一种用于骨折治疗的智能个性化外骨骼装置的制作方法

本实用新型涉及一种用于骨折治疗的智能个性化外骨骼装置。

背景技术：

骨折是骨科临床上常见的一种创伤，骨折发生后患者需要接受相应的治疗以保证受损的骨骼恢复健康。目前骨折治疗方式根据其固定物所在的位置不同，分为内固定和外固定两大方式。外固定主要有小夹板、石膏、树脂、外固定支架等固定方式。外固定方式创伤较小，但通常难以精确复位骨折端，一般用于简单骨折和稳定骨折；内固定方式适用复杂骨折和非稳定骨折，虽然骨折复位及固定可靠，但增加了医源性创伤，可能引发感染等一系列并发症和后遗症，另外，痛苦和疤痕无法避免。

随着现代社会的高速发展，交通事故、高处坠落等高能量损伤已成为骨折的主要病因，高能量损伤造成的骨折几乎均为复杂骨折和不稳定骨折，需要切开复位+内植物固定，对于每一位需要手术的病人而言，从认识到接受都是一段痛苦的心路历程。每一位病人都在期盼一种即如石膏固定般简单微创，又能像手术般精确复位坚强固定的骨折治疗技术。这样的期盼是否能实现，近些年现代影像技术、计算机辅助测量设计、快速成型等数字化技术等技术快速发展，为此提供了可能，现代骨科也将进入一个崭新的时代。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种用于骨折治疗的智能个性化外骨骼装置的技术方案。

所述的一种用于骨折治疗的智能个性化外骨骼装置，其特征在于包括智能个性化外骨骼和安装辅助装置，安装辅助装置包括带刻度钢针、骨骼复位机构和基准固定板，带刻度钢针通过基准固定板与骨骼复位机构配合安装于智能个性化外骨骼对应的病灶位置。

所述的一种用于骨折治疗的智能个性化外骨骼装置，其特征在于所述智能个性化外骨骼包括主骨骼基体、若干辅骨骼基体，主骨骼基体、辅骨骼基体之间通过骨骼基体螺纹孔固定连接；主骨骼基体上设置有定位孔，定位孔对应病灶位置，定位孔内配合设置定位带刻度钢针的定位块。

所述的一种用于骨折治疗的智能个性化外骨骼装置，其特征在于所述带刻度钢针上设有刻度，带刻度钢针前端为螺纹结构，带刻度钢针中部设有便于固定的凹槽。

所述的一种用于骨折治疗的智能个性化外骨骼装置，其特征在于所述骨骼复位机构包括主轴、对称设置在主轴两侧的左旋螺杆和右旋螺杆，左旋螺杆上配合设置关节球、关节球定位销、关节球定位块、关节球定位盖、固定杆和钢针固定组件，所述右旋螺杆与左旋螺杆的结构相同。

所述的一种用于骨折治疗的智能个性化外骨骼装置，其特征在于所述主轴两端设有方向相反的内螺纹结构，左旋螺杆的一端和右旋螺杆的一端均设置有与主轴的内螺纹结构相配合的外螺纹结构，左旋螺杆的另一端和右旋螺杆的另一端均为中空的圆柱形结构；圆柱形结构上设有用于安装关节球定位销的圆孔，圆柱形结构内配合设置关节球定位块和关节球，关节球定位销为偏心结构，转动关节球定位销能够驱动关节球定位块移动进而锁止关节球，圆柱形结构的端面设置有限位关节球的关节球定位盖，关节球定位盖与圆柱形结构螺接配合；关节球伸出关节球定位盖的一端为螺杆结构，螺杆结构与固定杆的内螺纹相配合，固定杆上设置钢针固定组件。

