CN114786599A - 对骨折部位施加微动以加速骨愈合的电机驱动式固定器 - Google Patents

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Abstract

含有微动单元的用于治疗骨折的装置和方法，该微动单元(6)在两片骨折碎片(1)之间产生往复位移从而对骨折部位施加可控微运动。

Description

对骨折部位施加微动以加速骨愈合的电机驱动式固定器
技术领域
公开了有利于骨愈合的装置、系统和方法。
背景技术
骨折是一种常见的骨疾病，其通常需要昂贵的手术治疗。根据2013年国际骨折疏松基金会(IOF)发布的审计报告，由于老龄人口、维生素D的普遍缺乏和低钙摄入，预计到2050年亚洲的骨折率将大幅增长。
切开复位术和植入物固定被认为是无法手动复位的骨折的标准治疗方法。许多植入物已被开发并广泛用于骨折固定，包括动力加压接骨板(DCP)、锁定加压接骨板(LCP)、髓内钉和外固定器。动力加压接骨板DCP通过实现跨越骨折线的加压来提供绝对稳定性，可以实现初级骨折愈合而没有骨痂形成。然而，LCP和髓内钉提供了相对稳定性，有利于大量骨痂形成的二次骨愈合。由于原发性骨折愈合需要较长时间且具有较高的再骨折率，因此由相对稳定性诱发的继发性骨愈合被认为是骨折固定的更好选择。
相对稳定的植入物可以在骨折部位诱发微动，促进骨痂形成，从而加速骨折愈合。这一理论已通过临床观察和动物实验得以证实。此外，还设计了一系列微动植入物来利用这一理论，例如活动板和动态锁定螺钉。即使有良好的临床效果，使用相对稳定固定方法的骨折不愈合和骨折迟愈合的临床报告数量仍然很高。据报道，胫骨干中的骨不愈合的总体发生率高达18.5％，而在扩髓插钉术后股骨干中的骨不连接率为1.7％。可以促进骨折愈合的有效应力范围仍不清楚。这也许是目前使用的相对稳定的植入物显示出不一致的临床结果的原因。
发明内容
下文呈现本发明的简述，以提供对本发明的某些方面的基本理解。此简述不是对本发明的广泛概述。它既不旨在指明本发明的主旨或关键要素，也不旨在描述本发明的范围。然而，本概述的唯一目的是以简化的形式呈现本发明的一些概念，作为下文中呈现更详细描述的前序。
该主题公开内容提供了涉及微动的装置、系统和方法，所述微动具有改善沿骨折的骨痂形成的适当模型(包括位移范围和频率)。一系列微动固定器加速了骨折愈合。传统的‘动态固定器’依靠患者的承重来产生跨越骨折线的微动，这使得微动无法控制。为了在骨折部位处产生可控且准确的微动，设计了电子线性伺服电机致动器和微动单元，以将电能转换为两个骨折碎片之间的往复位移。电子控制器致动微动单元以产生具有预设参数的微运动，并基于位移传感器的测量结果进行必要的补偿。微动单元可以在使用后移除。由此这种骨科固定器可用于治疗有需要的患者不同部位的骨折。
本质上，电动机械将电能转换为两个组件之间的往复位移，以将可控微运动施加至骨折部位，这可以通过电子控制器进行精确调整。
本发明的一个方面涉及用于治疗骨折的外固定器，包括在两个位置处附接至骨的支架，这两个位置在骨折部位的相对两侧；一个可移除地联接至支架上的微动单元，该微动单元构造为在两个组件之间形成往复位移，以将可控微运动施加到骨折部位；以及与微动单元联接的控制器，该控制器用于控制微动单元以产生往复位移。
用于治疗骨折的外固定器包括：在两个骨折碎片处附接至骨的支架，两个骨折碎片分别位于骨折部位的相对两侧；可移除地联接到支架的微动单元，该微动单元构造为在两个骨折碎片之间产生往复位移，以对骨折部位施加可控微运动；和联接到微动单元的控制器，控制器构造用于控制微动单元以产生两个骨折碎片之间的往复位移。
本发明的另一个方面涉及治疗骨折的方法，包括在两个位置处附接支架，这两个位置位于骨折部位的相对两侧；在两个组件之间产生往复位移，微动单元可移除地联接到支架，从而将可控微运动施加至骨折部位；并控制往复位移以利于骨折部位处的骨折愈合。
治疗骨折的方法包括：将支架在两个骨折碎片处附接至骨，两个骨折碎片分别位于骨折部位的相对两侧；通过可移除地联接至支架上的微动单元在两个骨折碎片之间产生往复位移，从而对骨折部位施加可控微运动；并且通过控制器控制两个骨折碎片之间的往复位移以利于骨折部位处的骨折愈合。
