載荷平衡式膝關節(jié)矯形支具及其實現(xiàn)方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種醫(yī)療康復器械領域的技術，具體是一種載荷平衡式膝關節(jié)矯形支具及其實現(xiàn)方法。
【背景技術】
[0002]膝關節(jié)是全身結構最為復雜的關節(jié)，負重量與運動量位于所有關節(jié)之首，同時承擔著下肢活動的樞紐作用，因此，膝關節(jié)的傷病率高于全身其他關節(jié)。在膝關節(jié)的諸多傷病中，骨性關節(jié)炎是最為常見的病癥之一，長期的、大量的關節(jié)負載以及下肢力線畸形都是導致骨性關節(jié)炎的主要外因。而載荷平衡式矯形支具，通過矯正下肢畸形力線，減輕受病關節(jié)負荷，減少關節(jié)面磨擦，已經(jīng)成為減輕患者疼痛，緩解病情持續(xù)發(fā)展的重要手段之一。
[0003]—般而言，膝關節(jié)矯形支具具有幾個功能:1)固定、保護和支撐膝關節(jié)，限制膝關節(jié)的活動范圍以恢復其承重功能；2)預防和矯正畸形膝關節(jié)，在一定程度上可以改善膝骨關節(jié)炎引起的功能障礙，預防畸形的進一步發(fā)展；3)平衡膝關節(jié)的載荷，減輕發(fā)病側關節(jié)髁的壓力，有利于關節(jié)髁壞死區(qū)域的修復。
[0004]目前大多數(shù)膝關節(jié)矯形支具采用三點力原理和整體免荷原理進行設計，三點力原理是指矯形支具的三個支撐點作用在下肢，下肢產(chǎn)生反作用力來對抗所施加的三點力，兩者維持相對平衡后，能給與佩戴者持續(xù)的壓力，以此來矯正患者下肢的力線彎曲和偏斜異常；整體免荷原理是指矯形支具通過向上支撐大腿和向下支撐小腿，增大膝關節(jié)上下關節(jié)面間距，減小上下關節(jié)面之間的壓力，進而減輕骨關節(jié)面磨損，以達到緩解關節(jié)疼痛的目的。
[0005]近來隨著3D打印技術應用于醫(yī)學領域，個性化定制膝關節(jié)矯形支具等展現(xiàn)出很好的應用前景。3D打印技術在生物醫(yī)學工程領域應用主要在于術前策劃的應用、手術輔助器械的應用、定制假體中的應用以及組織工程中的應用。在組織工程中，3D打印技術主要用于支架的制備，可以將不同類型的生物材料組合起來，制備出微結構可控、力學性能穩(wěn)定的支架結構。將實物模型掃描后轉(zhuǎn)換為數(shù)字模型進行分析和設計是進行3D打印的重要準備工作。應用的軟件平臺主要包括Geomagic Stud1、Geomagic Spark和Solidworks。Geomagic Stud1是Geomagic公司設計的一款逆向工程軟件，可以將實物零件通過3D掃描轉(zhuǎn)換為離散點云，進而生成準確的數(shù)字模型；Solidworks是世界上第一款基于Windows系統(tǒng)開發(fā)的三維CAD設計軟件；Geomagic Spark是業(yè)界唯——款結合了實時三維掃描、三維點云和三角網(wǎng)格編輯功能以及全面CAD造型設計、裝配建模、二維出圖等功能的三維設計軟件。
[0006]經(jīng)過對現(xiàn)有技術的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻號CN104873315A，公告日2015.9.2，公開了一種免荷型膝關節(jié)矯形器，包括大腿夾板、小腿夾板、主動轉(zhuǎn)輪、從動轉(zhuǎn)輪、傳動銷軸和推桿；大腿夾板、小腿夾板均通過綁帶分別綁縛在大腿、小腿上；主動轉(zhuǎn)輪上設有弧形的第一槽孔，在主動轉(zhuǎn)輪的外周上設有一個耳部，第一槽孔的中心點位于耳部上；從動轉(zhuǎn)輪設置在大腿夾板下端，從動轉(zhuǎn)輪上設置有第二槽孔，第二槽孔由兩個開口相對的弧形槽孔組成V形槽；小腿夾板上端設有條形的第三槽孔，第三槽孔沿小腿夾板的長度方向設置；推桿一端與耳部鉸接，推桿另一端與套在大腿夾板上的大腿托鉸接。但該技術制作過程復雜，不能根據(jù)患者的腿形作適應性匹配，影響佩戴的舒適程度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提出一種載荷平衡式膝關節(jié)矯形支具及其實現(xiàn)方法，根據(jù)三點力原理和整體免荷原理設計矯形支具，通過對膝關節(jié)施加矯正力矩使膝關節(jié)矯形支具在膝關節(jié)運動時局部免荷，并基于3D掃描重建技術與計算機輔助設計技術，實現(xiàn)膝關節(jié)矯形支具的個性化定制。
