CN1389182A

CN1389182A - 计算机控制骨折整复外固定系统

Info

Publication number: CN1389182A
Application number: CN02123993A
Authority: CN
Inventors: 刘占国; 鲍卫平
Original assignee: Individual
Current assignee: HARBIN SHOUCHUANG MINIMALLY INVASIVE ORTHOPEDIC MEDICAL EQUIPMENT CO Ltd
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2003-01-08
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: CN1167386C

Abstract

一种计算机控制骨折整复外固定系统,它由计算机组合装置分别与X光机、传感器、两个变速箱相连,变速箱又和相应的软轴、手动按钮功能显示灯相连,整复外固定器分别与传感器、两个软轴相连组成。本系统可远程遥控方式通过计算机操作完成骨折三维六自由度精确整复,整复自动化程度高可达到光机电一体化,降低了医生的劳动强度,并使医生避开了X射线伤害,提高接骨精度和速度,减轻了患者痛苦,缩短了骨伤愈合周期。对开放、闭合型的单一骨折及粉碎性骨折均可使用,整复功能全,固定效果牢。

Description

计算机控制骨折整复外固定系统

技术领域：

本发明涉及一种外科接骨器械，尤其是涉及一种外科外部接骨器械以用于整复接骨。

背景技术：

传统上治疗人体长骨骨折，一直延用着手工整复接骨的方法，其固定方法有经手术钢板内固定，和不经手术的外固定方法，如石膏固定法，小夹极固定法、新材料涂层法。以上方法均难以保证骨折整复的精度和固定的稳定性，易产生感染、骨不连病症，骨折治愈率较低。

目前国际上主张骨折外固定的呼声较高，并已有多种外固定器问世，如：HJIn3APOB，KRONER与FISHER外固定器均为手动器械，且只有固定功能，不具备整复功能。经查阅国内外专利文献，近年来在骨外固定器研究方面有新的进展，如一种为三环支柱式结构，带有电机操作组件，可简单遥控操作的整骨系统。此系统设计形式有新意，但是，其具体实现存在问题较多：1.其固定器的三个环均为上、下两半合成，其齿圈和蜗轮的接合部经常发生卡滞现象，尤其两个拉伸环的(直齿、蜗齿)复合型齿圈只能用金属制造，与蜗杆啃咬严重，既遮挡X射线，又显粗笨沉重；2.其旋转环与四个柱的连接是紧固死的，在往人肢体上安装时困难较大，仅依靠拉伸环来调整间距十分缓慢，费时费力；3.其旋转环没有安全限位装置，在遥控操作方式极易造成旋转过度，对肢体造成二次伤害；4.其移位器及悬臂式附加器，从其设计和安装使用部位上看，是通过肢体表皮、肌肉施加压力给骨干，使该段骨在Y轴上位移，然而这个动作与环外侧的骨针调整架的作用是相矛盾的，这种错误动作极易对软组织造成伤害，其安装方法及部位即不能与旋转同步，也不能与拉伸同步，当其顶板及附加器施加于肢体时，如此时有旋转或拉伸及压缩动作，软组织立即会被划伤；5.从该外固定器的竖面上分析，根本没有提到和解决折骨的竖面(Z轴)成角问题，由此推测其遥控整复无法完成，是设计上的严重失误；6.安装于两环外侧的骨针调整架，其万向球应该是起固定骨针作用的，而球孔与骨针之间是滑动的，其固定作用无法令人信服，其调整动作自然也是不可靠的；7.该固定器使用的是普通圆骨针，其串针的问题依然存在，因此其固定效果也不可靠，串针又极易造成针道感染；8.在临床肢体骨折的整复过程中，常常需要对远端骨作横向移位，该固定器没有此项功能；9.其手扣式骨针夹固器在设计上问题较多：如其架体为平直型，严重侵占了圆筒形外固定器的内部空间，与肢体位置空间重叠，实际上很难使用；其次，其固定骨针的手段不科学，以两根螺钉来夹住骨针是不可靠的，此环节是外固定的关键所在，术后此处一旦松动或走位，后果不堪设想；10.其遥控操作的电机、减速箱的直插方式使其固定器外观复杂而庞大，使用极不方便；所提到的软轴连接方式并没有具体实施方案。11.电脑部分：

