一种并联型骨外固定器及其应用方法与流程

本发明的技术方案涉及治疗骨的装置或方法，具体地说是一种并联型骨外固定器及其应用方法。

背景技术：

在骨折创伤中，骨折闭合复位对骨外科医生具有很大的挑战性，即使是很有经验的外科医生也很难使患者达到完整的闭合复位，为此，在骨折闭合复位的治疗中骨外固定器得以研发。

现有技术中，骨外固定器有泰勒空间外固定支架，它是由两个全环或部分环，应用六根可伸缩的支撑杆组装而成。其工作时，单个支撑杆杆长的变化都会使一个平台相对另一个平台在三维平面中产生位移，为此一个平台相对于另一个平台的位姿变化都必须通过计算机引导，从而才能完成临床上多种骨折移位、骨不愈合及畸形愈合的治疗。目前，在欧美国家，泰勒空间外固定支架越来越多地被应用于四肢骨折，特别是肢体畸形的矫正中。然而，实际临床工作中，由于肢体的解剖及生理特征、创伤及骨折的实际复杂特点状态，在应用现有泰勒空间外固定支架治疗过程中，可能需要多次反复的复位才能获得骨端良好的对位，并存在造成对软组织及神经血管二次损伤的风险。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种并联型骨外固定器及其应用方法，该并联型骨外固定器，设计为双坐标系，可由六个畸形参数定位框架内任一点畸形，可准确定义移动骨端畸形相对于参照系统的全部属性，从而克服了现有泰勒空间外固定支架在实际临床工作中，存在由于肢体的解剖及生理特征和创伤及骨折的实际复杂特点状态，需要多次反复的复位才能获得骨端良好的对位，会造成对软组织及神经血管二次损伤的风险的缺陷。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种并联型骨外固定器，包括框架部分和配套计算机软件部分，其中框架部分由参照环、移动环和六根驱动杆构成，参照环和移动环之间通过万向关节器和六根驱动杆连接，连接移动环和参照环的六根驱动杆并联排列，每根驱动杆是可伸缩的，它由万向关节器、伸缩杆、卡环、调节螺母和带有刻度尺的套管组成；配套计算机软件部分的运行环境为windows,需要Internet Explorer 9.0及以上版本，该配套计算机软件具体操作流程为：在IE浏览器中输入网址，进入网络计算平台，在初始界面输入病例信息及医生测量的畸形参数、框架参数、初始六根驱动杆杆长和治疗天数，点击“开始计算”按钮，即可得到骨折复位后六根驱动杆的最终杆长，并生成电子调节处方。

上述一种并联型骨外固定器，所述驱动杆中的万向关节器、伸缩杆、卡环、调节螺母和带有刻度尺的套管的连接方式是：万向关节器的下端固定在伸缩杆的上端，伸缩杆自上而下穿过调节螺母的内部且伸缩杆的下端嵌入到带有刻度尺的套管的长形凹槽内，伸缩杆通过卡环与带有刻度尺的套管锁死，调节螺母的上端嵌套在卡环的内部与之构成一个整体，在调节螺母的内部下端有一个环形凹槽，带有刻度尺的套管的上端卡进调节螺母的环形凹槽内，调节螺母可以自由旋转，通过旋转调节螺母带动卡环进行伸缩杆长度的调节，通过调节螺母可以实现六根驱动杆的自由旋转，伸缩，进行六自由度的运动，在调节螺母上标有逆时针方向的箭头，逆时针旋转调节螺母，驱动杆杆长增加，顺时针旋转调节螺母，驱动杆杆长减小，驱动杆的两端分别与万向关节器的下端固定，万向关节器的上端均通过六角螺母分别与参照环和移动环相连接。。

上述一种并联型骨外固定器，所述参照环的内径分为八种：90mm、110mm、130mm、150mm、170mm、190mm、210mm和230mm；所述移动环的内径与参照环的内径相应也分为八种：90mm、110mm、130mm、150mm、170mm、190mm、210mm和230mm。

上述一种并联型骨外固定器，所述驱动杆为标准驱动杆，其杆长分为五种：60～75mm、75～96mm、90～125mm、116～178mm和169～283mm，其精度精确到1mm。

上述一种并联型骨外固定器，所述万向关节器的长度为13厘米，且长度不可调节。

上述一种并联型骨外固定器，所述的框架部分中的构成部件和配套计算机软件均通过公知途径获得。

上述一种并联型骨外固定器的应用方法，具体步骤如下：

第一步，对需手术的骨折患者安装并联型骨外固定器：

(1.1)首先根据骨折患者的体型选择参照环和移动环，根据选择安装的参照环和移动环确定相应杆长的驱动杆；

(1.2)设计骨段畸形模型，在骨段畸形模型中将骨折段分为参照骨段和移动骨段，即医生选取骨折参照断裂处的近端或远端为参照骨段，则另一端为移动骨段，参照骨段的选取要满足两个标准：该骨段的解剖水平要有利于拍摄标准的正侧位X线片；X线片必须能包括完整的参照骨段及参照环；然后固定及安装选定的参照环，使之与参照骨段骨干纵轴垂直，固定及安装选定的移动环于移动骨段，使之成为两个整体，并安装选定的六根驱动杆，通过调整移动环的位置与姿态能够带动移动骨段与参照骨段间的相对运动，以使达到骨折复位；