所述的一种用于骨折治疗的智能个性化外骨骼装置，其特征在于所述关节球定位销两端为圆柱体结构，且至少一端具有内六角结构，关节球定位销中间为偏心圆柱结构；

所述关节球定位块与关节球定位销接触端为圆柱状凹面，关节球定位块与关节球接触端为球状凹面；

所述关节球定位盖为中空的圆柱状结构，关节球定位盖上设置有直径比关节球球体小的通孔用于穿过关节球的螺杆结构；

所述钢针固定组件包括钢针固定块A、钢针固定块B、钢针固定块C、钢针固定块D、副轴和弹簧；副轴的一端为内六角结构，另一端为螺杆结构；钢针固定块A带有内螺纹结构，钢针固定块A与钢针固定块B为一组，安装在副轴的螺杆一端，钢针固定块A和钢针固定块B组成的圆孔一能够套入固定杆；钢针固定块C与钢针固定块D为一组，安装在副轴的内六角结构一端，钢针固定块C与钢针固定块D组成的圆孔二能够套入带刻度钢针；弹簧套接在副轴上，且位于钢针固定块B与钢针固定块C之间。

所述的一种用于骨折治疗的智能个性化外骨骼装置，其特征在于所述基准固定板为长方体形状，中部设有用于穿过带刻度钢针的两个置针孔，置针孔侧面的基准固定板上设有用于固定带刻度钢针的紧定孔，置针孔间距为20mm-100mm；基准固定板的紧定孔一侧设有半圆形的基准面，基准固定板两侧均设有通过置针孔圆心的基准槽。

所述的一种用于骨折治疗的智能个性化外骨骼装置，其特征在于所述主轴的中部设有用于设置加力杆的圆孔。

所述的一种用于骨折治疗的智能个性化外骨骼装置，其特征在于所述智能个性化外骨骼通过3D打印获得。

本实用新型的有益效果是：

1.精准复位，减少医生对骨折复位的难度和手术时间；

2.无需切开软组织，最大程度减少医源性创伤；

3.固定的稳定性，能够牢稳的保持骨断端在所需要的位置上，同时又能保证患肢进行早期功能锻炼；

4.骨折早期智能个性化外骨骼坚强固定堪比内植物，骨折中晚期调整增强尼龙中玻璃纤维和增韧剂的含量可将智能个性化外骨骼调整至接近骨组织的弹性模量，建立最佳生物力学环境，促进骨骼快速愈合；

5.智能个性化的外骨骼可最大程度减少病人的不舒适体验；

6.外骨骼采用增强尼龙，坚固而质量轻。

附图说明

图1 智能个性化外骨骼示意图；

图2 定位块示意图；

图3 带刻度的钢针示意图；

图4 骨骼复位机构示意图；

图5为图4的A-A剖面示意图；

图6 主轴装配示意图；

图7左旋螺杆示意图；

图8 关节球定位销与左旋螺杆装配示意图；

图9 关节球定位块与关节球装配示意图；

图10 关节球定位盖与左旋螺杆装配示意图；

图11 固定杆示意图；

图12 钢针固定组件示意图；

图13 副轴示意图；

图14 基准固定板结构示意图；

图15 基准固定板安装示意图；

图16 骨折示意图；

图17 复位前智能个性化外骨骼装置安装示意图；

图18 复位后智能个性化外骨骼装置安装示意图；

图中：100-智能个性化外骨骼；101-主骨骼基体；102-1 辅骨骼基体I；102-2 辅骨骼基体II；103-定位孔；104-定位块；105-定位孔螺纹孔；106-骨骼基体螺纹孔；104-1花纹结构；104-2定位块螺纹孔；300-带刻度钢针；301-刻度；302-方形凹槽；303-螺纹结构；400-骨骼复位机构；401-主轴；402-左旋螺杆；403-右旋螺杆；404-关节球定位销；405-关节球定位块；406-关节球定位盖；407-关节球；408-固定杆；409-钢针固定组件；409-1 钢针固定块A；409-2钢针固定块B；409-3钢针固定块C；409-4 钢针固定块D；409-5 副轴；409-6 弹簧；1400-基准固定板；1401-置针孔；1402-基准面；1403-基准槽；300-1第一根带刻度钢针；300-2第二根带刻度钢针；300-3第三根带刻度钢针；300-4第四根带刻度钢针；1400-1第一块基准固定板；1400-2第二块基准固定板；1400-3第三块基准固定板；1600-肱骨。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型智能个性化外骨骼示意图。一种用于骨折治疗的智能个性化外骨骼装置，包括智能个性化外骨骼和安装辅助装置，安装辅助装置包括带刻度钢针、骨骼复位机构和基准固定板，带刻度钢针通过基准固定板与骨骼复位机构配合安装于智能个性化外骨骼对应的病灶位置。