本发明的另一个方面涉及微动单元，包括：外管、内管、电机和齿轮传动机构。至少一部分内管插入至外管内；电机和齿轮传动机构构造为将电信号转换成在外管和内管之间沿内管和外管的轴向方向的相对轴向位移；并且外管和内管分别与两个骨折碎片相连，使得外管和内管之间的相对位移产生两片骨折碎片之间的往复位移。
为实现上述和相关目的，本发明内容包括以下完整描述并在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本发明的某些说明性方面和实施方案。然而，这些只是表示可以采用本发明原则的各种方式中的几种。当结合附图一起考虑时，从本发明的以下详细描述中会明显得出本发明的其他目的、优点和新颖性特征。
附图说明
图1描绘了根据实施例的外固定器，示出1-患者的骨折碎片；2-克氏针；3-支架主体上的滑道；4-滑块；5-微动单元和连杆之间的转接环；6-微动单元；7-支架主体；8-连杆；和9-电子控制器。
图2描绘了根据实施例的微动单元的结构，示出61-外管；62-传动螺杆；63-椭圆形齿轮；64-波产生器；65-密封圈；66-至电子控制器的线；67-内管；68-限位螺钉；69-位移传感器；610-电机；611-环形齿轮；和612-导向轨。
图3显示根据实施例的电子控制器的控制逻辑图。
图4示出根据实施例测量的微动单元的位移-时间曲线。
图5示出测量的常规微动单元的位移-时间曲线。
图6示出根据实施例的外固定器与常规
Figure BDA0003685633710000031
外固定器在微运动精度方面的比较。
图7示出根据实施例在骨折部位应用微动单元(MMU)。
图8描绘了示出根据实施例在骨折部位使用和不使用微动单元MMU的X-射线图像。
图9示出根据实施例的具有微动单元MMU的外固定器。
图10示出骨形成和骨折碎片骨片间应变(IFS)之间的关系。
图11示出根据实施例的微动单元的结构，示出613-接合器；614-螺杆；615-滑块；616-螺钉。
图12示出根据实施例的微动单元MMU的各种应用。
具体实施方式
随着对骨愈合机制的持续研究，在骨折部位处施加一定程度的微运动可以加速骨折愈合并降低骨不愈合的发生率。因此，已设计了一系列的包括外固定器和板的“动态固定器”，以在骨折部位处形成微运动。目前使用的所有“动态固定器”都依赖于患者的承重来形成穿过骨折线的微运动，这使得微运动无法控制。问题在于不适当的微运动参数对骨愈合造成负面影响。例如，过早开始或过早结束微运动施加会延迟骨折修复，而过度位移会导致骨不愈合。因此，目前使用的“动态固定器”的一个显著的限制是缺乏可行的方法来调整微运动的参数，如微运动的范围、频率、持续时间和定时，以产生适当的微运动来加速骨愈合。
为了产生可控和适当的微运动以利于骨折愈合，本文描述的是外固定器。参照图1、图2和图11，线性电子伺服电机致动器610设计为用于将电能转换为两个骨折碎片1之间的往复位移。例如，核心组件是微动单元6。例如，微动单元6具有四个部件，外管61、内管67、电机610和齿轮传动机构。就工作原理而言，例如，电机610和齿轮传动机构构造为将源自电子控制器9的电信号转换成外管61和内管67之间的相对位移。例如，外管61和内管67分别固定至近端和远端骨折碎片处，使得电机装置610的往复运动以有利于和/或促进骨折愈合的方式对患者的骨折部位产生微运动，尤其是与未采用所述外固定器的类似情况相比。
作为骨科固定器以加速骨折愈合的产品，本发明的优势至少可以概括为四个关键词：
自主-外固定器可以自主地将微运动施加至患者的骨折部位，而不是依赖于患者的手动动作或承重，这使得微运动比大多数常规的‘动态固定器’更有效。
可编程-微运动作施加的进度，例如所施加的持续时间和定时，是可编程的。根据患者的愈合状态，可以打开或关闭微运动功能-即针对每种情况量身定制。
精确性-每个微运动循环的机械参数，例如范围和频率，由基于微动单元中位移传感器的闭环控制器精确控制和补偿。
可拆卸-外固定器的微动单元设计为在每个微运动施加结束时可拆卸，以减轻患者的负担。
