一种面向胫骨骨折愈合和功能康复的运动规划与施加方法技术

一种面向胫骨骨折愈合和功能康复的运动规划与施加方法，包含如下内容：步骤一、获取同时包含胫骨、克氏针以及通过克氏针与胫骨固定的所述外环固定器的CT图像；步骤二、根据CT图像以及患者生理信息对安装外环固定器的胫骨进行三维重建；步骤三、根据三维重建的模型分别在骨断面建立骨断面坐标系、外环固定器的近端定平台建立定坐标系和外环固定器的远端动平台建立动坐标系；步骤四、将基于骨断面坐标系下的康复运动变换到基于外环固定器的近端定平台的定坐标系下：步骤五、将骨断面在定坐标系下的运动进行逆运动学求解得到所述外环固定器上支链的运动。本发明专利技术可针对不同术后胫骨固定状态以及骨断面位姿施加针对性地运动刺激。刺激。刺激。

【技术实现步骤摘要】
一种面向胫骨骨折愈合和功能康复的运动规划与施加方法


[0001]本专利技术涉及外骨骼康复训练方法，具体涉及一种面向胫骨骨折愈合和功能康复的运动规划与施加方法。

技术介绍

[0002]胫骨位于膝关节与踝关节之间，在受到外力冲撞、高处落地、剧烈运动中容易发生胫骨骨折。胫骨骨折是最常见的骨折之一，是一种多发性疾病。胫骨骨折愈合的时间与效果直接影响到患者的日常生活。长期静养不但会长时间影响患者的生活，而且容易造成肌肉萎缩、延迟愈合或不愈合等后遗症。研究表明，在骨折处施加间歇性微动刺激能促进骨折早期外骨痂形成和钙化，提高骨折愈合刚度，缩短骨折愈合时间。
[0003]胫骨骨折中骨折断面在空间中的位置和姿态复杂多样，并且骨折手术中外固定环与人胫骨相对位置状态不唯一，不考虑骨折手术固定状态以及骨折断面的空间姿态而施加运动刺激可能会阻碍骨折愈合甚至造成二次骨折。因此，结合实际骨折愈合的过程中骨断面的空间位姿进行运动规划从而施加相应的刺激是促进骨折正常愈合减少并发症的关键因素之一。现阶段施加刺激促进胫骨愈合多通过医生进行康复训练，往往依靠一生的经验，至今尚无明确的胫骨骨折术后早期量化施加运动的规划与施加方法。因此，结合术后胫骨固定状态以及骨断面空间姿态进行针对性的运动规划与刺激施加是促进胫骨高效愈合的重要手段。

