一种脊柱矫形器的自动矫形方法

本发明涉及医疗矫正技术领域，具体涉及一种脊柱矫形器的自动矫形方法。

背景技术：

下面的背景技术用于帮助读者理解本发明，而不能被认为是现有技术。

青少年特发性脊柱侧凸(ais)是一种发病于青少年时期，涉及冠状面、矢状面和轴状面的三维脊柱畸形，其发病机制尚无定论。青少年特发性脊柱侧凸占特发性脊柱侧凸的80％，占青少年总数的2％-3％。脊柱侧弯不仅影响患者生理健康，而且对其心理产生负面影响。目前对于ais的治疗主要有手术治疗和非手术治疗，当患者侧弯cobb角>45°时可以选择手术治疗；局部cobb角在25°～45°之间时，为了尽可能避免手术治疗造成的神经损伤，临床一般采用非手术治疗。非手术治疗的方法众多，其中矫形器是最常用的方法。

矫形器可以通过限制肢体或躯干关节的异常活动，维持脊柱、骨、关节的稳定性，减轻疼痛或恢复其承重作用；也可以通过固定病变部位来矫正肢体已出现的畸形，预防畸形的发生和发展；还可以通过对病变肢体的固定和保护，促进炎症和水肿吸收，保持肢体和关节的正常对线。但传统矫形器繁琐复杂，而且准确度较低，受康复技师的技术水平的影响较大。

由于计算机技术的提升，利用计算机辅助设计和制造对矫形器进行设计和加工己被广泛应用。3d打印方法有直接成型的优点，可根据有限元分析对矫形效果进行预判并及时优化矫形器结构，生产结构更加符合人体力学的产品，增加定制矫形器的实用度与美观度，满足人体的舒适性与美学的要求。并可结合数据库技术与通信技术，实现个性化定制的产业化与全球化。

但矫形器矫形通常需要较长时间，甚至长达几年，如果仅靠使用者自身对矫正力的感知，很容易因穿戴习惯降低对矫正力的敏感度，并且在人工松紧时，主观意识较强，无法判断合适的松紧程度，不仅造成矫正时间延长，而且矫正效果也极难保证，使矫形器降低或失去矫正功能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种脊柱矫形器的自动矫形方法，通过控制器控制调整机构自动对矫形器进行松紧，实现每个阶段矫正力的自动调整，不仅保证矫正效果，而且矫正时间也极大缩短。

本发明提供一种脊柱矫形器的自动矫形方法，矫形器包括矫形器本体，其特征在于，矫形器本体设有控制器以及对矫形器本体起松紧作用的调整机构，自动矫形方法包括以下步骤：

根据有限元分析软件确定矫形器本体上的受力点，在受力点设置压力传感器以检测受力点的压力并实时向控制器传输压力值；

控制器预设每个矫形阶段对应的压力阈值，若压力值小于压力阈值，则控制器控制调整机构对矫形器本体收紧，若压力值大于压力阈值，则控制器控制调整机构对矫形器本体放松。

在矫形器矫形期间，根据使用者每个阶段所能接受且合适的压力阈值，通过控制器控制调整机构对矫形器本体进行松紧。当受力点的实时压力值小于压力阈值，控制器控制调整机构对矫形器本体收紧直至压力值等于压力阈值，当实时压力值大于压力阈值，控制器控制调整机构对矫形器本体放松直至压力值等于压力阈值，从而实现每个阶段矫正力的自动调整，不仅保证矫正效果，而且矫正时间也极大缩短。

优选的，受力点为对应人体的胸腔肋骨处，受力点包括主受力点和辅助受力点，辅助受力点设置两个，主受力点与两个辅助受力点分列于人体胸腔肋骨两侧，两个辅助受力点上下分布。之所以选取胸腔肋骨处为受力点，是因为该位置可以通过肋骨将力传导到脊柱。三个受力点在每个阶段都有各自设定的压力阈值，矫形器放松和收紧时三个力都会发生变化，主受力点为主，起矫形作用，两个辅助受力点为辅，用于固定，同时适当加一些反力。

优选的，矫形阶段的判断方法为：压力传感器采集压力数据，根据压力数据人工判断矫形程度。人工根据压力传感器传输的压力数据，判断矫形程度，选择对应的矫形阶段，通过控制器控制调整机构对矫形器本体进行松紧。人工可以是专业护理人员、医护人员等。