本发明涉及一种外固定器以将微运动施加至患者的骨折部位来改善骨愈合。外固定器包括微动单元6、电子控制器9和支架。例如，患者的两个骨折碎片1分别固定在支架的主体7和滑块4上。例如，主体7和滑块4通过两个连杆8与微动单元6的内管67和外管61连接。例如，微动单元6构造为将源自电子控制器9的电信号转换为内管67和外管61之间的周期性位移。例如，微动单元6中的传感器69构造为测量实际位移，并且电子控制器9构造为基于该测量值进行补偿。例如，微动单元6在使用后可拆卸以解除患者的负担。本发明例如用作骨科固定器以治疗各种位置的骨折。
参照图1，示出根据实施例的图示。本发明包括微动单元6、电子控制器9和支架。例如，微动单元6在电子控制器9的控制下产生微运动。例如，支架设计为对患者的骨折部位FS提供稳定性。例如，支架的主体7和支架的滑块4分别通过三个左右的克氏针2与患者的近端碎片和远端骨折碎片固定。例如，外管61和内管67分别通过两个或多个连杆8插入支架主体7处和支架滑块4处。例如，微动单元是可拆卸的，使用后可从支架上取下。
图2呈现微动单元的附图。例如，微动单元包括四个部件，外管61、内管67、电机610和齿轮传动机构。例如，微动单元6中的电机610和齿轮传动机构构造为将源自电子控制器9的电信号转换成外管61和内管67之间的相对位移。例如，大扭矩空心杯电机610刚性固定在内管67的专用空间内。选择空心杯电机610作为原动机的原因是其具有效率高、响应快速、体积小等优势。例如，空心杯电机是实现微动单元6的轴向位移的关键技术。例如，电机610的输出轴与波产生器64连接。例如，波产生器64从其内侧按压椭圆形齿轮63并迫使椭圆形齿轮63与内管67的一端的环形齿轮611啮合。例如，波产生器64、椭圆形齿轮63和环形齿轮611构成谐波齿轮传动机构以降低转速并增加空心杯电机610的扭矩。例如，谐波齿轮传动机构是完成微动单元6的微运动的重要组件。例如，其‘无背隙’特性有助于实现微动单元6的往复运动。例如，这种驱动器可以在小体积中提供高传动比(在行星齿轮通常仅产生10∶1比值的同一空间中，传动比可能为自30∶1至300∶1)，这节省了微动单元中宝贵的空间。例如，传动螺杆62通过输出轴与椭圆形齿轮63同轴连接，输出轴将旋转转换成轴向位移。例如，设置在内管67和外管61之间的导轨612(如四个导轨612)限制侧转或回转。例如，限位螺钉(如四个限位螺钉)对最大位移施加限制，尽管可以采用两个到20个螺钉。例如，在内管67和外管61之间设置密封圈65，如三个密封圈，以保证微动单元6的防水和密封。例如，位移传感器69(如磁栅格)放置在密封空间中以通过线66将位移信号输出至闭环控制器9，而且源自控制器9的微运动信号和补偿信号是通过同样的线66传输至电机610。
例如，为了利于微运动施加的精确性和可控性，提供了用于调节微运动作单元6操作的闭环控制器9。例如，控制器9是具有I/O(输入/输出)模型和PMW输出(脉冲宽度调制)模型的商用SCM(单片机)。图3示出了电子控制器9的示例性控制逻辑图，尽管可以采用其他的控制逻辑图。例如，在开始时，用户设置微运动的参数(例如范围、频率、持续时间和定时)，然后控制器9产生直流脉冲信号(微运动信号)以使微动单元6中的电机610执行往复运动。同时，磁栅格69检测微动单元6的相对位移，然后将位移转换为‘位移信号’。例如，控制器9将接收到的信号与用户输入的参数进行比较，并在电机610上添加额外的“补偿信号”以修复位移误差。
例如，本文所述的微动单元(MMU)6包括组件：电机610，如空心杯电机；齿轮传动机构，如谐波齿轮传动机构，和位移传感器，如磁栅格。
例如，为了产生用于骨折愈合的可控和适当的微运动，发明人开发了一种电机驱动式固定器。在本发明中，例如，如电机610的电致动器被设计为将电能转换成两块骨折碎片1之间的往复位移。例如，核心部件是微动单元(MMU)6，它包括四个部件：外管61、内管67、电机610和齿轮传动机构。就工作原理而言，例如，电机610和齿轮传动机构构造为将源自外部控制器9的电信号转换成外管61和内管67之间的相对位移。例如，外管61和内管67分别固定在近端骨折碎片和远端骨折碎片处，使得电机装置610的往复运动对患者的骨折部位FS产生微运动。
例如，大扭矩空心杯电机610刚性固定在内管67的专用空间内。例如，选择空心杯电机610作为原动机的原因是其具有效率高、响应快速、体积小等优势。例如，空心杯电机610的特征是有利于实现微动单元MMU6的轴向位移。例如，电机610的输出轴与波产生器64连接。