智能个性化外骨骼100采用的材料为增强尼龙，由主骨骼基体101、辅骨骼基体I102-1、辅骨骼基体II102-2和定位带刻度钢针的定位块104组成。主骨骼基体101为基于病患骨骼部位的三维模型设计，应用3D打印技术获得，镂空结构，能舒适贴合病患骨折部位，对骨骼起到稳定支撑作用，其上设置有定位钢针的定位孔103，定位孔对应病灶位置，能对固定骨骼的钢针起到定位作用；所述定位孔103用于穿过固定骨骼的带刻度钢针，其直径大小包括骨折复位前带刻度钢针的位置和骨折复位后带刻度钢针的位置，定位孔103侧面有固定带刻度钢针300和定位块104用的定位孔螺纹孔105；辅骨骼基体I102-1和辅骨骼基体II102-2为基于病患骨骼部位的三维模型设计，应用3D打印技术获得，镂空结构，能舒适贴合病患骨折部位，对骨折部位起到稳定支撑的作用；主骨骼基体101、辅骨骼基体I102-1、辅骨骼基体II102-2之间通过骨骼基体螺纹孔106固定。

图2为本实用新型定位块示意图。定位块104为圆柱体形状，中空，用于穿过带刻度钢针300，定位块上部为花纹结构140-1，增加摩擦力，有助于手持和转动定位块104，侧面有用于固定带刻度钢针300的定位块螺纹孔104-2；定位块104安装在定位孔103中，用于定位带刻度钢针300的位置。

图3为本实用新型带刻度钢针示意图。带刻度钢针300前端设有螺纹结构303，可有效防止带刻度钢针300相对于骨骼滑动，中部设有方形凹槽302，便于紧定螺钉固定，带刻度钢针上设有刻度301，具有轴向定位功能。

图4-5为本实用新型骨骼复位机构示意图。骨骼复位机构400包括主轴401、左旋螺杆402、右旋螺杆403、关节球定位销404、关节球定位块405、关节球定位盖406、关节球407、固定杆408和钢针固定组件409。

图6为本实用新型主轴装配示意图。主轴401两端有方向相反的内螺纹结构，中间有4个用于穿过力臂杆的圆孔，主轴401通过内螺纹与左旋螺杆402和右旋螺杆403连接。

图7为本实用新型左旋螺杆示意图。左旋螺杆402的一端为螺杆结构，螺纹方向为左旋，与主轴401连接；另一端为中空的圆柱形结构，圆柱形结构上有用于安装关节球定位销404的圆孔。右旋螺杆403与左旋螺杆结构完全相同，对称设置在主轴的另一端。

图8为本实用新型关节球定位销与左旋螺杆装配示意图。关节球定位销404两端为圆柱体结构，中间为直径稍小的偏心圆柱结构，关节球定位销一端具有内六角结构，关节球定位销安装在左旋螺杆的圆孔中；关节球定位销在右旋螺杆中安装与左旋螺杆一样，不再赘述。

图9为本实用新型关节球定位块与关节球装配示意图。关节球定位块405一端为圆柱状凹面，另一端为球状凹面；关节球407，一端为球体结构，另一端为螺杆结构；关节球定位块405安装在左旋螺杆402和右旋螺杆403内部，圆柱状凹面贴合关节球定位销404，球状凹面贴合关节球407球体端。

图10为本实用新型关节球定位盖与左旋螺杆装配示意图。关节球定位盖406为中空的圆柱状结构，关节球定位盖406上设有直径比关节球407球体稍小的通孔，用于穿过关节球407螺杆结构端，关节球通过螺杆结构与左旋螺杆402固定；关节球定位盖与右旋螺杆的装配与左旋螺杆一样，不再赘述。

