的丝杠与驱动螺母的螺纹孔螺纹连接，所述的丝杠与套筒的内孔形成滑动配合；
在所述的套筒的中部沿套筒的轴线方向开有一个滑槽，在所述的丝杠的下部设置有一个指示销钉，指示销钉的凸出部分嵌入套筒的滑槽内，使得丝杠仅能沿着套筒的轴线方向上下滑动，所述的丝杠、驱动螺母、套筒和指示销钉共同构成一个直线驱动副，在所述的滑槽一侧的套筒的边缘上设置有沿滑槽轴线方向均布的槽口刻度线C2，在所述的指示销钉设置有销钉指示线C1；所述的直线驱动副的驱动位移量通过销钉指示线C1在槽口刻度线C2上的指示位置读取。
本发明的优点在于：
(1)本发明的支架可以实现骨折骨块之间的六自由度相对调节，且支架的旋转驱动副和直线驱动副具有指示刻线，可以精确量化骨折骨块的相对调节量；
(2)本发明的支架的旋转驱动副和直线驱动副具有较大的可调节范围，支架整体的工作空间大，对患者不同骨折畸形的适应性较广；
(3)本发明的支架由于支链数少，支架整体质量轻便，且与患者接触的部位整体较平滑、避免发生碰撞损伤。
附图说明
图1是本发明的全对称三支链并联外固定支架的结构示意图；
图2是并联外固定支架的下固定环的结构示意图；
图3是下固定环的一个旋转驱动副的结构剖视图；
图4是旋转驱动副的外观示意图；
图5是并联外固定支架的一个支链的安装方法示意图；
图6是并联外固定支架的一个支链的结构示意图；
图7是支链中部的直线驱动副的结构剖视图；
图8是使用本发明的全对称三支链并联外固定支架固定骨折的效果示意图。
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。
如图1所示，本发明提出的全对称三支链并联外固定支架，包括上下平行间隔设置的上固定环101和下固定环102，以及在上固定环101与下固定环102之间均布的三个具有相同结构的第一支链103、第二支链104和第三支链105，每个支链的上端的销轴502分别穿过上固定环101的一个正对的连接孔，并通过螺母503与销轴502形成螺纹连接，使销轴502与上固定环101固定相连。
所述的上固定环101和下固定环102为环状结构；在所述的上固定环101和下固定环102上分别沿圆周方向均布有数个连接孔。
如图2所示，在所述的下固定环102的环面上沿圆周方向等间隔设置有三个结构相同的旋转驱动副机构，分别称为第一旋转驱动副201、第二旋转驱动副202和第三旋转驱动副203。如图3所示，在下固定环102上沿下固定环102圆周方向等间隔分布有三个安装断槽，在每个安装断槽内镶嵌固定有一个旋转驱动副的支撑壳体300，所述的支撑壳体顶面为敞口，在所述的敞口的一侧固定有端盖305；一个轴线沿水平方向设置的转动轴302的外端安装在一个Y型铰链301的岔口内，Y型铰链301与转动轴302通过一根穿过Y型铰链301和转动轴302的销轴转动连接，在所述的Y型铰链301的直杆端的中间沿Y型铰链301的主体轴线方向开有一个螺纹连接孔，支链103、104、105可以按照图5所示的方法，每个Y型铰链301通过所述的螺纹连接孔与正对设置的一个支链的下端的螺纹轴501形成螺纹连接。