例如，波产生器64从其内部按压椭圆形齿轮63并迫使椭圆形齿轮63与内管67的一端的圆形环形齿轮611啮合。例如，波产生器64、椭圆形齿轮63和环形齿轮611构成谐波齿轮传动机构以降低转速并增加空心杯电机610的扭矩。例如，谐波齿轮传动机构是完成微动单元MMU 6的微运动的重点组件，其‘无背隙’的特性有助于帮助实现微动单元MMU 6的往复运动。例如，驱动器在小体积中提供高驱动比(在同一空间中可以为自30∶1至300∶1的传动比)。例如，驱动器在小体积中提供高驱动比(在同一空间中自50∶1至250∶1的传动比)。例如，传动螺杆62通过输出轴与椭圆形齿轮63同轴连接，输出轴将旋转转换成轴向位移。例如，设置在内管67和外管61之间的导轨612(如四个导向轨612)限制侧转或回转。例如，限位螺钉68(如四个限位螺钉68)对最大位移施加限制。例如，在内管67和外管61之间设置密封圈65(如三个密封圈65)以保持MMU 6的防水和密封。
例如，位移传感器69(例如磁栅格)放置在密封空间中以通过线66将位移信号输出至闭环控制器9，并且将源自控制器9的微运动信号和补偿信号通过相同的线610传输至电机610。
图4示出微动单元的测量位移时间曲线；也就是说，根据本文描述，使用微动单元MMU来计算频率(f)和范围(R)。例如，微动单元6设置为以0.2赫兹(Hz)的频率在2毫米(mm)的范围内产生微运动。位移时间曲线证明电子控制器已实现补偿功能。
图5示出所测量的传统装置的位移时间曲线；也就是说，使用
Figure BDA0003685633710000071
外固定器来计算频率(f)和范围(R)。
图6列出了根据实施例的微动单元MMU/外固定器和市售的
Figure BDA0003685633710000072
外固定器在微运动精度方面的比较。与市售的
Figure BDA0003685633710000073
外固定器相比，根据本发明的外固定器在微运动范围和微运动频率的精确性方面显示出显著的优势。如图6所示，根据实施例的微动单元MMU可以提供比Orthofix的产品更均匀和稳定的微运动(范围(R)和频率(f)的标准偏差更小)。
图7示出术后两周恢复后微动单元MMU在骨折部位FS上的应用。尽管没有与图7特别相关，但该应用的示例范围为0.246±0.020毫米，示例频率为0.644±0.032赫兹。
图8描绘了没有使用微动单元MMU的控制组和根据本发明使用微动单元MMU的微运动组的X-射线图像。
例如，根据本发明，有大量微动单元MMU 6应用。微动单元MMU 6是核心组件，仅在其轴向方向上产生往复位移。例如，闭环控制器9对微动单元MMU 6供电并通过电信号的变化来控制MMU 6。如图9所示，微动单元MMU例如构造为各种形式的骨科固定器之一，以满足在固定方面骨折分类的不同要求，例如减少骨折、延长肢体和脊柱侧弯矫正。例如，图9示出微运动外固定器。
有规律的微运动频率和范围在临床治疗中很重要。已经注意到，在一定范围内的微运动可以促进骨愈合，但是，低于或高于这个最佳范围会导致延迟愈合或骨不愈合。图10显示了骨形成和骨折碎片骨片间应变(IFS)之间的关系。如果多片骨折碎片的骨片间应变IFS高于C点或低于A点，则会发生延迟愈合或骨不愈合。根据目前的骨愈合理论，微运动的最佳范围使骨折碎片骨片间应变IFS保持在图10中的A点和C点之间，理论上骨愈合随着骨折部位FS的骨痂形成的改善而增强。而且延迟愈合和骨不愈合的比率降低。因此，不规则的微运动可能会导致无效的刺激甚至对骨折愈合带来负面影响。
同时，
Figure BDA0003685633710000081
固定器只能通过止挡块限制最大位移。然而，在某些极端情况下，由于多片骨折碎片的骨片间应变过低，仍会出现延迟愈合和骨不愈合。
例如，设计本文描述的外固定器以通过监控实际范围和频率并进行必要的补偿来解决此问题。并且可以将微运动范围精确控制在最佳范围内，这是本领域的重大进步。
例如，本文所述的外固定器以相对低的标准偏差在促进骨折愈合的频率范围内操作。例如，外固定器在0.01毫米至5毫米的范围内操作。例如，外固定器在0.1毫米至3毫米的范围内操作。例如，外固定器在标准偏差为±0.001毫米至0.1毫米的给定范围内操作。例如，外固定器在标准偏差为±0.01毫米至0.075毫米的给定范围内操作。例如，外固定器以自0.05赫兹至5赫兹的频率操作。例如，外固定器以自0.1赫兹至2.5赫兹的频率操作。例如，外固定器以标准偏差自0.001赫兹至0.1赫兹的给定频率操作。例如，外固定器以标准偏差自0.01赫兹至0.05赫兹的给定频率操作。
