一种七自由度胫骨单侧外固定器的制作方法

本发明属于外科医疗器械领域，具体涉及一种治疗胫骨骨折矫正的七自由度单侧外固定器。

背景技术：

胫骨骨折是一种数量很大的常见骨科疾病。治理此病的传统方法是用石膏固定、牵引或者切开复位内固定，病人通常需要三个月卧床，常常引起关节僵硬。随着外固定技术的发展，外固定支架已成为骨科治疗中比较重要的工具之一并得到了迅速发展，其中llizarov全环式外固定器较为突出，是骨外固定器技术领域的重大进步。Llizarov的技术也激发了无数骨科让医生对骨外固定技术的学习、研究和应用的兴趣。1984年，Bastiani等发明了一种单边的动力单侧外固定，简化了操作难度。Ao学派也认识到骨外固定器在开放、感染性骨折中的应用价值，研制了一种管状外固定器。1994年美国人J Charles Taylor等人在llizarow环形外固定器的基础上，改进成“空间架构”’外固定(Taylor Spatial Frame，简称TSF)，Taylor外固定器是一种将六个可伸缩的连接杆倾斜地连接在近端远端环上，并在连接点处可以自由旋转的洞孔环式外固定器，该固定器就是有名的“泰勒空间框架”。

虽然这些外固定器都有自己的独特的优点和应用价值，但是也同时存在自身的不足，并联外固定器结构笨重，不够灵活，使患者在手术后的功能恢复带来困难和不便，由于早期单侧外固定器关节角度调整范围的局限性导致灵活性受到限制，功能单一，治疗大变形的骨折矫正困难。因此根据“骨科自然重建理念”：骨折早期实施坚强固定，骨折中期提供轴向和综合应力刺激的弹性固定，后期提供平衡固定这一理念，设计一个能够较好的解决单侧外固定器调节范围小，灵活性差的问题，使单侧外固定器在大变形骨折矫正中得以应用是非常有意义的。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，提供一种关节调节范围大。灵活性大并且能够实现动静结合的单侧外固定器，要解决大变形胫骨骨折矫正困难的问题，保证关节在转角的任意位置实现固定，且结构简单、使用方便。该固定器主要由六个不同心的转动副和一个移动副组成，能够实现空间三维骨变形矫正并且在骨折后期具有轴向加压的功能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种七自由度胫骨单侧外固定器，其特征在于：包括近端骨针支架(5)、延长棒(1)、近端中间转动体(9)、近端延长棒卡子(16)、远端延长棒卡子(27)、远端中间转动体(29)、远端骨针支架(38)：所述近端骨针支架(5)能够绕近端中间转动体(9)实现x轴180度的转动，近端中间转动体(9)相对近端延长棒卡子(16)能够实现绕y轴360度的转动，近端延长棒卡子(16)相对于延长棒(1)能够实现绕z轴360度的转动,近端延长棒卡子(16)和远端延长棒卡子(27)相对于延长棒(1)的轴线实现沿着z轴60mm的移动；延长棒(1)的两端转动体是对称结构，远端延长棒卡子(27)相对于延长棒(1)实现绕z轴360度的旋转，远端中间转动体(29)相对远端延长棒卡子(27)实现绕y轴360度的转动，远端骨针支架(38)相对远端中间转动体(29)能够实现绕x轴的转动。

进一步地，所述延长棒(1)由延长棒外杆(1-2)、延长棒内杆(1-1)、丝杠螺纹杆(2-1)、螺母丝杠凸台(2-2)、丝杠螺母(2-3)、螺母丝杠卡槽(2-4)、丝杠轴承(3)和卡簧(4)组成：中空的延长棒内杆(1-1)通过螺纹和丝杠螺纹杆(2-1)连接，丝杠螺纹杆(2-1)的下端是螺母丝杠凸台(2-2)，丝杠轴承(3)安装在螺母丝杠凸台(2-2)上，卡簧(4)安装在丝杠轴承(3)和丝杠螺母(2-3)之间，延长棒外杆(1-2)通过丝杠轴承(3)和螺母丝杠凸台(2-2)连接，丝杠轴承(3)通过卡簧(4)与丝杠螺母(2-3)固定连接，螺母丝杠卡槽(2-4)在丝杠螺母(2-3)的底端，通过旋转螺母丝杠卡槽(2-4)实现延长棒内杆(1-1)相对延长棒外杆(1-2)沿延长棒轴线的上下移动运动，构成移动副。

