WO2019237513A2 - 基于六轴并联骨外固定装置的骨折康复评价方法 - Google Patents

基于六轴并联骨外固定装置的骨折康复评价方法 Download PDF

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宋轶民
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Description

基于六轴并联骨外固定装置的骨折康复评价方法 技术领域
本发明涉及骨科外固定技术领域，特别是涉及一种使用六轴并联骨外固定装置固定骨折并量化评价骨折康复状况的方法。
背景技术
骨科外固定技术是使用六轴并联骨外固定装置固定骨折断端，并为骨折愈合提供合适力学环境的骨外科治疗手段。专利US6030386、US8439914和专利WO2011163406提出了一类六轴并联骨外固定装置，这类装置由六条拓扑结构完全相同的支链和两个固定环组成。医生使用金属骨针将两个固定环分别与患者骨折两端的骨块固定连接；六条支链通过两端的铰链与两个固定环相连接。按规律调节六条支链的长度，可生成两个固定环的六自由度相对运动，精确地矫正骨折的空间畸形、实现骨折复位；骨折复位后，保持支链的长度，六轴并联骨外固定装置维持骨折断端的相对稳定。这类六轴并联骨外固定装置兼具复位和固定骨折断端的功能，具有广阔的应用前景。
骨折康复的过程中，患者携带六轴并联骨外固定装置进行康复训练活动，刺激骨折断面附近的骨痂愈伤组织生长、促进骨折愈合，并防止肢体关节的僵化。骨折完全康复后，需要及时地拆除六轴并联骨外固定装置，避免肢体功能受损、减少患者的身体和心理负担。如何有效评价骨折康复状况是确定六轴并联骨外固定装置合理拆除时机的关键。现有的骨折康复状况评价方法主要分为定性评判(例如，活动观察法、X射线影像观察法和超声波影像观察法等)和定量评价(例如，骨载荷测量法和骨痂刚度估算法)两类。定量评价方法具有更准确的判断效果，但往往需要骨外固定装置替换为专用设备。例如，专利US5873843和US5437668提出了一类使用骨骼承担的载荷评价康复状况的方法，主要包括：将原始固定骨折的外固定装置沿骨骼轴线方向的支柱拆除，替换为一根或多根柱状的力检测装置，形成与骨骼并联分担肢体轴向载荷的状态；测量患者肢体承担的总载荷，减去力传感装置反馈的器械承担载荷，计算骨骼承担的载荷；以骨骼承担载荷和肢体承担总载荷的比例为指标，反映骨骼的承载能力，评价康复效果。专利US5697165、EP1217960和US20130041288提出了一类基于骨痂刚度评价骨折康复状况的方法，主要包括：将原始固定骨折的外固定装置沿骨骼轴线方向的支柱拆除，在患肢贴近骨折部位的一侧，安装一根可检测平面/空间形变量的装置；向患肢施加一定量的载荷，测量骨折断端的相对形变量；借助载荷-形变关系计算骨痂组织的刚度，并以此为指标评价骨折康复的效果。这些骨折康复状况的定量评价方法主要存在如下问题：(1)需要拆除原有六轴并联骨外固定装置并安装专用检测设备，经济性和便捷性不高，且拆除支架时，可能会造成二次骨折；(2)基于骨载荷测量的评价方法采用较为粗糙的轴向加载模型和平均力计算方法，测量结果的精确性有待提高；(3)基于骨痂刚度估算的评价方法灵敏度不高，需要向骨折部位施加较大的载荷以检测出变形量进而估算骨痂刚度，而过大的载荷不利于骨折的康复，严重者会造成二次骨折。上述问题使骨折康复状况的定量评价方法难以应用于临床。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种在不造成二次创伤的前提下，可长期准确地检测患者骨折康复状况的基于六轴并联骨外固定装置的骨折康复评价方法。
本发明的基于六轴并联骨外固定装置的骨折康复评价方法，包括以下步骤：
步骤一、改装六轴并联骨外固定装置：
(1)准备六轴并联骨外固定装置的组成部件，包括近端固定环、远端固定环以及待连接在所述的近端固定环和远端固定环之间的第一支链、第二支链、第三支链、第四支链、第五支链和第六支链，每条支链由支链上端的第一虎克铰链、支链中部的驱动丝杠和支链下端第二虎克铰链构成；
(2)将六轴并联骨外固定装置的六条支链加装拉压力传感器，方法为：将所述的第一支链至第六支链的第一虎克铰链和驱动丝杠拆分，在二者之间同轴固定一个轴向力传感器；
(3)将六个力传感器分别通过信号线缆与一个传感信号变送设备连接；
(4)通过金属骨针及骨针连接零件，将近端固定环、远端固定环与骨折部位的近端骨块和远端骨块分别固定连接；
(5)将加装力传感器后的第一支链至第六支链的两端分别与近端固定环和远端固定环连接；
步骤二、调节六轴并联骨外固定装置以复位骨折畸形，步骤为：获取复位骨折畸形所需的六轴并联骨外固定装置调节方案，并按照所述的调节方案调整六条支链的长度，复位骨折畸形；完成骨折复位后，锁定六条支链的长度、固定骨折部位；
步骤三、识别标记物及骨折骨块的空间位置：
(1)在所述的近端固定环的内圈连接孔上沿圆周方向均匀间隔安装第一标记物、第二标记物和第三标记物，在远端固定环的内圈连接孔上沿圆周方向均匀间隔安装第四标记物、第五标记物以及第六标记物；所述的第一标记物至第六标记物具有相同的结构，分别包括一个标记球体和连接销轴；每一个所述标记物通过连接销轴下端的轴体插入近端固定环或远端固定环的内圈连接孔形成固定连接；所述的标记球体使用金属材料，所述标记物销轴使用塑料材料加工；
(2)使用医学CT影像设备对患者骨折部位及六轴并联骨外固定装置进行扫描，并经过三维重建和处理后得到包括骨折近端三维实体、骨折远端三维实体、第一三维球体、第二三维球体、第三三维球体、第四三维球体、第五三维球体和第六三维球体的三维图像，并存储于所述的计算机系统中；
(3)操作者观察计算机系统中的三维图像，并在计算机系统的软件界面中手工指定骨干的轴线，然后将标记物拆除；
步骤四、依照临床领域常用的骨折康复阶段划分方法，基于骨组织生长情况将康复阶段划分为血肿机化期、原始骨痂期和骨痂改建期三个阶段。将所述的血肿机化期和原始骨痂期称为第一时期，将所述的骨痂改建期称为第二时期；
步骤五、患者的骨折康复处于第一时期时，按照以下步骤对六轴并联骨外固定装置进行微调，并指导患者进行康复训练：
(1)计算六轴并联骨外固定装置的预紧载荷，步骤为：
(a)患者采取无负重坐姿，通过六个所述的力传感器分别检测第一支链至第六支链各自承担的支链 预紧力f pr,i,(i＝1～6)，然后，六个力传感器将各个支链预紧力信号通过传感信号变送器无线传输至所述的计算机系统；
(b)所述的计算机系统针对步骤三获得的三维图像，采用球面拟合算法自动识别所述的第一三维球体至第六三维球体的六个球心坐标；采用空间几何算法，分别使用第一三维球体、第二三维球体和第三三维球体的球心坐标，识别与近端固定环上表面重合的平面Puv，以近端固定环上表面的几何中心点为坐标系原点P，以原点至第一三维球体球心在平面Puv的投影点构成的矢量为坐标轴
Figure PCTCN2018102721-appb-000001
以过点P且平行于平面Puv法向量方向的矢量为坐标轴
Figure PCTCN2018102721-appb-000002