例如，本文所述的外固定器可以为外科医生提供实时反馈并帮助他们及时调整微运动参数。这对外科医生而言是重要的治疗参考，因为过大的微运动和不充分的微运动都会不利地导致延迟愈合或骨不愈合。
例如，这里描述的电控制器9减少了患者的工作量。例如，根据
Figure BDA0003685633710000091
协议，患者应每天在固定器的一侧摇动手柄10分钟，并进行2-3周的周期微运动，然后患者应通过同样的方法用多于2-3周产生渐进式负载。有利地是，这些复杂操作和重复工作由本文所述的电控制器9执行，这大大缩短了学习曲线。
例如，本文描述的外固定器与当前的市售固定器相比，在集成设计、模块化结构和兼容性方面具有显著优势。例如，集成设计能够将微动单元的所有可移动部件封装至一个管状外壳中。这种集成设计最大限度地降低了由于异物(如水、灰尘和纤维)进入机械部件而导致故障的风险，并为微运动固定器的可靠性带来了巨大的好处。
例如，模块化结构使微动单元6、电子控制器9和支架之间的连接可拆卸。例如，微运动作单元6和电子控制器9在每次微运动应用结束时从支架上移除以减轻患者的负担。
例如，本文所述的外固定器与市售固定器的兼容性在于微动单元6上的连接器设计为与市售固定器兼容。例如，微动单元可以代替
Figure BDA0003685633710000092
产品上的手动适配器，以赋予其自主工作的能力。
根据我们对大鼠模型的结果，20％的微运动范围的应变示出骨折愈合的最显著的改善，但可以采用2％至40％的应变。例如，采用自15％至25％的应变。例如，采用10％至20％的应变。
例如，位移传感器69和电控制器9使微动单元MMU 6可控。此外，谐波齿轮传动机构有利于‘无背隙’的特性，以实现微动单元MMU 6的往复运动。
例如，微动单元MMU需要以高速进行往复运动，并且机械部件对源自电子控制器9的信号做出快速响应。例如，选择电机610和齿轮传动机构满足了这一要求。例如，对于无线电机610，这种电机610上的旋转部件比步进电机和其他常见电机轻。例如，该电机在高速下实现‘旋转-停止-反转’的动作。例如，步进电机更有可能实现高精度动作。而谐波齿轮传动机构的极高传动比削弱了步进电机的精度优势。
对于给定特性的任何图形或数值范围，源自一个范围的图形或参数可以与用于相同特性的不同范围的另一个图形或参数组合以生成数值范围。
例如，提供了用于治疗骨折的外固定器。又如，参照图1，外固定器包括：在两片骨折碎片1处附件至骨的支架，两片骨折碎片1分别位于骨折部位FS的相对两侧；可移除地联接至支架的微动单元6，该微动单元6构造为在两片骨折碎片1之间产生往复位移，以对骨折部位FS施加可控微运动；和联接至微动单元6的控制器9，该控制器9构造为控制微动单元6以形成两片骨折碎片1之间的往复位移。
例如，参照图2，微动单元6包括外管61、内管67、电机610和齿轮传动机构，并且内管67的至少一部分插入外管61内；电机610和齿轮传动机构构造为将源自控制器9的电信号转换成在外管61和内管67之间沿内管67和外管61的轴向方向的相对轴向位移；并且外管61和内管67分别与两片骨折碎片1连接，使得外管61和内管67之间的相对轴向位移产生两个骨折碎片1之间的往复位移。
例如，参照图2，齿轮传动机构是谐波齿轮传动机构，而且谐波齿轮传动机构包括波产生器64、椭圆形齿轮63和环形齿轮611；并且波产生器64与电机610的输出轴相连接，环形齿轮611设置在内管67上，电机610驱动波产生器64从椭圆形齿轮的内侧按压椭圆形齿轮63以迫使椭圆形齿轮63与环形齿轮611啮合。
例如，参照图2，微动单元6还包括传动螺杆62，该传动螺杆与椭圆形齿轮63同轴连接并且与外管61啮合，并且在电机610驱动波产生器64从椭圆形齿轮63的内侧按压椭圆形齿轮63的同时，电机610驱动传动螺杆62旋转，从而在外管61和内管67之间产生相对轴向位移。