进一步地，所述近端骨针支架(5)由近端骨针支架上端盖(5-1)、近端骨针支架下端盖(5-2)、近端骨针支架左侧螺钉(7-1)、近端骨针支架右侧螺钉(7-2)、近端左侧弹簧(6-1)、近端右侧弹簧(6-2)和近端骨针支架针槽(5-3)组成：近端骨针支架上端盖(5-1)通过近端骨针支架左侧螺钉(7-1)和近端骨针支架右侧螺钉(7-2)与近端骨针支架下端盖(5-2)连接；近端左侧弹簧(6-1)安装在近端骨针支架上端盖左侧螺纹孔(5-4)中，近端右侧弹簧(6-2)安装在近端骨针支架上端盖右侧螺纹孔(5-7)中，近端骨针支架左侧螺钉(7-1)和近端骨针支架右侧螺钉(7-2)通过近端左侧弹簧(6-1)和近端右侧弹簧(6-2)将近端骨针(8)压紧在近端骨针支架针槽(5-3)中，实现近端骨针(8)的固定。

进一步地，所述近端骨针支架(5)由近端骨针支架上端盖(5-1)和近端骨针支架下端盖(5-2)组成，近端骨针支架下端盖(5-2)的右端是近端骨针支架旋转体(5-5)，近端骨针支架旋转体(5-5)中开有内嵌齿槽(5-6)，近端中间转动体(9)的左侧存在伸出旋转部位(9-1)；近端骨针支架旋转体(5-5)插入近端中间转动体伸出旋转部位(9-1)之间并通过近端中间转动体齿轮(11)连接在一起，近端骨针支架旋转体(5-5)通过近端骨针支架内嵌齿槽(5-6)和近端中间转动体齿轮(11)连接，近端花键轴(10)与近端中间转动体齿轮(11)连接在一起。

进一步地，近端花键轴(10)的轴端开有近端花键轴切槽表面(10-1)和近端花键螺纹(10-2)，近端中间转动体(9)通过转动近端花键轴切槽表面(10-1)和近端骨针支架(5)实现相对转动，构成转动副。

进一步地，近端中间转动体伸出旋转部位(9-1)的底端有凹表面(9-2)，近端花键下端轴承(14-1)安装在近端中间转动体凹表面(9-2)上，其中近端花键轴(10)通过近端花键下端轴承(14-1)和近端中间转动体伸出旋转部位(9-1)连接，近端花键轴(10)通过近端花键上端轴承(14-2)和近端轴承端盖(12)连接，近端端盖螺母(13)通过近端防松垫圈(15)压紧在近端轴承端盖(12)上，近端端盖螺母(13)通过近端花键螺纹(10-2)和近端花键轴(10)连接，近端花键轴(10)通过近端端盖螺母(13)压紧在近端中间转动体凹表面(9-2)上。

