專利名稱：壓力反饋多模式微動外固定架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)療器械的骨折治療用外固定裝置，具體涉及一種壓力反饋多模式微動外固定架。
背景技術(shù)：
通常治療肢體骨折，可采用髓針、鋼板內(nèi)固定技術(shù)和夾板、石膏固定、金屬外固定 架等外固定技術(shù)。臨床觀察發(fā)現(xiàn)，過于堅(jiān)強(qiáng)的固定(包括內(nèi)固定和外固定)會導(dǎo)致骨折愈 合緩慢，而不穩(wěn)定的固定會導(dǎo)致骨折愈合延遲，甚至不愈合。保持基本穩(wěn)定的前提下，適當(dāng) 的微動或壓力可促進(jìn)骨折的愈合。通常通過肢體鍛煉、負(fù)重等方式，對骨折斷端施加微動或壓力刺激。但是這些方式 對骨折斷端的刺激無法量化觀察。而且患者活動能力和疼痛刺激等因素也影響鍛煉的實(shí) 施。且內(nèi)固定條件下，肢體負(fù)重的壓力大多由內(nèi)固定物承受，對斷端的力學(xué)刺激不確實(shí)。臨 床需要對骨折斷端進(jìn)行可控動態(tài)加壓的裝置，促進(jìn)骨愈合。國內(nèi)外學(xué)者采用外固定架結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)的方式，使外固定架主動循環(huán)壓縮，對斷 端施加動態(tài)壓力。他們的出發(fā)點(diǎn)以及設(shè)計(jì)思想和采用的動力方式、結(jié)構(gòu)、裝配等不盡相同。 以考慮頻率、振幅為主。這些研究獲得了初步的經(jīng)驗(yàn)，同時也發(fā)現(xiàn)一些問題。如國內(nèi)張先龍 等通過外固定架給予骨折斷端0. 25mm不同頻率的微動刺激，發(fā)現(xiàn)早期對骨痂形成有促進(jìn) 作用。近期Jogodzinski總結(jié)國外相關(guān)研究成果，發(fā)現(xiàn)早期斷端微動刺激，可促進(jìn)骨痂的形 成，晚期微動刺激則抑制骨痂生長。其原因與晚期剛性較強(qiáng)的骨性骨痂形成，不能承受過大 的變形，而發(fā)生破壞有關(guān)。但是，臨床觀察發(fā)現(xiàn)骨折晚期通過負(fù)重，對斷端加壓對骨折愈合 起到加速作用。微動刺激實(shí)驗(yàn)與臨床觀察說明骨折晚期不適合微動刺激，只需給予一定壓 力刺激，不需要明顯形變，即可起到促進(jìn)愈合作用?，F(xiàn)在，國內(nèi)的學(xué)者也研制出不同結(jié)構(gòu)類型電動式的微動康復(fù)裝置，但都存在一定 缺陷或不足。據(jù)國內(nèi)文獻(xiàn)和一些專利介紹過采用電動式的微動裝置。有的利用凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)往 復(fù)運(yùn)動，頻率依靠電機(jī)轉(zhuǎn)速變化。往復(fù)運(yùn)動的行程(微動幅度)由凸輪升程所決定。其只 能依靠更換凸輪來調(diào)節(jié)微動幅度，實(shí)用性差，并且骨折斷端所獲得的壓力是無法確定的。也有采用微型直流電機(jī)帶動絲杠使機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動的(中國專利申請?zhí)?021371775. X)。該裝置在骨折康復(fù)期間的切入點(diǎn)是頻率、時間和振幅為主，實(shí)現(xiàn)了周期性微 動，但其僅僅實(shí)現(xiàn)了位移刺激(也即上述的微動刺激)的調(diào)節(jié)，并且絲杠結(jié)構(gòu)可能存在一定 間隙，不利于精確調(diào)控。最重要的是該裝置無法確定斷端壓力。綜上說明只可施加應(yīng)變刺激(即斷端微動)的外固定架(例如中國專利 02137175. X)并不能滿足骨折愈合各個階段的需要，而且有可能起到抑制愈合的反作用。因 此根據(jù)愈合階段采用不同的力學(xué)刺激方式，針對性治療才可達(dá)到好的治療效果。如何判斷愈合階段是另一重要難題。骨折愈合分血腫形成、纖維骨痂、軟骨骨痂、 骨性骨痂多個階段?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果均采用長骨橫斷模型或橫骨折患者，骨折一致性很好，可通過時間判斷愈合階段。