CN115054346A - 一种辅助下肢骨折愈合的变刚度外固定器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种辅助下肢骨折愈合的变刚度外固定器，包括环设于骨头外且和骨头固接的内部构件；内部构件外套设有外部构件；外部构件包括以内部构件为中心均匀环绕分布的4个子机构；每个子机构均设有电机、电机座、活动件和连接件；电机座固接于内部构件；电机用于驱使活动件在电机座上转动；活动件与内部构件之间通过柔性平动副连接；连接件设于活动件一侧，连接件与活动件之间通过柔性转动副连接；4个子机构的柔性自由度平面相交为空间中的一条直线，即外固定器的平动自由度方向。能够改变刚度大小和方向，只需调节外固定器的内部构件就能实现调节刚度的功能。调节时外部构件保持静止状态，能够避免触碰钢针而引发针道感染。

Description

一种辅助下肢骨折愈合的变刚度外固定器

技术领域

本发明属于康复机器人技术领域，具体涉及一种辅助下肢骨折愈合的变刚度外固定器。

背景技术

骨折后需要借助外物来复位和固定骨头，承担骨头在康复期间部分功能。常见有三种固定方式，包括髓内固定、钢板内固定、外固定器固定。

早期的骨科治疗方案通常是使用内固定，内固定器能提供坚实的固定、让骨折患者在愈合初期能承担部分载荷。但随着对骨折愈合过程研究的深入，人们发现适当的应力刺激可以促进骨折愈合，而内固定会在康复后期会产生应力遮挡的弊端，导致骨折出现延迟愈合或者不愈合的情况。

外固定技术却可通过闭合复位、穿针固定等有效方式固定骨折，避免手术切开组织，有效保护骨折周围软组织，保护骨骼血供；在骨科领域逐渐得到普遍使用。另外，外固定器安装在皮肤外面可以非常容易实现刚度调节，使得它在愈合早期拥有较大的刚度，为骨折提供坚实的固定，而在愈合后期可以将其刚度调小，让骨头在康复锻炼时受到适当应力刺激，加快康复过程。

现有刚度可调外固定器一般是钢板外固定、Ilizarov支架、泰勒空间支架。

钢板外固定是分别在骨折的近端和远端打入钢针(以骨折处为分界，靠近心脏的一端称为近端，反之为远端)，借助固定器通过与骨头平行放置的连杆连接两端的钢针；在患者康复期间调节连杆的位置改变钢针的有效长度，从而改变整个外固定器的刚度大小。Ilizarov支架有单环或多环平行分布在骨折的两端且与骨头轴线垂直，通过与骨头轴线保持平行的连杆连接于两端的环；在患者骨折的近远端上打两个成90度的孔，钢线穿过患者的骨头固定在两端的环上；通过调节钢线的预紧力来改变整个外固定器的刚度。泰勒空间支架调节刚度的方式和Ilizarov支架相同，也是通过调节钢线的预紧力来改变整个外固定器的刚度。研究表明，骨折愈合过程中在骨头的不同生长时间段，给予骨折端适当的应力刺激可以促进愈合过程。适当的骨折端微运动可以带来适当的应力刺激。由于骨折愈合是骨头的再生过程，骨折端的力学特性生长过程中会发生改变；因此为了达到上述目的，骨折端应该在不同生长阶段受到不同的微运动。外固定器与骨折处“并联”，这就要求外固定器必须具有刚度调节功能，使得骨折端能在不同生长阶段受到不同的微运动；刚度包括大小和方向，刚度大小是指在外力作用下，机构产生的变形大小；刚度方向是指变形发生的方向。上述外固定器，基本能实现刚度大小的调节，但只能调节骨头轴线方向的刚度大小，产生骨折端轴向微运动。对于不同生长阶段和不同的骨折类型(比如骨折断面可能是横断面也可能是倾斜断面)，骨折端轴向微运动并不一定能产生适当的应力刺激。所以上述的外固定器存在局限性。另外，上述外固定器调节刚度大小时，都会直接或间接触碰到与骨头连接的构件(钢针和钢线)，可能会引发针道感染，带来并发症。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种辅助下肢骨折愈合的变刚度外固定器，能够改变外固定器刚度大小和方向，避免调节刚度方向时引发针道感染，有利于辅助下肢骨折愈合。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种辅助下肢骨折愈合的变刚度外固定器，包括环设于骨头外且和骨头固接的内部构件；