进一步地，所述近端中间转动体(9)的下端有一个伸出轴(9-3)，近端中间转动体伸出轴(9-3)旁边安装一个近端延长棒卡子齿轮(17)，所述近端中间转动体(9)通过近端延长棒卡子齿轮(17)和近端延长棒卡子(16)连接，近端延长棒卡子齿轮(17)通过近端延长棒卡子齿槽(16-1)和近端延长棒卡子(16)连接；近端中间转动体(9)通过旋转近端延长棒卡子齿轮轴(17-1)和近端延长棒卡子(16)形成绕近端中间转动体伸出轴(9-3)的相互转动，构成转动副；近端延长棒卡子齿轮轴(17-1)上安装了近端中间转动体上端轴承(18-1)和近端中间转动体下端轴承(18-2)，所述两端轴承分别安装在近端连接端盖(19)的上下表面，近端中间转动体(9)通过近端中间转动体上端轴承(18-1)和近端连接端盖(19)的上表面连接，近端连接端盖(19)通过近端中间转动体下端轴承(18-2)和近端连接端盖(19)的下表面连接；近端延长棒卡子齿轮螺母(20)通过近端防松垫片(21)压紧在近端中间转动体(9)上。

进一步地，近端延长棒卡子轴承(22)安装在近端中间转动体伸出轴(9-3)的下端以及近端延长棒卡子凹孔表面(16-3)上，近端中间转动体伸出轴(9-3)通过近端延长棒卡子轴承(22)和近端延长棒卡子内凹孔轴(16-2)连接，近端连接端盖(19)将近端延长棒卡子轴承(22)压紧在近端延长棒卡子凹孔表面(16-3)上，近端中间转动体伸出轴(9-3)通过近端延长棒卡子轴承(22)和近端延长棒卡子内凹孔轴(16-2)形成相对转动运动；近端连接端盖(19)通过近端紧固长螺钉(23)固定在近端延长棒卡子(16)上；近端中间转动体(9)通过近端紧固长螺钉(23)和近端延长棒卡子(16)固定在一起,近端紧固长螺钉(23)通过近端锁紧垫圈(24)固定在近端中间转动体(9)上。

进一步地，所述近端连接端盖(19)通过近端连接端盖螺钉(25)和近端中间转动体(9)固定在一起。

进一步地，所述近端延长棒卡子(16)安装在延长棒内杆(1-1)上，远端延长棒卡子(27)安装在延长棒外杆(1-2)上；近端延长棒卡子(16)通过近端延长棒螺钉(26-2)和近端延长棒螺母(26-1)与延长棒内杆(1-1)固定在一起，延长棒内杆(1-1)和近端延长棒卡子(16)可以实现360度相互转动，构成转动副；远端延长棒卡子(27)通过远端延长棒螺钉(28-2)和远端延长棒螺母(28-1)与延长棒外杆(1-2)固定在一起，延长棒外杆(1-2)和远端延长棒卡子(27)可以实现360度相互转动，构成转动副。

固定器的结构是对称结构，所述远端延长棒卡子(27)和远端中间转动体(29)的连接与近端延长棒卡子(16)和近端中间转动体(9)的连接是一样的，下面简要说明。

进一步地，所述远端中间转动体(29)通过远端延长棒卡子齿轮(30)和远端延长棒卡子(27)连接，远端延长棒卡子齿轮(30)通过远端延长棒卡子齿槽(27-1)和远端延长棒卡子(27)连接；远端中间转动体(29)通过旋转远端延长棒卡子齿轮轴(30-1)和远端延长棒卡子(27)形成绕远端中间转动体伸出轴(29-3)的相互转动，构成转动副；远端中间转动体(29)通过远端中间转动体上端轴承(31-1)和远端连接端盖(32)的上表面连接，远端连接端盖(32)通过远端中间转动体下端轴承(31-2)和远端连接端盖(32)的下表面连接；远端延长棒卡子齿轮螺母(33)通过远端防松垫片(34)压紧在远端中间转动体(29)上。远端中间转动体伸出轴(29-3)通过远端延长棒卡子轴承(35)和远端延长棒卡子内凹孔轴(27-2)连接，远端连接端盖(32)压紧在远端延长棒卡子轴承(35)上，远端中间转动体伸出轴(29-3)通过远端连接端盖(32)和远端延长棒卡子内凹孔轴(27-2)形成相对转动运动；远端连接端盖(32)通过远端紧固长螺钉(32-1)固定在远端延长棒卡子(27)上；远端中间转动体(29)通过远端紧固长螺钉(36)和远端延长棒卡子(27)固定在一起,远端紧固长螺钉(36)通过远端锁紧垫圈(37)固定在远端中间转动体(29)上；远端连接端盖(32)通过远端连接端盖螺钉(32-1)和远端中间转动体(29)固定在一起。