在所述的支撑壳体300内安装有蜗轮303以及与所述的蜗轮303啮合配合的蜗杆304，所述的转动轴302的内端依次穿过支撑壳体300的外壁311、蜗轮303以及支撑壳体300的内壁310，所述的转动轴302与蜗轮303之间同轴线固定连接。所述的转动轴302与蜗轮303之间的固定连接可以采用过盈配合、焊接或厌氧胶粘接等方式实现。所述的转动轴302与支撑壳体300的外壁311以及支撑壳体300的内壁310之间转动配合。所述的蜗杆304顶部和底部的轴体分别穿过端盖305上的孔以及支撑壳体300的底盖上的孔，所述的蜗杆304与端盖305以及支撑壳体300的底盖之间形成转动配合。
所述的蜗轮303和蜗杆304之间具有蜗轮蜗杆的传动关系，当操作人员绕蜗杆304转动轴线R1旋转蜗杆304时，将驱动蜗轮303、转动轴302和Y型铰链301整体绕蜗轮303的转动轴线R2旋转。
如图4所示，在所述的蜗杆304的顶部开有凹槽，并在凹槽的一端设置有蜗杆指示箭头A1，端盖305的顶面上设置有圆周方向均布的蜗杆指示刻线A2；蜗杆304的转动量能够通过蜗杆指示箭头A1在蜗杆指示刻线A2上的指示位置读取。在所述的支撑壳体300的敞口处的边沿上设置有一根蜗轮指示箭头B1，在所述的蜗轮303的侧圆柱面上设置有均布的蜗轮指示刻线B2；蜗轮303的转动量能够通过蜗轮指示箭头B1在蜗轮指示刻线B2上的指示位置读取。操作人员调节全对称三支链并联外固定支架的旋转驱动副201～203时，通过工具转动蜗杆304的凹槽，可调节旋转驱动副201～203的转动量，并通过蜗杆指示箭头A1、蜗杆指示刻线A2、蜗轮指示箭头B1和蜗轮指示刻线B2的指示量读取所述旋转驱动副的转动量。
如图6所示，每一个支链102、103、104包括一个与所述的销轴502的底部固定相连的球铰链601，所述的球铰链601是机械传动领域常见的具有三个转动自由度的铰链零件；在所述的球铰链601的下端开有内螺纹孔，一根丝杠602的上端与球铰链601的内螺纹孔通过螺纹配合固定相连，一个驱动螺母603包括一个阶梯柱形体(如图7所示)，在所述的阶梯柱形体的大直径柱体中间从底面向内开有中间凹槽，在所述的中间凹槽的顶壁中间向上开有贯穿阶梯柱形体的小直径柱体的螺纹孔710，在所述的阶梯柱形体的大直径柱体上沿垂直于大直径柱体轴线的方向开有一个锁紧螺纹孔711；一个套筒604的上部设置有直径大于套筒主体部分的圆柱端701，在圆柱端701的中部沿外壁圆周方向开有环形凹槽702，所述的圆柱端701转动安装在驱动螺母603的中间凹槽内；在所述的锁紧螺纹孔711内螺纹连接有一个尖头螺纹销钉610，所述的尖头螺纹销钉610通过与锁紧螺纹孔711的螺纹配合能够嵌入或者退出套筒604的环形凹槽702，当尖头螺纹销钉610嵌入套筒604的环形凹槽702时，防止驱动螺母603相对套筒604向上脱出。所述的丝杠602的杆段穿过驱动螺母603的螺纹孔710以及套筒604的内孔703，所述的丝杠602与驱动螺母603的螺纹孔710螺纹连接，所述的丝杠602与套筒604的内孔703形成滑动配合。
在所述的套筒604的中部沿套筒的轴线方向开有一个滑槽620。在所述的丝杠602的下部设置有一个指示销钉605，指示销钉605的凸出部分嵌入套筒604的滑槽620内，使得丝杠602仅能沿着套筒604的轴线方向上下滑动、不能相对转动。将所述的驱动螺母603相对套筒604转动时，丝杠602在驱动螺母603的螺纹孔710的驱动、指示销钉605和滑槽620的限制下，沿着套筒604的轴线方向运动，所述的丝杠602、驱动螺母603、套筒604和指示销钉605共同构成一个直线驱动副。在所述的滑槽620一侧的套筒604的边缘上设置有沿滑槽轴线方向均布的槽口刻度线C2，在所述的指示销钉605上设置有销钉指示线C1；所述的直线驱动副的移动量通过销钉指示线C1在槽口刻度线C2上的指示位置读取。操作人员调节全对称三支链并联外固定支架的直线驱动副时，通过转动驱动螺母603使得丝杠602相对套筒604沿轴线P1方向平移，从而调节直线驱动副的长度。