例如，电机610在第一方向旋转，外管61和内管67沿内管67和外管61的轴向方向彼此相向移动；并且电机610沿与第一方向相反的第二方向旋转，外管61和内管67沿内管67和外管61的轴向方向远离彼此移动。
例如，图11示出根据实施例的微动单元的结构，其中为了简单起见，电机610、波产生器64、椭圆形齿轮63和环形齿轮611作为整体集成在一起，其细节和之间的联系可以参照图2。为了显示内部结构，外管61和内管67的部件已在图11中移除。例如，参照图11，微动单元6还包括连接至电机610的螺纹杆614和连接至螺纹杆613的滑块615；在电机610驱动波产生器64自椭圆形齿轮63内侧按压椭圆形齿轮63的同时，电机610驱动滑块615移动，外管61与滑块615连接并随着滑块615移动，以在外管61和内管67之间产生相对轴向位移。比如，螺纹杆614通过接合器613连接至电机610。例如，外管61通过螺钉616与滑块615连接。应当注意，微动单元6还包括位移传感器69，其细节可参见图2。例如，滑块615连接至位移传感器69。
例如，参照图2，微动单元6还包括位移传感器69，其检测内管67和外管61之间的相对轴向位移，将相对轴向位移转换成位移信号，并将位移信号输出至控制器9。然后，基于位移信号，控制器9确定是否有用于补偿源自控制器的电信号的补偿信号。通过这种方式，本文描述的外固定器设计为监控施加至骨折部位的实际微运动并进行必要的补偿。并且施加至骨折部位的微运动可以精确控制在最佳范围内，这在本领域是重要的进步。例如，补偿信号包括：源自控制器的电信号是否需要补偿；如果需要，补偿量是多少。例如，位移传感器69是磁栅格。
例如，电机610是空心杯电机。例如，空心杯电机610刚性固定在内管67的专用空间内。
例如，参照图2，微动单元6还包括设置在内管67和外管61之间并沿内管67和外管61的轴向方向延伸的导轨612，以限制在外管61和内管67之间的侧转或回转。
例如，参照图2，微动单元6还包括限位螺钉68，限制外管61和内管67之间的最大相对位移。
例如，参照图2，微动单元6还包括设置在内管67和外管61之间的密封环65。
例如，参照图1，支架包括主体7和可移动块4，可移动块4可相对于主体7移动，并且主体7和可移动块4分别附接至两片骨折碎片1；外管61和内管67分别与支架的主体7和可移动块4连接；外管61和内管67之间的相对轴向位移产生支架的主体7和可移动块4之间的往复位移，从而产生两片骨折碎片1之间的往复位移。例如，在对骨折部位FS施加微运动期间，可移动块4相对于主体7可移动；在没有对骨折部位FS施加微运动期间，可移动块4锁定并且相对于主体7不可移动。
例如，参照图1，支架还包括与主体7连接的滑道3，可移动块4是可在滑道3上相对于主体7滑动的滑块。
例如，支架包括一个主体7和两个可移动块4，两个可移动块4中的每一个都可以相对于主体7移动，并且两个可移动块4分别附接至两片骨折碎片1；外管61和内管67分别与支架的两个可移动块4连接；并且外管61和内管67之间的相对轴向位移产生支架的两个可移动块4之间的往复位移，从而产生两片骨折碎片1之间的往复位移。例如，在对骨折部位FS施加微运动期间，两个可移动块4相对于主体7可移动；在没有对骨折部位FS施加微运动期间，两个可移动块4锁定并且相对于主体7不可移动。
例如，支架还包括与主体7连接的滑道3，两个可移动块4中的每一个都是可在滑道3上相对于主体7滑动的滑块。
例如，提供了一种治疗骨折的方法，包括：在两片骨折碎片1处将支架附接至骨头，两片骨折碎片1分别在骨折部位FS的相对两侧；通过可移除地联接至支架上的微动单元6产生两片骨折碎片1之间的往复位移，从而对骨折部位FS施加可控微运动；并且通过控制器9控制两片骨折碎片1之间的往复位移以利于骨折部位处的骨折愈合。
例如，该方法还包括：在向骨折部位FS施加可控微运结束时，将微运动作单元6从支架上移除，以减轻患者的负担。
例如，微动单元包括外管61、内管67、电机610和齿轮传动机构，并且至少一部分内管67插入至外管61内部；电机610和齿轮传动机构构造为将源自控制器9的电信号转换成外管61和内管67之间沿内管67和外管61的轴向方向的相对轴向位移；外管67和内管61之间的相对轴向位移产生两片骨折碎片1之间的往复位移；该方法还包括：检测内管67和外管61之间的相对轴向位移，将相对轴向位移转换为位移信号，并将位移信号输出至控制器9；以及基于位移信号确定用于补偿源自控制器9的电信号的补偿信号。通过这种方式，本文描述的外固定器设计为监控对骨折部位施加的实际微运动并且进行必要的补偿。还可以将对骨折部位施加的微运动精确控制在最佳范围内，这在本领域是重大进步。例如，补偿信号包括：源自控制器的电信号是否需要补偿；如果需要，补偿量是多少。例如，位移传感器69是磁栅格。
