多维复杂畸形矫正康复系统

赵庆煊 郭亚南 杨夏猛 张小会 张子

摘 要：文中设计的多维复杂畸形矫正康复系统采用自主开发的计算机软件加骨外固定器矫正模式，能够实现多维复杂畸形矫正。该系统基于X光扫描的数字化测量技术替代传统手动测量，数据准确、可靠;基于虚拟现实技术，生成初始电子处方。该系统实现了临床治疗的数字化、智能化、微创化、精准化，极大地减轻了患者的痛苦。

关键词：康复系统

1 作品简介

我们设计的作品—多维复杂畸形矫正康复系统，独创性地采用了自主开发的计算机软件加骨外固定器的矫正模式，能够实现多维复杂畸形矫正。它以X光扫描患者畸形部位，获取各项畸形参数，借助虚拟现实技术，构建患者畸形骨骼的仿真模型。计算机通过对模型的模拟修复获得电子处方并不断修正，导出最终处方并设置中英双语版。医生和患者使用骨外固定器时，采用调节6根微调支撑杆长度的方法对畸形部位进行矫正。

本作品基于X光扫描的数字化测量技术替代传统手动测量，可高效、精确地获得患者畸形部位的各项数据;借助虚拟现实技术构建模型，真实形象，便于操作;以计算机软件计算生成的电子处方代替医生的经验疗法，降低误诊率，提高医生工作效率;将多根微调支撑杆用于骨外固定器，提高调节精度。

多维复杂畸形不同于一般畸形，治疗难度大，传统骨外固定器治疗效果不明显。本作品能够在临床治疗中实现数字化及智能化，使骨折及骨科畸形的治疗实现微创化、精准化，极大地减轻患者痛苦。

本作品能够治疗传统骨科技术难以治疗甚至无法治疗的严重肢体损伤、残缺，重建肢体的形态和功能，并扩展到神经外科、颌面外科、血管外科等领域，以适应软骨发育不良及侏儒症等的治疗。系统实物如图1所示。

2 工作原理

多维复杂畸形矫正康复系统的工作原理：首先基于X光图像的数字化测量技术通过X光扫描患者畸形部位，获取患者的各项畸形参数;医生登录软件平台中的个人账户，输入患者的各项畸形参数;系统基于虚拟现实技术（VR），根据参数自动生成患者畸形骨骼的VR仿真模型，并通过与正常骨骼各项参数的比较分析，运用处方算法及最优路径算法，计算得到6根微调支撑杆应有的长度，生成初始电子处方，根据初始处方，计算机利用VR技术对畸形骨骼进行修正，不断与正常骨骼的各项参数对比，从而修改、完善初始处方，生成最终电子处方。处方自动生成中英双语版，以Excel的格式导出。医生根据电子处方，手动为患者调节或指导患者自行调节。医生指导，患者配合，可有效治疗多维复杂畸形。工作流程如图2所示。

软件系统：包括骨外固定器电子处方系统软件和骨外固定器配套应用软件，软件开发基于大量数学矩阵运算。

硬件系统：基于六自由度（Six Degrees of Freedom，6-DOF）并联机器人技术和骨外固定技术的新一代数字化外固定器，由双环泰勒架、万向旋转接头、克氏针、槽式万向固定針夹构成。其中双环泰勒架由近端环、远端环、六根延长杆构成。电子处方包含的内容为调节延长杆中的微调支撑杆的方法。硬件组成如图3所示。

3 创新点

（1）独创性地采用计算机软件+固定器的矫正模式，以计算机仿真求得的电子处方代替医生的经验疗法。在临床治疗中体现数字化及智能化，使骨折及骨科畸形的治疗达到真正的微创化、精准化，最大限度为患者减轻痛苦，获得令患者满意的疗效。

（2）以基于X光图像的数字化测量技术代替传统的手动测量，直接通过扫描产生X光图片来获得治疗所需的各项参数，克服了传统手动测量精度低、效率低以及容易受各方面因素影响等问题。

（3）借助虚拟现实技术，构建患者畸形骨骼的仿真模型，直观明了，便于医生制定治疗方案。图形界面如图4所示。

（4）微调支撑杆提高了调节精度，通过旋转旋钮就可实现调节，简单方便。通过支撑杆的调节，即可实现泰勒环环平面的360°转动，灵活性较高，使本产品几乎可以适用于身体各处畸形或骨折处，为患者提供良好的服务。骨外固定器微调支撑杆如图5所示。

4 市场前景

国内外现有的骨外固定产品均不完善，同类矫正机构无法实现高精度调节，患者在矫正过程中将承受更多痛苦。随着有畸形矫正需求的患者越来越多，目前畸形矫正医疗设备供不应求。

本产品能够极大地帮助复杂畸形人群进行矫正康复，并为骨科医生提供更好的医疗手段，具有良好的社会效益。该系统实现了临床治疗的数字化及智能化，使骨折及骨科畸形治疗达到真正的微创化、精准化，体现符合人体组织生理性的自然重建理念，最大限度为患者减轻痛苦，获得满意的疗效。