步进电机式压力反馈多模式微动外固定架 【技术领域】
本发明属于医疗器械的骨折治疗用外固定装置，具体涉及一种步进电机式压力反馈多模式微动外固定架。
背景技术
通常治疗肢体骨折，可采用髓针、钢板内固定技术和夹板、石膏固定、金属外固定架等外固定技术。临床观察发现，过于坚强的固定(包括内固定和外固定)会导致骨折愈合缓慢，而不稳定的固定会导致骨折愈合延迟，甚至不愈合。保持基本稳定的前提下，适当的微动或压力可促进骨折的愈合。
通常通过肢体锻炼、负重等方式，对骨折断端施加微动或压力刺激。但是这些方式对骨折断端的刺激无法量化观察。而且患者活动能力和疼痛刺激等因素也影响锻炼的实施。且内固定条件下，肢体负重的压力大多由内固定物承受，对断端的力学刺激不确实。临床需要对骨折断端进行可控动态加压的装置，促进骨愈合。
国内外学者采用外固定架结合机械结构的方式，使外固定架主动循环压缩，对断端施加动态压力。他们的出发点以及设计思想和采用的动力方式、结构、装配等不尽相同。以考虑频率、振幅为主。这些研究获得了初步的经验，同时也发现一些问题。如国内张先龙等通过外固定架给予骨折断端0.25mm不同频率的微动刺激，发现早期对骨痂形成有促进作用。近期Jogodzinski总结国外相关研究成果，发现早期断端微动刺激，可促进骨痂的形成，晚期微动刺激则抑制骨痂生长。其原因与晚期刚性较强的骨性骨痂形成，不能承受过大的变形，而发生破坏有关。但是，临床观察发现骨折晚期通过负重，对断端加压对骨折愈合起到加速作用。微动刺激实验与临床观察说明骨折晚期不适合微动刺激，只需给予一定压力刺激，不需要明显形变，即可起到促进愈合作用。
现在，国内的学者也研制出不同结构类型电动式的微动康复装置，但都存在一定缺陷或不足。
据国内文献和一些专利介绍过采用电动式的微动装置。有的利用凸轮机构实现往复运动，频率依靠电机转速变化。往复运动的行程(微动幅度)由凸轮升程所决定。其只能依靠更换凸轮来调节微动幅度，实用性差，并且骨折断端所获得的压力是无法确定的。
也有采用微型直流电机带动丝杠使机构实现往复运动的(中国专利申请号021371775.X)。该装置在骨折康复期间的切入点是频率、时间和振幅为主，实现了周期性微动，但其仅仅实现了位移刺激(也即上述的微动刺激)的调节，并且丝杠结构可能存在一定间隙，不利于精确调控。最重要的是该装置无法确定断端压力。
综上说明只可施加应变刺激(即断端微动)的外固定架(例如中国专利02137175.X)并不能满足骨折愈合各个阶段的需要，而且有可能起到抑制愈合的反作用。因此根据愈合阶段采用不同的力学刺激方式，针对性治疗才可达到好的治疗效果。
如何判断愈合阶段是另一重要难题。骨折愈合分血肿形成、纤维骨痂、软骨骨痂、骨性骨痂多个阶段。现有实验结果均采用长骨横断模型或横骨折患者，骨折一致性很好，可通过时间判断愈合阶段。而临床应用时，由于个体差异、骨折类型不同等原因，即使恢复时间相同，不同个体骨折愈合情况差异也会很大。而且临床上，除骨性骨痂可在X线片上观察外，其他阶段常规方法无法有效识别。利用现有骨折微动外固定系统均无法判断愈合阶段，因而不能制定针对性力学刺激治疗方案。为应用于临床，提高治疗效果，判断骨折愈合阶段是必须解决的问题。
【发明内容】
本发明为了解决现有技术中骨折康复外固定架不能判断愈合阶段，不能全面提供各愈合阶段骨折断端所需的刺激，甚至会起到抑制愈合的不良作用的问题，提供了一种数字化自动控制的步进电机式压力反馈多模式微动外固定架。
本发明采用如下的技术方案实现：
步进电机式压力反馈多模式微动外固定架，包括两个夹针固定器，两夹针固定器分别与导柱、导套连接，导柱上安装有步进电机座，用于固定由控制器控制的步进电机，导套上安装传感器座，传感器座上安装有可向控制器传输信号的压力传感器，压力传感器上安装与步进电机的输出端连接的滚珠丝杆螺母副。
压力传感器感受压力，传输到控制器(如DSP、单片机等)，控制器根据设定条件调节控制步进电机，步进电机带动滚珠丝杠螺母副达到设定压力或位移，压力数据和位移数据均通过控制器显示。
在动力执行元件(步进电机)、滚珠丝杠螺母副以及压力传感器的选用和总体结构的考虑等等均采取了先进的、易普及的、低成本的且容易实现数字化控制、高精度的元器件和设计。(注：步进电机、滚珠丝杠螺母副是实现数字化控制的常用配置。由于采用步进电机，因此，可以方便的使用DSP等控制器对其控制。滚珠丝杠螺母副无间隙、摩擦系数小、机械效率高等良好表现为获得准确数据提供了基本保障。)