操作人员调节所述的尖头螺纹销钉610与锁紧螺纹孔711的螺纹配合量，尖头螺纹销钉610通过与锁紧螺纹孔711的螺纹配合嵌入或者退出套筒604的环形凹槽702，可以压紧或者松开套筒604的环形凹槽702；当尖头螺纹销钉610压紧环形凹槽702时，驱动螺母603无法相对套筒604转动、直线驱动副处于锁紧状态，可以防止误操作直线驱动副引起的外固定支架形态改变，避免骨折骨块之间产生畸形；当尖头螺纹销钉610松开环形凹槽702时，驱动螺母603可以相对套筒604转动、直线驱动副处于可调节状态。
以下结合图8，简要说明使用本发明的全对称三支链并联外固定支架进行长骨骨块之间的空间畸形矫正的方法：
(1)使用骨外科临床常用的金属骨针(如：克氏针、螺纹半针和橄榄针等)，分别经皮固定骨折的近端骨块和远端骨块，并使用金属骨针连接零件将骨针与相对应的上固定环101或下固定环102固定连接；
(2)在上固定环101和下固定环102之间，按照图5所示的方法连接第一支链103、第二支链104和第三支链105；
(3)根据骨外科领域常用的骨畸形诊断方法，确定骨折骨块之间的空间畸形参数(具体方法可以参见专利EP2767252)，进而计算第一旋转驱动副201、第二旋转驱动副202和第三旋转驱动副203的转动量，以及第一支链103的直线驱动副、第二支链104的直线驱动副和第三支链105的直线驱动副的移动量；
(4)调节第一支链103、第二支链104和第三支链105的直线驱动副中的尖头螺纹销钉610与锁紧螺纹孔711的螺纹配合量，使每个支链的直线驱动副处于可调节状态；
(5)按照步骤(3)计算得到的转动量和移动量，分别调节对应的旋转驱动副和直线驱动副，实现骨折畸形的矫正；
(6)完成骨折畸形的矫正后，停止调节旋转驱动副和直线驱动副，并将第一支链103、第二支链104和第三支链105的直线驱动副中，尖头螺纹销钉610调节至压紧环形凹槽702的状态，使每个支链的直线驱动副处于锁紧状态、固定骨折部位；
(7)保持全对称三支链并联外固定支架固定骨折部位的状态，直至骨折康复，方可拆除支架。
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 (2)

1.全对称三支链并联外固定支架，包括上下平行间隔设置的上固定环(101)和下固定环(102)，以及在上固定环与下固定环之间均布的三个具有相同结构的第一支链(103)、第二支链(104)和第三支链(105)，每个支链的上端的销轴(502)分别穿过上固定环的一个正对的连接孔，并通过螺母(503)与销轴螺纹连接，使销轴与上固定环固定相连；
所述的上固定环和下固定环为环状结构；在所述的上固定环和下固定环上分别沿圆周方向均布有数个连接孔；其特征在于：
