步進電機式壓力反饋多模式微動外固定架的製作方法

2023-06-26 09:47:51 3

專利名稱：步進電機式壓力反饋多模式微動外固定架的製作方法
技術領域：
本發明屬於醫療器械的骨折治療用外固定裝置，具體涉及一種步進電機式壓力反 饋多模式微動外固定架。
背景技術：
通常治療肢體骨折，可採用髓針、鋼板內固定技術和夾板、石膏固定、金屬外固定 架等外固定技術。臨床觀察發現，過于堅強的固定(包括內固定和外固定)會導致骨折愈 合緩慢，而不穩定的固定會導致骨折癒合延遲，甚至不癒合。保持基本穩定的前提下，適當 的微動或壓力可促進骨折的癒合。通常通過肢體鍛鍊、負重等方式，對骨折斷端施加微動或壓力刺激。但是這些方式 對骨折斷端的刺激無法量化觀察。而且患者活動能力和疼痛刺激等因素也影響鍛鍊的實 施。且內固定條件下，肢體負重的壓力大多由內固定物承受，對斷端的力學刺激不確實。臨 床需要對骨折斷端進行可控動態加壓的裝置，促進骨癒合。國內外學者採用外固定架結合機械結構的方式，使外固定架主動循環壓縮，對斷 端施加動態壓力。他們的出發點以及設計思想和採用的動力方式、結構、裝配等不盡相同。 以考慮頻率、振幅為主。這些研究獲得了初步的經驗，同時也發現一些問題。如國內張先龍 等通過外固定架給予骨折斷端0. 25mm不同頻率的微動刺激，發現早期對骨痂形成有促進 作用。近期Jogodzinski總結國外相關研究成果，發現早期斷端微動刺激，可促進骨痂的形 成，晚期微動刺激則抑制骨痂生長。其原因與晚期剛性較強的骨性骨痂形成，不能承受過大 的變形，而發生破壞有關。但是，臨床觀察發現骨折晚期通過負重，對斷端加壓對骨折癒合 起到加速作用。微動刺激實驗與臨床觀察說明骨折晚期不適合微動刺激，只需給予一定壓 力刺激，不需要明顯形變，即可起到促進癒合作用。現在，國內的學者也研製出不同結構類型電動式的微動康復裝置，但都存在一定 缺陷或不足。據國內文獻和一些專利介紹過採用電動式的微動裝置。有的利用凸輪機構實現往 復運動，頻率依靠電機轉速變化。往復運動的行程(微動幅度)由凸輪升程所決定。其只 能依靠更換凸輪來調節微動幅度，實用性差，並且骨折斷端所獲得的壓力是無法確定的。也有採用微型直流電機帶動絲槓使機構實現往復運動的(中國專利申請號 021371775. X)。該裝置在骨折康復期間的切入點是頻率、時間和振幅為主，實現了周期性微 動，但其僅僅實現了位移刺激(也即上述的微動刺激)的調節，並且絲槓結構可能存在一定 間隙，不利於精確調控。最重要的是該裝置無法確定斷端壓力。綜上說明只可施加應變刺激(即斷端微動)的外固定架(例如中國專利 02137175. X)並不能滿足骨折癒合各個階段的需要，而且有可能起到抑制癒合的反作用。因 此根據癒合階段採用不同的力學刺激方式，針對性治療才可達到好的治療效果。如何判斷癒合階段是另一重要難題。骨折癒合分血腫形成、纖維骨痂、軟骨骨痂、 骨性骨痂多個階段。現有實驗結果均採用長骨橫斷模型或橫骨折患者，骨折一致性很好，可通過時間判斷癒合階段。而臨床應用時，由於個體差異、骨折類型不同等原因，即使恢復時 間相同，不同個體骨折癒合情況差異也會很大。而且臨床上，除骨性骨痂可在X線片上觀察 夕卜，其他階段常規方法無法有效識別。利用現有骨折微動外固定系統均無法判斷癒合階段， 因而不能制定針對性力學刺激治療方案。為應用於臨床，提高治療效果，判斷骨折癒合階段 是必須解決的問題。

發明內容