按照右手定则建立与近端固定环固定相连的近端坐标系P-uvw；分别使用第四三维球体、第五三维球体和第六三维球体的球心坐标识别与远端固定环上表面重合的平面Oxy，以远端固定环上表面的几何中心点为坐标系原点O，以原点至第四三维球体球心在平面Oxy的投影点构成的矢量为坐标轴
Figure PCTCN2018102721-appb-000003
以过点O且平行于平面Oxy法向量方向的矢量为坐标轴
Figure PCTCN2018102721-appb-000004
按照右手定则建立与远端固定环固定相连的远端坐标系O-xyz；使用坐标系P-uvw和坐标系O-xyz确定六轴并联骨外固定装置的空间位置与姿态；
(c)所述的计算机系统借助并联机构运动学算法，由六轴并联骨外固定装置的空间位置与姿态计算第一支链至第六支链各自的空间轴线单位矢量n i,(i＝1～6)，然后计算轴线单位矢量n i,(i＝1～6)相对于近端坐标系P-uvw原点的单位预紧力螺旋
Figure PCTCN2018102721-appb-000005
然后通过公式(1-1)计算得到六轴并联骨外固定装置六条支链的合力提供给所述的骨折部位近端骨块和远端骨块之间的预紧力螺旋：
Figure PCTCN2018102721-appb-000006
式中，f pr表示预紧力螺旋
Figure PCTCN2018102721-appb-000007
的线性力分量，τ pr表示预紧力螺旋
Figure PCTCN2018102721-appb-000008
的力偶分量。将预紧线性力螺旋的线性力分量f pr沿步骤三指定的骨干轴线方向分解，得到骨干轴向预紧力F f,pr，将所述的预紧力偶τ pr沿垂直于骨干轴线的方向分解，得到骨干侧向预紧弯矩M f,pr；
(2)计算骨折断端承载面积：所述的计算机系统采用图形化软件界面显示步骤三中存储于计算机系统的三维图像，操作者在所述的图形化软件界面中指定骨折断面附近的骨干横截面，计算机系统采用图形学求交算法，自动识别指定骨干横截面处皮质骨对应的环状图形区域，进而计算环状图形区域对应的骨折断端承载面积S b；
(3)计算骨折断面应力：操作者统计患者的年龄、性别、身高和体重等体格因素并输入至所述的计算机系统中，通过查询相关的骨折康复知识库信息，得到该体格因素下，有助于患者骨折愈合的许用轴向压应力σ e和许用侧向弯曲载荷M e。所述的计算机系统使用骨干轴向预紧力F f,pr和骨折断端承载截面积S b、采用公式(1-2)计算骨折断面的轴向压应力σ b：
Figure PCTCN2018102721-appb-000009
(4)分析骨折部位力学状况：在整个骨折康复第一时期中，计算机系统每日计算所述的骨折断面轴向压应力σ b和骨干侧向预紧弯矩M f,pr，分别与所述的知识库提供的许用轴向压应力σ e和许用侧向弯曲载荷M e比较，若患者的骨折断面轴向压应力σ b与许用轴向压应力σ e的比值在60％～120％范围内，并且患者的骨折断面的侧向预紧弯矩M f,pr与知识库的许用侧向弯曲载荷M e的比值小于120％，则保持该压应力σ b和侧向预紧弯矩M f,pr，然后进行步骤五中的步骤(6)；否则，进行步骤五中的步骤(5)；
(5)优化患者的康复策略：若所述的骨折断面轴向压应力σ b与许用轴向压应力σ e的比值大于120％，每次将第一支链至第六支链的长度同步伸长0.5mm，然后重复步骤五中的步骤(1)、(3)计算轴向压应力σ b，直至患者的骨折断面轴向压应力σ b与许用轴向压应力σ e的比值在60％～120％范围内方可停止伸长支链的长度；若所述的骨折断面轴向压应力σ b与许用轴向压应力σ e的比值小于60％，每次将第一支链至第六支链的长度同步缩短0.5mm，然后重复步骤五中的步骤(1)、(3)计算轴向压应力σ b，直至患者的骨折断面轴向压应力σ b与许用轴向压应力σ e的比值在60％～120％范围内方可停止缩短支链的长度；
若所述侧向预紧弯矩M f,pr与许用侧向弯曲载荷M e的比值大于120％，则每次将伸长弯矩方向内侧支链的长度伸长0.5mm、同时将弯矩方向外侧支链的长度缩短0.5mm，然后重复步骤五中的步骤(1)计算侧向预紧弯矩M f,pr，直至患者的骨折断面的侧向预紧弯矩M f,pr与知识库的许用侧向弯曲载荷M e的比值小于120％方可停止调节支链的长度；
(6)在每日重复步骤五中的步骤(3)评价断面力学状况的同时，计算机系统分析患者最近5日的骨折断面力学状况的变化情况，并向患者提供康复训练运动量的调整建议：若骨折断面的每日轴向压应力σ b相较前一日不断降低且累计降低幅度大于15％，则向患者建议适当进行一些站立及行走的活动；若骨折断面的轴向压应力σ b每日相较前一日不断增加且累计增加幅度超出15％，则向患者建议适当减少站立及行走的活动；若骨折断面的轴向压应力σ b在五日内变化幅度不超过15％，则患者的康复训练运动量较为合理，保持该运动量促进骨折的康复；
(7)根据临床的经验，当患者骨折断端的骨痂生长充分后，拍摄骨痂的X射线影像并加以分析，患者是否完成骨折康复第一时期的愈合；
步骤六、患者骨折康复处于第二时期时，采用如下步骤选择合适的时机拆除六轴并联骨外固定装置、完成骨折康复：
(1)建立六轴并联骨外固定装置刚度模型：将所述的六轴并联骨外固定装置划分为金属骨针子系统、固定环子系统和支链子系统，分别建立各个子系统的刚度矩阵；所述的计算机系统依据步骤五获得的六 轴并联骨外固定装置的空间位置与姿态，确定各所述子系统的空间相对关系，然后基于虚功原理和变形叠加原理将各所述子系统的刚度矩阵线性叠加，建立以刚度矩阵K fx描述的六轴并联骨外固定装置刚度模型；
(2)计算骨折康复二期载荷，步骤为：
(a)检测肢体轴向载荷，患者采取站立姿势，使用患肢底部布置的电子称量设备检测肢体轴向压力F lb，操作者将所述的轴向压力F lb输入计算机系统；通过六个力传感器分别检测站立姿势六轴并联骨外固定装置各支链的轴向力f ve,i,(i＝1～6)，六个力传感器然后将站立姿势下各个支链的轴向力信号通过传感信号变送器传输至计算机系统，根据公式(1-3)计算六轴并联骨外固定装置承担的站立姿势支架力螺旋：
Figure PCTCN2018102721-appb-000010
式(1-3)中f ve和τ ve分别表示站立姿势支架力螺旋
Figure PCTCN2018102721-appb-000011
的线性力分量和力偶分量；计算机系统将所述的站立姿势支架力螺旋的线性力分量f ve沿骨干轴线的方向分解，得到站立姿势支架轴向力F f,ve；然后采用公式(1-4)计算得到骨折部位承担的骨痂轴向康复力F b,ve：
F b,ve＝F lb-F f,ve           (1-4)
(b)检测肢体侧向载荷，步骤为：患者采取骨折肢体前伸的坐姿，使用布置在骨折肢体足底的电子称量设备检测肢体侧向弯曲力F bd，同时使用尺测量肢体从臀部与座椅支撑点至足底与电子称量设备支撑点之间的总长度d lb、以及从骨折断端至足底与电子称量设备支撑点之间的骨折断端悬距d fr，操作者将上述数据输入至计算机系统；通过六个力传感器分别检测六轴并联骨外固定装置各支链的轴向力f st,i,(i＝1～6)，六个力传感器然后将肢体前伸坐姿下各个支链的轴向力信号通过传感信号变送器传输至计算机系统，根据公式(1-5)计算六轴并联骨外固定装置承担的肢体前伸坐姿支架力螺旋：