例如，两片骨折碎片1在骨折部位FS处彼此间隔一定距离；该方法还包括：两片骨折碎片1之间产生的位移为距离的10％-20％，优选为距离的20％。即，采用10％至20％的应变，优选采用20％的应变。
例如，可以采用2％至40％的应变。例如，可以采用15％至25％的应变。
例如，该方法还包括：在一个频率范围内形成往复位移，该频率具有相对较低的标准偏差，有利于骨折部位的骨折愈合。
例如，提供微动单元6，包括：外管61、内管67、电机610和齿轮传动机构；至少一部分内管67插入至外管61内；电机610和齿轮传动机构构造为将电信号转换成外管61和内管67之间沿内管61和外管67的轴向方向的相对轴向位移；并且外管61和内管67分别与两片骨折碎片1连接，使得外管61和内管67之间的相对轴向位移产生两片骨折碎片1之间的往复位移。
例如，微动单元在一个频率范围内产生往复位移，该频率具有相对较低的标准偏差，有利于骨折部位的骨折愈合。
例如，微动单元6具有大量的潜在应用。例如，参照图12，微动单元6应用于：(a)微运动外固定器；(b)微运动板；(c)微运动髓内钉。应该注意的是，微动单元6的应用不限于图12中所示的情况。
如果可能，除了在操作示例中或在另有说明的情况下，在说明书和权利要求中所使用的所有涉及参数、测量值、条件等的数字、数值和/或表达式在所有情况下均应理解为术语“大约”。
虽然对某些实施例进行了说明，但应理解的是，本领域技术人员在阅读说明书后进行的各种修改将是显而易见的。因此，应理解的是，本文公开的内容旨在涵盖落入所附权利要求书范围内的修改。
进一步的描述包括在附录1中。

Claims (20)

1.一种用于治疗骨折的外固定器，包括：
在两片骨折碎片处附接至骨的支架，这两片骨折碎片分别位于骨折部位的相对两侧；
可移除地联接至支架的微动单元，所述微动单元构造为在两片骨折碎片之间产生往复位移以对骨折部位施加可控的微运动；以及
接合至所述微动单元的控制器，所述控制器构造为用于控制所述微动单元以在两片骨折碎片之间产生往复位移。
2.根据权利要求1所述的外固定器，其中所述微动单元包括外管、内管、电机和齿轮传动机构，而且至少一部分所述内管插入至所述外管内侧；
所述电机和所述齿轮传动机构构造为将源自所述控制器的电信号转换成在所述外管和所述内管之间的、沿所述内管和所述外管的轴向方向的相对轴向位移；以及
所述外管和所述内管分别与所述两片骨折碎片相连接，从而在所述外管和所述内管之间的相对轴向位移产生在所述两片骨折碎片之间的往复位移。
3.根据权利要求2所述的外固定器，其中所述齿轮传动机构是谐波齿轮传动机构，并且所述谐波齿轮传动机构包括波产生器、椭圆形齿轮和环形齿轮；以及
所述波产生器与所述电机的输出轴连接，所述环形齿轮设置于所述内管，而且所述电机驱动所述波产生器以自所述椭圆形齿轮的内侧按压所述椭圆形齿轮，以迫使所述椭圆形齿轮与所述环形齿轮啮合。
4.根据权利要求3所述的外固定器，其中所述微动单元还包括与所述椭圆形齿轮同轴连接并且与所述外管啮合的传动螺杆，而且在所述电机驱动所述波产生器以自所述椭圆形齿轮的内侧按压所述椭圆形齿轮的同时，所述电机驱动所述传动螺杆旋转，从而在所述外管和所述内管之间产生相对轴向位移。
5.根据权利要求3所述的外固定器，其中所述微动单元还包括连接至所述电机的螺纹杆和连接至所述螺纹杆的滑块；以及
在所述电机驱动所述波产生器自所述椭圆形齿轮的内侧按压所述椭圆形齿轮的同时，所述电机驱动所述滑块移动，所述外管与所述滑块连接并且随所述滑块移动，从而在所述外管和所述内管之间产生相对轴向位移。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的外固定器，其中所述微动单元还包括位移传感器，其检测所述内管和所述外管之间相对轴向位移，将所述相对轴向位移转换成位移信号，并且将所述位移信号输出至所述控制器。