(1.3)通过克氏针固定及安装参照环与参照骨段骨干纵轴垂直，保证参照环的稳定，并且在参照环正前方放置3孔的四棱立柱呈“L”形作为标志块，此标志块应与参照骨段轴线一致，应用克氏针固定及安装移动环于移动骨段在患者最舒适和最有利于回避软组织的位置，并以参照环的标志块为准安放各个驱动杆，标志块右侧为1号驱动杆，逆时针依次安放至6号驱动杆；

至此对需手术的骨折患者的骨段安装好并联型骨外固定器；

第二步，对安装好并联型骨外固定器的骨折患者的骨段拍摄标准正位X线片和标准侧位X线片：

对安装好并联型骨外固定器的骨折患者的骨段所拍摄的标准正位X线片和标准侧位X线片是依据解剖位拍摄的标准的解剖位正位X线片和标准的解剖位侧位X线片，在该骨段所拍摄的标准正位X线片和标准侧位X线片上，保证参照环的前后重叠呈一条直线，并必须能包括完整的参照骨段及参照环；

第三步，建立并联型骨外固定器的局部坐标系和并联型骨外固定器的全局坐标系：

所建立并联型骨外固定器的局部坐标系包括在并联型骨外固定器的参照环上建立的静平台坐标系{P}和在并联型骨外固定器的移动环上建立的动平台坐标系{B}，两坐标系均符合右手定则，以参照骨段上的起始点为原点建立并联型骨外固定器的全局坐标系{O}，进一步标定并联型骨外固定器的参照环上六个连接点在静平台坐标系{P}上的位置坐标向量为^Pp_i和并联型骨外固定器的移动环上六个连接点在动平台坐标系{B}上的位置坐标向量为^Bb_i；

第四步，测量得到畸形参数和安装参数，并由符号函数将其转换为由人体解剖位对应的医学术语：

在上述第二步拍摄的标准正位X线片和标准侧位X线片上选取参照骨段轴线与移动骨段轴线的交点，即CORA点为起始点，起始点位于参照骨段上，而对应点位于移动骨段上，起始点与对应点的选择是与骨端复位的解剖状态一致，以参照骨段上的起始点为坐标原点，建立全局坐标系{O}，其符合右手定则，参照骨段的骨轴方向为Z轴，在标准正位X线片上，建立XZ坐标系，X轴水平向右为正方向；在标准侧位X线片上，建立YZ坐标系，Y轴为水平方向，其正方向指向肢体前部，进而由标准正位X线片和标准侧位X线片测量和临床测量畸形参数和安装参数的方法及人体解剖位医学术语如下：

畸形参数包括由标准正位X线片和标准侧位X线片测得和临床测得的三个位移和三个成角：

内侧或外侧的正位位移：标准正位X线片上测量，从起始点到对应点沿X轴方向的距离；

外翻或内翻的正位角度：标准正位X线片上测量，两骨段轴线的夹角；

前部或后部的侧位移位：标准侧位X线片上测量，从起始点到对应点沿Y轴方向的距离；

屈曲或反张的侧位角度：侧位X线片片上测量，两骨段轴线的夹角；

短缩或分离的轴向移位：在正位X线片或标准侧位X线片上测量，从起始点到对应点沿Z轴方向的距离；

外旋或内旋的轴向角度：临床测量参照骨段与移动骨段矢状面上的旋转夹角。

框架参数包括由标准正位X线片和标准侧位X线片测得和临床测得的3个偏移及1个成角：

内侧或外侧的参照环中心正位偏移：标准正位X线片上测量，参照环中心相对于起始点的偏移；

前部或后部的参照环中心侧位偏移：标准侧位X线片上测量，参照环中心相对于起始点的偏移；

参照环中心轴向偏移：标准正位X线片上测量或标准侧位X线片上测量，从参照环的边缘到起始点之间的轴向距离；

外旋或内旋的参照环旋转角度：临床测量参照环的矢状面相对于参照骨段矢状面的旋转角度；

第五步，求得并联型骨外固定器的六根驱动杆的杆长：

根据第四步测得的畸形参数、框架参数和初始六根驱动杆杆长，通过三维空间变换关系，将并联型骨外固定器的两个局部坐标系拟合到并联型骨外固定器的全局坐标系，并求出骨折复位时移动环的最终位姿，反解得到最终确定的并联型骨外固定器的六根驱动杆的杆长；

第六步，由医生给定治疗天数，并联型骨外固定器的配套计算机软件的程序将每根驱动杆需要调节的长度平均分配到每一天，生成电子调节处方，患者按照处方中每天各驱动杆的调节刻度进行调节，从而实现骨折精准复位。

上述一种并联型骨外固定器的应用方法，所述参照骨段的选取，优选与永久标志相邻的较短的骨端，该永久性标志包括：髌骨为股骨远端及胫骨近端提供标志，足为胫骨远端、踝关节和距下关节提供标志。

上述一种并联型骨外固定器的应用方法，所述进一步标定并联型骨外固定器的参照环上六个连接点在静平台坐标系{P}上的位置坐标向量为^Pp_i和并联型骨外固定器的移动环上六个连接点在动平台坐标系{B}上的位置坐标向量为^Bb_i的具体方法如下：