而臨床應(yīng)用時，由于個體差異、骨折類型不同等原因，即使恢復(fù)時 間相同，不同個體骨折愈合情況差異也會很大。而且臨床上，除骨性骨痂可在X線片上觀察 夕卜，其他階段常規(guī)方法無法有效識別。利用現(xiàn)有骨折微動外固定系統(tǒng)均無法判斷愈合階段， 因而不能制定針對性力學(xué)刺激治療方案。為應(yīng)用于臨床，提高治療效果，判斷骨折愈合階段 是必須解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中骨折康復(fù)外固定架不能判斷愈合階段，不能全面提供 各愈合階段骨折斷端所需的刺激，甚至?xí)鸬揭种朴系牟涣甲饔玫膯栴}，提供了一種數(shù) 字化自動控制的壓力反饋多模式微動外固定架。本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)壓力反饋多模式微動外固定架，包括與斷骨連接的兩個夾針固定器，可使兩個夾 針固定器產(chǎn)生相對位移的機(jī)械加壓裝置，其特征在于所述機(jī)械加壓裝置上設(shè)置壓力反饋裝 置，壓力反饋裝置連接控制器，控制器又與機(jī)械加壓裝置的驅(qū)動連接。所述的機(jī)械加壓裝置包括與兩夾針固定器分別連接的導(dǎo)柱、導(dǎo)套，導(dǎo)柱上安裝機(jī) 械加壓裝置的驅(qū)動，導(dǎo)套上安裝壓力反饋裝置，壓力反饋裝置上安裝與驅(qū)動輸出端連接的 往復(fù)運(yùn)動元件連接。所述的機(jī)械加壓裝置的驅(qū)動可以為直線電機(jī)，壓力反饋裝置為壓力傳感器，往復(fù) 運(yùn)動元件為壓力桿，控制器為DSP，導(dǎo)柱上安裝有直線電機(jī)座，用于固定由控制器控制的直 線電機(jī)，導(dǎo)套上安裝傳感器座，傳感器座上安裝有可向控制器傳輸信號的壓力傳感器，壓力 傳感器上安裝與直線電機(jī)的輸出端連接的壓力桿。直線電機(jī)輸出端通過左右旋螺紋聯(lián)軸器 連接壓力桿。所述的機(jī)械加壓裝置的驅(qū)動可以為步進(jìn)電機(jī)，壓力反饋裝置為壓力傳感器，往復(fù) 運(yùn)動元件為滾珠絲桿螺母副，控制器為DSP，導(dǎo)柱上安裝有步進(jìn)電機(jī)座，用于固定由控制器 控制的步進(jìn)電機(jī)，導(dǎo)套上安裝傳感器座，傳感器座上安裝有可向控制器傳輸信號的壓力傳 感器，壓力傳感器上安裝與步進(jìn)電機(jī)的輸出端連接的滾珠絲桿螺母副。步進(jìn)電機(jī)的輸出端 與滾珠絲桿通過彈性聯(lián)軸器連接。夾針固定器通過球面萬向節(jié)分別與導(dǎo)柱、導(dǎo)套連接。壓力反饋裝置感受壓力，傳輸?shù)娇刂破?如DSP、單片機(jī)等)，控制器根據(jù)設(shè)定條件調(diào)節(jié)控制驅(qū)動，驅(qū)動帶動往復(fù)運(yùn)動元件達(dá)到設(shè)定壓力或位移，壓力數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)均通過 控制器顯示。在動力執(zhí)行元件(步進(jìn)電機(jī))、滾珠絲杠螺母副以及壓力反饋裝置的選用和總體 結(jié)構(gòu)的考慮等等均采取了先進(jìn)的、易普及的、低成本的且容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制、高精度的元 器件和設(shè)計(jì)。步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠螺母副是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制的常用配置。由于采用步進(jìn)電 機(jī)，因此，可以方便的使用DSP等控制器對其控制。滾珠絲杠螺母副無間隙、摩擦系數(shù)小、 機(jī)械效率高等良好表現(xiàn)為獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)提供了基本保障。而直線電機(jī)也是近些年發(fā)展為 成熟、先進(jìn)的產(chǎn)品；控制也容易實(shí)現(xiàn)；可直接實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動，可減少一些運(yùn)動的轉(zhuǎn)換機(jī) 構(gòu)；為各種不同使用者提供更廣泛的選擇空間。