CN113262029A - 一种用于矫治足踝双平面角度畸形的并联外固定器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于矫治足踝双平面角度畸形的并联外固定器，包括固定环组件、末端环组件和主动牵引杆组件。为了满足足踝部位不同体段的矫治需求，固定环组件包括六边形固定环、水平U型固定环和竖直U型固定环，末端环组件包括大六边形末端环和小六边形末端环。此外，主动牵引杆组件包括2条六自由度主动牵引杆、1条五自由度约束力牵引杆和1条五自由度约束力偶牵引杆。本发明中的外固定器只针对足踝部位在两个平面中存在角度畸形的情况，能够通过调整五自由度约束力偶牵引杆虎克副的十字轴指向适应不同畸形平面的组合，驱动器数目正好满足畸形矫治自由度需求，解决了现有并联外固定器在矫治此类型畸形时存在的矫治自由度冗余的缺点。

Description

一种用于矫治足踝双平面角度畸形的并联外固定器

技术领域

本发明涉及一种足踝并联外固定器，具体来说，涉及一种辅助足踝部位完成复杂畸形矫治的并联机构。

背景技术

足踝部位生物力学机制复杂，相应的畸形种类与形态多样。在众多的临床案例中，角度畸形存在于两个基本平面时的情况不在少数。具体来说，这种类型的畸形涉及：胫骨远端矢状面前弓/后弓-横切面内旋/外旋畸形、胫骨远端额状面内翻/外翻-横切面内旋/外旋畸形、踝关节融合前的矢状面马蹄/高弓-横切面内旋/外旋畸形、前中足矢状面高弓/摇椅足-额状面旋前/旋后畸形、前中足矢状面高弓/摇椅足-横切面内收/外展畸形、前中足额状面旋前/旋后-横切面内收/外展畸形和后足内翻/外翻畸形。在矫治上述畸形时，外固定器在存在角度畸形的两个平面内应当具备转动自由度。此外，考虑到足踝畸形矫治过程中，沿末端环组件自身矢状面的运动更为重要，能够支持包括高度重建、长度重建、加压融合和关节保护等在内的移位操作，而横向的外观能够间接的获得。因此，外固定器在末端环组件的矢状面获得移动自由度即可。

面向足踝部位在两个平面中存在角度畸形的情况，开发具有对应自由度的外固定器是具有重要意义的。在现有的外固定器装置中，尚无专门针对此类型畸形的设计。当足踝在两个平面中存在角度畸形时，如上所述，矫治所需的矫治自由度为4，所对应的驱动器个数也为4个，而在临床应用中，基于并联机构的外固定器构型多为6自由度，在矫治此类型畸形的过程中，存在矫治自由度冗余的问题，导致驱动器较多，使成本增加。在后续较长一段时间的人工调节过程中，更会增加患者家属的记忆与操作难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于矫治足踝双平面角度畸形的并联外固定器，以解决上述问题。

本发明的实施例提供了一种用于矫治足踝双平面角度畸形的并联外固定器，其特征在于：该并联外固定器包括固定环组件、末端环组件和主动牵引杆组件，主动牵引杆组件包括2条六自由度主动牵引杆、1条五自由度约束力牵引杆和1条五自由度约束力偶牵引杆。

进一步，固定环组件与末端环组件通过骨针与足踝体段进行连接，主动牵引杆组件以并联的方式布置于固定环组件与末端环组件之间，在行截骨术或软组织松解手术后，带动末端环组件相对于固定环组件进行运动，进而完成畸形段相对于非畸形段的矫治。

进一步，固定环组件包括六边形固定环、水平U型固定环和竖直U型固定环，固定环组件之间能够通过螺钉进行组合，根据足踝部位存在畸形的具体体段改变外固定器安装的初始位形。

进一步，末端环组件作为外固定器的运动部分，包括大六边形末端环和小六边形末端环，能够适应足踝部位不同体段的尺寸。

进一步，2条六自由度主动牵引杆包括第一六自由度主动牵引杆和第二六自由度主动牵引杆，在运动学构型上的配置均为六自由度主动牵引杆虎克副、六自由度主动牵引杆移动副与六自由度主动牵引杆球副的顺次连接，六自由度主动牵引杆虎克副通过螺钉与固定环组件固定连接，六自由度主动牵引杆球副与末端环组件连接。