优选的，受力点的压力阈值不超过70mpa。

优选的，压力阈值的获取是通过有限元分析软件获得矫形器本体脊柱段在每个阶段所受的最大外力，在最大外力作用下压力传感器在受力点所检测到的压力值。压力阈值因人而异，通过有限元分析软件预先获得适合使用者的最大受力值，矫形数据科学准确，能获得良好的矫正效果。

优选的，有限元分析软件为ansys或者abaqus。当然，有限元分析软件不限于上述两种。

优选的，调整机构包括电机、柔索和滑轮，柔索一端与电机绞盘连接，滑轮之间通过柔索连接。压力传感器实时向控制器传输压力值，并比较实时压力值与压力阈值的大小，若压力值小于压力阈值，则控制器控制电机转动实现矫形器本体的收紧，若压力值大于压力阈值，则控制器控制电机转动实现矫形器的放松。柔索是指能承受张力的柔软的线，例如，绳、胶带、钢索、链条等。

电机、柔索和滑轮的数量不限，例如，调整机构包括1组电机和7组滑轮，7组滑轮分列矫形器本体两侧。

或者，调整机构包括两组调整单元，每组调整单元包括1组电机、1组柔索和6组滑轮，两组调整单元同步运动，两组调整单元上下对称设置。设置多组调整单元，一方面，保证足够的拉力，另一方面，可实现精度矫正。

优选的，调整机构位于矫形器本体背部。

同时还将提供外界控制端口，用于手动控制装置的放松收紧以及开启关闭，压力传感器数据会通过互联网传输至云端，矫形器使用者可以通过app控制矫形器的松紧。此时，外界控制端口显示的可以是合适的压力值范围，根据使用者需要选择合适的压力值，控制器控制调整机构对矫形器本体进行松紧。外界控制端口还可以设置提醒操作以提醒使用者对矫形器本体进行松紧，提醒操作如铃声、振动、led指示灯等。

优选的，电机具有自锁功能。通过自锁，防止矫形器意外松脱，实现矫形器的可靠穿戴。

优选的，矫形器设有电源。电源给控制器、电机、压力传感器提供电源。电源可以是外接电源，也可以是蓄电池。

优选的，矫形器本体为：

对使用者躯干部位进行ct扫描，获取使用者的体表数据和脊椎骨数据，对体表数据和脊椎骨数据进行重建，获取使用者的体表模型和脊椎骨模型；

根据脊椎骨模型建立多个椎间盘模型，以重建脊柱段模型，再根据“三点力”矫正原理建立脊柱段有限元模型；

根据体表模型获得矫形器本体初步模型，在体表模型上确定受力点，并对矫形器本体初步模型作减材处理，获得矫形器本体模型；

利用3d技术打印出矫形器本体实体。

通过拟合个性化定制矫形器，提高了精确性和矫正稳定性，同时能满足使用者的需求，提高佩戴的舒适性。

本发明的有益效果：

1、本发明在矫形器矫形期间，根据使用者所接受的压力阈值，通过控制器控制调整机构对矫形器进行松紧，从而实现每个阶段矫正力的自动调整，不仅保证矫正效果，而且矫正时间也极大缩短。

2、本发明以使用者的脊柱ct扫描成像数据为基础，通过拟合个性化定制矫形器，相比较于传统矫形器的设计思路，本发明在精确性和矫正稳定性上有很大的提高；同时能过满足使用者的需求提高佩戴的舒适性。

3、本发明中的矫形器在设计时通过三个受力点建立基准平面，保证模型与体表模型有适当的穿透，根据受力分析结果调整矫正垫块的凸入深度，在保证矫形器受力强度的基础上对外壳进行适当减材处理，以达到轻量美观的目标，让使用者佩戴的舒适性进一步提高。