由于骨折愈合各階段力學(xué)性質(zhì)(如彈性模量)有很大不同(血腫階段最軟，纖維骨痂，軟骨骨痂到骨性骨痂硬度逐漸增加)，本發(fā)明采用加壓后測量形變或形變后測壓(控 制器和傳感器配合作用，控制施加壓力測量斷端處組織的形變，或者控制斷端處組織的形 變測量其產(chǎn)生的抗力)，所獲得形變數(shù)據(jù)或者壓力數(shù)據(jù)就可以反映骨折斷端的力學(xué)性質(zhì)，判 斷愈合階段，從而給予針對性的力學(xué)刺激方案，提高療效。刺激方案可采用設(shè)定位移模式，也可采用設(shè)定壓力模式(設(shè)定壓力條件下控制器 根據(jù)壓力傳感器數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)電機(jī)工作達(dá)到設(shè)定壓力，設(shè)定位移條件下控制器根據(jù)設(shè)定距離直 接調(diào)節(jié)電機(jī)工作達(dá)到設(shè)定距離)。其他相關(guān)參數(shù)(如頻率、時間等)均可通過控制器編程 設(shè)定。本發(fā)明所述的裝置，綜合考慮到骨折斷端的復(fù)雜性、隨機(jī)性，可根據(jù)患者在不同的康復(fù)階段，準(zhǔn)確獲知骨折斷端的力學(xué)性質(zhì)，判斷愈合階段，根據(jù)獲得的斷端信息，進(jìn)行力學(xué) 刺激。除可采用控制位移的模式進(jìn)行加壓外，還可采用控制壓力進(jìn)行加壓的模式，對斷端施 加動態(tài)壓力，避免某些階段位移模式對骨痂生長的抑制。各種刺激模式的各項(xiàng)參數(shù)均可調(diào) 節(jié)，可實(shí)現(xiàn)力學(xué)刺激方式的個體化應(yīng)用。如上所述，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比首先通過動態(tài)加壓而獲取的信息，測定斷端力 學(xué)性質(zhì)，判斷骨折愈合的不同階段，然后分別給予不同模式(位移刺激模式或壓力刺激模 式)的周期性力學(xué)刺激?？朔爽F(xiàn)有設(shè)計(jì)無法判斷斷端愈合階段情況，無法針對性調(diào)整力 學(xué)刺激的弊端。并且實(shí)現(xiàn)了動態(tài)壓力刺激模式，克服了單獨(dú)位移刺激模式在骨折愈合后期 導(dǎo)致骨痂破壞的缺陷。各種刺激模式的頻率、壓力、振幅等參數(shù)均可通過控制器調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn) 治療方案的個體化、數(shù)字化，容易獲得令人滿意的療效。


圖1為本發(fā)明直線式結(jié)構(gòu)的示意2為圖1的側(cè)視3為本發(fā)明步進(jìn)式結(jié)構(gòu)的示意4為圖3的側(cè)視中1-直線電機(jī)，2-螺栓I，3-螺母，4-直線電機(jī)座，5-導(dǎo)柱，6-左右旋螺紋聯(lián)軸 器，7-壓力桿，8-鎖緊螺母，9-螺栓II，10-傳感器座，11-壓力傳感器，12-螺栓III，13-側(cè) 壓板，14-球面萬向節(jié)，15-夾針固定器，16-傳感器座壓板，17-導(dǎo)柱和導(dǎo)套座壓板，18-導(dǎo) 套，19-導(dǎo)柱和導(dǎo)套座，20-電機(jī)座壓板，21-步進(jìn)電機(jī)，22-步進(jìn)電機(jī)座，23-彈性聯(lián)軸器， 24-滾珠絲杠螺母副。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說明。壓力反饋多模式微動外固定架，包括與斷骨連接的兩個夾針固定器15，可使兩個 夾針固定器產(chǎn)生相對位移的機(jī)械加壓裝置，其特征在于所述機(jī)械加壓裝置上設(shè)置壓力反饋 裝置，壓力反饋裝置連接控制器，控制器又與機(jī)械加壓裝置的驅(qū)動連接。所述的機(jī)械加壓裝置包括與兩夾針固定器分別連接的導(dǎo)柱5、導(dǎo)套18，導(dǎo)柱5上安 裝機(jī)械加壓裝置的驅(qū)動，導(dǎo)套上安裝壓力反饋裝置，壓力反饋裝置上安裝與驅(qū)動輸出端連 接的往復(fù)運(yùn)動元件連接。