我们在以前的专利中所提到的整复外固定器的控制部分，有无线控制和有线控制两种，有线控制部分：分简易控制和微机控制，但无论哪一种都仅仅是直接控制驱动电机的转动或停止，也就是整复外固定器的各功能动作的产生或停止。而这些动作的产生，需要非常熟悉整复外固定器工作原理的医生通过观看x光图像才能操作，而且极易产生误操作。对X光机的图像也仅能观测不能处理，如把整复的前后过程的图像保存等。

发明内容：

本发明的目的在于：设计一种计算机控制骨折整复外固定系统彻底改变以往手工经验型接骨的落后局面，采用先进的计算机数字控制和机械能传动技术使骨折整复及外固定达到了光机电一体化。该系统具有三维六个自由度的整复能力，优异的自锁功能使骨折整复与固定保持同步完成。该系统可根据不同的条件选择三种操作方式。其先进遥控操作方式，不仅接骨精度高、速度快，还使医生从繁重的手工操作中解放出来，同时也避开了X射线的伤害。该系统的外固定器术后调整十分方便，在骨延长术中应用十分突出。该系统的外固定器采用自行研制的螺纹骨针，该骨针其有固定牢固和不串针的特点，从而解决了国内外骨科界外固定针道感染的难题。该系统的外固定器全部采用高分子新材料注塑成型，生产过程没有“三废”污染。具有无毒、阻燃、耐高温(225C)坚硬、轻巧及不遮挡X射线的优点。该固定器可采用高压消毒。该固定器设计为一次性用品，可避免交叉感染，材料回收后可再生循环使用，即节省了资源，又不破坏环境。

本发明的再一个目的在于：提供一种可顺利实现每段骨折三维六个自由度的整复，通过骨针使骨折两端作拉伸、压缩、旋转、移位、调角、复位并能自锁固定的计算机控制骨折整复外固定系统，使折骨达到生理解剖位置。其中安装有应力传感器，使骨折轴向加压力度以数据形式精确显示，供临床医生参考、研究和应用，从而使骨折整复与固定更加科学和精确，提高了骨折愈合质量，缩短了愈合周期。

本发明的又一个目的是提供一种利用计算机控制系统来完成复杂而又繁琐的工作，使得医生的工作变得简单而又直观。其主要方法包括：X光机的图像信号直接进入控制计算机，处理平面图像为立体图像等各种图像的处理，由于X光机的图形信号已经进入计算机所以可实现远程异地操作成为现实；能在该骨骼图像上直接获取各功能的控制参数或手动设定控制参数实现各功能动作的自动完成；能自动检测非正常的和不合理的动作，并立即终止；为病人提供病例档案管理，使病人对病情的长期跟踪带来方便，使医生对病情的分析提供有效的数据；工作状态动态显示一目了然，人机对话界面友好操作更方便；提供一种直接的操作方式，该目的可使一些对电脑操作极不熟悉的医生提供的操作整复外固定器的方法。比以前的系统更方便、更安全；应力、扭力传感器，限位开关这些数据既能提供给医生作为参考，又能起到安全防范的目的。