进一步，五自由度约束力牵引杆的运动学构型的配置为五自由度约束力牵引杆球副、五自由度约束力牵引杆移动副与五自由度约束力牵引杆转动副的顺次连接，五自由度约束力牵引杆球副与固定环组件连接，五自由度约束力牵引杆转动副通过螺钉与末端环组件固定连接。

进一步，五自由度约束力牵引杆转动副的转动轴线垂直于末端环组件的矢状面，施加给末端环组件一个作用于五自由度约束力牵引杆球副，方向沿五自由度约束力牵引杆转动副的约束力，限制末端环组件垂直于自身矢状面的移动。

进一步，五自由度约束力偶牵引杆的运动学构型的配置为五自由度约束力偶牵引杆第一转动副、五自由度约束力偶牵引杆移动副、五自由度约束力偶牵引杆虎克副与五自由度约束力偶牵引杆第二转动副的顺次连接，五自由度约束力偶牵引杆第一转动副通过螺钉与固定环组件固定连接，五自由度约束力偶牵引杆第二转动副通过螺钉与末端环组件固定连接。

进一步，五自由度约束力偶牵引杆虎克副的两条转动轴线分别与五自由度约束力偶牵引杆第一转动副以及五自由度约束力偶牵引杆第二转动副的转动轴线平行，五自由度约束力偶牵引杆施加给末端环组件一个方向垂直于五自由度约束力偶牵引杆虎克副的两条转动轴线所组成的平面的约束力偶，限制末端环组件沿此方向的转动。

进一步，该并联外固定器适用于足踝部位在两个基本平面存在角度畸形的情况，根据足踝畸形中角度畸形出现的具体平面，通过合理布置五自由度约束力偶牵引杆，使其约束力偶的方向垂直于未出现角度畸形的平面，即不需要转动矫治自由度的平面，五自由度约束力牵引杆提供给末端环组件垂直于其矢状面的约束力，由此，并联外固定器能够在末端环组件所在方向上实现矢状面移动，其中末端环组件所在方向由存在角度畸形的两个方向共同决定，进而两转两移矫治自由度需求能够在相应的平面得到满足。

与现有技术相比本发明的有益效果是：该外固定器只针对足踝部位在两个平面中存在角度畸形的情况，外固定器的驱动器数目正好满足畸形的矫治自由度需求，而不产生自由度冗余；并联外固定器构型精度高，具有确定的运动学解析，能够提供精确的每日处方；出现角度畸形的不同平面组合所需要的矫治自由度需求能够通过合理布置五自由度约束力偶牵引杆得以满足，进而用此一种构型能够适应广泛的畸形病症。

附图说明

图1是并联外固定器的固定环组件；

图2是并联外固定器的末端环组件；

图3是并联外固定器的六自由度主动牵引杆；

图4是并联外固定器的五自由度约束力牵引杆；

图5是并联外固定器的五自由度约束力偶牵引杆；

图6是并联外固定器用于矫治胫骨远端后弓-外旋畸形时的构型示意图；

图7是并联外固定器用于矫治胫骨远端内翻-内旋畸形时的构型示意图；

图8是并联外固定器用于踝关节融合前马蹄-内旋畸形时的构型示意图；

图9是并联外固定器用于矫治后足内翻畸形时的构型示意图；

图10是并联外固定器用于矫治前中足高弓-内收畸形时的构型示意图；

图11是并联外固定器用于矫治前中足高弓-旋后畸形时的构型示意图；

图12是并联外固定器用于矫治前中足旋前-外展畸形时的构型示意图；

图13是并联外固定器用于矫治前中足高弓-旋后以及后足内翻多体段畸形时的构型示意图；

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所做的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

参图1至图13所示，图1是并联外固定器的固定环组件，图2是并联外固定器的末端环组件，图3是并联外固定器的六自由度主动牵引杆，图4是并联外固定器的五自由度约束力牵引杆，图5是并联外固定器的五自由度约束力偶牵引杆，图6是并联外固定器用于矫治胫骨远端后弓-外旋畸形时的构型示意图，图7是并联外固定器用于矫治胫骨远端内翻-内旋畸形时的构型示意图，图8是并联外固定器用于踝关节融合前马蹄-内旋畸形时的构型示意图，图9是并联外固定器用于矫治后足内翻畸形时的构型示意图，图10是并联外固定器用于矫治前中足高弓-内收畸形时的构型示意图，图11是并联外固定器用于矫治前中足高弓-旋后畸形时的构型示意图，图12是并联外固定器用于矫治前中足旋前-外展畸形时的构型示意图,图13是并联外固定器用于矫治前中足高弓-旋后以及后足内翻多体段畸形时的构型示意图。