4、本发明中的矫形器还可以通过控制器将使用者佩戴的实时各方面数据传输至云端服务器，使用者或临床医师可通过移动端的app对矫形器进行控制。

附图说明

图1是自动矫形方法的流程示意图。

图2是调整机构结构图。

图3是矫形器的结构图。

图4是矫形器本体制作方法的流程示意图。

图5是脊柱段重建模型示意图。

图6是体表模型重建示意图。

图7是脊柱段有限元受力分析结果示意图。

图8是矫形器本体初步模型示意图。

图9是矫形器本体有限元受力分析结果。

图10是矫形器本体减材处理结果示意图。

图中：矫形器本体1，外壳11，矫正垫块12，控制器2，压力传感器3，调整机构4，电机41、柔索42，滑轮43。

具体实施方式

下面对本发明涉及的结构或这些所使用的技术术语做进一步的说明。这些说明仅仅是采用举例的方式进行说明本发明的方式是如何实现的，并不能对本发明构成任何的限制。

如图1-3所示，本发明公开了一种矫形器的自动矫形方法，矫形器包括矫形器本体1，矫形器本体1设有控制器2、压力传感器3以及对矫形器本体1起松紧作用的调整机构4，矫形器的自动矫形方法包括以下步骤：

根据有限元分析软件确定矫形器本体上的受力点，在受力点设置压力传感器3以检测受力点的压力并实时向控制器1传输压力值；

控制器1预设每个矫形阶段对应的压力阈值，若压力值小于压力阈值，则控制器控制调整机构4对矫形器本体1收紧，若压力值大于压力阈值，则控制器控制调整机构4对矫形器本体1放松。

在矫形器矫形期间，根据使用者每个阶段所能接受且合适的压力阈值，通过控制器控制调整机构4对矫形器本体1进行松紧。当受力点的实时压力值小于压力阈值，控制器控制调整机构对矫形器本体收紧直至压力值等于压力阈值，当实时压力值大于压力阈值，控制器控制调整机构对矫形器本体放松直至压力值等于压力阈值，从而实现每个阶段矫正力的自动调整，不仅保证矫正效果，而且矫正时间也极大缩短。

在一些实施例中，受力点为对应人体的胸腔肋骨处，受力点包括主受力点和辅助受力点，辅助受力点设置两个，主受力点与两个辅助受力点分列于人体胸腔肋骨两侧，两个辅助受力点上下分布。之所以选取胸腔肋骨处为受力点，是因为该位置可以通过肋骨将力传导到脊柱。三个受力点在每个阶段都有各自设定的压力阈值，矫形器放松和收紧时三个力都会发生变化，主受力点为主，起矫形作用，两个辅助受力点为辅，用于固定，同时适当加一些反力。

作为一个具体的实施例，矫形阶段的判断方法为：压力传感器采集压力数据，根据压力数据人工判断矫形程度。人工根据压力传感器传输的压力数据，判断矫形程度，选择对应的矫形阶段，通过控制器控制调整机构对矫形器本体进行松紧。人工可以是专业护理人员、医护人员等。

在一些实施例中，受力点的压力阈值不超过70mpa。

在一些实施例中，压力阈值的获取是通过有限元分析软件获得矫形器本体脊柱段在每个阶段所受的最大外力，在最大外力作用下压力传感器在受力点所检测到的压力值。压力阈值因人而异，通过有限元分析软件预先获得适合使用者的最大受力值，矫形数据科学准确，能获得良好的矫正效果。

在一些实施例中，有限元分析软件为ansys或者abaqus。当然，有限元分析软件不限于上述两种。

在一些实施例中，调整机构4位于矫形器本体1背部。调整机构4包括电机41、柔索42和滑轮43，柔索42一端与电机41绞盘连接，滑轮43之间通过柔索42连接。压力传感器实时向控制器传输压力值，并比较实时压力值与压力阈值的大小，若压力值小于压力阈值，则控制器控制电机转动实现矫形器本体的收紧，若压力值大于压力阈值，则控制器控制电机转动实现矫形器的放松。柔索是指能承受张力的柔软的线，例如，绳、胶带、钢索、链条等。

电机41、柔索42和滑轮43的数量不限。在一些实施例中，调整机构包括1组电机和7组滑轮，7组滑轮分列矫形器本体1两侧，参见图2。

或者，调整机构4包括两组调整单元，每组调整单元包括1组电机、1组柔索和6组滑轮，两组调整单元同步运动，两组调整单元上下对称设置。设置多组调整单元，一方面，保证足够的拉力，另一方面，可实现精度矫正。

在一些实施例中，还将提供外界控制端口，用于手动控制装置的放松收紧以及开启关闭，压力传感器数据会通过互联网传输至云端，矫形器使用者可以通过app控制矫形器的松紧。此时，外界控制端口显示的可以是合适的压力值范围，根据使用者需要选择合适的压力值，控制器控制调整机构对矫形器本体进行松紧。外界控制端口还可以设置提醒操作以提醒使用者对矫形器本体进行松紧，提醒操作如铃声、振动、led指示灯等。