所述远端中间转动体(29)和远端骨针支架(38)的连接与近端中间转动体(9)和近端骨针支架(5)的连接是一样的，下面简要说明。

进一步地，所述远端骨针支架旋转体(38-4)插入远端中间转动体伸出旋转部位(29-1)之间并通过远端中间转动体齿轮(39)连接在一起，远端骨针支架旋转体(38-4)通过远端骨针支架内嵌齿槽(38-5)和远端中间转动体齿轮(39)连接，远端花键轴(40)与远端中间转动体齿轮(39)连接在一起；远端花键轴(40)的轴端开有远端花键轴切槽表面(40-1)和远端花键螺纹(40-2)，远端中间转动体(29)通过旋转远端花键轴切槽表面(40-1)和远端骨针支架(38)实现相对转动，构成转动副；远端花键轴(40)通过远端花键下端轴承(41-1)和远端中间转动体伸出旋转部位(29-1)连接，远端花键轴(40)通过远端花键上端轴承(41-2)和远端轴承端盖(42)连接，远端端盖螺母(43)通过远端防松垫圈(44)压紧在远端轴承端盖(42)上，远端端盖螺母(43)通过远端花键螺纹(40-2)和远端花键轴(40)连接，远端花键轴(40)通过远端端盖螺母(43)压紧远端中间转动体伸出旋转部位(29-1)；远端骨针支架上端盖(38-1)通过远端骨针支架左侧螺钉(45-1)和远端骨针支架右侧螺钉(45-2)与远端骨针支架下端盖(38-2)连接；远端骨针支架左侧螺钉(45-1)和远端骨针支架右侧螺钉(45-2)通过远端左侧弹簧(46-1)和远端右侧弹簧(46-2)将远端骨针(47)压紧在远端骨针支架针槽(38-3)中，实现远端骨针(47)的固定。

本发明由于采用以上技术方案，实现了大变形骨折复位的单侧外固定器，且结构简单，使用方便，体积小，制造成本低，不仅保证了在空间360度的大骨折矫正，较好的解决了单侧外固定器关节调节范围小、灵活性差等问题，而且该单侧外固定器在骨折复位后期能够在骨折端实现轴向加压的功能，此外该固定器还可以用于胫骨延长的手术治疗。