7.根据权利要求6所述的外固定器，其中所述位移传感器是磁栅格。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的外固定器，其中所述电机是空心杯电机。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的外固定器，其中所述微动单元还包括设置在所述内管和所述外管之间的并且沿所述内管和所述外管的轴向方向延伸的导轨，从而限制所述外管和所述内管之间的侧转和回转。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的外固定器，其中所述微动单元还包括在所述外管和所述内管之间施加最大相对位移限制的限位螺钉。
11.根据权利要求2至10中任一项所述的外固定器，其中所述微动单元还包括设置在所述内管和所述外管之间的密封环。
12.根据权利要求2至11中任一项所述的外固定器，其中所述支架包括主体和可移动块，所述可移动块能够相对于所述主体移动，而且所述主体和所述可移动块分别附接至所述两片骨折碎片；
所述外管和所述内管分别连接至所述支架的所述主体和所述可移动块；以及
所述外管和所述内管之间的相对轴向位移在所述支架的所述主体和所述可移动块之间产生往复位移，从而产生所述两个骨折碎片之间的往复位移。
13.根据权利要求12所述的外固定器，其中所述支架还包括连接至所述主体的滑道，所述可移动块是相对于所述主体能在所述滑道上滑动的滑块。
14.根据权利要求2至11中任一项所述的外固定器，其中
所述支架包括主体和两个可移动块，所述两个可移动块中的每个都能够相对于所述主体移动，并且所述两个可移动块分别附接至所述两片骨折碎片；
所述外管和所述内管分别连接至所述支架的所述两个可移动块，以及
所述外管和所述内管之间的相对轴向位移在所述支架的所述两个可移动块之间产生往复位移，从而产生所述两片骨折碎片之间的往复位移。
15.根据权利要求14所述的外固定器，其中所述支架还包括与所述主体连接的滑道，所述两个可移动块中的每个是相对于所述主体能够在所述滑道上滑动的滑动块。
16.一种治疗骨折的方法，包括：
将支架在两片骨折碎片处附接至骨，所述两片骨折碎片分别位于骨折部位的相对两侧；
通过可移除联接至所述支架的微动单元产生所述两片骨折碎片之间的往复位移，从而对所述骨折部位施加可控微运动；以及
通过控制器控制所述两片骨折碎片之间的往复位移，以促进骨折部位的骨折愈合。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
在结束将可控微运动施加至所述骨折部位时从所述支架移除所述微动单元。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其中，
所述微动单元包括外管、内管、电机和齿轮传动机构，而且至少一部分所述内管插入至所述外管的内侧；
所述电机和所述齿轮传动机构构造为将源自所述控制器的电信号转换成在所述外管和所述内管之间沿所述内管和所述外管的轴向方向的相对轴向位移；
所述外管和所述内管之间的所述相对轴向位移产生两个骨折碎片之间的往复位移；并且
所述方法还包括：
检测所述内管和所述外管之间的所述相对轴向位移，将所述相对轴向位移转换成位移信号，并且将所述位移信号输出至所述控制器；以及
基于所述位移信号来确定用于补偿源于所述控制器的所述电信号的补偿信号。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中所述两片骨折碎片在所述骨折部位彼此间隔一定距离；以及
所述方法还包括：在所述两片骨折碎片之间产生该距离的10％-20％的位移、优选为该距离的20％的位移。
20.一种微动单元，包括：外管、内管、电机和齿轮传动机构，其中，
至少一部分所述内管插入至所述外管的内侧；
所述电机和所述齿轮传动机构构造为将电信号转换成在所述外管和所述内管之间沿所述外管和所述内管的轴向方向的相对轴向位移；以及
所述外管和所述内管分别连接至两片骨折碎片，从而使所述外管和所述内管之间的所述相对轴向位移产生所述两片骨折碎片之间的往复位移。
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