本发明是这样实现的：它由X光机(又称X光信号机)、计算机组合装置、变速箱、转轴、传感器、整复外固定器组成的。其中计算机组合装置分别与X光机、传感器、两个变速箱相连；整复外固定器分别与传感器、两个软轴相连。变速箱和相应的软轴相连。变速箱还和相应手动按钮功能显示灯连。计算机组合装置包括：计算机、打印机、鼠标、键盘、采集卡、A/D卡、I/O卡、限位开关，其中，计算机分别连打印机、鼠标、键盘、采集卡、A/D卡、I/O卡。变速箱与手动按钮功能显示灯连接，I/O卡分别连变速箱和限位开关，A/D卡又连应力、扭力传感器，采集卡连X光机。整复外固定器包括；拉伸环旋转环、全螺纹接杆、螺纹连接桩、螺纹骨针、骨针调整架、手扣式骨针调整架、骨针调节器、横向移位器，其中，整复外固定器为两环四螺纹连接杆框架结构，左环为旋转环，主要由蜗轮蜗杆组成。右环为拉伸环，主要由蜗轮、蜗杆、四小齿轮和全螺纹连接杆组成。并构成复合螺纹幅；有与拉伸环的外环相连接的螺纹连接桩；有由壳体、蜗杆、蜗轮、螺杆、提升臂组成的远近端骨针调整器；在骨针调整架上安装测力传感器；由弧形槽式架体、骨针固定子、夹块、固定螺栓、固定螺母组成的手扣式骨针固定架；有由壳体、拉杆、装针座组成的横向移位器；有由壳体、拉杆、复合装针座组成的骨针调整架；有一端带有凹槽的全螺纹连接杆。所述计算机控制骨折整复外固定系统有两种控制方式即普通的控键方式和计算机控制方式。并应用了中间具有凸螺纹骨针的整复外固定器，由拉伸环四根全螺纹连接杆组成并沿X轴作拉伸或压缩动作；由旋转环的齿圈及齿圈上两骨针调整架组成并经过螺纹骨针作顺时或逆时针方向的旋转；由横向移位器结合旋转圈上两骨针调整架，使螺纹骨针作Y轴的横向移动；由远、近端骨针调整器依托旋圈和全螺纹连接杆经骨针作Z轴的升、降动作；由拉伸环上两骨针调整架经螺纹骨针作Z轴的调角或移位动作；由旋转环齿圈上两骨针调架经螺纹骨针作X轴的调角或移位动作；所述的系统应用变速箱及软轴将计算机与外固定器相互连接，由计算机发出指令给变速箱，并将变速箱产生的转矩，施加于外固定器，从而达到遥控接骨的目的。

本发明的积极效果在于：1.可以远程遥控方式，通过微机操作完成骨折三维六自由度精确整复，整复自动化程度高；本发明达到了光机电一体化，自动化程度较高，从而降低了医生的劳动强度，使医生避开了X射线伤害，提高了接骨精度和速度，减轻了患者痛苦，能提高骨伤治愈，缩短了骨伤愈合周期；2.本发明优异的调整功能，在骨延长术中应用优势突出；3.对开放、闭合型的单一骨折及粉碎性骨折均可使用，整复功能全，固定效果牢靠；4.本发明的外固定器组件均采用高分子新材料注塑成形，具有美观、轻巧、坚固、无毒、阻燃、耐高温(225℃)、不遮挡X射线的优点；5.本发明的产品为一次性使用，避免了交叉感染，材料回收可再生循环使用，即节约了资源，又不污染环境；6.本发明采用中间有凸螺纹的骨针进行了整复与固定，调整的可靠性及固定的牢固性得到保证，具有不串针、针道不感染的特点。7.用该系统完成整复外固定器各功能的动作：使整复外固定器复杂的调整变为简单的鼠标操作；在所述的X光信号的引入并进行的骨骼图像的处理；在所述的自动设定调整参数和手动设定调整参数，并自动完成该功能的动作；在所述的传感器的参数显示，安全防护措施；在所述的屏幕显示的各种内容；如病人图像，档案管理；能实现远程控制操作；将整复外固定器同时接上压力、扭力传感器，限位开关并把信号通过A/D卡引入计算机就能用各种功能软件模块实现上述动作。

附图说明：

图1是本发明的外固定器结构示意图。

图2是本发明的旋转环结构剖视示意图。

图3是本发明的手扣式骨针固定架剖视示意图。

图4是本发明的近端骨针调整器剖视示意图。

图5是本发明的拉伸环结构剖视示意图。

图6是本发明的拉伸环骨针调整架剖视示意图。

图7是本发明的远端骨针调整器剖视示意图。

图8-1是本发明的横向移位器剖视示意图。

图8-2是本发明的横向移位器俯视示意图。

图9是本发明的旋转环骨针调整架剖视示意图。

图10是本发明的系统结构框图。

图11是本发明控制计算机组合装置结构框图。

图12是本发明的程序框图。

图13是系统面板和CRT显示图。

具体实施方式：

如图1和图5所示：该整复外固定器为两环与四根全螺纹接杆相连接。右环5为拉伸环，其结构有外环5-1、齿圈5-2、蜗杆5-3，四个小齿轮5-4，其中外环上装有一对骨针调整架6，骨针即安装于骨针调整架上。原理是：蜗杆与齿圈相啮合，齿圈与四个小齿轮相啮合，四小齿轮的内螺纹与四根螺纹杆组成螺纹幅，当蜗杆输入转矩时，使右环沿四根连接杆移动，并通过骨针调整架带动骨针作X轴移动。从而达到拉伸或压缩的目地。