技术实现思路

[0004]本专利技术为克服现有技术的不足，提供一种面向胫骨骨折愈合和功能康复的运动规划与施加方法。该方法通过扫描建模、空间变换、运动学求解，可以针对不同术后胫骨固定状态以及骨断面位姿施加针对性地运动刺激。
[0005]一种面向胫骨骨折愈合和功能康复的运动规划与施加方法，包含如下内容：
[0006]步骤一、对已经进行骨折固定手术并安装六轴并联外环固定器的患者小腿进行CT扫描，获取同时包含胫骨、克氏针以及通过克氏针与胫骨固定的所述外环固定器的CT图像；
[0007]步骤二、根据CT图像以及患者生理信息对安装外环固定器的胫骨进行三维重建，获取胫骨的三维几何模型并确定所述外环固定器、克氏针以及胫骨的相对位置关系；
[0008]步骤三、根据三维重建的模型分别在骨断面建立骨断面坐标系、外环固定器的近端定平台建立定坐标系和外环固定器的远端动平台建立动坐标系；
[0009]步骤四、将基于骨断面坐标系下的康复运动变换到基于外环固定器的近端定平台的定坐标系下：
[0010]步骤五、将骨断面在定坐标系下的运动进行逆运动学求解得到所述外环固定器上支链的运动，将支链的运动转变为电机输入信息，控制电机驱动外环固定器完成康复运动。
[0011]本专利技术相比现有技术的有益效果是：
[0012]本专利技术方法通过扫描建模、空间变换、运动学求解，结合患者生理信息，获得运动
输入信息，输入信号实施胫骨康复运动，本专利技术可针对不同术后胫骨固定状态以及骨断面位姿施加针对性地运动刺激，具有普适性。
[0013]下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步地说明：
附图说明
[0014]图1为本专利技术面向胫骨骨折愈合和功能康复的运动规划与施加方法流程框图；
[0015]图2为本专利技术的胫骨与六轴并联外环固定器的三维重建示意图；
[0016]图3为胫骨、克氏针及外环固定器的相互连接结构示意图；
[0017]其中：1
‑
胫骨近骨端；2
‑
胫骨远骨端；3
‑
克氏针；4
‑
电机；5
‑
万向节；6
‑
滚珠丝杠；7
‑
远端动平台；8
‑
近端定平台；
[0018]图4为坐标系建立方式图；
[0019]其中：9
‑
定坐标系A下x轴，10
‑
定坐标系A下y轴，11
‑
定坐标系A下z轴，12
‑
骨断面坐标系H下x轴，13
‑
骨断面坐标系H下z轴，14
‑
动坐标系B下x轴，15
‑
动坐标系B下y轴，16
‑
动坐标系B下z轴；
[0020]图5为康复运动实施过程流程图。
[0021]下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步地的描述
具体实施方式
[0022]如图1所示，本实施方式的一种面向胫骨骨折愈合和功能康复的运动规划与施加方法：
[0023]步骤一、对已经进行骨折固定手术并安装六轴并联外环固定器的患者小腿进行CT扫描，获取同时包含胫骨20、克氏针以及通过克氏针3与胫骨20固定的所述外环固定器的CT图像；
[0024]步骤二、根据CT图像以及患者生理信息对安装外环固定器的胫骨进行三维重建，获取胫骨的三维几何模型并确定所述外环固定器、克氏针3以及胫骨20的相对位置关系；重建的三维模型如图2所示；
[0025]本步骤中将CT图像数据导入医学处理软件中进行三维重建，获取胫骨的三维几何模型并确定外环固定器、克氏针3以及胫骨20的相对位置关系，通过调用患者的年龄、性别、身高、体重生理信息对胫骨密度、泊松比、弹性模量等材料参数进行匹配赋值。
[0026]步骤三、根据三维重建的模型分别在骨断面建立骨断面坐标系H、外环固定器的近端定平台8建立定坐标系A和外环固定器的远端动平台7建立动坐标系B；
[0027]如图3和图4所示，进一步地本步骤通过三维软件将与外环固定器的远端动平台固定的断骨断面拟合为平面并确定形心，以形心为原点建立骨断面坐标系H，以外环固定器的近端定平台8的形心建立定坐标系A和外环固定器的远端动平台7的形心建立动坐标系B，各个坐标系如图4所示。
[0028]步骤四、将基于骨断面坐标系H下的康复运动变换到基于外环固定器的近端定平台8的定坐标系A下：
[0029]进一步地，所述运动变换为空间变换，首先，通过患者的生物学信息对患者的胫骨材料属性进行匹配，得到患者相应的愈合组织的杨氏模量，通过杨氏模量可以求解在某一
特定应力刺激下的线应变
△
L，确定骨断面坐标系下骨断面的空间位移
H
P,其中||
H
P||＝
△
L；
[0030]其次，将基于骨断面坐标系H的位移
H
P变换到动坐标系B下，得到动坐标系B下的运动
B
P，其中，
B
P＝
B
T
H H
P；
[0031]然后，将基于动坐标系B的空间位移
B
P转换到定坐标系A下，得到定坐标系下的运动
A
P，其中，
A
P＝
A
T
B B
P；
[0032]其中，||
B
P
OH
||为骨断面坐标系H原点与动坐标系B原点之间的距离，
B
R
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向胫骨骨折愈合和功能康复的运动规划与施加方法，其特征在于：包含如下内容：步骤一、对已经进行骨折固定手术并安装六轴并联外环固定器的患者小腿进行CT扫描，获取同时包含胫骨、克氏针以及通过克氏针与胫骨固定的所述外环固定器的CT图像；步骤二、根据CT图像以及患者生理信息对安装外环固定器的胫骨进行三维重建，获取胫骨的三维几何模型并确定所述外环固定器、克氏针以及胫骨的相对位置关系；步骤三、根据三维重建的模型分别在骨断面建立骨断面坐标系、外环固定器的近端定平台建立定坐标系和外环固定器的远端动平台建立动坐标系；步骤四、将基于骨断面坐标系下的康复运动变换到基于外环固定器的近端定平台的定坐标系下：步骤五、将骨断面在定坐标系下的运动进行逆运动学求解得到所述外环固定器上支链的运动，将支链的运动转变为电机输入信息，控制电机驱动外环固定器完成康复运动。2.根据权利要求1所述一种面向胫骨骨折愈合和功能康复的运动规划与施加方法，其特征在于：步骤三中通过三维软件将与外环固定器的远端动平台固定的断骨断面拟合为平面并确定形心，以形心为原点建立骨断面坐标系，以外环固定器的近端定平台形心建立定坐标系和外环固定器的远端动平台的形心建立动坐标系。3.根据权利要求1所述一种面向胫骨骨折愈合和功能康复的运动规划与施加方法，其特征在于：步骤二将CT图像导入到医学图像处理软件中进行三维重建。4.根据权利要求1、2或3所述一种面向胫骨骨折愈合和功能康复的运动规划与施加方法，其特征在于：步骤四的运动变换包含：首先，通过患者的生物学信息对患者的胫骨材料属性进行匹配，得到患者相应的愈合组织的杨氏模量，通过杨氏模量可以求解在某一特定应力刺激下的线应变
△
L，确定骨断面坐标系下骨断面的空间位移
H
P,其中||
H
P||＝
△
L；其次，将基于骨断面坐标系H的位移
H
P变换到动坐标系B下，得到动坐标系B下的运动
B
P，其中，
B
P＝
B
T
HH
P；然后，将基于动坐标系B的空间位移
B
P转换到定坐标系A下，得到定坐标系A下的运动
A
P，其中，
A
P＝
A
T
BB
P；其中，||
B
P
OH
||为骨断面坐标系H原点与动坐标系B原点之间的距离，
B
R
H
为骨断面坐标系H相对于动坐标系B的旋转矩阵；||
A
P
OB
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【专利技术属性】
技术研发人员：于宁波，韩建达，周昭丞，时明松，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：