以静平台坐标系{P}原点为参照环中心O_P，六根驱动杆与参照环的各连接点逆时针顺次为P₁,P₂,P₃,P₄,P₅,P₆，坐标轴Z_P垂直于参照环，X_p轴垂直于P₁、P₂的连线，并且其正方向指向P₁、P₂的连线，P₁和P₂、P₃和P₄、P₅和P₆之间夹角为θ_p，P₁和P₃、P₃和P₅之间夹角均为120°，其余各连接点对称分布，其中动平台坐标系{B}原点为移动环中心O_b，六根驱动杆与移动环的各连接点逆时针顺次为B₁,B₂,B₃,B₄,B₅,B₆，坐标轴Z_b垂直于移动环，X_b轴垂直于B₁、B₂连线，并且其正方向指向B₁、B₂连线，B₁和B₆、B₂和B₃、B₄和B₅之间角度定义为θ_b，B₁和B₃、B₃和B₅之间夹角都为120°，其余各连接点对称分布，连接P₁和B₁的驱动杆为1号驱动杆，逆时针顺次至6号驱动杆，参照环和移动环上各连接点的位置坐标向量分别为：

^Pp_i＝[r_pcos(λ_i) r_psin(λ_i) 0 1]^T (1)，

^Bb_i＝[r_bcos(Λ_i) r_bsin(Λ_i) 0 1]^T (2)，

其中，i＝1,2,…,6，r_p和r_b分别为参照环和移动环外接圆的半径；

P_i和X_p轴的夹角为λ_i，B_i和X_b轴的夹角为Λ_i，i＝1,2,…,6；

上述一种并联型骨外固定器的应用方法，所述根据第四步测得的畸形参数、框架参数和初始六根驱动杆杆长，通过三维空间变换关系，将并联型骨外固定器的两个局部坐标系拟合为并联型骨外固定器的全局坐标系，并求出骨折复位时移动环的最终位姿，反解得到最终确定的并联型骨外固定器的六根驱动杆的杆长，其具体步骤如下：

(1)引入三维空间旋转矩阵，建立移动骨段与参照骨段之间的姿态角度变换关系：

设移动骨段轴线沿X轴转动的角度为α₁，沿Y轴转动的角度为β₁，沿Z轴转动的角度为γ₁，则移动环相对参照环绕各轴转动的坐标变换矩阵为：

其中，cα₁＝cosα₁，sα₁＝sinα₁，cβ₁＝cosβ₁，sβ₁＝sinβ₁，cγ₁＝cosγ₁，sγ₁＝sinγ₁。因此，移动骨段相对于参照骨段的齐次坐标变换矩阵为：

又根据位移变换：移动骨段上的对应点沿X轴的位移量为x₁，沿Y轴的位移量为y₁，沿Z轴的位移量为z₁，则空间位移变换矩阵为：

因此，得到移动骨段相对于参照骨段的位姿旋转矩阵为：

(2)将并联型骨外固定器的两个局部坐标系拟合到并联型骨外固定器的全局坐标系，并求出骨折复位时移动环的最终位姿：

已知六根驱动杆的杆长，通过正解可求得移动环的位置姿态角度，以下为并联型骨外固定器位姿正解过程：

定义并联型骨外固定器移动环的位姿及六根驱动杆的杆长向量分别为：

X＝[x y z α β γ]^T (9)，

L＝[l₁ l₂ l₃ l₄ l₅ l₆]^T (10)，

其中，[x y z]^T为移动环的位置向量，[α β γ]^T为移动环位置向量，l₁、l₂、l₃、l₄、l₅、l₆分别为1—6号驱动杆的杆长；

对于并联型骨外固定器移动环初始位姿的求解问题可以视为求解非线性方程问题，并联型骨外固定器的位姿方程组为：

F(X,L)＝0 (11)，

F(X,L)＝(F₁(X,l₁)),F₂(X,l₂)),...F₆(X,l₆))^T (12)，

即已知初值(X₀,L₀)，求当杆长为L_n时，满足F精度要求下的动平台位姿X'；

将移动环的位姿方程对参数L求导，得到微分方程初值问题：

即

设杆长由L₀均匀变化到L_n，运动过程表示为：

L_N＝L₀+t(L_n-L₀) t＝0,1,2...n (15)，

式(15)中的t为步长，

从初值(X₀,L₀)开始，给t以增量Δt，用欧拉法预估出近似点(X₁,L'_N)，即移动环的一个近似位姿X₁：

式(16)中的实际为雅可比矩阵的逆矩阵：

式(17)中的

即最终的迭代式为：

X₁＝X₀+J^-1(L_n-L₀)Δt (19)，

此时通过牛顿迭代求得更精准的移动环位姿，其中F代表实际六根驱动杆与理论上六根驱动杆的差值，当F＝0时的X值即为此时六根驱动杆所对应的移动环位姿，按式(19)进行数次迭代之后，便可得到精确点(X′,L′_N)，

牛顿迭代的终止判别依据可取为

||F(X',L'_N)||＜ε (20)，

式(20)中的ε为一个很小的实数，其控制精度为10^-4，迭代初值X₀为：

X₀＝[x₂ y₂ z₂ -13-(l₁+l₂+l₃+l₄+l₅+l₆)/6 0 0 0] (21)，

式中，x₂、y₂、z₂分别为参照环中心点沿X、Y、Z轴的偏移量。

式(20)转换成最小二乘问题为:

