[发明专利]面向骨折手术机器人的踝关节骨折术后早期量化康复方法

说明书

本发明公开了一种面向骨折手术机器人的踝关节骨折术后早期量化康复方法，基于有限元分析，采用骨间位移作为安全运动的限制条件，建立了踝关节骨折术后早期被动康复训练的定量方法。通过有限元分析，还可以揭示踝关节运动过程中，关节内部生物力学行为变化规律。弥补了传统生物力学研究中，针对踝关节骨折康复训练方法的缺失。同时，本发明对于其他可被重建的踝关节骨折类型具有普适性。该方法不需要大量的循环试验，可以大大降低时间成本和经济成本，且能够直接应用在机器人辅助康复工程中，降低术后并发症概率，提高康复质量。

技术领域：

本发明涉及机器人与康复医学工程交叉领域，尤其涉及一种面向骨折手术机器人的踝关节骨折术后早期量化康复方法。

背景技术：

踝关节骨折是一种多发性疾病，脱位骨折必须手术治疗。准确的解剖复位和强力内固定可以最大限度地恢复踝关节的生理结构。然而，术后静养可能会导致踝关节功能丧失。早期康复训练已被证实可减少甚至避免深静脉血栓、肌肉挛缩、关节粘连和创伤性关节炎等系列并发症。一般而言，踝关节骨折术后康复训练分为被动康复和主动康复两种模式。被动康复通常由医生或器械辅助患者进行背屈/跖屈的康复训练，是术后早期最常用的康复方式。目前，被动康复训练方案的制定依赖于医生的经验，不适当或过度的运动范围可能会阻碍愈合甚至继发性损伤，至今尚无明确的踝关节骨折术后早期量化康复方法。

确定踝关节骨折的早期生物力学行为是量化康复运动范围的关键。有限元分析是解决生物力学问题最有效的技术之一。现有研究提供了建立完整踝关节有限元模型的方法，揭示了踝关节的不同类型损伤在静态载荷作用下的力学行为。然而，踝关节屈伸运动对关节内部力学环境(尤其是骨折部位)的影响规律尚无揭示。而这正是量化术后早期康复训练范围的核心和难题。

发明内容：

本发明的目的是基于有限元分析的手段，提供一种具有普适性的面向骨折手术机器人的踝关节骨折术后早期量化康复方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

提供一种面向骨折手术机器人的踝关节骨折术后早期量化康复方法，其包括以下步骤：

步骤1，对健康志愿者的CT数据集进行三维重建。

采集健康志愿者踝关节的CT图像，导入医用图像处理软件中进行阈值分割等操作，重建为包含胫骨、腓骨、距骨、跟骨(包括皮质骨和松质骨)、胫骨软骨、距骨软骨和两块距跟软骨的3D几何表面模型。导入逆向重建软件中进行精确曲面操作，形成三维实体。

步骤2，对健康踝关节的几何模型进行虚拟骨折和手术。

在三维绘图软件中进行虚拟截断模拟各种踝关节骨折类型，并根据实际情况用内固定器械模型进行虚拟内固定术。

步骤3，建立完整的踝关节骨折术后有限元模型。

在有限元仿真软件中插入弹簧单元模拟踝关节韧带，胫腓联合近端施加固定约束，远端建立踝关节运动坐标系，施加背屈20°～跖屈32°的运动载荷，形成踝关节骨折术后有限元模型，并进行仿真计算。

步骤4，建立骨间位移与运动角度的关系，设置安全条件，得出康复训练范围。

将各个骨折部位的骨块断裂表面和本体断裂表面的平均位移差定义为骨间位移。输出骨间位移与运动角度之间的关系。根据以往研究结果，以150μm作为安全限制条件，即可由步骤4中得到的关系量化踝关节骨折术后早期的被动康复范围。

本发明的有益效果为：

本发明提供了完整的踝关节骨折术后有限元模型的建立方法，通过施加屈伸运动载荷，分析了康复运动刺激下的关节内部生物力学行为。提出了一种具有普适性的面向骨折手术机器人的踝关节骨折术后早期量化康复方法。理论上，该方法适用于任何可以三维重建的踝关节骨折类型。解决了踝关节骨折术后早期康复训练的盲目化、经验化问题。

附图说明：