本实施例提供了一种用于矫治足踝双平面角度畸形的并联外固定器，参图1～图13所示，该并联外固定器包括固定环组件、末端环组件和主动牵引杆组件，固定环组件包括六边形固定环1、水平U型固定环2和竖直U型固定环3，末端环组件包括大六边形末端环4和小六边形末端环5，主动牵引杆组件包括2条六自由度主动牵引杆、1条五自由度约束力牵引杆6和1条五自由度约束力偶牵引杆7，2条六自由度主动牵引杆包括第一六自由度主动牵引杆8和第二六自由度主动牵引杆9。

本实施例中，参图3所示，所述五自由度约束力牵引杆6包括五自由度约束力牵引杆球副S1、五自由度约束力牵引杆移动副P1与五自由度约束力牵引杆转动副R1，在所述五自由度约束力牵引杆球副S1中，五自由度约束力牵引杆球副上U型架10与五自由度约束力牵引杆球副下U型架11通过五自由度约束力牵引杆球副十字轴12进行连接，五自由度约束力牵引杆球副转轴13与五自由度约束力牵引杆球副十字轴12的轴线汇交，在所述五自由度约束力牵引杆移动副P1中，五自由度约束力牵引杆移动副丝杠14相对于五自由度约束力牵引杆移动副外壳15的运动通过五自由度约束力牵引杆移动副旋转螺母16的调节来完成，在所述五自由度约束力牵引杆转动副R1中，五自由度约束力牵引杆转动副U型架17与五自由度约束力牵引杆转动副连接块18通过五自由度约束力牵引杆转动副旋转轴19进行连接。

本实施例中，参图4所示，所述五自由度约束力偶牵引杆7包括五自由度约束力偶牵引杆第一转动副连接块20、五自由度约束力偶牵引杆第一转动副旋转轴21、五自由度约束力偶牵引杆第一转动副U型架22、五自由度约束力偶牵引杆移动副丝杠23、五自由度约束力偶牵引杆移动副旋转螺母24、五自由度约束力偶牵引杆移动副外壳25、五自由度约束力偶牵引杆虎克副U型架26、五自由度约束力偶牵引杆虎克副T型轴27、五自由度约束力偶牵引杆长架28、五自由度约束力偶牵引杆第二转动副旋转轴29和五自由度约束力偶牵引杆第二转动副连接块30，所述五自由度约束力偶牵引杆第一转动副连接块20与五自由度约束力偶牵引杆第一转动副U型架22通过五自由度约束力偶牵引杆第一转动副旋转轴21进行连接，共同构成五自由度约束力偶牵引杆第一转动副R2，所述五自由度约束力偶牵引杆移动副丝杠23通过五自由度约束力偶牵引杆移动副旋转螺母24的调节相对于五自由度约束力偶牵引杆移动副外壳25实现伸长与缩短，进而改变五自由度约束力偶牵引杆移动副P2的长度，所述五自由度约束力偶牵引杆虎克副U型架26与五自由度约束力偶牵引杆长架28通过五自由度约束力偶牵引杆虎克副T型轴27进行连接，共同构成五自由度约束力偶牵引杆虎克副U1，所述五自由度约束力偶牵引杆长架28通过五自由度约束力偶牵引杆第二转动副旋转轴29与五自由度约束力偶牵引杆第二转动副连接块30进行连接，构成五自由度约束力偶牵引杆第二转动副R3。

本实施例中，参图5所示，所述第一六自由度主动牵引杆8包括第一六自由度主动牵引杆虎克副U2、第一六自由度主动牵引杆移动副P3和第一六自由度主动牵引杆球副S2，所述第一六自由度主动牵引杆虎克副U2由第一六自由度主动牵引杆虎克副上U型架31、第一六自由度主动牵引杆虎克副十字轴32和第一六自由度主动牵引杆虎克副下U型架33组成，所述第一六自由度主动牵引杆移动副P3由第一六自由度主动牵引杆移动副外壳34、第一六自由度主动牵引杆移动副旋转螺母35和第一六自由度主动牵引杆移动副丝杠36组成，所述第一六自由度主动牵引杆球副S2由第一六自由度主动牵引杆球副上U型架37、第一六自由度主动牵引杆球副十字轴38、第一六自由度主动牵引杆球副下U型架39和第一六自由度主动牵引杆球副转轴40组成，所述第一六自由度主动牵引杆球副十字轴38与第一六自由度主动牵引杆球副转轴40的轴线汇交于一点。