图11为本实用新型固定杆示意图。固定杆408为圆柱体结构，一端为内螺纹结构，与关节球407的螺杆结构连接，钢针固定组件409安装在固定杆408上。

图12为本实用新型钢针固定组件示意图。钢针固定组件409包括钢针固定块A 409-1、钢针固定块B 409-2、钢针固定块C 409-3、钢针固定块D 409-4、副轴409-5、弹簧409-6。图13为本实用新型副轴示意图，副轴409-5的一端为内六角结构，另一端为螺杆结构；钢针固定块A 409-1带有内螺纹结构与钢针固定块B 409-2为一组，安装在副轴409-5的螺杆一端，钢针固定块A 409-1和钢针固定块B 409-2组成的圆孔一在使用时套入固定杆408；钢针固定块C 409-3、钢针固定块D 409-4为一组，安装在内六角结构一端，组成的圆孔二在使用时套入带刻度钢针300，弹簧409-6套在副轴409-5上，位于钢针固定块B 409-2与钢针固定块C 409-3之间；当副轴409-5旋转时，副轴的螺杆端通过螺纹带动钢针固定块A向内运动与钢针固定块B、钢针固定块C 409-3、钢针固定块D 409-4互相压紧，从而同时达到固定带刻度钢针300和将自身固定在固定杆408上的目的。

当骨折断裂口情况比较复杂时，如图16肱骨1600出现锯齿交错的情况，医生徒手复位骨折骨骼比较困难，需借助骨骼复位机构400来进行骨骼复位；骨骼复位机构400的使用方法如下：转动主轴401，左旋螺杆402和右旋螺杆403往两边伸出；旋松关节球定位销404，关节球407可在125°的锥形空间内转动，旋紧关节球定位销404，可锁紧关节球407的运动；钢针固定组件409的钢针固定块A 409-1和钢针固定块B 409-2可在固定杆408上做轴向滑动，用于适应不同距离的带刻度钢针300，也可绕固定杆做周向360°旋转，钢针固定块C 409-3和钢针固定块D 409-4可绕副轴409-5做周向360°旋转，用于适应骨折同一侧带刻度钢针中的两根带刻度钢针的相对角度；转动副轴409-5，由于副轴409-5与钢针固定块A 409-1螺接配合，钢针固定块A 409-1会推动钢针固定块B 409-2向内运动，与钢针固定块C 409-3和钢针固定块D 409-4互相压紧，固定带刻度钢针300的同时将自身固定在了固定杆408上。

图14 为基准固定板结构示意图。由于带刻度钢针300为金属材料，在CT扫描时会形成严重的金属伪影，导致建模时带刻度钢针300和靠近带刻度钢针300的部位发生严重变形，影响后期设计智能个性化外骨骼100及骨折复位的精度，所以需要借助基准固定板1400来去除金属伪影的影响。基准固定板1400，为长方体形状，中间有用于穿过钢针300的两个置针孔1401，置针孔1401侧面有用于固定带刻度钢针300的紧定孔，其置针孔间距有20mm-100mm等多种规格，适用不同间距的带刻度钢针300；基准固定板1400的紧定孔一侧具有半圆形的基准面1402，基准固定板两侧均设有通过置针孔圆心的基准槽1403。

基准固定板1400，所用材料为ABS，CT扫描时不会形成伪影。

使用基准固定板1400的好处有：①去除带刻度钢针伪影对3D重建的影响：②辅助医生对骨折部位的置针；③手术治疗前初步固定骨折部位，减轻病人痛苦。

本实用新型的智能个性化外骨骼装置的操作步骤如下：

一、骨折区域置入带刻度钢针：

1.利用C臂机或者其他手术定位导航设备，将带刻度钢针置入骨折区域，现以无创式实时手术定位导航设备（专利号2013105159221.0）为例说明，使设备的激光点指向第一个置针点，将第一根带刻度钢针300-1精确置入骨折区域骨骼中心；

2.调整激光点指向第二个预设置针点，选取尺寸合适的第一块基准固定板1400-1套入步骤1置入的带刻度钢针300-1上，旋转基准固定板1400-1，并使激光点落在基准固定板1400-1基准槽1403的中心线上，此时基准固定板1400-1的置针孔1401对应的位置为真正的置针点，固定基准固定板1400-1，记录基准固定板1400-1在第一根带刻度钢针300-1上的刻度；