本發明為了解決現有技術中骨折康復外固定架不能判斷癒合階段，不能全面提供 各癒合階段骨折斷端所需的刺激，甚至會起到抑制癒合的不良作用的問題，提供了一種數 字化自動控制的步進電機式壓力反饋多模式微動外固定架。本發明採用如下的技術方案實現步進電機式壓力反饋多模式微動外固定架，包括兩個夾針固定器，兩夾針固定器 分別與導柱、導套連接，導柱上安裝有步進電機座，用於固定由控制器控制的步進電機，導 套上安裝傳感器座，傳感器座上安裝有可向控制器傳輸信號的壓力傳感器，壓力傳感器上 安裝與步進電機的輸出端連接的滾珠絲杆螺母副。壓力傳感器感受壓力，傳輸到控制器(如DSP、單片機等)，控制器根據設定條件調 節控制步進電機，步進電機帶動滾珠絲槓螺母副達到設定壓力或位移，壓力數據和位移數 據均通過控制器顯示。在動力執行元件(步進電機)、滾珠絲槓螺母副以及壓力傳感器的選用和總體結 構的考慮等等均採取了先進的、易普及的、低成本的且容易實現數位化控制、高精度的元器 件和設計。(注步進電機、滾珠絲槓螺母副是實現數位化控制的常用配置。由於採用步進 電機，因此，可以方便的使用DSP等控制器對其控制。滾珠絲槓螺母副無間隙、摩擦係數小、 機械效率高等良好表現為獲得準確數據提供了基本保障。)由於骨折癒合各階段力學性質(如彈性模量)有很大不同(血腫階段最軟，纖維 骨痂，軟骨骨痂到骨性骨痂硬度逐漸增加)，本發明採用加壓後測量形變或形變後測壓(控 制器和傳感器配合作用，控制施加壓力測量斷端處組織的形變，或者控制斷端處組織的形 變測量其產生的抗力)，所獲得形變數據或者壓力數據就可以反映骨折斷端的力學性質，判 斷癒合階段，從而給予針對性的力學刺激方案，提高療效。刺激方案可採用設定位移模式，也可採用設定壓力模式(設定壓力條件下控制器根 據壓力傳感器數據調節電機工作達到設定壓力，設定位移條件下控制器根據設定距離直接調 節電機工作達到設定距離)。其他相關參數(如頻率、時間等)均可通過控制器編程設定。本發明所述的裝置，綜合考慮到骨折斷端的複雜性、隨機性，可根據患者在不同的 康復階段，準確獲知骨折斷端的力學性質，判斷癒合階段，根據獲得的斷端信息，進行力學 刺激。除可採用控制位移的模式進行加壓外，還可採用控制壓力進行加壓的模式，對斷端施 加動態壓力，避免某些階段位移模式對骨痂生長的抑制。各種刺激模式的各項參數均可調 節，可實現力學刺激方式的個體化應用。如上所述，本發明與現有技術相比首先通過動態加壓而獲取的信息，測定斷端力 學性質，判斷骨折癒合的不同階段，然後分別給予不同模式(位移刺激模式或壓力刺激模 式)的周期性力學刺激。克服了現有設計無法判斷斷端癒合階段情況，無法針對性調整力學刺激的弊端。並且實現了動態壓力刺激模式，克服了單獨位移刺激模式在骨折癒合後期 導致骨痂破壞的缺陷。各種刺激模式的頻率、壓力、振幅等參數均可通過控制器調節，實現 治療方案的個體化、數位化，容易獲得令人滿意的療效。


圖1為本發明的結構示意2為圖1的側視圖 圖中1-步進電機，2-步進電機座，3-螺栓I，4-彈性聯軸器，5-導柱，6-傳感器座 壓板，7-螺栓II，8-傳感器座，9-壓力傳感器，10-滾珠絲槓螺母副，11-螺栓III，12-螺栓 IV，13-導柱、導套座壓板，14-導套，15-導柱和導套座，16-球面萬向節，17-側壓板，18-夾 針固定器，19-電機座壓板。