由于骨折愈合各阶段力学性质(如弹性模量)有很大不同(血肿阶段最软，纤维骨痂，软骨骨痂到骨性骨痂硬度逐渐增加)，本发明采用加压后测量形变或形变后测压(控制器和传感器配合作用，控制施加压力测量断端处组织的形变，或者控制断端处组织的形变测量其产生的抗力)，所获得形变数据或者压力数据就可以反映骨折断端的力学性质，判断愈合阶段，从而给予针对性的力学刺激方案，提高疗效。
刺激方案可采用设定位移模式，也可采用设定压力模式(设定压力条件下控制器根据压力传感器数据调节电机工作达到设定压力，设定位移条件下控制器根据设定距离直接调节电机工作达到设定距离)。其他相关参数(如：频率、时间等)均可通过控制器编程设定。
本发明所述的装置，综合考虑到骨折断端的复杂性、随机性，可根据患者在不同的康复阶段，准确获知骨折断端地力学性质，判断愈合阶段，根据获得的断端信息，进行力学刺激。除可采用控制位移的模式进行加压外，还可采用控制压力进行加压的模式，对断端施加动态压力，避免某些阶段位移模式对骨痂生长的抑制。各种刺激模式的各项参数均可调节，可实现力学刺激方式的个体化应用。
如上所述，本发明与现有技术相比：首先通过动态加压而获取的信息，测定断端力学性质，判断骨折愈合的不同阶段，然后分别给予不同模式(位移刺激模式或压力刺激模式)的周期性力学刺激。克服了现有设计无法判断断端愈合阶段情况，无法针对性调整力学刺激的弊端。并且实现了动态压力刺激模式，克服了单独位移刺激模式在骨折愈合后期导致骨痂破坏的缺陷。各种刺激模式的频率、压力、振幅等参数均可通过控制器调节，实现治疗方案的个体化、数字化，容易获得令人满意的疗效。
【附图说明】
图1为本发明的结构示意图
图2为图1的侧视图
图中：1-步进电机，2-步进电机座，3-螺栓I，4-弹性联轴器，5-导柱，6-传感器座压板，7-螺栓II，8-传感器座，9-压力传感器，10-滚珠丝杠螺母副，11-螺栓III，12-螺栓IV，13-导柱、导套座压板，14-导套，15-导柱和导套座，16-球面万向节，17-侧压板，18-夹针固定器，19-电机座压板。
【具体实施方式】
结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明包括步进电机1、步进电机座2、弹性联轴器4、导柱5、传感器压板6、传感器座8、压力传感器9、滚珠丝杠螺母副10、导柱和导套座压板13、导套14、导柱和导套座15、球面万向节16、侧压板17、夹针固定器18、电机座压板19以及控制器(如DSP等)构成。控制器显示屏上可以读到位移、压力等信息。
步进电机式压力反馈多模式微动外固定架，包括两个夹针固定器18，其特征在于两夹针固定器18分别与导柱5、导套14连接，导套14上安装传感器座8，传感器座8上安装有可向控制器传输信号的压力传感器9，压力传感器9上安装与步进电机的输出端连接的滚珠丝杆螺母副10。
控制器优选DSP、也可以单片机、或者微电脑等。
用微电机作为成熟的动力执行元件已有许多使用经验。除体积小、重量轻，还有噪声小，易控制，精度高，低压、安全等等优势被广泛使用在各行各业。所以本发明采用步进电机带动滚珠丝杠螺母副实现直线往复运动。控制步进电机的快慢及行程即可达到所需频率、振幅要求。压力范围0-500N；频率范围0.25-5Hz；振幅0.25-3mm。三项参数指标可分段任意组合。
在临床装配时，当夹针固定器18连接打入骨内螺纹针或骨圆针后，旋入球面万向节16，将导柱和导套座15的凹型球面与球面万向节相配合，并将侧压板17用螺栓连接，然后分别安装导柱5、导套14。之后将步进电机座2及传感器座8用电机座压板19和传感器座压板6及螺栓分别与导柱、导套连接。在步进电机座2上安装步进电机1，在传感器座8上安装压力传感器9。在压力传感器9上安装滚珠丝杠螺母副10，旋转滚珠丝杠逐渐接近步进电机轴时、安装弹性联轴器4与步进电机的输出轴连接。
在临床应用时，采用先加压后测量形变或先形变后测压，获得骨断端的力学性质，判断愈合阶段，然后给予针对性的力学刺激方案。除可采用控制位移的模式进行加压外，还可采用控制压力的模式进行加压，对断端施加动态压力，避免骨愈合后期位移模式对骨痂生长的抑制。各种刺激模式的各项参数均可调节，实现了力学刺激方式的多样性，并实现自动控制。