Figure PCTCN2018102721-appb-000012
式(1-5)中f st和τ st分别表示肢体前伸坐姿支架力螺旋
Figure PCTCN2018102721-appb-000013
的线性力分量和力偶分量；计算机系统将所述的肢体前伸坐姿支架力螺旋的力偶分量τ st沿垂直于骨干轴线的方向分解，得到肢体前伸坐姿支架弯矩M f,st；然后使用以下表达式求解肢体前伸坐姿肢体弯矩M lb：
M lb＝(G-F bd)(d lb-d fr)               (1-6)
其中，G为患者骨折部位全下肢的重量，由计算机系统依据患者的体格因素查询知识库得到，F bd、d lb和d fr分别为本步骤测量得到的肢体侧向弯曲力、肢体总长度和骨折断端悬距；使用公式(1-7)计算得到骨痂侧向康复弯矩M b,st：
M b,st＝M lb-M f,st              (1-7)
(c)定义骨折康复量化指标：计算机系统基于步骤六的步骤(1)建立的六轴并联骨外固定装置刚度矩阵K fx，由所述站立姿势支架力螺旋
Figure PCTCN2018102721-appb-000014
和肢体前伸坐姿支架力螺旋
Figure PCTCN2018102721-appb-000015
使用公式(1-8)分别求解六轴并联骨外固定装置两端发生的相对线变形δr和相对角变形δθ，所述的相对线变形δr和相对角变形δθ等效于骨折部位的骨痂变形量：
Figure PCTCN2018102721-appb-000016
式中K fx -1表示所述的六轴并联骨外固定装置刚度矩阵K fx的逆矩阵；由所述的相对线变形δr、相对角变形δθ、骨痂轴向康复力F b,ve和骨痂侧向康复弯矩M b,st，使用公式(1-9)计算骨痂轴向变形能E b,ve和骨痂侧向变形能E b,st：
Figure PCTCN2018102721-appb-000017
由所述的相对线变形δr、相对角变形δθ、站立姿势支架轴向力F f,ve和前伸姿势支架弯矩M f,st，使用公式(1-10)计算外界载荷做功W t：
Figure PCTCN2018102721-appb-000018
将所述骨痂轴向变形能E b,ve与外界载荷做功W t的比值R ve作为轴向承载性能指标，将骨痂侧向变形能E b,st与外界载荷做功W t的比值R st作为侧向承载性能指标，将所述的轴向承载性能指标R ve和侧向承载性能指标R st定义为骨折康复量化评价指标；
(d)综合量化评价骨折的愈合效果：患者每日分早、中、晚三次采取步骤(a)至步骤(c)的方法，测算轴向承载性能指标R ve和侧向承载性能指标R st的数值；通过查询所述的骨折康复知识库信息，获得包括轴向承载性能阈值R ve,b和侧向承载性能阈值R st,b的患者骨折康复量化指标阈值。分别计算轴向承载性能指标R ve与轴向承载性能阈值R ve,b的比值λ ve、侧向承载性能指标R st与侧向承载性能阈值R st,b的比值λ st，若每日三次测得的所述比值λ ve≥85％且λ st≥85％，表示患者的骨折康复效果良好，可安全拆除六轴并联骨外固定装置；否则，需要继续携带支架进行骨折的康复，直至所测得康复量化指标符合要求。
本发明的有益效果是：
(1)在市售的各类六轴并联骨外固定装置的基础上，经简单改装即可实现骨折康复状况的实时在线评价，适用范围广、经济性好；
(2)评价骨折康复的过程不需要拆除原有的外固定装置，可有效避免二次创伤或再骨折的发生；
(3)使用基于能量分析的量化指标评价骨折区域的承载性能，精确可靠地反映骨折康复的状况、及时合理地指导六轴并联骨外固定装置的拆除；
(4)量化指标的测量和计算不需要采取施加指定载荷或检测微小变形量，操作方便快捷且误差小。
附图说明
图1是本发明的评价方法所采用的一种六轴并联骨外固定装置的原始结构示意图；
图2是图1所示六轴并联骨外固定装置的安装方法示意图；
图3是图1所示六轴并联骨外固定装置的支链的结构示意图；
图4A是在图1所示装置的支链加装圆柱型轴向力传感器的方法示意图；
图4B是在图1所示的装置加装S型轴向力力传感器的方法示意图；
图5是使用经加装传感器的外固定装置固定骨折部位的效果图；
图6是力传感器与传感信号变送设备通过信号线缆连接的结构示意图；
图7是在图1所示装置的近端固定环和远端固定环加装标记物的效果示意图；
图8是标记物的结构示意图；
图9是使用医学三维CT影像设备扫描与处理得到的一种包含骨折骨块与标记球体的三维图像效果图；
图10是本发明的骨折康复第一时期的康复方法流程框图；
图11是患者采取无负重坐姿检测外固定装置预紧载荷的方法示意图；
图12是一种计算骨折断端承载面积的三维图形化软件界面；
图13是本发明的骨折康复第二时期的康复方法流程框图；
图14A是患者采取站立姿势检测肢体轴向载荷的方法示意图；
图14B是患者采取站立姿势下外固定支架和骨折部位受力的几何关系示意图；
图15是患者采取骨折肢体前伸的坐姿检测肢体侧向载荷的方法示意图。
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。
本发明方法可以采用现有的六轴并联骨外固定装置并加以改装应用即可，所述的六轴并联骨外固定装置一般由两个固定环和六根长度可调节的支链构成。所述的六轴并联骨外固定装置的结构可以参考CN202365897、US6030386和WO2011163406等专利。
下面结合附图简要说明CN202365897中公开的六轴并联骨外固定装置的结构：
所述的六轴并联骨外固定装置包括近端固定环101、远端固定环102、第一支链103、第二支链104、第三支链105、第四支链106、第五支链107和第六支链108(见图1)。所述的近端固定环101和远端固定环102具有相同的环状结构，在所述的环状结构的外周壁上均匀间隔的设置有6个突出部位；在所述的环状结构上整周均匀间隔的开有轴线沿竖直方向的多个内圈连接孔，在所述的突出部位上均匀间隔 的开有轴线沿竖直方向的外圈连接孔。所述的内圈连接孔和外圈连接孔可以通过固定螺母/固定立柱与金属骨针连接，并通过金属骨针固定骨折骨块(见图5)。
在所述的近端固定环101和远端固定环102之间设置有结构相同的六条支链。支链的布置方式为，按照图2所示的方法，选择所述的近端固定环101上第二、第四和第六个突出部位上的外圈连接孔中分别位于两侧的外圈连接孔(共6个近端固定环101的外圈连接孔)，按顺序连接所述的第一支链103至第六支链108上端的铰链；选择所述的远端固定环上第一、第三和第五个突出部位的外圈连接孔中位于两侧的外圈连接孔(共6个远端固定环102的外圈连接孔)，按顺序连接所述的第一支链103至第六支链108下端的铰链；形成第一支链103至第六支链108整体沿圆周方向、相邻的支链呈折线状的布局，完成支链的连接。