下面结合附图对本发明的一种七自由度胫骨单侧外固定器做进一步说明。

附图说明

图1为本发明一种单侧胫骨外固定器的总体结构三维示意图；

图2为本发明一种单侧胫骨外固定器的总体结构俯视图；

图3为本发明一种单侧胫骨外固定器的延长棒结构剖面图；

图4为本发明一种单侧胫骨外固定器的近端骨针支架结构剖面图；

图5(a)、(b)、(c)分别为本发明一种单侧胫骨外固定器的近端中间转动体和近端骨针支架连接正视图、俯视图、侧视图；

图6(a)、(b)分别为本发明一种单侧胫骨外固定器的近端中间转动体和近端骨针支架连接B-B剖面图、近端花键轴三维示意图；

图7为本发明一种单侧胫骨外固定器的近端中间转动体和近端骨针支架连接C-C剖视图；

图8(a)、(b)、(c)、(d)分为本发明一种单侧胫骨外固定器的近端中间转动体和近端延长棒卡子连接正视图、俯视图、侧视图、轴侧视图；

图9-11分别为本发明一种胫骨单侧外固定器的近端中间转动体和近端延长棒卡子连接的D-D剖视图、E-E剖视图和F-F剖视图；

图12为本发明一种单侧胫骨外固定器的近端中间转动体和近端轴承端盖连接示意图；

图13为本发明一种单侧胫骨外固定器的近端延长棒卡子、远端延长棒卡子和延长棒连接示意图；

图14为本发明一种单侧胫骨外固定器远端延长棒卡子和远端中间转动体连接示意图；

图15为本发明一种单侧胫骨外固定器远端中间转动体和远端骨针支架连接示意图

图16为本发明一种单侧胫骨外固定器的使用状态示意图；

图1-图16中：1-延长棒，1-1—延长棒内杆，1-2—延长棒外杆，2-1—丝杠螺纹杆，2-2—螺母丝杠凸台，2-3—丝杠螺母，2-4—螺母丝杠卡槽，3—丝杠轴承，4—卡簧，5—近端骨针支架，5-1—近端骨针支架上端盖，5-2—近端骨针支架下端盖，5-3—近端骨针支架针槽，5-4—近端骨针支架上端盖左侧螺纹孔，5-5—近端骨针支架旋转体，5-6—近端骨针支架内嵌齿槽，5-7—近端骨针支架上端盖右侧螺纹孔，6-1—近端左侧弹簧，6-2—近端右侧弹簧，7-1—近端骨针支架左侧螺钉，7-2—近端骨针支架右侧螺钉，8—近端骨针，9—近端中间转动体，9-1—近端中间转动体伸出旋转部位，9-2—近端中间转动体凹表面,9-3—近端中间转动体伸出轴，10—近端花键轴，10-1—近端花键轴切槽表面,10-2—近端花键螺纹，11—近端中间转动体齿轮，12—近端轴承端盖，13—近端端盖螺母，14-1—近端花键下端轴承，14-2—近端花键下端轴承，15—近端防松垫圈,16—近端延长棒卡子,16-1—近端延长棒卡子齿槽，16-2—近端延长棒卡子内凹孔轴，16-3—近端延长棒卡子凹孔表面，17—近端延长棒卡子齿轮，17-1—近端延长棒卡子齿轮轴，18-1—近端中间转动体上端轴承，18-2—近端中间转动体下端轴承，19—近端连接端盖，20—近端延长棒卡子齿轮螺母，21—近端防松垫片，22—近端延长棒卡子轴承，23—近端紧固长螺钉，24—近端锁紧垫圈，25—近端连接端盖螺钉，26-1—近端延长棒螺母，26-2—近端延长棒螺钉，27—远端延长棒卡子，27-1—远端延长棒卡子齿槽，27-2—远端延长棒卡子内凹孔轴，28-1—远端延长棒螺母，28-2—远端延长棒螺钉，29—远端中间转动体，29-1—远端中间转动体伸出旋转部位，29-3—远端中间转动体伸出轴，30—远端延长棒卡子齿轮，30-1—远端延长棒卡子齿轮轴，31-1—远端中间转动体上端轴承，31-2—远端中间转动体下端轴承，32—远端连接端盖，32-1—远端连接端盖螺钉，33—远端延长棒卡子齿轮螺母，34—远端防松垫片，35—远端延长棒卡子轴承，36—远端紧固长螺钉，37—远端锁紧垫圈，38—远端骨针支架，38-1—远端骨针支架上端盖，38-2—远端骨针支架下端盖，38-3—远端骨针支架针槽，38-4—远端骨针支架旋转体，38-5—远端骨针支架内嵌齿槽，39—远端中间转动体齿轮，40—远端花键轴，40-1—远端花键轴切槽表面，40-2—远端花键螺纹，41-1—远端花键下端轴承，41-2—远端花键上端轴承，42—远端轴承端盖，43—远端端盖螺母，44—远端防松垫圈，45-1—远端骨针支架左侧螺钉，45-2—远端骨针支架右侧螺钉，46-1—远端左侧弹簧，46-2—远端右侧弹簧，47—远端骨针，48-1—近端胫骨，48-2—远端胫骨，48-3—远端骨针支架针槽。

