【摘 要】
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面向踝关节骨折患者的被动康复实际需求,本文以并联外固定器械为平台和载体,系统开展了被动康复方案整体设计,踝关节运动模型建立,并联外固定器械运动学逆解及康复过程有限元仿真等研究工作,全文主要成果如下:1.基于并联外固定器械的踝关节骨折被动康复方案整体设计。以并联外固定器械复位的踝关节骨折为研究场景,结合临床上持续被动运动（CPM）康复理念,提出了踝关节骨折被动康复的整体方案。方案以6-UPS并联外固
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面向踝关节骨折患者的被动康复实际需求,本文以并联外固定器械为平台和载体,系统开展了被动康复方案整体设计,踝关节运动模型建立,并联外固定器械运动学逆解及康复过程有限元仿真等研究工作,全文主要成果如下:1.基于并联外固定器械的踝关节骨折被动康复方案整体设计。以并联外固定器械复位的踝关节骨折为研究场景,结合临床上持续被动运动（CPM）康复理念,提出了踝关节骨折被动康复的整体方案。方案以6-UPS并联外固定器械为康复的平台和载体;以NDI Optotrak Certus三维动态测量系统为正常踝关节运动捕捉设备;以康复轨迹映射外固定器械动平台运动,基于并联机构运动学逆解求出支链长度;利用有限元软件模拟被动康复过程,筛选并优化康复轨迹。2.正常踝关节运动模型建立与运动规律描述。通过运动测定实验的差异性分析,证明踝关节运动存在普适性规律。基于内外踝尖标记物的位置坐标,求出踝关节等效运动轴线的变化规律,即跖屈/背伸运动时为定轴线运动,自由运动等其他形式运动轴线呈“对顶圆锥”状分布;以踝关节中心为参照,求出踝关节运动角度范围,即跖屈/背伸为-31.4°～33.8°,内翻/外翻为-45.0°～30.6°,内收/外展为-25.0°～21.7°;以踝关节形心坐标为基础求出踝关节运动轨迹的边界,即正常踝关节形心的运动轨迹包含于边界包络而成的半椭球状曲面上。3.踝关节骨折被动康复生物力学分析。以踝关节运动规律为基础,选取跖屈/背伸和内翻/外翻运动曲线作为骨折被动康复轨迹,并进行曲线拟合与离散化处理。通过闭环矢量法求出并联外固定器械运动学逆解,计算在动平台不同位姿下外固定器械六根支链的长度。通过Mimics对患者CT扫描平片三维重建,获得内踝骨折状态ANSYS踝关节有限元模型。使踝关节有限元模型按照康复轨迹进行运动,模拟被动康复过程,并通过骨折断端应力阈值来判断康复轨迹的有效性。基于有限元仿真结果,筛出康复轨迹无效部分,并生成优化后的并联外固定器械支链调节参数。本文从踝关节运动测定入手,提出了正常踝关节运动的总体描述,并从中筛选出被动康复轨迹,进而实现了外固定器械的位姿映射以及康复过程的有限元仿真,可促进踝关节骨折患者尽早开展术后功能康复,为并联外固定器械骨折复位与康复的一体化提供研究思路与理论支持。
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