[发明专利]基于六轴并联骨外固定装置的骨载荷检测方法

摘要

本发明公开了基于六轴并联骨外固定装置的骨折康复评价方法，主要分为以下步骤：向现有六轴并联骨外固定装置的各个支链添加传感器，并使用经改装的装置复位和固定骨折；使用标记物，通过医学CT扫描识别骨折骨块与骨外固定装置的空间位置和姿态；依据临床通用的康复阶段划分方法，将康复过程划分为第一时期和第二时期：患者处于第一时期时，测量并分析骨折部位的力学状况，视情况微调骨外固定装置并指导患者康复训练；患者处于第二时期时，计算骨折康复的量化指标，选择合适的时机拆除骨外固定装置。本方法适用于各类市售的六轴并联骨外固定装置，具有经济性和便捷性；本方法使用能量分析的方法进行骨折康复的量化评价，可靠性好。

主权项

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fpr,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以过点P且平行于平面Puv法向量方向的矢量为坐标轴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以过点O且平行于平面Oxy法向量方向的矢量为坐标轴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：式中，fpr表示预紧力螺旋$w,pr的线性力分量，τpr表示预紧力螺旋$w,pr的力偶分量。将预紧线性力螺旋的线性力分量fpr沿步骤三指定的骨干轴线方向分解，得到骨干轴向预紧力Ff,pr，将所述的预紧力偶τpr沿垂直于骨干轴线的方向分解，得到骨干侧向预紧弯矩Mf,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Sb；(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σe和许用侧向弯曲载荷Me。所述的计算机系统使用骨干轴向预紧力Ff,pr和骨折断端承载截面积Sb、采用公式(1‑2)计算骨折断面的轴向压应力σb：(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σb和骨干侧向预紧弯矩Mf,pr，分别与所述的知识库提供的许用轴向压应力σe和许用侧向弯曲载荷Me比较，若患者的骨折断面轴向压应力σb与许用轴向压应力σe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Mf,pr与知识库的许用侧向弯曲载荷Me的比值小于120％，则保持该压应力σb和侧向预紧弯矩Mf,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σb与许用轴向压应力σe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σb，直至患者的骨折断面轴向压应力σb与许用轴向压应力σe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σb与许用轴向压应力σe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σb，直至患者的骨折断面轴向压应力σb与许用轴向压应力σe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Mf,pr与许用侧向弯曲载荷Me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Mf,pr，直至患者的骨折断面的侧向预紧弯矩Mf,pr与知识库的许用侧向弯曲载荷Me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σb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σb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σb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Kfx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Flb，操作者将所述的轴向压力Flb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fve,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：式(1‑3)中fve和τve分别表示站立姿势支架力螺旋$w,ve的线性力分量和力偶分量；计算机系统将所述的站立姿势支架力螺旋的线性力分量fve沿骨干轴线的方向分解，得到站立姿势支架轴向力Ff,ve；然后采用公式(1‑4)计算得到骨折部位承担的骨痂轴向康复力Fb,ve：Fb,ve＝Flb‑Ff,ve                         (1‑4)(b)检测肢体侧向载荷，步骤为：患者采取骨折肢体前伸的坐姿，使用布置在骨折肢体足底的电子称量设备(1401)检测肢体侧向弯曲力Fbd，同时使用尺测量肢体从臀部与座椅支撑点至足底与电子称量设备(1401)支撑点之间的总长度dlb、以及从骨折断端至足底与电子称量设备(1401)支撑点之间的骨折断端悬距dfr，操作者将上述数据输入至计算机系统；通过六个力传感器分别检测六轴并联骨外固定装置各支链的轴向力fst,i,(i＝1～6)，六个力传感器然后将肢体前伸坐姿下各个支链的轴向力信号通过传感信号变送器(601)传输至计算机系统，根据公式(1‑5)计算六轴并联骨外固定装置承担的肢体前伸坐姿支架力螺旋：式(1‑5)中fst和τst分别表示肢体前伸坐姿支架力螺旋$w,st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τst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Mf,st；然后使用以下表达式求解肢体前伸坐姿肢体弯矩Mlb：Mlb＝(G‑Fbd)(dlb‑dfr)                     (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，Fbd、dlb和dfr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Mb,st：Mb,st＝Mlb‑Mf,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Kfx，由所述站立姿势支架力螺旋$w,ve和肢体前伸坐姿支架力螺旋$w,st，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：式中Kfx‑1表示所述的六轴并联骨外固定装置刚度矩阵Kfx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Fb,ve和骨痂侧向康复弯矩Mb,st，使用公式(1‑9)计算骨痂轴向变形能Eb,ve和骨痂侧向变形能Eb,st：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Ff,ve和前伸姿势支架弯矩Mf,st，使用公式(1‑10)计算外界载荷做功Wt：将所述骨痂轴向变形能Eb,ve与外界载荷做功Wt的比值Rve作为轴向承载性能指标，将骨痂侧向变形能Eb,st与外界载荷做功Wt的比值Rst作为侧向承载性能指标，将所述的轴向承载性能指标Rve和侧向承载性能指标Rst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Rve和侧向承载性能指标Rst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Rve,b和侧向承载性能阈值Rst,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Rve与轴向承载性能阈值Rve,b的比值λve、侧向承载性能指标Rst与侧向承载性能阈值Rst,b的比值λst，若每日三次测得的所述比值λve≥85％且λst≥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。