所述的六条支链均由支链上端的第一虎克铰链301、支链中部的驱动丝杠302和支链下端第二虎克铰链303构成。如图3所示，所述的第一虎克铰链301具有绕自身十字轴结构的两个彼此垂直的轴线A 1和轴线A 2的转动自由度R 1和转动自由度R 2，通过近端连接螺栓304与近端固定环101连接后具有绕外圈连接孔的轴线A 3的转动自由度R 3；所述的驱动丝杠302可以将操作者旋转驱动螺母的操作310转换为沿丝杠轴线A 4方向的直线伸缩运动，具有沿丝杠轴线A 4方向的平动自由度P 1；所述的第二虎克铰链303具有绕自身十字轴结构的两个彼此垂直的轴线A 5、A 6的转动自由度R 5和转动自由度R 6，通过远端连接螺栓305与远端固定环102连接后具有绕外圈连接孔的轴线A 7的转动自由度R 7。操作者按照一定规律调节第一支链103至第六支链108的驱动丝杠302；改变支链的长度，可以形成近端固定环101与远端固定环102之间的六自由度相对运动，所述的相对运动带动骨折部位的近端骨块和远端骨块进行相对调节，实现骨折的复位。
本发明的基于六轴并联骨外固定装置的骨折康复评价方法，包括以下步骤：
步骤一、改装六轴并联骨外固定装置：
(1)准备现有的六轴并联骨外固定装置的组成部件，包括近端固定环101、远端固定环102以及待连接在所述的近端固定环101和远端固定环102之间的第一支链103、第二支链104、第三支链105、第四支链106、第五支链107和第六支链108，每条支链由支链上端的第一虎克铰链301、支链中部的驱动丝杠302和支链下端第二虎克铰链303构成；
(2)将现有的六轴并联骨外固定装置的六条支链加装拉压力传感器，方法为：将所述的第一支链103至第六支链108的第一虎克铰链301和驱动丝杠302拆分，在二者之间同轴固定一个轴向力传感器；如图4A、4B所示，所述的轴向力传感器可以采用市售的圆柱型轴向力传感器401或S型轴向力传感器402等形式，并借助内螺纹杆件410或外螺纹杆件411，分别与第一虎克铰链301下端的内螺纹和驱动丝杠302上端的外螺纹形成紧固连接。优选地，采用圆柱型轴向力传感器(以下简称力传感器)401加装于所述的六条支链中。
(3)将六个力传感器401a、401b、401c、401d、401e、401f分别通过信号线缆与一个传感信号变送设备601连接(见图6)。
(4)采用与原始六轴并联骨外固定装置相同的固定环安装方法，通过金属骨针及骨针连接零件，将近端固定环101、远端固定环102与骨折部位的近端骨块和远端骨块分别固定连接。
(5)采用与原始六轴并联骨外固定装置相同的支链连接方法，将加装力传感器401后的第一支链103至第六支链108的两端分别与近端固定环101和远端固定环102连接。
使用经过上述改装的六轴并联骨外固定装置固定骨折部位的效果如图5所示。
步骤二、调节六轴并联骨外固定装置以复位骨折畸形，步骤为：按照CN202365897或US5728095等专利提出的方法，获取复位骨折畸形所需的六轴并联骨外固定装置调节方案，并按照所述的调节方案调整六条支链的长度，复位骨折畸形；完成骨折复位后，锁定六条支链的长度、固定骨折部位。
步骤三、识别标记物及骨折骨块的空间位置：
(1)在所述的近端固定环101的内圈连接孔上沿圆周方向均匀间隔安装第一标记物701、第二标记物702和第三标记物703，在远端固定环102的内圈连接孔上沿圆周方向均匀间隔安装第四标记物704、第五标记物705以及第六标记物706(见图7)；所述的第一标记物701至第六标记物706具有相同的结构，分别包括一个标记球体801和连接销轴802(见图8)；每一个所述标记物通过连接销轴802下端的轴体插入近端固定环101或远端固定环102的内圈连接孔形成固定连接；所述的标记球体801使用金属材料，所述标记物销轴802使用塑料材料加工，使得标记球体801可以被一般的医学CT影像设备识别，而连接销轴802不会被识别。
(2)使用医学CT影像设备对患者骨折部位及六轴并联骨外固定装置进行扫描，并经过三维重建和处理后得到包括骨折近端三维实体901、骨折远端三维实体902、第一三维球体903、第二三维球体904、第三三维球体905、第四三维球体906、第五三维球体907和第六三维球体908的三维图像(见图9)，并存储于所述的计算机系统中。
(3)操作者观察计算机系统中的三维图像，并在计算机系统的软件界面中手工指定骨干的轴线910(见图9)。完成本步骤后将标记物拆除。
步骤四、依照临床领域常用的骨折康复阶段划分方法，基于骨组织生长情况将康复阶段划分为血肿机化期、原始骨痂期和骨痂改建期三个阶段。将所述的血肿机化期和原始骨痂期称为第一时期，将所述的骨痂改建期称为第二时期。
步骤五、患者的骨折康复处于第一时期时，按照以下步骤对六轴并联骨外固定装置进行微调，并指导患者进行康复训练(见图10)：
(1)计算六轴并联骨外固定装置的预紧载荷，步骤为：
(a)患者采取无负重坐姿(见图11)，通过六个所述的力传感器401a、401b、401c、401d、401e、401f分别检测第一支链103至第六支链108各自承担的支链预紧力f pr,i,(i＝1～6)，然后，六个力传感器401a～401f将各个支链预紧力信号通过传感信号变送器601无线传输至所述的计算机系统；优选的，传感信号变送器601传输至所述的计算机系统中的信号可以通过蓝牙协议无线传输。
(b)所述的计算机系统针对步骤三获得的三维图像，采用球面拟合算法自动识别所述的第一三维球体903至第六三维球体908的六个球心坐标；采用空间几何算法，分别使用第一三维球体903、第二三维球体904和第三三维球体905的球心坐标，识别与近端固定环101上表面重合的平面Puv，以近端固定环101上表面的几何中心点为坐标系原点P，以原点P至第一三维球体903球心在平面Puv的投影点构 成的矢量为坐标轴
Figure PCTCN2018102721-appb-000019
以过点P且平行于平面Puv法向量方向的矢量为坐标轴
Figure PCTCN2018102721-appb-000020
按照右手定则建立与近端固定环101固定相连的近端坐标系P-uvw；类似地，分别使用第四三维球体906、第五三维球体907和第六三维球体908的球心坐标识别与远端固定环102上表面重合的平面Oxy，以远端固定环102上表面的几何中心点为坐标系原点O，以原点O至第四三维球体906球心在平面Oxy的投影点构成的矢量为坐标轴
Figure PCTCN2018102721-appb-000021
以过点O且平行于平面Oxy法向量方向的矢量为坐标轴
Figure PCTCN2018102721-appb-000022
按照右手定则建立与远端固定环102固定相连的远端坐标系O-xyz(所建立的坐标系近端P-uvw和远端坐标系O-xyz与实际近端固定环101和远端固定环102的空间对应关系如图7所示)；使用坐标系P-uvw和坐标系O-xyz确定六轴并联骨外固定装置的空间位置与姿态；
(c)所述的计算机系统借助并联机构运动学算法，由六轴并联骨外固定装置的空间位置与姿态计算第一支链103至第六支链108各自的空间轴线单位矢量n i,(i＝1～6)，然后计算轴线单位矢量n i,(i＝1～6)相对于近端坐标系P-uvw原点的单位预紧力螺旋