此时，式(22)的最小值对应的X'＝[x₃ y₃ z₃ α₃ β₃ γ₃]^T即为移动环的最终位姿；

(3)求得并联型骨外固定器的六根驱动杆的杆长：

已知移动环的位置姿态角度，通过反解可求得六根驱动杆的杆长，以下为并联型骨外固定器位姿反解过程：

采用与上述步骤(1)同样的三维空间变换过程将并联型骨外固定器的两个局部坐标系拟合为并联型骨外固定器的全局坐标系，即转换到参照骨段坐标系，最终得到并联型骨外固定器的全局坐标系{O}下移动环的最终位姿为：^ob_i，参照环在并联型骨外固定器的全局坐标系{O}下的最终位姿即初始位姿为：^op_i。通过反解求得六根驱动杆最终杆长的向量为：

^ol_i＝^op_i-^ob_i (24)，

求得并联型骨外固定器的六根驱动杆的杆长为：

S_i＝|^ol_i| (25)，

其中，i＝1，2，……6。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明具有的突出的实质性特点和显著进步如下：

(1)本发明的并联型骨外固定器，设计为双坐标系，可由六个畸形参数定位框架内任一点畸形，可准确定义移动骨端畸形相对于参照系统的全部属性，并且其框架的调节是通过配套的计算机软件进行大量的数学矩阵运算来完成的，这摆脱了传统意义上在单一坐标系内进行骨折复位，依赖医生临床经验的局限性，将Ilizarov原理中在二维平面内的运动扩展为三维空间中的任意运动，根据参照环和移动环分别定义两个局部坐标系，参照骨段的坐标系为全局坐标系，移动环带动移动骨段进行复位运动，疗程结束时，将两个局部坐标系拟合到全局坐标系中，从而完成骨折的精确复位，调整精度高，从而克服了现有泰勒空间外固定支架在实际临床工作中，由于肢体的解剖及生理特征、创伤及骨折的实际复杂特点状态，可能需要多次反复的复位才能获得骨端良好的对位，并且存在造成对软组织及神经血管二次损伤的风险的缺陷。

(2)本发明的并联型骨外固定器与计算机技术相结合，与现有的骨外固定器相比较，可以明显降低调整框架结构及二次手术的次数。现有的Ilizarov骨外固定器，在治疗过程中经常会出现因关节轴位置移动或调节范围扩大等因素需拆装框架，进行分步调整，甚至必须在手术麻醉下才能实行骨外固定器框架的拆装调整。而本发明的并联型骨外固定器可通过计算机分次计算处方及调节完成骨折治疗，无需调整框架结构。

(3)由于本发明的并联型骨外固定器优秀的框架设计，减少了手术次数，减轻了患者手术痛苦、缩短了骨愈合时间，同时降低了患者经济负担，提高了医生的工作效率。

(4)本发明的并联型骨外固定器的应用过程中具有很好的可控性，治疗过程中，医生通过对患者骨折复位区域多次拍摄X线片的方式进行定期检查，以了解患者骨折复位情况，由此测量计算调整处方，并与前期处方相核对，可了解患者骨折复位程度有无过高风险并及时处理，医生通过分析风险结构，根据患者的实际情况分次进行骨折复位的调整，每次给定期望的治疗天数，从而获得理想的骨折复位牵伸速率，对风险结构有良好的可控性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明一种并联型骨外固定器的框架部分的数学模型示意图。

图2为本发明一种并联型骨外固定器的驱动杆结构示意图。

图3a为本发明一种并联型骨外固定器中的参照环连接点角度定义的示意图。

图3b为本发明一种并联型骨外固定器中的移动环连接点角度定义的示意图。

图4为本发明一种并联型骨外固定器的应用方法中的骨段畸形模型示意图。

图5a为本发明一种并联型骨外固定器应用方法中的标准正位X线片图像上的畸形参数示意图。

图5b为本发明一种并联型骨外固定器应用方法中的标准侧位X线片图像上的畸形参数示意图。

图5c为本发明一种并联型骨外固定器应用方法中的轴位像成角的畸形参数示意图。

图6a为本发明一种并联型骨外固定器应用方法中的标准正位X线片图像上的框架参数示意图。

图6b为本发明一种并联型骨外固定器应用方法中的标准侧位X线片图像上的框架参数示意图。

图6c为本发明一种并联型骨外固定器应用方法中的轴位像成角的框架成角参数示意图。

图7为本发明一种并联型骨外固定器的应用方法中配套计算机软件流程图。

图中，1-1.参照环、1-2.移动环、1-3.驱动杆、2-1.万向关节器、2-2.伸缩杆、2-3.卡环、2-4.调节螺母、2-5.套管、4-1.参照骨段、4-2.移动骨段、4-3.起始点、4-4.对应点、5a-1.正位位移、5a-2.正位角度、5-3轴向位移、5b-1.侧位位移、5b-1.侧位角度、5-3.轴向位移、5c-1.轴向角度、6a-1.参照环中心正位偏移、6b-1.参照环中心侧位偏移、6-2.参照环中心轴向偏移、6c-1.参照环旋转角度、6c-2.四棱立柱。

具体实施方式

图1所示实施例表明，本发明一种并联型骨外固定器的框架部分由参照环1-1、移动环1-3和六根可伸缩的驱动杆1-2构成。参照环1-1和移动环1-3的数学模型均为六边形，参照环1-1和六根驱动杆1-2的各连接点逆时针顺次为P₁,P₂,P₃,P₄,P₅,P₆，移动环1-3和六根驱动杆1-2的各连接点逆时针顺次为B₁,B₂,B₃,B₄,B₅,B₆。