内部构件外套设有外部构件；

外部构件包括以内部构件为中心均匀环绕分布的4个子机构；

每个子机构均设有电机、电机座、活动件和连接件；

电机座固接于内部构件；

电机固接于电机座，用于驱使活动件在电机座上转动；

活动件与内部构件之间通过柔性平动副连接；

连接件设于活动件一侧，连接件与活动件之间通过柔性转动副连接；

4个子机构的柔性自由度平面相交为空间中的一条直线，即外固定器的平动自由度方向。

进一步，内部构件包括移动环、定位杆和连接环，定位杆两端分别固接于移动环和连接环，移动环固接于骨头，连接环与活动件之间通过柔性平动副连接。

进一步，活动件与内部构件之间的柔性平动副为平行簧片机构，平行簧片机构包括两个平行簧片，平行簧片的一端固接于连接环，平行簧片的另一端铰接于活动件，连接环穿设于两个平行簧片之间。

进一步，两个平行簧片之间设有平行簧片调整板，平行簧片调整板、两个平行簧片和连接环通过螺栓螺母固接。

进一步，平行簧片和平行簧片调整板之间卡接有平行簧片调整块。

进一步，平行簧片固接有铰接件，铰接件与活动件之间铰接形成刚性转动副，刚性转动副和电机的转动轴线重合。

进一步，活动件与连接件之间的柔性转动副为交叉簧片机构，交叉簧片机构包括两个交叉布置的弹簧片，每个弹簧片的两端分别固接于活动件和连接件。

进一步，连接件和弹簧片之间卡接有交叉簧片调整块。

进一步，电机座上设有转动件，电机驱动转动件转动，连接件固设于转动件。

进一步，转动件上设有朝向标志面。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、现有的外固定器往往只能改变刚度大小，而本发明的外固定器结合了柔性运动副和刚性运动副各自的优势，实现了刚柔耦合取长补短，能够改变刚度大小和方向，另外，本发明功能上的实现源自于构型上的创新，采用改变子机构的姿态，改变整体机构的约束，实现自由度方向的改变。

2、传统的外固定器在调节刚度大小时，容易触碰钢针而引发针道感染。而本发明通过机构的合理布局，使得只需调节外固定器的内部构件就能实现调节刚度的功能。调节时外部构件保持静止状态，能够避免触碰钢针而引发针道感染。

附图说明

图1为本实施例的立体结构示意图(虚线框代表四分之一机构)。

图2为本实施例的内部机构的立体结构示意图。

图3本实施例的四分之一机构的立体结构示意图。

图4本实施例的四分之一机构的一个自由度平面示意图。

图5本实施例的外固定器的平动自由度方向示意图。

图6本实施例驱动电机后的四分之一机构的一个自由度平面示意图。

图7本实施例驱动电机后的外固定器的平动自由度方向示意图。

图中：

1-四分之一机构、2-近端骨头、3-移动环、4-顶环、5-连接环、6-底座、7-远端骨头、8-骨痂、9-钢针、10-钢针座、11-定位杆、12-电机、13-电机座、14-八分之一机构、15-柔性转动副、16-刚性转动副、17-平行簧片调整板、18-安装孔、19-平行簧片机构、20-交叉簧片机构、21-一个自由度平面、22-柔性平动副移动方向线、23-平行簧片调整块、24-平行簧片、25-活动件、26-铰接件、27-弹簧片、28-交叉簧片调整块、29-转动件、30-连接件、31-朝向标志面、32-外固定器的平动自由度方向。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1、2所示，辅助下肢骨折愈合的变刚度外固定器是一种具有单自由度的平动机构，包括内部机构和外部机构。

内部机构套设在骨头外，包括由上至下布置的移动环3、定位杆11和连接环5，定位杆11两端分别固接于移动环3和连接环5，优选为一体成型。

外部机构包括4个相同的子机构(以下称四分之一机构1)，呈十字型均匀分布在内部机构外。每个四分之一机构1设有顶环4、电机座13和底座6。电机座13上下两端分别固接于顶环4和底座6。顶环4套设于移动环3外。