Figure PCTCN2018102721-appb-000023
(具体计算方法可以参见《高等空间机构学》一书的“螺旋理论基础”章节)；然后通过公式(1-1)计算得到六轴并联骨外固定装置六条支链的合力提供给所述的骨折部位近端骨块和远端骨块之间的预紧力螺旋：
Figure PCTCN2018102721-appb-000024
式中，f pr表示预紧力螺旋
Figure PCTCN2018102721-appb-000025
的线性力分量，τ pr表示预紧力螺旋
Figure PCTCN2018102721-appb-000026
的力偶分量。将预紧线性力螺旋的线性力分量f pr沿步骤三指定的骨干轴线910方向分解，得到骨干轴向预紧力F f,pr，将所述的预紧力偶τ pr沿垂直于骨干轴线910的方向分解，得到骨干侧向预紧弯矩M f,pr；所述的骨干轴向预紧力F f,pr和骨干侧向预紧弯矩M f,pr表示六轴并联骨外固定装置六条支链的合力向骨折骨干提供的预紧载荷。
(2)计算骨折断端承载面积：所述的计算机系统采用图形化软件界面显示步骤三中存储于计算机系统的三维图像(一种可行但不唯一的图形化软件界面如图12所示)，操作者在所述的图形化软件界面中指定骨折断面附近的骨干横截面1201，计算机系统采用图形学求交算法，自动识别指定骨干横截面1201处皮质骨对应的环状图形区域1202，进而计算环状图形区域1202对应的骨折断端承载面积S b。
(3)计算骨折断面应力：操作者统计患者的年龄、性别、身高和体重等体格因素并输入至所述的计算机系统中，通过查询相关的骨折康复知识库信息，得到该体格因素下，有助于患者骨折愈合的许用轴向压应力σ e和许用侧向弯曲载荷M e。所述的计算机系统使用骨干轴向预紧力F f,pr和骨折断端承载截面积S b、采用公式(1-2)计算骨折断面的轴向压应力σ b：
Figure PCTCN2018102721-appb-000027
(4)分析骨折部位力学状况：在整个骨折康复第一时期中，计算机系统每日计算所述的骨折断面 轴向压应力σ b和骨干侧向预紧弯矩M f,pr；将骨折断面轴向压应力σ b和骨干侧向预紧弯矩M f,pr分别与所述的知识库提供的许用轴向压应力σ e和许用侧向弯曲载荷M e比较，若患者的骨折断面轴向压应力σ b与许用轴向压应力σ e的比值在60％～120％范围内，并且患者的骨折断面的侧向预紧弯矩M f,pr与知识库的许用侧向弯曲载荷M e的比值小于120％，则保持该压应力σ b和侧向预紧弯矩M f,pr，然后进行步骤五中的步骤(6)；否则，进行步骤五中的步骤(5)。
(5)优化患者的康复策略：若所述的骨折断面轴向压应力σ b与许用轴向压应力σ e的比值大于120％，每次将第一支链103至第六支链108的长度同步伸长0.5mm以减少骨折断端的轴向压应力σ b，然后重复步骤五中的步骤(1)、(3)计算轴向压应力σ b，直至患者的骨折断面轴向压应力σ b与许用轴向压应力σ e的比值在60％～120％(如：60％、100％、120％等)范围内方可停止伸长支链的长度；若所述的骨折断面轴向压应力σ b与许用轴向压应力σ e的比值小于60％，每次将第一支链103至第六支链108的长度同步缩短0.5mm以增加骨折断端的轴向压应力σ b，然后重复步骤五中的步骤(1)、(3)计算轴向压应力σ b，直至患者的骨折断面轴向压应力σ b与许用轴向压应力σ e的比值在60％～120％(如：60％、80％、120％等)范围内方可停止缩短支链的长度。
若所述侧向预紧弯矩M f,pr与许用侧向弯曲载荷M e的比值大于120％，则每次将弯矩方向内侧支链的长度伸长0.5mm、同时将弯矩方向外侧支链的长度缩短0.5mm以减少侧向预紧弯矩M f,pr，然后重复步骤五中的步骤(1)计算侧向预紧弯矩M f,pr，直至患者的骨折断面的侧向预紧弯矩M f,pr与知识库的许用侧向弯曲载荷M e的比值小于120％方可停止调节支链的长度。
(6)在每日重复步骤五中的步骤(3)评价断面力学状况的同时，计算机系统分析患者最近5日的骨折断面力学状况的变化情况，并向患者提供康复训练运动量的调整建议：若骨折断面的每日轴向压应力σ b相较前一日不断降低且累计降低幅度大于15％，则向患者建议适当进行一些站立及行走的活动；若骨折断面的每日轴向压应力σ b相较前一日不断增加且累计增加幅度大于15％，则向患者建议适当减少站立及行走的活动；若骨折断面的轴向压应力σ b在五日内变化幅度不超过15％，则患者的康复训练运动量较为合理，保持该运动量促进骨折的康复。
(7)根据临床的经验，当患者骨折断端的骨痂生长充分后，拍摄骨痂的X射线影像并加以分析，患者是否完成骨折康复第一时期的愈合。
步骤六、患者骨折康复处于第二时期时，采用如下步骤选择合适的时机拆除六轴并联骨外固定装置、完成骨折康复(见图13)：
(1)建立六轴并联骨外固定装置刚度模型：将所述的六轴并联骨外固定装置划分为金属骨针子系统、固定环子系统和支链子系统，分别建立各个子系统的刚度矩阵；一种优选的刚度矩阵的建立方法为：针对所述的金属骨针子系统，分别采用悬臂梁单元模型和弹性弦丝模型表征螺纹半针和克氏针，进而借助 变形协调方程并计入其固有弯曲刚度建立固定针刚度映射矩阵K pin(具体方法可以参见NikonovasA.等2005年发表于Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part H Journal of Engineering in Medicine机械工程协会医学工程杂志的文献——A simple way to model wires used in ring fixators:analysis of the wire stiffness effect on overall fixator stiffness一种简单环形外固定器钢丝针的建模方法：分析钢丝针刚度对固定器全局刚度的影响)；针对所述的固定环子系统，采用常曲率曲梁的单元刚度矩阵(具体方法可以参见刘铁林等2013年发表于沈阳建筑大学学报(自然科学版)的文献——面内变形曲梁的显式单元刚度矩阵)建立固定环刚度映射矩阵K rng；针对所述的支链子系统，借助虚功原理求解各部件的刚度映射模型(具体方法可以参见El-Khasawneh B S等1999年发表于International Journal of Machine Tools and Manufacture(国际机床与制造杂志)的文献Computation of stiffness and stiffness bounds for parallel link manipulators(并联机构支链刚度与界面刚度的计算)，进而建立各个支链刚度映射矩阵K str。当然刚度矩阵的建立方法也可以参考《材料力学》书籍的杆单元建模方法、或者使用计算机有限元仿真的方法建立，并不局限于以上形式。所述的计算机系统依据步骤五获得的六轴并联骨外固定装置的空间位置与姿态，确定各所述子系统的空间相对关系，然后基于虚功原理和变形叠加原理将各所述子系统的刚度矩阵线性叠加，建立以刚度矩阵K fx描述的六轴并联骨外固定装置刚度模型。