機(jī)械加壓裝置的驅(qū)動可為直線電機(jī)1、步進(jìn)電機(jī)21或者變頻電機(jī)等。壓力反饋裝置為各種類型的壓力傳感器11。往復(fù)運(yùn)動元件和驅(qū)動配合?？刂破鳛镈SP、 單片機(jī)或者微電腦。所述的機(jī)械加壓裝置的驅(qū)動為直線電機(jī)1時，壓力反饋裝置為壓力傳感器11，往 復(fù)運(yùn)動元件為壓力桿7，控制器為DSP，導(dǎo)柱5上安裝有直線電機(jī)座4，用于固定由控制器控 制的直線電機(jī)1，導(dǎo)套18上安裝傳感器座10，傳感器座10上安裝有可向控制器傳輸信號的 壓力傳感器11，壓力傳感器11上安裝與直線電機(jī)1的輸出端連接的壓力桿7。在臨床裝配 時，當(dāng)特制固定板15與斷骨連接好后，旋入球面萬向節(jié)14，將導(dǎo)柱、導(dǎo)套座19的凹型球面與 球面萬向節(jié)配和并將側(cè)壓板13用螺栓連接，然后分別安裝導(dǎo)柱、導(dǎo)套壓板17壓牢。之后將 直線電機(jī)座4、傳感器座10用電機(jī)座壓板20、傳感器座壓板16及螺栓分別和導(dǎo)柱、導(dǎo)套連 接。在直線電機(jī)座上安裝直線電機(jī)，在傳感器座上安裝壓力傳感器11。由壓力傳感器孔穿 入壓力桿7，并旋緊鎖緊螺母8及左右旋螺紋聯(lián)軸器6。
機(jī)械加壓裝置的驅(qū)動為步進(jìn)電機(jī)21時，壓力反饋裝置為壓力傳感器11，往復(fù)運(yùn)動 元件為滾珠絲桿螺母副24，控制器為DSP，導(dǎo)柱5上安裝有步進(jìn)電機(jī)座22，用于固定由控制 器控制的步進(jìn)電機(jī)21，導(dǎo)套18上安裝傳感器座10，傳感器座10上安裝有可向控制器傳輸 信號的壓力傳感器11，壓力傳感器11上安裝與步進(jìn)電機(jī)21的輸出端連接的滾珠絲桿螺母 副24。在臨床裝配時，當(dāng)夾針固定器15連接打入骨內(nèi)螺紋針或骨圓針后，旋入球面萬向節(jié) 14，將導(dǎo)柱和導(dǎo)套座19的凹型球面與球面萬向節(jié)相配合，并將側(cè)壓板13用螺栓連接，然后 分別安裝導(dǎo)柱5、導(dǎo)套18。之后將步進(jìn)電機(jī)座22及傳感器座10用電機(jī)座壓板20和傳感器 座壓板16及螺栓分別與導(dǎo)柱、導(dǎo)套連接。在步進(jìn)電機(jī)座22上安裝步進(jìn)電機(jī)21，在傳感器座 10上安裝壓力傳感器11。在壓力傳感器11上安裝滾珠絲杠螺母副24，旋轉(zhuǎn)滾珠絲杠逐漸 接近步進(jìn)電機(jī)軸時、安裝彈性聯(lián)軸器23與步進(jìn)電機(jī)的輸出軸連接。用微電機(jī)作為成熟的動力執(zhí)行元件已有許多使用經(jīng)驗(yàn)。除體積小、重量輕，還有噪 聲小，易控制，精度高，低壓、安全等等優(yōu)勢被廣泛使用在各行各業(yè)。所以本發(fā)明采用微電機(jī) 帶動往復(fù)運(yùn)動元件實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動，如直線電機(jī)帶動壓力桿，步進(jìn)電機(jī)帶動滾珠絲杠螺 母副。控制電機(jī)的快慢及行程即可達(dá)到所需頻率、振幅要求。壓力范圍0-500N;頻率范圍 0. 25-5Hz ；振幅0. 25-3mm。三項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)可分段任意組合。在臨床應(yīng)用時，采用先加壓后測量形變，獲得骨斷端的力學(xué)性質(zhì)，判斷愈合階段， 然后給予針對性的力學(xué)刺激方案，達(dá)到辨癥施治的效果。除可采用控制位移的模式進(jìn)行加 壓外，還可采用控制壓力進(jìn)行加壓的模式，對斷端施加動態(tài)壓力，避免骨愈合后期位移模式 對骨痂生長的抑制。各種刺激模式的各項(xiàng)參數(shù)均可調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了力學(xué)刺激方式的多樣性，并 實(shí)現(xiàn)自動控制。
權(quán)利要求