如图2所示左环为旋转环：其结构有外环2-1、齿圈2-2、蜗杆2-3。外环上有四个孔与四根连接杆相接，并由四对螺母将外环夹固在四根全螺纹接杆上。齿圈上装有一对骨针调整架9，还装有远端骨针调整器7。其中骨针调整架上安有横向移位器8。连接杆远端安装有旋转限位开关15。当蜗杆输入转矩时，齿圈转动，带动骨针调整架上的骨针旋转，同时也带动横向移位器8和骨针调整器7同步旋转，当转到一定角度时，限位开关断开，起到旋转保护作用。

如图3所示：为手扣式骨针固定架，该架由弧形槽式架体3-1、骨针固定子3-2、夹块3-3、固定螺栓3-4及固定螺母3-5组成。该架可将骨针作任意角度的固定。

如图4所示：为近端骨针调整器，其构造、功能与远端骨针调整器7相同，只是连接部位不同，由手扣式固定架体4-1固定于靠近拉伸环5上部的两根螺纹连接桩及长连杆上，对近端骨针作Z轴的运动。

如图6所示：为拉伸环骨针调整架(一对)，有壳体6-1、拉杆、6-2、复合装针座6-3、固定螺母6-4组成。该对骨针调整架将螺纹骨针7固定，并能使该骨针的两端作X轴和Z轴的移位和调角。

如图7所示：为远端骨针调整器，由槽柱7-1壳体7-2、蜗杆7-3蜗轮7-4、蜗纹柱7-5及提升臂7-6组成。该调整器由一根槽柱插接于旋转环2齿圈定位孔内，并与此环齿圈同步转动。该调整器的提升臂与骨针10相连接，当蜗杆输入转矩时，蜗轮转动并以内螺纹与螺纹柱组成螺纹幅，带动提升臂骨针作Z轴运动。

如图8所示：为横向移位器，由叉形支架8-1、壳体8-2、拉杆8-3、装针座8-4及固定螺母8-5组成。该移位器安装于16的骨针调整架装针座上。拉杆螺纹与其装针座构成螺纹幅，其装针座将螺纹骨针1固定，当拉杆输入转矩时，带动骨针作Y轴运动。

如图9所示；为旋转环骨针调整架(一对)，由壳体9-1、拉杆9-2、装针座9-3、固定螺母9-4组成。该对骨针调整架将螺纹骨针1固定〔当横向移位器8工作时，此对调整架两固定螺母应放松〕，并能使该骨针的两端作X轴的平面调角。手扣式螺纹骨针固定架12，其结构与图3基本相同，不同点是其夹块的小夹孔内有螺纹，可与螺纹连接桩14夹固在一起，又能在全螺纹连接杆13上滑动。当拉伸环5作X轴运动时，该固定架带动骨针与其同步同向运动。

如图11所示：为计算机组合装置的硬件结构图。X光机的图像信号通过电缆连到采集卡，采集到的图像信号，送入控制计算机主机板。应力、扭力传感器，通过A/D卡，连到主机板。A/D卡有放大、标定、调零、模拟量到数字量的变换等功能。变速箱、限位开关、通过I/O卡，连到主机板，主机板同时还连到打印机、鼠标、键盘。

如图12所示：控制计算机的中央处理器是该系统的核心，负责软件处理。在软件方面。一.它完成X光的图像采集、图像处理、图像显示、图像测定、图像存储和病人的病例档案管理，提供友好的人机对话操作界面等。二.完成各种传感器及I/O口的数据采集，分析处理，六个电机的驱动或停止命令。三.安全保证措施，通过某种功能的时间设定和对传感器的检测来防止各种意外发生。由软件框图12可进一步说明软件的功能模块。

