多維復(fù)雜畸形矯正康復(fù)系統(tǒng)

趙慶煊 郭亞南 楊夏猛 張小會(huì) 張子

摘 要：文中設(shè)計(jì)的多維復(fù)雜畸形矯正康復(fù)系統(tǒng)采用自主開發(fā)的計(jì)算機(jī)軟件加骨外固定器矯正模式，能夠?qū)崿F(xiàn)多維復(fù)雜畸形矯正。該系統(tǒng)基于X光掃描的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)替代傳統(tǒng)手動(dòng)測(cè)量，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠;基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，生成初始電子處方。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了臨床治療的數(shù)字化、智能化、微創(chuàng)化、精準(zhǔn)化，極大地減輕了患者的痛苦。

關(guān)鍵詞：康復(fù)系統(tǒng)

1 作品簡介

我們?cè)O(shè)計(jì)的作品—多維復(fù)雜畸形矯正康復(fù)系統(tǒng)，獨(dú)創(chuàng)性地采用了自主開發(fā)的計(jì)算機(jī)軟件加骨外固定器的矯正模式，能夠?qū)崿F(xiàn)多維復(fù)雜畸形矯正。它以X光掃描患者畸形部位，獲取各項(xiàng)畸形參數(shù)，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建患者畸形骨骼的仿真模型。計(jì)算機(jī)通過對(duì)模型的模擬修復(fù)獲得電子處方并不斷修正，導(dǎo)出最終處方并設(shè)置中英雙語版。醫(yī)生和患者使用骨外固定器時(shí)，采用調(diào)節(jié)6根微調(diào)支撐桿長度的方法對(duì)畸形部位進(jìn)行矯正。

本作品基于X光掃描的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)替代傳統(tǒng)手動(dòng)測(cè)量，可高效、精確地獲得患者畸形部位的各項(xiàng)數(shù)據(jù);借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建模型，真實(shí)形象，便于操作;以計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算生成的電子處方代替醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)療法，降低誤診率，提高醫(yī)生工作效率;將多根微調(diào)支撐桿用于骨外固定器，提高調(diào)節(jié)精度。

多維復(fù)雜畸形不同于一般畸形，治療難度大，傳統(tǒng)骨外固定器治療效果不明顯。本作品能夠在臨床治療中實(shí)現(xiàn)數(shù)字化及智能化，使骨折及骨科畸形的治療實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)化、精準(zhǔn)化，極大地減輕患者痛苦。

本作品能夠治療傳統(tǒng)骨科技術(shù)難以治療甚至無法治療的嚴(yán)重肢體損傷、殘缺，重建肢體的形態(tài)和功能，并擴(kuò)展到神經(jīng)外科、頜面外科、血管外科等領(lǐng)域，以適應(yīng)軟骨發(fā)育不良及侏儒癥等的治療。系統(tǒng)實(shí)物如圖1所示。

2 工作原理

多維復(fù)雜畸形矯正康復(fù)系統(tǒng)的工作原理：首先基于X光圖像的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)通過X光掃描患者畸形部位，獲取患者的各項(xiàng)畸形參數(shù);醫(yī)生登錄軟件平臺(tái)中的個(gè)人賬戶，輸入患者的各項(xiàng)畸形參數(shù);系統(tǒng)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR），根據(jù)參數(shù)自動(dòng)生成患者畸形骨骼的VR仿真模型，并通過與正常骨骼各項(xiàng)參數(shù)的比較分析，運(yùn)用處方算法及最優(yōu)路徑算法，計(jì)算得到6根微調(diào)支撐桿應(yīng)有的長度，生成初始電子處方，根據(jù)初始處方，計(jì)算機(jī)利用VR技術(shù)對(duì)畸形骨骼進(jìn)行修正，不斷與正常骨骼的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比，從而修改、完善初始處方，生成最終電子處方。處方自動(dòng)生成中英雙語版，以Excel的格式導(dǎo)出。醫(yī)生根據(jù)電子處方，手動(dòng)為患者調(diào)節(jié)或指導(dǎo)患者自行調(diào)節(jié)。醫(yī)生指導(dǎo)，患者配合，可有效治療多維復(fù)雜畸形。工作流程如圖2所示。

軟件系統(tǒng)：包括骨外固定器電子處方系統(tǒng)軟件和骨外固定器配套應(yīng)用軟件，軟件開發(fā)基于大量數(shù)學(xué)矩陣運(yùn)算。

硬件系統(tǒng)：基于六自由度（Six Degrees of Freedom，6-DOF）并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)和骨外固定技術(shù)的新一代數(shù)字化外固定器，由雙環(huán)泰勒架、萬向旋轉(zhuǎn)接頭、克氏針、槽式萬向固定針夾構(gòu)成。其中雙環(huán)泰勒架由近端環(huán)、遠(yuǎn)端環(huán)、六根延長桿構(gòu)成。電子處方包含的內(nèi)容為調(diào)節(jié)延長桿中的微調(diào)支撐桿的方法。硬件組成如圖3所示。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）獨(dú)創(chuàng)性地采用計(jì)算機(jī)軟件+固定器的矯正模式，以計(jì)算機(jī)仿真求得的電子處方代替醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)療法。在臨床治療中體現(xiàn)數(shù)字化及智能化，使骨折及骨科畸形的治療達(dá)到真正的微創(chuàng)化、精準(zhǔn)化，最大限度為患者減輕痛苦，獲得令患者滿意的療效。

（2）以基于X光圖像的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動(dòng)測(cè)量，直接通過掃描產(chǎn)生X光圖片來獲得治療所需的各項(xiàng)參數(shù)，克服了傳統(tǒng)手動(dòng)測(cè)量精度低、效率低以及容易受各方面因素影響等問題。

（3）借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建患者畸形骨骼的仿真模型，直觀明了，便于醫(yī)生制定治療方案。圖形界面如圖4所示。

（4）微調(diào)支撐桿提高了調(diào)節(jié)精度，通過旋轉(zhuǎn)旋鈕就可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，簡單方便。通過支撐桿的調(diào)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)泰勒環(huán)環(huán)平面的360°轉(zhuǎn)動(dòng)，靈活性較高，使本產(chǎn)品幾乎可以適用于身體各處畸形或骨折處，為患者提供良好的服務(wù)。骨外固定器微調(diào)支撐桿如圖5所示。

4 市場(chǎng)前景

國內(nèi)外現(xiàn)有的骨外固定產(chǎn)品均不完善，同類矯正機(jī)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)節(jié)，患者在矯正過程中將承受更多痛苦。隨著有畸形矯正需求的患者越來越多，目前畸形矯正醫(yī)療設(shè)備供不應(yīng)求。

本產(chǎn)品能夠極大地幫助復(fù)雜畸形人群進(jìn)行矯正康復(fù)，并為骨科醫(yī)生提供更好的醫(yī)療手段，具有良好的社會(huì)效益。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了臨床治療的數(shù)字化及智能化，使骨折及骨科畸形治療達(dá)到真正的微創(chuàng)化、精準(zhǔn)化，體現(xiàn)符合人體組織生理性的自然重建理念，最大限度為患者減輕痛苦，獲得滿意的療效。