(2)计算骨折康复二期载荷，步骤为：
(a)检测肢体轴向载荷，患者采取站立姿势，使用设置在骨折肢体足底的电子称量设备1401检测肢体轴向压力F lb(见图14A)，操作者将所述的轴向压力F lb输入计算机系统；通过六个力传感器402a、402b、402c、402d、402e、402f分别检测站立姿势下六轴并联骨外固定装置各支链的轴向力f ve,i,(i＝1～6)，六个力传感器然后将站立姿势下各个支链的轴向力信号通过传感信号变送器601传输至计算机系统，根据公式(1-3)计算六轴并联骨外固定装置承担的站立姿势支架力螺旋：
Figure PCTCN2018102721-appb-000028
式(1-3)中f ve和τ ve分别表示站立姿势支架力螺旋
Figure PCTCN2018102721-appb-000029
的线性力分量和力偶分量；计算机系统将所述的站立姿势下支架力螺旋的线性力分量f ve沿骨干轴线910的方向分解，得到站立姿势支架轴向力F f,ve；然后采用公式(1-4)计算得到骨折部位承担的骨痂轴向康复力F b,ve：
F b,ve＝F lb-F f,ve              (1-4)
上述的支链轴向力f ve,i,(i＝1～6)、肢体轴向压力F lb和骨痂轴向康复力F b,ve的空间几何关系如图14B所示。
(b)检测肢体侧向载荷，步骤为：患者采取骨折肢体前伸的坐姿，使用布置在骨折肢体足底的电子称量设备1401检测肢体侧向弯曲力F bd，同时使用尺测量肢体从臀部与座椅支撑点至足底与电子称量设备1401支撑点之间的总长度d lb、以及从骨折断端至足底与电子称量设备1401支撑点之间的骨折断 端悬距d fr(见图15)，操作者将上述数据输入至计算机系统；通过六个力传感器402a、402b、402c、402d、402e、402f分别检测六轴并联骨外固定装置各支链的轴向力f st,i,(i＝1～6)，六个力传感器然后将肢体前伸坐姿下各个支链的轴向力信号通过传感信号变送器601传输至计算机系统，根据公式(1-5)计算六轴并联骨外固定装置承担的肢体前伸坐姿支架力螺旋：
Figure PCTCN2018102721-appb-000030
式(1-5)中f st和τ st分别表示肢体前伸坐姿支架力螺旋
Figure PCTCN2018102721-appb-000031
的线性力分量和力偶分量；计算机系统将所述的肢体前伸坐姿支架力螺旋的力偶分量τ st沿垂直于骨干轴线910的方向分解，得到肢体前伸坐姿支架弯矩M f,st；然后使用公式(1-6)求解肢体前伸坐姿肢体弯矩M lb(见图15)：
M lb＝(G-F bd)(d lb-d fr)                  (1-6)
其中，G为患者骨折部位全下肢的重量，由计算机系统依据患者的体格因素查询知识库得到，F bd、d lb和d fr分别为本步骤测量得到的肢体侧向弯曲力、肢体总长度和骨折断端悬距。使用公式(1-7)计算得到骨痂侧向康复弯矩M b,st：
M b,st＝M lb-M f,st                   (1-7)
(c)定义骨折康复量化指标：计算机系统基于步骤六的步骤(1)建立的六轴并联骨外固定装置刚度矩阵K fx，由所述站立姿势支架力螺旋
Figure PCTCN2018102721-appb-000032
和肢体前伸坐姿支架力螺旋
Figure PCTCN2018102721-appb-000033
使用公式(1-8)分别求解六轴并联骨外固定装置两端发生的相对线变形δr和相对角变形δθ，所述的相对线变形δr和相对角变形δθ等效于骨折部位的骨痂变形量：
Figure PCTCN2018102721-appb-000034
式中K fx -1表示所述的六轴并联骨外固定装置刚度矩阵K fx的逆矩阵；由所述的相对线变形δr、相对角变形δθ、骨痂轴向康复力F b,ve和骨痂侧向康复弯矩M b,st，使用公式(1-9)计算骨痂轴向变形能E b,ve和骨痂侧向变形能E b,st：
Figure PCTCN2018102721-appb-000035
由所述的相对线变形δr、相对角变形δθ、站立姿势支架轴向力F f,ve和坐姿支架弯矩M f,st，使用公式(1-10)计算外界载荷做功W t：
Figure PCTCN2018102721-appb-000036
将所述骨痂轴向变形能E b,ve与外界载荷做功W t的比值R ve作为轴向承载性能指标，将骨痂侧向变形能E b,st与外界载荷做功W t的比值R st作为侧向承载性能指标，将所述的轴向承载性能指标R ve和侧向承载性能指标R st定义为骨折康复量化评价指标。
(d)综合量化评价骨折的愈合效果：患者每日分早、中、晚三次采取计算骨折康复二期载荷的步骤(a)至步骤(c)的方法，测算轴向承载性能指标R ve和侧向承载性能指标R st的数值；通过查询所述的骨折康复知识库信息，获得包括轴向承载性能阈值R ve,b和侧向承载性能阈值R st,b的患者骨折康复量化指标阈值。分别计算轴向承载性能指标R ve与轴向承载性能阈值R ve,b的比值λ ve、侧向承载性能指标R st与侧向承载性能阈值R st,b的比值λ st，若每日三次测得的所述比值λ ve≥85％且λ st≥85％，表示患者的骨折康复效果良好，可安全拆除六轴并联骨外固定装置；否则，需要继续携带支架进行骨折的康复，直至所测得康复量化指标符合要求。
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 (3)

  1. 基于六轴并联骨外固定装置的骨折康复评价方法，其特征在于包括以下步骤：
    步骤一、改装六轴并联骨外固定装置：
    (1)准备六轴并联骨外固定装置的组成部件，包括近端固定环(101)、远端固定环(102)以及待连接在所述的近端固定环(101)和远端固定环(102)之间的第一支链(103)、第二支链(104)、第三支链(105)、第四支链(106)、第五支链(107)和第六支链(108)，每条支链由支链上端的第一虎克铰链(301)、支链中部的驱动丝杠(302)和支链下端第二虎克铰链(303)构成；
    (2)将六轴并联骨外固定装置的六条支链加装拉压力传感器，方法为：将所述的第一支链至第六支链的第一虎克铰链和驱动丝杠拆分，在二者之间同轴固定一个轴向力传感器；
    (3)将六个力传感器(401a)、(401b)、(401c)、(401d)、(401e)、(401f)分别通过信号线缆与一个传感信号变送设备(601)连接；
    (4)通过金属骨针及骨针连接零件，将近端固定环、远端固定环与骨折部位的近端骨块和远端骨块分别固定连接；
    (5)将加装力传感器后的第一支链至第六支链的两端分别与近端固定环和远端固定环连接；
    步骤二、调节六轴并联骨外固定装置以复位骨折畸形，步骤为：获取复位骨折畸形所需的六轴并联骨外固定装置调节方案，并按照所述的调节方案调整六条支链的长度，复位骨折畸形；完成骨折复位后，锁定六条支链的长度、固定骨折部位；
    步骤三、识别标记物及骨折骨块的空间位置：