图2所示实施例表明，本发明一种并联型骨外固定器的驱动杆1-2结构示意图，六根驱动杆1-2均由万向关节器2-1、伸缩杆2-2、卡环2-3、调节螺母2-4和带有刻度尺的套管2-5组成。万向关节器2-1的下端固定在伸缩杆2-2的上端，伸缩杆2-2自上而下穿过调节螺母2-4的内部且伸缩杆2-2的下端嵌入到带有刻度尺的套管2-5的长形凹槽内，伸缩杆2-2通过卡环2-3与套管2-5锁死，调节螺母2-4的上端嵌套在卡环2-3的内部与之构成一个整体，在调节螺母2-4的内部下端有一个环形凹槽，套管2-5的上端卡进调节螺母2-4的环形凹槽内，调节螺母2-4可以自由旋转，通过旋转调节螺母2-4带动卡环2-3进行伸缩杆2-2长度的调节。

图3(a)显示本发明一种并联型骨外固定器中的参照环连接点角度定义的示意图，在参照环1-1平面上建立静平台右手坐标系{P}，X_p轴垂直于P₁、P₂的连线，并且其正方向指向P₁、P₂的连线。P₁和P₂、P₃和P₄、P₅和P₆之间夹角为θ_p，P₁和P₃、P₃和P₅之间夹角均为120°，各连接点对称分布。参照环外接圆半径用r_p表示。图3(b)显示本发明一种并联型骨外固定器中的移动环连接点角度定义的示意图，在移动环1-3平面上建立动平台右手坐标系{B}，X_b轴垂直于B₁、B₂连线，并且其正方向指向B₁、B₂连线。B₁和B₆、B₂和B₃、B₄和B₅、之间角度定义为θ_b，B₁和B₃、B₃和B₅之间夹角都为120°,各连接点对称分布。移动环外接圆半径用r_b表示。

图4显示在本发明一种并联型骨外固定器应用方法中的骨段畸形模型，该模型将骨折段分为参照骨段4-1和移动骨段4-2，医生选取起始点4-3位于参照骨段4-1上，与骨端复位解剖状态一致的对应点4-4位于移动骨段4-2上。

图5(a)显示本发明一种并联型骨外固定器应用方法中的标准正位X线片图像上的畸形参数，由图示得出，在标准正位X线片上，测量起始点4-3与对应点4-4间的水平距离为正位移位5a-1；参照骨段4-1和移动骨段4-2两骨段轴线的夹角为正位角度5a-2。从标准正位X线片上沿着参照骨段4-1的骨轴中线测量起始点4-3到对应点4-4间的轴向距离可以得到轴向位移5-3。(本图中未显示参照骨段4-1、移动骨段4-2、起始点4-3和对应点4-4，可参照图4。)

图5(b)显示本发明一种并联型骨外固定器应用方法中的标准侧位X线片图像上的畸形参数示意图，由图示得出，在标准侧位X线片上，测量起始点4-3与对应点4-4间的水平距离为侧位移位5b-1；参照骨段4-1和移动骨段4-2两骨段轴线的夹角为侧位角度5b-2。从标准侧位X线片上沿着参照骨段4-1的骨轴中线测量起始点4-3到对应点4-4间的轴向距离也可以得到轴向位移5-3。(本图中未显示参照骨段4-1、移动骨段4-2、起始点4-3和对应点4-4，可参照图4。)

图5(c)显示本发明一种并联型骨外固定器应用方法中的轴位像成角的畸形参数示意图，医生临床检查参照骨段4-1与移动骨段4-2矢状面上的旋转夹角，从而确定轴向角度5c-1。(本图中未显示参照骨段4-1和移动骨段4-2，可参照图4。)

图6(a)显示本发明一种并联型骨外固定器应用方法中的标准正位X线片图像上的框架参数，由图示得出，在标准正位X线片上，测量从起始点4-3到参照环1-1中心线的水平距离为参照环中心正位偏移6a-1。从标准正位X线片上测量从起始点4-3到参照环1-1中心并平行于参照环轴向中心线的距离可得到参照环中心轴向偏移6-2。(本图中未显示参照环1-1和起始点4-3和对应点4-4，可参照图1和图4。)

图6(b)显示本发明一种并联型骨外固定器应用方法中的标准侧位X线片图像上的框架参数示意图，由图示得出，在标准侧位X线片上，从测量起始点4-3到参照环1-1中心线的水平距离为参照环中心侧位偏移6b-1。从标准侧位X线片上测量从起始点4-3到参照环1-1中心并平行于参照环轴向中心线的距离可得到参照环中心轴向偏移6-2。(本图中未显示参照环1-1和起始点4-3和对应点4-4，可参照图1和图4。)

图6(c)显示本发明一种并联型骨外固定器应用中的轴位像成角的框架成角参数，在参照环1-1正前方即参照环1-1上连接点P₁和P₂的正中间放置四棱立柱6c-2作为标志块。临床上测量参照环1-1矢状面相对于参照骨段4-1矢状面的旋转角度为参照环旋转角度6c-1。(本图中未显示参照环1-1和参照骨段4-1，可参照图1和图4。)