所述第二六自由度主动牵引杆9包括第二六自由度主动牵引杆虎克副U3、第二六自由度主动牵引杆移动副P4、第二六自由度主动牵引杆球副S3、第二六自由度主动牵引杆虎克副上U型架41、第二六自由度主动牵引杆虎克副十字轴42、第二六自由度主动牵引杆虎克副下U型架43、第二六自由度主动牵引杆移动副外壳44、第二六自由度主动牵引杆移动副旋转螺母45、第二六自由度主动牵引杆移动副丝杠46、第二六自由度主动牵引杆球副上U型架47、第二六自由度主动牵引杆球副十字轴48、第二六自由度主动牵引杆球副下U型架49和第二六自由度主动牵引杆球副转轴50，由于所述第一六自由度主动牵引杆8和第二六自由度主动牵引杆9的连接方式完全相同，因此，所述第二六自由度主动牵引杆9的连接方式未进行重复描述。

本实施例中，参图6所示，为并联外固定器用于矫治胫骨远端后弓-外旋畸形时的安装形式，包括六边形固定环1、五自由度约束力牵引杆6、五自由度约束力偶牵引杆7、第一六自由度主动牵引杆8、第二六自由度主动牵引杆9和大六边形末端环4，六边形固定环1与大六边形末端环4通过骨针51与人体骨骼进行连接。

本实施例中，参图7所示，为并联外固定器用于矫治胫骨远端内翻-内旋畸形时的安装形式，包括六边形固定环1、五自由度约束力牵引杆6、五自由度约束力偶牵引杆7、第一六自由度主动牵引杆8、第二六自由度主动牵引杆9和大六边形末端环4，六边形固定环1与大六边形末端环4通过骨针51与人体骨骼进行连接。

本实施例中，参图8所示，为并联外固定器用于踝关节融合前马蹄-内旋畸形时的安装形式，包括六边形固定环1、五自由度约束力牵引杆6、五自由度约束力偶牵引杆7、第一六自由度主动牵引杆8、第二六自由度主动牵引杆9和大六边形末端环4，六边形固定环1与大六边形末端环4通过骨针51与人体骨骼进行连接。

本实施例中，参图9所示，为并联外固定器用于矫治后足内翻畸形时的安装形式，包括水平U型固定环2、竖直U型固定环3、五自由度约束力牵引杆6、五自由度约束力偶牵引杆7、第一六自由度主动牵引杆8、第二六自由度主动牵引杆9和小六边形末端环5，水平U型固定环2、竖直U型固定环3与小六边形末端环5通过骨针51与人体骨骼进行连接。

本实施例中，参图10所示，为并联外固定器用于矫治前中足高弓-内收畸形时的安装形式，包括水平U型固定环2、竖直U型固定环3、五自由度约束力牵引杆6、五自由度约束力偶牵引杆7、第一六自由度主动牵引杆8、第二六自由度主动牵引杆9和大六边形末端环4，水平U型固定环2、竖直U型固定环3与大六边形末端环4通过骨针51与人体骨骼进行连接。

本实施例中，参图11所示，为并联外固定器用于矫治前中足高弓-旋后畸形时的安装形式，包括水平U型固定环2、竖直U型固定环3、五自由度约束力牵引杆6、五自由度约束力偶牵引杆7、第一六自由度主动牵引杆8、第二六自由度主动牵引杆9和大六边形末端环4，水平U型固定环2、竖直U型固定环3与大六边形末端环4通过骨针51与人体骨骼进行连接。

本实施例中，参图12所示，为并联外固定器用于矫治前中足旋前-外展畸形时的安装形式，包括水平U型固定环2、竖直U型固定环3、五自由度约束力牵引杆6、五自由度约束力偶牵引杆7、第一六自由度主动牵引杆8、第二六自由度主动牵引杆9和大六边形末端环4，水平U型固定环2、竖直U型固定环3与大六边形末端环4通过骨针51与人体骨骼进行连接。

本实施例中，参图13所示，为并联外固定器用于矫治前中足高弓-旋后以及后足内翻多体段畸形时的安装形式，包括水平U型固定环2、竖直U型固定环3、五自由度约束力牵引杆6、五自由度约束力偶牵引杆7、第一六自由度主动牵引杆8、第二六自由度主动牵引杆9、大六边形末端环4和小六边形末端环5，水平U型固定环2、竖直U型固定环3、大六边形末端环4与小六边形末端环5通过骨针51与人体骨骼进行连接。