    (1)在所述的近端固定环(101)的内圈连接孔上沿圆周方向均匀间隔安装第一标记物(701)、第二标记物(702)和第三标记物(703)，在远端固定环(102)的内圈连接孔上沿圆周方向均匀间隔安装第四标记物(704)、第五标记物(705)以及第六标记物(706)；所述的第一标记物(701)至第六标记物(706)具有相同的结构，分别包括一个标记球体(801)和连接销轴(802)；每一个所述标记物通过连接销轴下端的轴体插入近端固定环或远端固定环的内圈连接孔形成固定连接；所述的标记球体(801)使用金属材料，所述标记物销轴(802)使用塑料材料加工；
    (2)使用医学CT影像设备对患者骨折部位及六轴并联骨外固定装置进行扫描，并经过三维重建和处理后得到包括骨折近端三维实体(901)、骨折远端三维实体(902)、第一三维球体(903)、第二三维球体(904)、第三三维球体(905)、第四三维球体(906)、第五三维球体(907)和第六三维球体(908)的三维图像，并存储于所述的计算机系统中；
    (3)操作者观察计算机系统中的三维图像，并在计算机系统的软件界面中手工指定骨干的轴线(910)，然后将标记物拆除；
    步骤四、依照临床领域常用的骨折康复阶段划分方法，基于骨组织生长情况将康复阶段划分为血肿机化期、原始骨痂期和骨痂改建期三个阶段。将所述的血肿机化期和原始骨痂期称为第一时期，将所述的骨痂改建期称为第二时期；
    步骤五、患者的骨折康复处于第一时期时，按照以下步骤对六轴并联骨外固定装置进行微调，并指导患者进行康复训练：
    (1)计算六轴并联骨外固定装置的预紧载荷，步骤为：
    (a)患者采取无负重坐姿，通过六个所述的力传感器分别检测第一支链至第六支链各自承担的支链预紧力f pr,i,(i＝1～6)，然后，六个力传感器将各个支链预紧力信号通过传感信号变送器(601)无线传输至所述的计算机系统；
    (b)所述的计算机系统针对步骤三获得的三维图像，采用球面拟合算法自动识别所述的第一三维球体至第六三维球体的六个球心坐标；采用空间几何算法，分别使用第一三维球体、第二三维球体和第三三维球体的球心坐标，识别与近端固定环上表面重合的平面Puv，以近端固定环上表面的几何中心点为坐标系原点P，以原点至第一三维球体球心在平面Puv的投影点构成的矢量为坐标轴
    Figure PCTCN2018102721-appb-100001
    以过点P且平行于平面Puv法向量方向的矢量为坐标轴
    Figure PCTCN2018102721-appb-100002
    按照右手定则建立与近端固定环固定相连的近端坐标系P-uvw；分别使用第四三维球体(906)、第五三维球体(907)和第六三维球体(908)的球心坐标识别与远端固定环(102)上表面重合的平面Oxy，以远端固定环(102)上表面的几何中心点为坐标系原点O，以原点至第四三维球体(906)球心在平面Oxy的投影点构成的矢量为坐标轴
    Figure PCTCN2018102721-appb-100003
    以过点O且平行于平面Oxy法向量方向的矢量为坐标轴
    Figure PCTCN2018102721-appb-100004
    按照右手定则建立与远端固定环(102)固定相连的远端坐标系O-xyz；使用坐标系P-uvw和坐标系O-xyz确定六轴并联骨外固定装置的空间位置与姿态；
    (c)所述的计算机系统借助并联机构运动学算法，由六轴并联骨外固定装置的空间位置与姿态计算第一支链至第六支链各自的空间轴线单位矢量n i,(i＝1～6)，然后计算轴线单位矢量n i,(i＝1～6)相对于近端坐标系P-uvw原点的单位预紧力螺旋
    Figure PCTCN2018102721-appb-100005
    然后通过公式(1-1)计算得到六轴并联骨外固定装置六条支链的合力提供给所述的骨折部位近端骨块和远端骨块之间的预紧力螺旋：
    Figure PCTCN2018102721-appb-100006
    式中，f pr表示预紧力螺旋
    Figure PCTCN2018102721-appb-100007
    的线性力分量，τ pr表示预紧力螺旋
    Figure PCTCN2018102721-appb-100008
    的力偶分量。将预紧线性力螺旋的线性力分量f pr沿步骤三指定的骨干轴线方向分解，得到骨干轴向预紧力F f,pr，将所述的预紧力偶τ pr沿垂直于骨干轴线的方向分解，得到骨干侧向预紧弯矩M f,pr；
    (2)计算骨折断端承载面积：所述的计算机系统采用图形化软件界面显示步骤三中存储于计算机系统的三维图像，操作者在所述的图形化软件界面中指定骨折断面附近的骨干横截面(1201)，计算机系统采用图形学求交算法，自动识别指定骨干横截面(1201)处皮质骨对应的环状图形区域(1202)，进而计算环状图形区域(1202)对应的骨折断端承载面积S b；
    (3)计算骨折断面应力：操作者统计患者的年龄、性别、身高和体重等体格因素并输入至所述的计算机系统中，通过查询相关的骨折康复知识库信息，得到该体格因素下，有助于患者骨折愈合的许用轴向压应力σ e和许用侧向弯曲载荷M e。所述的计算机系统使用骨干轴向预紧力F f,pr和骨折断端承载截面积S b、采用公式(1-2)计算骨折断面的轴向压应力σ b：
    Figure PCTCN2018102721-appb-100009
    (4)分析骨折部位力学状况：在整个骨折康复第一时期中，计算机系统每日计算所述的骨折断面轴向压应力σ b和骨干侧向预紧弯矩M f,pr，分别与所述的知识库提供的许用轴向压应力σ e和许用侧向弯曲载荷M e比较，若患者的骨折断面轴向压应力σ b与许用轴向压应力σ e的比值在60％～120％范围内，并且患者的骨折断面的侧向预紧弯矩M f,pr与知识库的许用侧向弯曲载荷M e的比值小于120％，则保持该压应力σ b和侧向预紧弯矩M f,pr，然后进行步骤五中的步骤(6)；否则，进行步骤五中的步骤(5)；
    (5)优化患者的康复策略：若所述的骨折断面轴向压应力σ b与许用轴向压应力σ e的比值大于120％，每次将第一支链(103)至第六支链(108)的长度同步伸长0.5mm，然后重复步骤五中的步骤(1)、(3)计算轴向压应力σ b，直至患者的骨折断面轴向压应力σ b与许用轴向压应力σ e的比值在60％～120％范围内方可停止伸长支链的长度；若所述的骨折断面轴向压应力σ b与许用轴向压应力σ e的比值小于60％，每次将第一支链(103)至第六支链(108)的长度同步缩短0.5mm，然后重复步骤五中的步骤(1)、(3)计算轴向压应力σ b，直至患者的骨折断面轴向压应力σ b与许用轴向压应力σ e的比值在60％～120％范围内方可停止缩短支链的长度；
    若所述侧向预紧弯矩M f,pr与许用侧向弯曲载荷M e的比值大于120％，则每次将伸长弯矩方向内侧 支链的长度伸长0.5mm、同时将弯矩方向外侧支链的长度缩短0.5mm，然后重复步骤五中的步骤(1)计算侧向预紧弯矩M f,pr，直至患者的骨折断面的侧向预紧弯矩M f,pr与知识库的许用侧向弯曲载荷M e的比值小于120％方可停止调节支链的长度；