图7所示实施例表明，本发明一种并联型骨外固定器应用方法中配套计算机软件流程的具体步骤为：S1：启动计算机软件；输入测量的畸形参数、框架参数、初始六根驱动杆杆长及治疗天数；S2：开始计算，若“否”，按钮则继续停留在参数输入界面；若“是”点击“开始计算”按钮，则进入下一步；S3：由初始六根驱动杆杆长正解得到移动环初始位姿；S4：将局部坐标系{P}和{B}通过三维空间变换拟合到全局坐标系{O}；S5：得到移动环最终位姿；S6：反解得六根驱动杆杆长；S7：根据给定的治疗天数生成电子调节处方；S8：结束。

实施例1

本实施例的一种并联型骨外固定器包括框架部分和配套计算机软件部分。

该一种并联型骨外固定器的框架部分由参照环1-1、移动环1-3和六根驱动杆1-2构成，参照环1-1和移动环1-3之间通过万向关节器2-1和六根驱动杆1-2连接，连接移动环1-3和参照环1-1的六根驱动杆1-2并联排列，框架部分的数学模型如图1所示实施例。参照环1-1的内径分为八种：90mm、110mm、130mm、150mm、170mm、190mm、210mm和230mm；移动环1-3的内径与参照环1-1的内径相应也分为八种：90mm、110mm、130mm、150mm、170mm、190mm、210mm和230mm。驱动杆1-2的结构如图2所示实施例，每根驱动杆1-2是可伸缩的，它由万向关节器2-1、伸缩杆2-2、卡环2-3、调节螺母2-4和带有刻度尺的套管2-5组成，驱动杆1-2为标准驱动杆，其杆长分为五种：60～75mm、75～96mm、90～125mm、116～178mm和169～283mm，其精度精确到1mm，万向关节器2-1的长度为13厘米，且长度不可调节；驱动杆1-2中的万向关节器2-1、伸缩杆2-2、卡环2-3、调节螺母2-4和带有刻度尺的套管2-5的连接方式是：万向关节器2-1的下端固定在伸缩杆2-2的上端，伸缩杆2-2自上而下穿过调节螺母2-4的内部且伸缩杆2-2的下端嵌入到带有刻度尺的套管2-5的长形凹槽内，伸缩杆2-2通过卡环2-3与带有刻度尺的套管2-5锁死，调节螺母2-4的上端嵌套在卡环2-3的内部与之构成一个整体，在调节螺母2-4的内部下端有一个环形凹槽，带有刻度尺的套管2-5的上端卡进调节螺母2-4的环形凹槽内，调节螺母2-4可以自由旋转，通过旋转调节螺母2-4带动卡环2-3进行伸缩杆2-2长度的调节，通过调节螺母2-4可以实现六根驱动杆1-2的自由旋转，伸缩，进行六自由度的运动，在调节螺母2-4上标有逆时针方向的箭头，逆时针旋转调节螺母2-4，驱动杆1-2杆长增加，顺时针旋转调节螺母2-4，驱动杆1-2杆长减小，驱动杆1-2的两端分别与万向关节器2-1的下端固定，万向关节器2-1的上端均通过六角螺母分别与参照环1-1和移动环1-3相连接。

该一种并联型骨外固定器的配套计算机软件部分的运行环境为windows,需要Internet Explorer 9.0及以上版本，该配套计算机软件具体操作流程为：在IE浏览器中输入网址，进入网络计算平台，在初始界面输入病例信息及医生测量的畸形参数、框架参数、初始六根驱动杆杆长和治疗天数，点击“开始计算”按钮，即可得到骨折复位后六根驱动杆的最终杆长，并生成电子调节处方。该配套计算机软件流程如上述图7所示实施例。

上述实施例中的框架部分中的构成部件和配套计算机软件均通过公知途径获得。

实施例2

参见图3、图4、图5和图6，本实施例提供一种并联型骨外固定器应用方法，它基于实施例1的一种并联型骨外固定器实现，具体步骤如下：

第一步，对需手术的骨折患者安装并联型骨外固定器：

(1.1)首先根据骨折患者的体型选择参照环1-1和移动环1-3，根据选择安装的参照环1-1和移动环1-3确定相应杆长的驱动杆；

(1.2)设计骨段畸形模型，在骨段畸形模型中将骨折段分为参照骨段和移动骨段，即医生选取骨折参照断裂处的近端或远端为参照骨段，则另一端为移动骨段，参照骨段的选取要满足两个标准：该骨段的解剖水平要有利于拍摄标准的正侧位X线片；X线片必须能包括完整的参照骨段及参照环1-1；然后固定及安装选定的参照环1-1，使之与参照骨段骨干纵轴垂直，固定及安装选定的移动环1-3于移动骨段，使之成为两个整体，并安装选定的六根驱动杆1-2，通过调整移动环1-3的位置与姿态能够带动移动骨段与参照骨段间的相对运动，以使达到骨折复位；上述参照骨段的选取，优选与永久标志相邻的较短的骨端，该永久性标志包括：髌骨为股骨远端及胫骨近端提供标志，足为胫骨远端、踝关节和距下关节提供标志；

(1.3)通过克氏针固定及安装参照环1-1与参照骨段骨干纵轴垂直，保证参照环1-1的稳定，并且在参照环1-1正前方放置3孔的四棱立柱呈“L”形作为标志块，此标志块应与参照骨段轴线一致，应用克氏针固定及安装移动环1-3于移动骨段在患者最舒适和最有利于回避软组织的位置，并以参照环1-1的标志块为准安放各个驱动杆1-2，标志块右侧为1号驱动杆1-2，逆时针依次安放至6号驱动杆1-2；