在所述的下固定环的环面上沿圆周方向等间隔设置有三个结构相同的旋转驱动副机构，在下固定环上沿下固定环圆周方向等间隔分布有三个安装断槽，在每个安装断槽内镶嵌固定有一个旋转驱动副的支撑壳体(300)，所述的支撑壳体顶面为敞口，在所述的敞口的一侧固定有端盖(305)；一个轴线沿水平方向设置的转动轴(302)的外端安装在一个Y型铰链(301)的岔口内，Y型铰链与转动轴通过一根穿过Y型铰链和转动轴的销轴转动连接，在所述的Y型铰链的直杆端的中间沿Y型铰链的主体轴线方向开有一个螺纹连接孔，每个Y型铰链通过所述的螺纹连接孔与正对设置的一个支链的下端的螺纹轴螺纹连接；
在所述的支撑壳体内安装有蜗轮(303)以及与所述的蜗轮啮合配合的蜗杆(304)，所述的转动轴的内端依次穿过支撑壳体的外壁(311)、蜗轮以及支撑壳体的内壁(310)，所述的转动轴与蜗轮之间同轴线固定连接；所述的转动轴(302)与支撑壳体(300)的外壁(311)以及支撑壳体(300)的内壁(310)之间转动配合，所述的蜗杆(304)顶部和底部的轴体分别穿过端盖(305)上的孔以及支撑壳体(300)的底盖上的孔，所述的蜗杆与端盖以及支撑壳体的底盖之间形成转动配合；
在所述的蜗杆(304)的顶部开有凹槽，并在凹槽的一端设置有蜗杆指示箭头A1，端盖的顶面上设置有圆周方向均布的蜗杆指示刻线A2；蜗杆的转动量能够通过蜗杆指示箭头A1在蜗杆指示刻线A2上的指示位置读取，在所述的支撑壳体的敞口处的边沿上设置有一根蜗轮指示箭头B1，在所述的蜗轮(303)的侧圆柱面上设置有均布的蜗轮指示刻线B2；蜗轮的转动量能够通过蜗轮指示箭头B1在蜗轮指示刻线B2上的指示位置读取；
每一个支链包括一个与所述的销轴(502)的底部固定相连的具有三个转动自由度的球铰链(601)，在所述的球铰链的下端开有内螺纹孔，一根丝杠(602)的上端与球铰链的内螺纹孔通过螺纹配合固定相连，一个驱动螺母(603)包括一个阶梯柱形体，在所述的阶梯柱形体的大直径柱体中间从底面向内开有中间凹槽，在所述的中间凹槽的顶壁中间向上开有贯穿阶梯柱形体的小直径柱体的螺纹孔(710)，在所述的阶梯柱形体的大直径柱体上沿垂直于大直径柱体轴线的方向开有一个锁紧螺纹孔(711)；一个套筒(604)的上部设置有直径大于套筒主体部分的圆柱端(701)，在圆柱端的中部沿外壁圆周方向开有环形凹槽(702)，所述的圆柱端转动安装在驱动螺母的中间凹槽内；在所述的锁紧螺纹孔内螺纹连接有一个尖头螺纹销钉(610)，所述的尖头螺纹销钉通过与锁紧螺纹孔的螺纹配合能够嵌入或者退出套筒的环形凹槽，使得驱动螺母与套筒锁紧连接或者转动连接；所述的丝杠(602)的杆段穿过驱动螺母的螺纹孔(710)以及套筒的内孔(703)，所述的丝杠与驱动螺母的螺纹孔螺纹连接，所述的丝杠与套筒的内孔形成滑动配合；
在所述的套筒的中部沿套筒的轴线方向开有一个滑槽(620)，在所述的丝杠的下部设置有一个指示销钉(605)，指示销钉的凸出部分嵌入套筒的滑槽(620)内，使得丝杠仅能沿着套筒的轴线方向上下滑动，所述的丝杠、驱动螺母、套筒和指示销钉共同构成一个直线驱动副，在所述的滑槽一侧的套筒的边缘上设置有沿滑槽轴线方向均布的槽口刻度线C2，在所述的指示销钉设置有销钉指示线C1；所述的直线驱动副的驱动位移量通过销钉指示线C1在槽口刻度线C2上的指示位置读取。
2.根据权利要求1所述的全对称三支链并联外固定支架，其特征在于：所述的转动轴与蜗轮之间的固定连接采用过盈配合、焊接或厌氧胶粘接。
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