4个四分之一机构1对称布置，垂直安装在底座6上，顶环4水平安装在4个四分之一机构1的顶部；移动环3和连接环5均保持水平通过螺栓连接，连接环5通过如图3所示的安装孔18分别与4个四分之一机构1固定。

骨折后的骨头以骨折处为界，分成两段，包括近端骨头2和远端骨头7。钢针9分别打入骨折处的近端骨头2和远端骨头7。近端骨头2上的钢针9通过钢针座10固定在移动环3上，远端骨头7的钢针9通过钢针座10固定在底座6上，从而整个外固定器就与骨头“并联”，可以起到承担载荷的作用。

如图3所示，每个四分之一机构1均间隔设有两个相同的八分之一机构14。

八分之一机构14设有平行簧片机构19和交叉簧片机构20。

如图4所示，平行簧片机构19包括平行簧片调整块23、平行簧片24和铰接件26。平行簧片调整块23卡在平行簧片24和平行簧片调整板17之间，其一端部有螺纹，可以借助螺栓锁紧其在平行簧片24和平行簧片调整板17的位置。图3所示的安装孔18贯穿平行簧片调整板17和两个平行簧片24，通过螺栓螺母把平行簧片调整板17、平行簧片24和连接环5固定在一起。平行簧片24的另一端固定在铰接件26。交叉簧片机构20中活动件25的圆柱部分通过轴承和铰接件26相连，形成刚性转动副16；转动件29与电机座13保持水平布置，转动件29与电机12轴固定连接。

交叉簧片机构20包括转动件29、连接件30、弹簧片27、活动件25和交叉簧片调整块28。两个弹簧片27交叉固定在活动件25和连接件30之间，且两个弹簧片27之间留有间隙。交叉簧片调整块28卡在连接件30和弹簧片27之间，其一端可以借助螺栓锁紧其在连接件30和弹簧片27的位置。连接件30和转动件29固定在一起。由于弹簧片27固定在两个刚性较强的部件上，受外力作用时，主要是弹簧片27发生变形，两个交叉布置的弹簧片27能被近似看作绕其交叉轴线旋转的柔性转动副15，如图3所示，所以交叉簧片机构20可以看作是活动件25和连接件30之间的柔性转动副15。同理，平行簧片机构19可以近似看作成沿着两个平行簧片24平面法向运动的柔性平动副。因此，平行簧片机构19可以被近似当作铰接件26和连接环5之间的柔性平动副。

进一步，由于交叉簧片机构20与平行簧片机构19能被近似当作柔性运动副，在给定电机12的转角之下，四分之一机构1具有一个柔性平动副、两个柔性转动副15以及两个刚性转动副16。根据运动与约束的关系，四分之一机构1具有两个平动的自由度，组成一个自由度平面21，该自由度平面包含柔性平动副移动方向线22且平行转动件29的朝向标志面31的平面。根据机构并联的特性，本实施例的外固定器的自由度将是所有四分之一机构1的自由度平面的交集。在满足上述提到的几何约束的前提下，4个四分之一机构1的柔性自由度平面相交为空间中的一条直线，也即是外固定器的平动自由度方向32。

进一步，由于外固定器的平动自由度方向32为各个四分之一机构1的自由度平面的交集，通过控制各四分之一机构1的自由度平面，即可控制外固定器的自由度。由于刚性转动副16的轴线和电机12的转动轴线重合，如图5所示，通过驱动电机12可以带动交叉簧片机构20转动，而平行簧片机构19位置不发生变化，但转动件29上的朝向标志面31发生了变化，使得四分之一机构1的自由度平面发生改变。通过驱动其他四分之一机构1上的电机12，改变它们的自由度平面，就可以大范围控制整个外固定器的自由度。

进一步，改变外固定器的自由度，即改变它发生变形的方向，也即改变它的刚度方向。另外，驱动电机12转动只改变交叉簧片机构20的角度，不会改变平行簧片机构19的位置和姿态。所以驱动电机12改变外固定器刚度方向的过程，平行簧片机构19处于静止。因此不会影响内部机构而触碰到钢针9，避免了针道松动引起感染。

进一步，可以调节平行簧片调整23和交叉簧片调整块28的位置，改变相应簧片的有效长度，从而改变外固定器的变形大小，也即改变刚度大小。调节平行簧片调整块23和交叉簧片调整块28的位置，不会影响内部机构而触碰到钢针9，避免了针道松动引起感染。