至此对需手术的骨折患者的骨段安装好并联型骨外固定器；

第二步，对安装好并联型骨外固定器的骨折患者的骨段拍摄标准正位X线片和标准侧位X线片：

对安装好并联型骨外固定器的骨折患者的骨段所拍摄的标准正位X线片和标准侧位X线片是依据解剖位拍摄的标准的解剖位正位X线片和标准的解剖位侧位X线片，在该骨段所拍摄的标准正位X线片和标准侧位X线片上，保证参照环1-1的前后重叠呈一条直线，并必须能包括完整的参照骨段及参照环1-1；

第三步，建立并联型骨外固定器的局部坐标系和并联型骨外固定器的全局坐标系：

所建立并联型骨外固定器的局部坐标系包括在并联型骨外固定器的参照环1-1上建立的静平台坐标系{P}和在并联型骨外固定器的移动环1-3上建立的动平台坐标系{B}，两坐标系均符合右手定则，以参照骨段上的起始点为原点建立并联型骨外固定器的全局坐标系{O}，进一步标定并联型骨外固定器的参照环1-1上六个连接点在静平台坐标系{P}上的位置坐标向量为^Pp_i和并联型骨外固定器的移动环1-3上六个连接点在动平台坐标系{B}上的位置坐标向量为^Bb_i；具体方法如下：

以静平台坐标系{P}原点为参照环1-1中心O_P，六根驱动杆1-2与参照环1-1的各连接点逆时针顺次为P₁,P₂,P₃,P₄,P₅,P₆，坐标轴Z_P垂直于参照环1-1，X_p轴垂直于P₁、P₂的连线，并且其正方向指向P₁、P₂的连线，P₁和P₂、P₃和P₄、P₅和P₆之间夹角为θ_p，P₁和P₃、P₃和P₅之间夹角均为120°，其余各连接点对称分布，其中动平台坐标系{B}原点为移动环1-3中心O_b，六根驱动杆1-2与移动环1-3的各连接点逆时针顺次为B₁,B₂,B₃,B₄,B₅,B₆，坐标轴Z_b垂直于移动环1-3，X_b轴垂直于B₁、B₂连线，并且其正方向指向B₁、B₂连线，B₁和B₆、B₂和B₃、B₄和B₅之间角度定义为θ_b，B₁和B₃、B₃和B₅之间夹角都为120°，其余各连接点对称分布，连接P₁和B₁的驱动杆1-2为1号驱动杆1-2，逆时针顺次至6号驱动杆1-2，参照环1-1和移动环1-3上各连接点的位置坐标向量分别为：

^Pp_i＝[r_pcos(λ_i) r_psin(λ_i) 0 1]^T (1)，

^Bb_i＝[r_bcos(Λ_i) r_bsin(Λ_i) 0 1]^T (2)，

其中，i＝1,2,…,6，r_p和r_b分别为参照环1-1和移动环1-3外接圆的半径；

P_i和X_p轴的夹角为λ_i，B_i和X_b轴的夹角为Λ_i，i＝1,2,…,6；

第四步，测量得到畸形参数和安装参数，并由符号函数将其转换为由人体解剖位对应的医学术语：

在上述第二步拍摄的标准正位X线片和标准侧位X线片上选取参照骨段轴线与移动骨段轴线的交点，即CORA点为起始点，起始点位于参照骨段上，而对应点位于移动骨段上，起始点与对应点的选择是与骨端复位的解剖状态一致，以参照骨段上的起始点为坐标原点，建立全局坐标系{O}，其符合右手定则，参照骨段的骨轴方向为Z轴，在标准正位X线片上，建立XZ坐标系，X轴水平向右为正方向；在标准侧位X线片上，建立YZ坐标系，Y轴为水平方向，其正方向指向肢体前部，进而由标准正位X线片和标准侧位X线片测量和临床测量畸形参数和安装参数的方法及人体解剖位医学术语如下：

畸形参数包括由标准正位X线片和标准侧位X线片测得和临床测得的三个位移和三个成角：

内侧或外侧的正位位移：标准正位X线片上测量，从起始点到对应点沿X轴方向的距离；

外翻或内翻的正位角度：标准正位X线片上测量，两骨段轴线的夹角；

前部或后部的侧位移位：标准侧位X线片上测量，从起始点到对应点沿Y轴方向的距离；

屈曲或反张的侧位角度：侧位X线片片上测量，两骨段轴线的夹角；

短缩或分离的轴向移位：在正位X线片或标准侧位X线片上测量，从起始点到对应点沿Z轴方向的距离；

外旋或内旋的轴向角度：临床测量参照骨段与移动骨段矢状面上的旋转夹角。

框架参数包括由标准正位X线片和标准侧位X线片测得和临床测得的3个偏移及1个成角：

内侧或外侧的参照环1-1中心正位偏移：标准正位X线片上测量，参照环1-1中心相对于起始点的偏移；

前部或后部的参照环1-1中心侧位偏移：标准侧位X线片上测量，参照环1-1中心相对于起始点的偏移；

参照环1-1中心轴向偏移：标准正位X线片上测量或标准侧位X线片上测量，从参照环1-1的边缘到起始点之间的轴向距离；

外旋或内旋的参照环1-1旋转角度：临床测量参照环1-1的矢状面相对于参照骨段矢状面的旋转角度；

第五步，求得并联型骨外固定器的六根驱动杆1-2的杆长：

根据第四步测得的畸形参数、框架参数和初始六根驱动杆1-2杆长，通过三维空间变换关系，将并联型骨外固定器的两个局部坐标系拟合到并联型骨外固定器的全局坐标系，并求出骨折复位时移动环1-3的最终位姿，反解得到最终确定的并联型骨外固定器的六根驱动杆1-2的杆长，其具体步骤如下：