如图13所示：本方法的实际屏幕效果：(1)是个功能菜单，完成各功能界面的切换。(2)实时状态显示，它的作用是显示某功能正在工作状态，如时间、长度。(3)各功能选择，整复外固定器各功能是通过观测X光图像，做出是拉伸还是旋转等功能选择，而且仅能选一项。(4)各功能参数设定，当某功能选好之后就要给定参数，或用鼠标抓取参数(5)X光图像，既是X光的图像等同的窗口(6)已保存的X光图像四个，当在整复过程中可把整个过程中的几个阶段可分别保存起来。启动、停止按健(7)，以上所述完成之后需要按启动命令方能工作，停止按健是立即停止当前正在运行的工作。

本方法的直接操作式是由按健和指示灯组成。当某功能健按下时，控制计算机接收到该命令，同时发出该功能指令，一旦该电机驱动电压产生时，该指示灯点亮。指示灯的作用是指示该功能正在执行。

本发明应力传感器有两个作用，一.是防止操作不慎造成二次创伤，二.是给医生提供骨骼间的受力情况。扭力传感器的作用是检测各功能软轴转动是否顺畅，如有问题立即停止驱动并提示医生检查后方可继续工作。位开关是防止旋转过量，当达到限制位置时，立即切断该功能的命令。打印机是图片、病例、文档输出设备。键盘、鼠标是，人机对话设备。控制计算机是完成整复外固定器整个自动、半自动化工作过程的电脑控制操作平台，并为医生提供清晰的骨骼图像。控制计算机来完成复杂而又繁琐的工作，使得医生的工作变得简单而又直观。其主要方法包括：X光机的图像信号直接进入控制计算机，处理平面图像为立体图像等各种图像的处理，由于X光机的图形信号已经进入计算机所以可实现远程异地操作成为现实；能在该骨骼图像上直接获取各功能的控制参数或手动设定控制参数实现各功能动作的自动完成；能自动检测非正常的和不合理的动作，并立即终止；为病人提供病例档案管理，使病人对病情的长期跟踪带来方便，使医生对病情的分析提供有效的数据；工作状态动态显示一目了然，人机对话界面友好操作更方便；提供一种直接的操作方式，该目的可使一些对电脑操作极不熟悉的医生提供的操作整复外固定器的方法。比以前的系统更方便、更安全；应力、扭力传感器，限位开关这些数据既能提供给医生作为参考，又能起到安全防范的目的。

Claims

1.一种计算机控制骨折整复外固定系统，它包括：计算机组合装置、变速箱、整复外固定器，其特征在于：它还包括：软轴、传感器、X光机、手动按钮功能显示灯；其中，计算机组合装置分别与X光机、传感器、两个变速箱相连，变速箱又和相应的软轴、手动按钮功能显示灯相连，整复外固定器分别与传感器、两个软轴相连。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的计算机组合装置的计算机分别连打印机、鼠标、键盘、采集卡、A/D卡、I/O卡。变速箱与手动按钮功能显示灯连接，I/O卡分别连变速箱和限位开关，A/D卡又连应力、扭力传感器，采集卡连X光机。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述整复外固定器为两环四螺纹杆连接杆框架结构，左环为旋转环，主要由蜗轮、蜗杆组成；右环为拉伸环，主要由蜗轮、蜗杆、四小齿轮和全螺纹连接杆组成，并构成复合螺纹幅；有与拉伸环的外环相连接的螺纹连接桩；由壳体、蜗杆、蜗轮、螺杆、提升臂组成的远近端骨针调整器；在骨针调整架上安装测力传感器；由弧形槽式架体、骨针固定子、夹块、固定螺栓、固定螺母组成的手扣式骨针固定架；有由壳体、拉杆、装针座组成的横向移位器；有由壳体、拉杆、复合装针座组成的骨针调整架；有一端带有凹槽的全螺纹连接杆，并应用了中间具有凸螺纹骨针。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的系统控制方式为两种即：普通的控键方式和计算机控制方式。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述整复外固定器采用坚固、无毒、阻燃、耐225℃高温的材料制作，为一次性使用。