在一些实施例中，电机41具有自锁功能。通过自锁，防止矫形器意外松脱，实现矫形器的可靠穿戴。

矫形器设有电源。电源给控制器、电机、压力传感器提供电源。电源可以是外接电源，也可以是蓄电池。

如图4-10所示，本发明还公开了一种脊柱矫形器，制作方法包括以下步骤：

s1：对使用者躯干部位进行ct扫描，获取使用者的体表数据和脊椎骨数据，对体表数据和脊椎骨数据进行重建，获取使用者的脊椎骨模型和体表模型。

如图5所示，将扫描后的dicom图像导入mimics软件中，将tl～t12共12个椎体逐次分离出来，之后再将模型导入geomagic软件中并对单个椎节进行几何外形的平顺处理，如消除表面特征，松弛凸点，填充凹点，消除钉状物等操作，当结构表面能够满足后期划分网格的需求时，将结构转入形状阶段，进行自动曲面化处理得到脊椎骨模型。

如图6所示，将扫描后的dicom图像导入mimics软件中，在软件中将体表模型分离出来，然后导入geomagic中对体表模型进行修型，再将曲面封闭并填充获取得到体表模型。其中，所述软件并不限于上述。

s2：根据脊椎骨模型建立多个椎间盘模型，以重建脊柱段模型，将脊柱段模型导入有限元分析软件中，根据“三点力”矫正原理建立脊柱段有限元模型。

如图7所示，将脊椎骨模型导入solidworks中，根据ct扫描图像结果，在两脊椎骨之间建立椎间盘模型。在两脊椎骨间插入角度合适的参考平面，绘制椎间盘截面形状，绘制完成后将该截面双向拉伸从而获得两脊椎骨间的椎间盘模型，重复以上操作步骤，获得11个椎间盘模型从而脊柱段模型重建完成。将脊柱段模型导入到有限元分析软件中，选择相应的材料，将各个模型之间设置为“接合”，并在模型相应位置添加“弹簧连接”来模拟韧带，并选择t12模型下侧表面进行固定。根据“三点力”矫正原理，设置大小与方向合适的外力作用在脊柱段上，划分合适大小的网格，完成脊柱段有限元模型。在脊柱段有限元模型构建完成后，对该模型进行运算，获得受力仿真结果，观察仿真结果，根据仿真结果对脊柱段所受外力进行调整，直至获得满意的变形结果，并记录此时外力的方向与大小。

s3：根据体表模型获得矫形器本体初步模型，在体表模型上确定受力点，并对矫形器本体初步模型作减材处理，获得矫形器本体模型。

如图8所示，将体表模型导入solidworks中，并将模型竖直放置。建立若干等距水平基准平面，并获取体表模型与基准平面的交线。在各基准平面上，将各交线向外等距5mm，并用样条曲线对该不规则曲线进行拟合与修型，获得光滑的样条曲线。重复该过程，获得相互平行的若干样条曲线。选择“边界曲面”选项，建立包围体表模型的曲面，通过对样条线进行调整，使边界曲面更加光顺，最后将边界曲面向外侧加厚4mm，获得矫形器本体初步模型。

如图9所示，在体表模型上确立合适的三个受力点，并通过该三点建立基准平面。在该基准边上的合适位置建立球旋转体模型，保证旋转体模型与体表模型有适当的穿透。将多余部分去除，获得矫形器本体模型。将矫形器本体模型拆分为外壳模型和位于受力点的矫正垫块模型。如图7所示，外壳模型、矫正垫块模型以及体表模型一同导入solidworks中进行装配。将模型导入有限元分析软件，为矫形器本体模型与体表模型赋予合适的材料，如塑料，选择合适的连接(穿透部分为冷缩配合，其他区域为无穿透接触，并假定表面之间的摩擦系数为0.1)。之后划分网格并进行解算，根据受力分析结果调整矫正垫块模型的凸入深度，使之与体表模型有合适的接触压力与区域，在保证矫形器本体受力强度的基础上对外壳模型进行适当减材处理，以达到轻量美观的目的。

s4：利用3d技术打印出矫形器本体实体，矫形器本体1实体包括外壳11和矫正垫块12，两者通过凹凸槽连接，参见图10。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。