具体实施方式

如图1-图16所示，本发明为一种七自由度胫骨单侧外固定器，具有相互对称的近端三个转动副、远端三个转动副和一个移动副，采用的七自由度串联结构形式：主要包括近端骨针支架(5)、近端中间的转动体(9)、近端延长棒卡子(16)、远端延长棒卡子(27).远端中间转动体(29)、远端骨针支架(38)和延长棒(1)。在进行胫骨复位过程中，首先通过旋转近端骨针支架左侧螺钉(7-1)和右侧螺钉(7-2)将近端胫骨(48-1)通过近端骨针(8)固定在近端骨针支架针槽(5-3)中，使近端胫骨(48-1)和近端骨针支架(5)固定连接，然后将远端骨针(47)固定在远端骨针支架针槽(48-3)中，通过旋转远端骨针支架左侧螺钉(45-1)和右侧螺钉(45-2)使远端胫骨(48-2)和远端骨针支架(38)固定连接，即完成了固定器与胫骨的连接。

两端骨针支架与胫骨两端连接后，根据远端胫骨(48-2)和近端胫骨(48-1)的错位的位姿关系完成两断骨的对齐：医生根据X射线确定近端中间转动体(9)和近端延长棒卡子(16)的旋转角度，首先通过扳手旋转近端花键轴(10)使近端骨针支架(5)相对近端中间转动体(9)形成x轴方向的相对转动，旋转到骨折复位需要的位置，近端骨针支架(5)通过旋转近端端盖螺母(13)和近端中间转动体(9)固定在一起；近端中间转动体(9)通过扳手旋转近端延长棒卡子齿轮轴(17-1)与近端延长棒卡子(16)形成y轴方向的相互转动，当旋转到一定角度，锁紧近端延长棒卡子螺母(20)使近端延长棒卡子齿轮轴(17-1)停止转动，紧接着近端中间转动体(9)通过紧固长螺钉(23)和近端延长棒卡子(16)固定在一起；近端延长棒卡子(16)和延长棒内杆(1-1)形成z轴方向的转动副，当近端延长棒卡子(16)和延长棒内杆(1-1)相互转到一定角度，通过扭紧近端延长棒螺母(26-1)实现近端延长棒卡子(16)和延长棒内杆(1-1)位姿的固定。

然后完成远端三个转动副的相互连接，用医学扳手旋转远端延长棒卡子(27)使其和延长棒外杆(1-2)形成z轴方向的转动副，当远端延长棒卡子(27)和延长棒外杆(1-2)形成一定角度时，通过扭紧远端延长棒螺母(28-1)实现远端延长棒卡子(27)和延长棒外杆(1-2)位姿的相互固定；远端中间转动体(29)通过扳手旋转远端中间转动体齿轮轴(30-1)与远端延长棒卡子(27)形成y轴方向的相互转动，当旋转到一定角度，锁紧远端延长棒卡子螺母(33)使远端延长棒卡子齿轮轴(17-1)停止转动，接着远端中间转动体(29)通过远端紧固长螺钉(36)和远端延长棒卡子(27)固定在一起；紧接着旋转远端花键轴(40)使远端骨针支架(38)相对于远端中间转动体(29)形成x轴方向的相对转动，当旋转到一定角度，远端骨针支架(38)通过旋转远端端盖螺母(43)和远端中间转动体(29)固定在一起；至此实现了近端骨相对于远端骨的对齐过程。

通过调节丝杠螺母(2-3)，可以控制近端胫骨(48-1)相对于远端胫骨(48-2)在z轴方向上位置，实现骨折复位后期的轴向加压功能以及骨延长功能。

由上述可知，此单侧外固定器的六个转动副可以实现近端胫骨相对远端胫骨的姿态对齐，一个方向的移动副可以实现胫骨后期断骨处的轴向加压功能以及骨延长术功能，因此单侧外固定器能够有效地实现胫骨复位和骨折中后期弹性固定功能。