具體實施例方式結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步說明。本發明包括步進電機1、步進電機座2、彈性聯軸器4、導柱5、傳感器壓板6、傳感器 座8、壓力傳感器9、滾珠絲槓螺母副10、導柱和導套座壓板13、導套14、導柱和導套座15、 球面萬向節16、側壓板17、夾針固定器18、電機座壓板19以及控制器(如DSP等)構成。 控制器顯示屏上可以讀到位移、壓力等信息。步進電機式壓力反饋多模式微動外固定架，包括兩個夾針固定器18，其特徵在於 兩夾針固定器18分別與導柱5、導套14連接，導套14上安裝傳感器座8，傳感器座8上安 裝有可向控制器傳輸信號的壓力傳感器9，壓力傳感器9上安裝與步進電機的輸出端連接 的滾珠絲杆螺母副10。控制器優選DSP、也可以單片機、或者微電腦等。用微電機作為成熟的動力執行元件已有許多使用經驗。除體積小、重量輕，還有噪 聲小，易控制，精度高，低壓、安全等等優勢被廣泛使用在各行各業。所以本發明採用步進電 機帶動滾珠絲槓螺母副實現直線往復運動。控制步進電機的快慢及行程即可達到所需頻 率、振幅要求。壓力範圍0-500N ；頻率範圍0. 25-5Hz ；振幅0. 25_3mm。三項參數指標可分 段任意組合。在臨床裝配時，當夾針固定器18連接打入骨內螺紋針或骨圓針後，旋入球面萬向 節16，將導柱和導套座15的凹型球面與球面萬向節相配合，並將側壓板17用螺栓連接，然 後分別安裝導柱5、導套14。之後將步進電機座2及傳感器座8用電機座壓板19和傳感器 座壓板6及螺栓分別與導柱、導套連接。在步進電機座2上安裝步進電機1，在傳感器座8 上安裝壓力傳感器9。在壓力傳感器9上安裝滾珠絲槓螺母副10，旋轉滾珠絲槓逐漸接近 步進電機軸時、安裝彈性聯軸器4與步進電機的輸出軸連接。在臨床應用時，採用先加壓後測量形變或先形變後測壓，獲得骨斷端的力學性質， 判斷癒合階段，然後給予針對性的力學刺激方案。除可採用控制位移的模式進行加壓外，還 可採用控制壓力的模式進行加壓，對斷端施加動態壓力，避免骨癒合後期位移模式對骨痂 生長的抑制。各種刺激模式的各項參數均可調節，實現了力學刺激方式的多樣性，並實現自 動控制。
權利要求
一種步進電機式壓力反饋多模式微動外固定架，包括兩個夾針固定器(18)，其特徵在於兩夾針固定器(18)分別與導柱(5)、導套(14)連接，導柱(5)上安裝有步進電機座(2)，用於固定由控制器控制的步進電機(1)，導套(14)上安裝傳感器座(8)，傳感器座(8)上安裝有可向控制器傳輸信號的壓力傳感器(9)，壓力傳感器(9)上安裝與步進電機(1)的輸出端連接的滾珠絲杆螺母副(10)。
2.根據權利要求1所述的步進電機式壓力反饋多模式微動外固定架，其特徵在於控制 器為DSP。
3.根據權利要求1或2所述的步進電機式壓力反饋多模式微動外固定架，其特徵在於 夾針固定器(18)通過球面萬向節(16)分別與導柱(5)、導套(14)連接。
4.根據權利要求3所述的步進電機式壓力反饋多模式微動外固定架，其特徵在於步進 電機(1)的輸出端與滾珠絲杆通過彈性聯軸器(4)連接。
全文摘要
本發明屬於醫療器械的骨折治療用外固定裝置，具體涉及一種步進電機式壓力反饋多模式微動外固定架，解決了現有骨折康復外固定架不能判斷癒合階段，不能全面提供各癒合階段骨折斷端所需的刺激，甚至會抑制癒合的問題。其包括夾針固定器，兩夾針固定器分別與導柱、導套連接，導柱上安裝有步進電機座，用於固定由控制器控制的步進電機，導套上安裝傳感器座，傳感器座上安裝有壓力傳感器，壓力傳感器上安裝滾珠絲杆螺母副。本發明克服了現有設計無法判斷斷端癒合階段情況，無法針對性調整力學刺激的弊端，實現動態壓力刺激模式，克服了單獨位移刺激模式在骨折癒合後期導致骨痂破壞的缺陷，實現治療方案的個體化、數位化，容易獲得令人滿意的療效。
文檔編號A61B17/66GK101803942SQ20101010650
公開日2010年8月18日 申請日期2010年1月31日 優先權日2010年1月31日
發明者衛小春, 李凱, 翟寧 申請人:李凱;翟寧;衛小春