[发明专利]一种用于胫骨畸形矫正的位姿空间等间距轨迹规划方法

说明书

本发明涉及一种用于胫骨畸形矫正的位姿空间等间距轨迹规划方法，首先建立骨‑固定器系统模型，进而建立基准坐标系，根据远端骨末端中心点从初始畸形位置到目标位置的线性轨迹约束方程，分别建立远端骨末端中心点的位置等间距离散约束方程和远端骨的姿态等间距离散约束方程，进而完成胫骨畸形矫正的位姿空间等间距轨迹规划，最终得到光顺平滑且稳定的矫正轨迹和新生骨形状。该方法可以为临床医生在术前轨迹规划、术前矫正策略评估、框架配置提供一定的指导。

技术领域

本发明属于骨科畸形矫正技术领域，具体涉及一种用于胫骨畸形矫正的位姿空间等间距轨迹规划方法。

背景技术

胫骨畸形严重影响着人们的生活和健康，临床上常见的胫骨畸形主要表现为：内/外旋、侧方成角及短缩畸形。重塑骨轴线和骨形态可以稳定患者的行走姿态，提高骨的质量和力学强度。并联外固定器允许对骨畸形进行逐渐矫正，通过调节各支链的长度，以1mm/天的速度将骨段以离散的步数拉开，进而刺激骨生长，直到新的骨组织填充骨间隙。

临床上，医生通常手动调整每个支链以完成畸形矫正，这是一个复杂的过程，如果没有准确的术前轨迹规划，通常会产生大的矫正误差和不良的临床结果。在进行骨畸形矫正的过程中，期望的骨矫正轨迹被认为是远端骨末端从初始畸形位置到目标位置的空间等距离散轨迹。临床医生通常将外固定器将初始畸形位置到目标位置时每个支链的总变化量进行均等分割，进而对每个支链各自以相等的调节量调节支链的长度，以获得远端骨末端位置和姿态的等距离散变化。然而，由于并联外固定器在关节空间和操作空间具有强非线性映射关系，因此，通过该矫正方法将导致矫正轨迹偏离期望的轨迹。

因此，为了避免这种由于并联外固定器在关节空间和操作空间具有强非线性映射关系而导致的矫正轨迹偏离期望的轨迹，本发明提出了一种用于胫骨畸形矫正的位姿空间等间距轨迹规划方法，以实现对胫骨畸形矫正的位姿空间等间距轨迹规划，进而得到从初始畸形位置到目标位置的光顺平滑且稳定的矫正轨迹和新生骨形状。该方法可以为临床医生在术前轨迹规划、术前矫正策略评估、框架配置提供一定的指导。

发明内容

本发明的目的是为了避免由于并联外固定器在关节空间和操作空间具有强非线性映射关系而导致的矫正轨迹偏离期望的轨迹的问题，以实现对胫骨畸形矫正的位姿空间等间距轨迹规划，进而得到从初始畸形位置到目标位置的光顺平滑且稳定的矫正轨迹和新生骨形状。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是一种用于胫骨畸形矫正的位姿空间等间距轨迹规划方法，包括如下步数：

(1)确定胫骨的畸形参数和外固定器参数；

(2)骨-固定器系统模型建立：近端骨垂直且刚性地固定于近端环的中心，远端骨垂直且刚性地固定器远端环中心，进而建立骨-固定器系统模型；

(3)基准坐标系建立：在近端环的中心建立固定坐标系O-xyz，在近端骨末端中心点位置建立坐标系O₁-x₁y₁z₁，在远端环中心建立动坐标系G-uvw，在远端骨末端中心点位置建立坐标系G₁-u₁v₁w₁；

(4)求解外固定器运动学位置逆解；

(5)位姿空间等间距轨迹规划方法建立：首先建立畸形矫正轨迹约束方程，随后分别对远端骨末端的位置和姿态进行等间距离散规划；

(6)获取矫正处方；

(7)生成骨的矫正轨迹及新生骨的形状；