    (6)在每日重复步骤五中的步骤(3)评价断面力学状况的同时，计算机系统分析患者最近5日的骨折断面力学状况的变化情况，并向患者提供康复训练运动量的调整建议：若骨折断面的每日轴向压应力σ b相较前一日不断降低且累计降低幅度大于15％，则向患者建议适当进行一些站立及行走的活动；若骨折断面的轴向压应力σ b每日相较前一日不断增加且累计增加幅度超出15％，则向患者建议适当减少站立及行走的活动；若骨折断面的轴向压应力σ b在五日内变化幅度不超过15％，则患者的康复训练运动量较为合理，保持该运动量促进骨折的康复；
    (7)根据临床的经验，当患者骨折断端的骨痂生长充分后，拍摄骨痂的X射线影像并加以分析，患者是否完成骨折康复第一时期的愈合；
    步骤六、患者骨折康复处于第二时期时，采用如下步骤选择合适的时机拆除六轴并联骨外固定装置、完成骨折康复：
    (1)建立六轴并联骨外固定装置刚度模型：将所述的六轴并联骨外固定装置划分为金属骨针子系统、固定环子系统和支链子系统，分别建立各个子系统的刚度矩阵；所述的计算机系统依据步骤五获得的六轴并联骨外固定装置的空间位置与姿态，确定各所述子系统的空间相对关系，然后基于虚功原理和变形叠加原理将各所述子系统的刚度矩阵线性叠加，建立以刚度矩阵K fx描述的六轴并联骨外固定装置刚度模型；
    (2)计算骨折康复二期载荷，步骤为：
    (a)检测肢体轴向载荷，患者采取站立姿势，使用患肢底部布置的电子称量设备(1401)检测肢体轴向压力F lb，操作者将所述的轴向压力F lb输入计算机系统；通过六个力传感器分别检测站立姿势六轴并联骨外固定装置各支链的轴向力f ve,i,(i＝1～6)，六个力传感器然后将站立姿势下各个支链的轴向力信号通过传感信号变送器传输至计算机系统，根据公式(1-3)计算六轴并联骨外固定装置承担的站立姿势支架力螺旋：
    Figure PCTCN2018102721-appb-100010
    式(1-3)中f ve和τ ve分别表示站立姿势支架力螺旋
    Figure PCTCN2018102721-appb-100011
    的线性力分量和力偶分量；计算机系统将所述的站立姿势支架力螺旋的线性力分量f ve沿骨干轴线的方向分解，得到站立姿势支架轴向力F f,ve；然后 采用公式(1-4)计算得到骨折部位承担的骨痂轴向康复力F b,ve：
    F b,ve＝F lb-F f,ve  (1-4)
    (b)检测肢体侧向载荷，步骤为：患者采取骨折肢体前伸的坐姿，使用布置在骨折肢体足底的电子称量设备(1401)检测肢体侧向弯曲力F bd，同时使用尺测量肢体从臀部与座椅支撑点至足底与电子称量设备(1401)支撑点之间的总长度d lb、以及从骨折断端至足底与电子称量设备(1401)支撑点之间的骨折断端悬距d fr，操作者将上述数据输入至计算机系统；通过六个力传感器分别检测六轴并联骨外固定装置各支链的轴向力f st,i,(i＝1～6)，六个力传感器然后将肢体前伸坐姿下各个支链的轴向力信号通过传感信号变送器(601)传输至计算机系统，根据公式(1-5)计算六轴并联骨外固定装置承担的肢体前伸坐姿支架力螺旋：
    Figure PCTCN2018102721-appb-100012
    式(1-5)中f st和τ st分别表示肢体前伸坐姿支架力螺旋
    Figure PCTCN2018102721-appb-100013
    的线性力分量和力偶分量；计算机系统将所述的肢体前伸坐姿支架力螺旋的力偶分量τ st沿垂直于骨干轴线的方向分解，得到肢体前伸坐姿支架弯矩M f,st；然后使用以下表达式求解肢体前伸坐姿肢体弯矩M lb：
    M lb＝(G-F bd)(d lb-d fr)  (1-6)
    其中，G为患者骨折部位全下肢的重量，由计算机系统依据患者的体格因素查询知识库得到，F bd、d lb和d fr分别为本步骤测量得到的肢体侧向弯曲力、肢体总长度和骨折断端悬距；使用公式(1-7)计算得到骨痂侧向康复弯矩M b,st：
    M b,st＝M lb-M f,st  (1-7)
    (c)定义骨折康复量化指标：计算机系统基于步骤六的步骤(1)建立的六轴并联骨外固定装置刚度矩阵K fx，由所述站立姿势支架力螺旋
    Figure PCTCN2018102721-appb-100014
    和肢体前伸坐姿支架力螺旋
    Figure PCTCN2018102721-appb-100015
    使用公式(1-8)分别求解六轴并联骨外固定装置两端发生的相对线变形δr和相对角变形δθ，所述的相对线变形δr和相对角变形δθ等效于骨折部位的骨痂变形量：
    Figure PCTCN2018102721-appb-100016
    式中K fx -1表示所述的六轴并联骨外固定装置刚度矩阵K fx的逆矩阵；由所述的相对线变形δr、相对角 变形δθ、骨痂轴向康复力F b,ve和骨痂侧向康复弯矩M b,st，使用公式(1-9)计算骨痂轴向变形能E b,ve和骨痂侧向变形能E b,st：
    Figure PCTCN2018102721-appb-100017
    由所述的相对线变形δr、相对角变形δθ、站立姿势支架轴向力F f,ve和前伸姿势支架弯矩M f,st，使用公式(1-10)计算外界载荷做功W t：
    Figure PCTCN2018102721-appb-100018
    将所述骨痂轴向变形能E b,ve与外界载荷做功W t的比值R ve作为轴向承载性能指标，将骨痂侧向变形能E b,st与外界载荷做功W t的比值R st作为侧向承载性能指标，将所述的轴向承载性能指标R ve和侧向承载性能指标R st定义为骨折康复量化评价指标；
    (d)综合量化评价骨折的愈合效果：患者每日分早、中、晚三次采取步骤(a)至步骤(c)的方法，测算轴向承载性能指标R ve和侧向承载性能指标R st的数值；通过查询所述的骨折康复知识库信息，获得包括轴向承载性能阈值R ve,b和侧向承载性能阈值R st,b的患者骨折康复量化指标阈值。分别计算轴向承载性能指标R ve与轴向承载性能阈值R ve,b的比值λ ve、侧向承载性能指标R st与侧向承载性能阈值R st,b的比值λ st，若每日三次测得的所述比值λ ve≥85％且λ st≥85％，表示患者的骨折康复效果良好，可安全拆除六轴并联骨外固定装置；否则，需要继续携带支架进行骨折的康复，直至所测得康复量化指标符合要求。
  2. 根据权利要求1所述的基于六轴并联骨外固定装置的骨折康复评价方法，其特征在于：采用圆柱型轴向力传感器加装于所述的六条支链中。
  3. 根据权利要求1或者2所述的基于六轴并联骨外固定装置的骨折康复评价方法，其特征在于：所述的传感信号变送器传输至所述的计算机系统中的信号通过蓝牙协议无线传输。
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