一種壓力反饋多模式微動外固定架，包括與斷骨連接的兩個夾針固定器(15)，可使兩個夾針固定器產(chǎn)生相對位移的機(jī)械加壓裝置，其特征在于所述機(jī)械加壓裝置上設(shè)置壓力反饋裝置，壓力反饋裝置連接控制器，控制器又與機(jī)械加壓裝置的驅(qū)動連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力反饋多模式微動外固定架，其特征在于所述的機(jī)械加壓 裝置包括與兩夾針固定器分別連接的導(dǎo)柱(5)、導(dǎo)套(18)，導(dǎo)柱(5)上安裝機(jī)械加壓裝置的 驅(qū)動，導(dǎo)套上安裝壓力反饋裝置，壓力反饋裝置上安裝與驅(qū)動輸出端連接的往復(fù)運(yùn)動元件 連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力反饋多模式微動外固定架，其特征在于所述的機(jī)械加 壓裝置的驅(qū)動為直線電機(jī)(1)，壓力反饋裝置為壓力傳感器(11)，往復(fù)運(yùn)動元件為壓力桿 (7)，控制器為DSP，導(dǎo)柱(5)上安裝有直線電機(jī)座(4)，用于固定由控制器控制的直線電機(jī) (1)，導(dǎo)套(18)上安裝傳感器座(10)，傳感器座(10)上安裝有可向控制器傳輸信號的壓力 傳感器(11)，壓力傳感器(11)上安裝與直線電機(jī)⑴的輸出端連接的壓力桿(7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力反饋多模式微動外固定架，其特征在于機(jī)械加壓裝置的 驅(qū)動為步進(jìn)電機(jī)(21)，壓力反饋裝置為壓力傳感器(11)，往復(fù)運(yùn)動元件為滾珠絲桿螺母副 (24)，控制器為DSP，導(dǎo)柱(5)上安裝有步進(jìn)電機(jī)座(22)，用于固定由控制器控制的步進(jìn)電 機(jī)(21)，導(dǎo)套(18)上安裝傳感器座(10)，傳感器座(10)上安裝有可向控制器傳輸信號的 壓力傳感器(11)，壓力傳感器(11)上安裝與步進(jìn)電機(jī)(21)的輸出端連接的滾珠絲桿螺母 副(24)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓力反饋多模式微動外固定架，其特征在于直線電機(jī)(1)輸 出端通過左右旋螺紋聯(lián)軸器(6)連接壓力桿(7)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓力反饋多模式微動外固定架，其特征在于步進(jìn)電機(jī)(21)的 輸出端與滾珠絲桿通過彈性聯(lián)軸器(23)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的壓力反饋多模式微動外固定架，其特征在于夾針固定器 (15)通過球面萬向節(jié)(14)分別與導(dǎo)柱(5)、導(dǎo)套(18)連接。
全文摘要
本發(fā)明屬于醫(yī)療器械的骨折治療用外固定裝置，具體涉及一種壓力反饋多模式微動外固定架，解決了現(xiàn)有骨折康復(fù)外固定架不能判斷愈合階段，不能全面提供各愈合階段骨折斷端所需的刺激，甚至?xí)鸬揭种朴系膯栴}。其包括與斷骨連接的兩個夾針固定器，可使兩個夾針固定器產(chǎn)生相對位移的機(jī)械加壓裝置，所述機(jī)械加壓裝置上設(shè)置壓力反饋裝置，壓力反饋裝置連接控制器，控制器又與機(jī)械加壓裝置的驅(qū)動連接。本發(fā)明克服了現(xiàn)有設(shè)計(jì)無法判斷斷端愈合階段情況，無法針對性調(diào)整力學(xué)刺激的弊端，實(shí)現(xiàn)動態(tài)壓力刺激模式，克服了單獨(dú)位移刺激模式在骨折愈合后期導(dǎo)致骨痂破壞的缺陷，實(shí)現(xiàn)治療方案的個體化、數(shù)字化，容易獲得令人滿意的療效。
文檔編號A61B17/60GK101797176SQ20101010666
公開日2010年8月11日 申請日期2010年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月31日
發(fā)明者衛(wèi)小春, 李凱, 翟寧 申請人:衛(wèi)小春;李凱;翟寧