进一步，本实施例的外固定器通过调节机构内部构件实现改变刚度大小和方向的功能。患者在进行康复锻炼时(站立或者慢走)，相当于在近端骨头2和远端骨头7分别施加一个轴向力；在轴向力的作用下，连接环5受到各个四分之一机构1的约束，会产生沿外固定器的平动自由度方向32的微运动，带动内部机构运动；进而使得近端骨头2发生微运动。适当的微运动会带来适当的应力刺激，根据应力刺激促进骨组织增殖和分化理论，可以促进骨折处长出的骨痂8尽快向成熟骨转化。

微运动的大小和方向由外固定器的刚度大小和方向决定。通过调节外固定器的刚度，患者在骨头不同的生长阶段受到适当的微运动，也即适当的应力刺激；根据骨科中的应力刺激促进骨组织增殖和分化理论，应力刺激能促进骨折愈合。所以本实施例的外固定器能实现辅助下肢骨折愈合的目的。

本实施例的外固定器实现变刚度的步骤为：

获取适当的微运动，根据微运动，得到需要的刚度方向和大小；

解算出各个四分之一机构1的自由度平面和各个簧片调整块的位置；

根据各个四分之一机构1自由度平面的方向解算出对应朝向标志面31的方向；

控制电机12转动使得交叉簧片机构20到达目标朝向标志面31的位置；

移动簧片调整块到目标位置。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种辅助下肢骨折愈合的变刚度外固定器，其特征在于：包括环设于骨头外且和骨头固接的内部构件；

内部构件外套设有外部构件；

外部构件包括以内部构件为中心均匀环绕分布的4个子机构；

每个子机构均设有电机、电机座、活动件和连接件；

电机座固接于内部构件；

电机固接于电机座，用于驱使活动件在电机座上转动；

活动件与内部构件之间通过柔性平动副连接；

连接件设于活动件一侧，连接件与活动件之间通过柔性转动副连接；

4个子机构的柔性自由度平面相交为空间中的一条直线，即外固定器的平动自由度方向。

2.按照权利要求1所述的一种辅助下肢骨折愈合的变刚度外固定器，其特征在于：内部构件包括移动环、定位杆和连接环，定位杆两端分别固接于移动环和连接环，移动环固接于骨头，连接环与活动件之间通过柔性平动副连接。

3.按照权利要求2所述的一种辅助下肢骨折愈合的变刚度外固定器，其特征在于：活动件与内部构件之间的柔性平动副为平行簧片机构，平行簧片机构包括两个平行簧片，平行簧片的一端固接于连接环，平行簧片的另一端铰接于活动件，连接环穿设于两个平行簧片之间。

4.按照权利要求3所述的一种辅助下肢骨折愈合的变刚度外固定器，其特征在于：两个平行簧片之间设有平行簧片调整板，平行簧片调整板、两个平行簧片和连接环通过螺栓螺母固接。

5.按照权利要求4所述的一种辅助下肢骨折愈合的变刚度外固定器，其特征在于：平行簧片和平行簧片调整板之间卡接有平行簧片调整块。

6.按照权利要求4所述的一种辅助下肢骨折愈合的变刚度外固定器，其特征在于：平行簧片固接有铰接件，铰接件与活动件之间铰接形成刚性转动副，刚性转动副和电机的转动轴线重合。

7.按照权利要求1所述的一种辅助下肢骨折愈合的变刚度外固定器，其特征在于：活动件与连接件之间的柔性转动副为交叉簧片机构，交叉簧片机构包括两个交叉布置的弹簧片，每个弹簧片的两端分别固接于活动件和连接件。

8.按照权利要求7所述的一种辅助下肢骨折愈合的变刚度外固定器，其特征在于：连接件和弹簧片之间卡接有交叉簧片调整块。

9.按照权利要求7所述的一种辅助下肢骨折愈合的变刚度外固定器，其特征在于：电机座上设有转动件，电机驱动转动件转动，连接件固设于转动件。

10.按照权利要求9所述的一种辅助下肢骨折愈合的变刚度外固定器，其特征在于：转动件上设有朝向标志面。

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