3.通过基准固定板1400-1的置针孔置入第二根带刻度钢针300-2；

4.重复步骤2-3，安装第二块基准固定板1400-2、置入第三根带刻度钢针300-3并记录刻度；

5. 重复步骤2-3，安装第三块基准固定板1400-3、置入第四根带刻度钢针300-4并记录刻度。

二、3D重建骨折区域及带刻度钢针的精确定位：

a.对置入带刻度钢针300的骨折区域进行CT扫描，扫描后的文件导入三维重建软件，对骨折区域图像切割、三维重建，所用软件可为Mimics等常用的三维重建软件；

b.在重建的骨折模型的基础上，切除带刻度钢针300及附近受到伪影影响的部分，保留基准固定板1400的基准面1402；

c.根据步骤2-5记录的刻度，将4根带刻度钢针300和3块基准固定板1400的3D模型在计算机中相模拟安装，此3D模型与实际带刻度钢针300和基准固定板1400尺寸一致；

d.将相对位置配合好的带刻度钢针300和基准固定板1400导入到骨折部位的3D模型中，使基准固定板1400的3D模型的基准面1402和扫描重建而形成的基准固定板1402的基准面重合，来代替步骤b中切除的部分，获得带刻度钢针300的精确位置。

三、设计及3D打印智能个性化外骨骼：

①.将三维重建后的模型文件导入虚拟复位软件，如SolidWorks等常用软件，对重建的三维骨折模型进行虚拟复位；

②.在虚拟复位软件中为虚拟复位后的三维模型设计主骨骼基体101、辅骨骼基体I102-1和辅骨骼基体II102-2；

③.记录复位后带刻度钢针300相对于主骨骼基体101的轴向位置；

④.将虚拟复位软件中设计好的主骨骼基体101、辅骨骼基体I102-1和辅骨骼基体II102-2模型导出为通用格式文件，运用3D打印技术打印主骨骼基体101、辅骨骼基体I102-1和辅骨骼基体II102-2，3D打印技术现已非常成熟，为现有技术，在此不再赘述。

四、外骨骼安装：

I. 拆除基准固定板，将主骨骼基体101安装在病患相应部位，带刻度钢针300从主骨骼基体101的定位孔103中穿出、再依次安装辅骨骼基体I102-1、辅骨骼基体II102-2，并通过骨骼基体螺纹孔106互相固定；

II.在带刻度钢针300上套入定位块104，此时定位块104应无法正确落入智能个性化外骨骼100的定位孔103中，如图17所示；

III.将骨骼复位机构400固定在带刻度钢针300上，转动关节球定位销404锁死关节球407，转动副轴锁紧带刻度钢针300和固定杆408；

IV.转动骨骼复位机构400的主轴401（若受力比较大，可用加力杆穿过主轴中间的圆孔来转动），左旋螺杆302和右旋螺杆303往两边伸出，将骨折的断骨部位交错部分分开；

V.转动其中一个关节球定位销404，松开关节球407，手动大致调整骨折部位，使断骨部位不再交错；

VI.继续调整骨骼复位机构400，使定位块104能正确安落入定位孔304中，如图18所示，卸下骨骼复位机构400；

VII.根据步骤③确定的带刻度钢针300与主骨骼基体101的轴向位置，调整带刻度钢针300的深浅，转动定位块104，使定位块螺纹孔104-2与定位孔螺纹孔105对准，旋入螺钉，固定带刻度钢针300，完成骨骼复位及固定。

本实用新型以保留内、外固定优点，去除内、外固定缺点为目的设计。本实用新型的外骨骼通过3D打印实现，外骨骼的设计则牵涉到精确置钉、CT薄层扫描、计算机虚拟复位、生物力学设计等一系列技术，是一种用于骨折治疗的智能个性化定制式解决方案。可以实现微创、精确复位、坚强固定、早期恢复肢体功能的目的。

本实用新型能促进3D打印技术在医疗临床的有效应用，有望逐步取代各类内植物，满足临床个性化、精准化、微创化、远程化的需求，推动骨外科领域发生质变，并推进3D打印等行业迅速成长。

本实用新型已参照其特定的实施例作了描述，但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的，凡是本实用新型的简单变形或等效变换，应认为落入本实用新型的保护范围。