(1)引入三维空间旋转矩阵，建立移动骨段与参照骨段之间的姿态角度变换关系：

设移动骨段轴线沿X轴转动的角度为α₁，沿Y轴转动的角度为β₁，沿Z轴转动的角度为γ₁，则移动环1-3相对参照环1-1绕各轴转动的坐标变换矩阵为：

其中，cα₁＝cosα₁，sα₁＝sinα₁，cβ₁＝cosβ₁，sβ₁＝sinβ₁，cγ₁＝cosγ₁，sγ₁＝sinγ₁。因此，移动骨段相对于参照骨段的齐次坐标变换矩阵为：

又根据位移变换：移动骨段上的对应点沿X轴的位移量为x₁，沿Y轴的位移量为y₁，沿Z轴的位移量为z₁，则空间位移变换矩阵为：

因此，得到移动骨段相对于参照骨段的位姿旋转矩阵为：

(2)将并联型骨外固定器的两个局部坐标系拟合到并联型骨外固定器的全局坐标系，并求出骨折复位时移动环1-3的最终位姿：

已知六根驱动杆1-2的杆长，通过正解可求得移动环1-3的位置姿态角度，以下为并联型骨外固定器位姿正解过程：

定义并联型骨外固定器移动环1-3的位姿及六根驱动杆1-2的杆长向量分别为：

X＝[x y z α β γ]^T (9)，

L＝[l₁ l₂ l₃ l₄ l₅ l₆]^T (10)，

其中，[x y z]^T为移动环的位置向量，[αβγ]^T为移动环位置向量，l₁、l₂、l₃、l₄、l₅、l₆分别为1—6号驱动杆的杆长；

对于并联型骨外固定器移动环1-3初始位姿的求解问题可以视为求解非线性方程问题，并联型骨外固定器的位姿方程组为：

F(X,L)＝0 (11)，

F(X,L)＝(F₁(X,l₁)),F₂(X,l₂)),...F₆(X,l₆))^T (12)，

即已知初值(X₀,L₀)，求当杆长为L_n时，满足F精度要求下的动平台位姿X'；

将移动环1-3的位姿方程对参数L求导，得到微分方程初值问题：

即

设杆长由L₀均匀变化到L_n，运动过程表示为：

L_N＝L₀+t(L_n-L₀) t＝0,1,2...n (15)，

式(15)中的t为步长，

从初值(X₀,L₀)开始，给t以增量Δt，用欧拉法预估出近似点(X₁,L'_N)，即移动环1-3的一个近似位姿X₁：

式(16)中的实际为雅可比矩阵的逆矩阵：

式(17)中的

即最终的迭代式为：

X₁＝X₀+J^-1(L_n-L₀)Δt (19)，

此时通过牛顿迭代求得更精准的移动环1-3位姿，其中F代表实际六根驱动杆1-2与理论上六根驱动杆1-2的差值，当F＝0时的X值即为此时六根驱动杆1-2所对应的移动环1-3位姿，按式(19)进行数次迭代之后，便可得到精确点(X′,L′_N)，

牛顿迭代的终止判别依据可取为

||F(X',L'_N)||＜ε (20)，

式(20)中的ε为一个很小的实数，其控制精度为10^-4，迭代初值X₀为：

X₀＝[x₂ y₂ z₂-13-(l₁+l₂+l₃+l₄+l₅+l₆)/6 0 0 0] (21)，

式中，x₂、y₂、z₂分别为参照环1-1中心点沿X、Y、Z轴的偏移量。

式(20)转换成最小二乘问题为:

此时，式(22)的最小值对应的X'＝[x₃ y₃ z₃ α₃ β₃ γ₃]^T即为移动环1-3的最终位姿；

(3)求得并联型骨外固定器的六根驱动杆1-2的杆长：

已知移动环1-3的位置姿态角度，通过反解可求得六根驱动杆1-2的杆长，以下为并联型骨外固定器位姿反解过程：

采用与上述步骤(1)同样的三维空间变换过程将并联型骨外固定器的两个局部坐标系拟合为并联型骨外固定器的全局坐标系，即转换到参照骨段坐标系，最终得到并联型骨外固定器的全局坐标系{O}下移动环1-3的最终位姿为：^ob_i，参照环1-1在并联型骨外固定器的全局坐标系{O}下的最终位姿即初始位姿为：^op_i。通过反解求得六根驱动杆1-2最终杆长的向量为：

^ol_i＝^op_i-^ob_i (24)，

求得并联型骨外固定器的六根驱动杆1-2的杆长为：

S_i＝|^ol_i| (25)，

其中，i＝1，2，……6。

第六步，由医生给定治疗天数，并联型骨外固定器的配套计算机软件的程序将每根驱动杆1-2需要调节的长度平均分配到每一天，生成电子调节处方，患者按照处方中每天各驱动杆1-2的调节刻度进行调节，从而实现骨折精准复位。