本发明提供一种用于矫治足踝双平面角度畸形的并联外固定器，具有如下有益效果：

1)该并联外固定器为新型并联外固定器构型，专门用于足踝部位在两个平面中存在角度畸形的情况。

2)该并联外固定器解决了现有并联外固定器在矫治此类型畸形时存在的矫治自由度冗余的缺点，有效降低了矫治成本。

3)该并联外固定器能够通过调整五自由度约束力偶牵引杆虎克副的十字轴指向适应不同畸形平面的组合。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (3)

1.一种用于矫治足踝双平面角度畸形的并联外固定器，其特征在于：该并联外固定器包括固定环组件、末端环组件和主动牵引杆组件，主动牵引杆组件包括2条六自由度主动牵引杆、1条五自由度约束力牵引杆和1条五自由度约束力偶牵引杆；

固定环组件与末端环组件通过骨针与足踝体段进行连接，主动牵引杆组件以并联的方式布置于固定环组件与末端环组件之间；

固定环组件包括六边形固定环、水平U型固定环和竖直U型固定环，固定环组件之间能够通过螺钉进行组合；

末端环组件作为外固定器的运动部分，包括大六边形末端环和小六边形末端环；

2条六自由度主动牵引杆包括第一六自由度主动牵引杆和第二六自由度主动牵引杆，在运动学构型上的配置均为六自由度主动牵引杆虎克副、六自由度主动牵引杆移动副与六自由度主动牵引杆球副的顺次连接，六自由度主动牵引杆虎克副通过螺钉与固定环组件固定连接，六自由度主动牵引杆球副与末端环组件连接；

五自由度约束力牵引杆的运动学构型的配置为五自由度约束力牵引杆球副、五自由度约束力牵引杆移动副与五自由度约束力牵引杆转动副的顺次连接，五自由度约束力牵引杆球副与固定环组件连接，五自由度约束力牵引杆转动副通过螺钉与末端环组件固定连接；

五自由度约束力牵引杆转动副的转动轴线垂直于末端环组件的矢状面，施加给末端环组件一个作用于五自由度约束力牵引杆球副，方向沿五自由度约束力牵引杆转动副的约束力，限制末端环组件垂直于自身矢状面的移动；

五自由度约束力偶牵引杆的运动学构型的配置为五自由度约束力偶牵引杆第一转动副、五自由度约束力偶牵引杆移动副、五自由度约束力偶牵引杆虎克副与五自由度约束力偶牵引杆第二转动副的顺次连接，五自由度约束力偶牵引杆第一转动副通过螺钉与固定环组件固定连接，五自由度约束力偶牵引杆第二转动副通过螺钉与末端环组件固定连接；

五自由度约束力偶牵引杆虎克副的两条转动轴线分别与五自由度约束力偶牵引杆第一转动副以及五自由度约束力偶牵引杆第二转动副的转动轴线平行，五自由度约束力偶牵引杆施加给末端环组件一个方向垂直于五自由度约束力偶牵引杆虎克副的两条转动轴线所组成的平面的约束力偶，限制末端环组件沿此方向的转动；

该并联外固定器适用于足踝部位在两个基本平面存在角度畸形的情况，根据足踝畸形中角度畸形出现的具体平面，通过布置五自由度约束力偶牵引杆，使其约束力偶的方向垂直于未出现角度畸形的平面，即不需要转动矫治自由度的平面，五自由度约束力牵引杆提供给末端环组件垂直于其矢状面的约束力，由此，并联外固定器能够在末端环组件所在方向上实现矢状面移动，其中末端环组件所在方向由存在角度畸形的两个方向共同决定，进而两转两移矫治自由度需求能够在相应的平面得到满足。

2.根据权利要求1所述的一种用于矫治足踝双平面角度畸形的并联外固定器，其特征在于：固定环组件、末端环组件和主动牵引杆组件上配置有方形定位槽或方形定位销，以使固定环组件与末端环组件相对于主动牵引杆组件，以及主动牵引杆组件的运动副之间能够按照预期的位置进行安装，进而在末端环组件的预期平面上施加运动约束。

3.根据权利要求1所述的一种用于矫治足踝双平面角度畸形的并联外固定器，其特征在于：当足踝部位的多个体段存在畸形时，通过并行或串行连接2个或多个并联外固定器能够满足矫治需求，当两个并联外固定器串联时，参照环组件与牵引环组件能够通过螺钉固定连接。

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