[0008]本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
[0009]本發(fā)明涉及一種載荷平衡式膝關節(jié)矯形支具，包括:依次相連的大腿支撐部分、連接部分和小腿支撐部分。
[0010]所述的大腿支撐部分為上平下凹的環(huán)形曲面。
[0011 ] 所述的小腿支撐部分為中間設有槽口的環(huán)形曲面。
[0012]所述的連接部分包括:腿內(nèi)側連接單元和腿外側連接單元，其中:內(nèi)外側連接單元分別位于膝關節(jié)左右(內(nèi)外)兩側，上下分別與大腿和小腿支撐部分相連接。
[0013]所述的腿內(nèi)側連接單元進一步包括:從上而下依次設置的腿內(nèi)側上部連接件、腿內(nèi)側下部連接件和護板，其中:腿內(nèi)側上部連接件的一端分別與腿內(nèi)側下部連接件和護板相連，腿內(nèi)側下部連接件與護板固定連接。
[0014]所述的腿外側連接單元進一步包括:依次相連的腿外側上部連接件、中間轉(zhuǎn)軸和腿外側下部連接件。
[0015]所述的腿外側上部連接件和腿外側下部連接件通過銷柱分別與大腿支撐部分和小腿支撐部分相連。
[0016]本發(fā)明涉及上述支具的實現(xiàn)方法，包括以下步驟:
[0017]步驟1、掃描并得到包含膝關節(jié)的腿部3D外形數(shù)據(jù)，進行3D建模并保存。
[0018]步驟2、從3D數(shù)字模型上提取曲線曲面，進行矯形支具大腿支撐部分和小腿支撐部分的外形設計。
[0019]步驟3、根據(jù)上一步驟的設計尺寸設計連接部分的尺寸。
[0020]步驟4、通過3D打印機打印大腿支撐部分、小腿支撐部分和連接部分。
[0021]步驟5、組裝大腿支撐部分、小腿支撐部分和連接部分，利用綁帶固定在腿部進行適配。
技術效果
[0022]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明采用3D打印技術定制個性化膝關節(jié)矯形支具，制作簡單、快速、精度高，能與患者腿部更為匹配，佩戴更為舒適；采用載荷式支具方法對膝關節(jié)畸形位置進行局部免荷，不影響膝關節(jié)的正常功能，對治療單髁過膝關節(jié)炎有一定作用。
【附圖說明】
[0023]圖1為載荷平衡式膝關節(jié)矯形支具示意圖；
[0024]圖2為腿內(nèi)側連接單元示意圖；
[0025]圖3為腿外側連接單元示意圖；
[0026]圖4為3D打印流程圖；
[0027]圖5為佩戴膝關節(jié)矯形支具后的膝關節(jié)伸直狀態(tài)示意圖；
[0028]圖6為佩戴膝關節(jié)矯形支具后的膝關節(jié)屈曲狀態(tài)示意圖；
[0029]圖中:1為大腿支撐部分，2為小腿支撐部分，3為連接部分，4為腿內(nèi)側上部連接件，5為腿內(nèi)側下部連接件，6為護板，7為齒輪，8為齒條，9為導軌，10為銷柱，11為腿外側上部連接件，12為腿外側下部連接件，13為中間轉(zhuǎn)軸。
【具體實施方式】
[0030]下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例1
[0031]本實施例涉及的3D掃描及設計環(huán)境版本為Geomagic Stud1 2013, Soli dworks2013 和 Geomagic spark 2013。
[0032]如圖1所示，本實施例包括:依次相連的大腿支撐部分1、連接部分3和小腿支撐部分2。
[0033]所述的大腿支撐部分1為上平下凹的環(huán)形曲面。
[0034]所述的小腿支撐部分2為中間設有槽口的環(huán)形曲面。
[0035]所述的連接部分3包括:腿內(nèi)側連接單元和腿外側連接單元，其中:內(nèi)外側連接單元分別位于膝關節(jié)左右(內(nèi)外)兩側，上下分別與大腿和小腿支撐部分相連接。
[0036]如圖2所示，所述的腿內(nèi)側連接單元包括:從上而下依次設置的腿內(nèi)側上部連接件4、腿內(nèi)側下部連接件5和護板6，其中:腿內(nèi)側上部連接件4的一端分別與腿內(nèi)側下部連接件5和護板6相連，腿內(nèi)側下部連接件5與護板6固定連接。
[0037]所述的腿內(nèi)側上部連接件4的一端通過轉(zhuǎn)軸與護板6相連，另一端設有銷柱10。
[0038]所述的護板6上設有與轉(zhuǎn)軸相配合的導軌9。
[0039]所述的腿內(nèi)側下部連接件5為梯形板，梯