具体实施方式

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下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示的一种用于腰椎椎体骨质疏松性压缩性骨折的智能动态矫形器，包括外固定架1、内衬2和驱动装置3，外固定架1包括上固定环11、中固定环12和下固定环13，内衬2设置在上固定环11、中固定环12和下固定环13的内侧，驱动装置3包括电源31、控制系统32和驱动机构33，驱动机构33有六个，其中两个驱动机构33连接上固定环11和中固定环12的背面，两个驱动机构33连接中固定环12和下固定环13的背面，两个驱动机构33连接上固定环11、中固定环12和下固定环13的侧面，驱动机构33在控制系统32的控制下实现上固定环11、中固定环12相对于下固定环13的六自由度运动。

优选地，驱动机构33包括上安装座331、下安装座332、两个支撑杆333、伸缩杆334和直线电机335，两个支撑杆333分别设置在上安装座331和下安装座332上，直线电机335驱动伸缩杆334，直线电机335与伸缩杆334的一端分别与上安装座331和下安装座332上的支撑杆333铰接，上安装座331与下安装座332用于与外固定架1固定连接。上安装座331和下安装座332分别用于与上固定环11、中固定环12和下固定环13的外侧固定连接，直线电机335用于在控制系统32的控制下驱动伸缩杆334伸缩，以根据规划的矫正路径调整伸缩杆334的杆长和相对于支撑杆333的旋转角度。

优选地，上安装座331和下安装座332上均设有力传感器4，力传感器4与控制系统32电连接。控制系统32可以为不同患者的不同类型压缩性骨折的治疗提供个性化治疗方案，根据已有的矫治路径进行智能化矫形，力传感器4用于测量外固定架1不同部位的受力，为控制系统32提供患者身体不同部位的受力反馈，以修正矫正路径，保证较好的矫正效果。

优选地，伸缩杆334上设有用于测量伸缩杆334杆长的位移传感器5。以便于控制系统32获取每个伸缩杆334的实时杆长参数，方便对伸缩杆333的伸缩长度进行精准调节。

优选地，支撑杆333与上安装座331之间为竖直方向可滑动式连接，支撑杆333与下安装座332之间为水平方向可滑动式连接，上安装座331和下安装座332上均设有用于锁紧支撑杆333位置的锁紧螺钉6。上安装座331上的支撑杆333可以调节竖直方向的安装长度，下安装座332上的支撑杆333可以调节水平方向的安装长度，便于在为患者穿戴外固定架1时，可以根据患者体型调整上固定环11、中固定环12和下固定环13在患者身上的安装距离和角度，保证患者舒适性。

优选地，外固定架1上设有若干个振动按摩器7。振动按摩器7用于对患者脊柱部位进行振动按摩，促进椎体骨折部位的恢复。

优选地，外固定架1采用轻质合金制作，内衬2为柔性透气软垫。保证在患者身上固定效果的同时提高舒适性。

本发明还提供了一种用于腰椎椎体骨质疏松性压缩性骨折的智能动态矫形器的应用方法，包括以下步骤：

步骤一，获取健康志愿者和椎体压缩性骨折患者在多种姿态下的样本集数据，样本集数据包括：健康者和椎体压缩性骨折患者对应胸弯和腰弯的Cobb角信息、冠状位偏移距、顶椎偏移距以及患者基础信息；

步骤二，通过样本集数据建立深度神经网络DNN模型，以收集到的健康者的样本集数据为基准，确定椎体压缩性骨折患者的矫正路径规划；

步骤三，将外固定架1设置在脊柱侧弯患者身上，根据控制系统32获取的力传感器4和位移传感器5的反馈数据，结合获取的样本集数据，建立外固定数学模型，量化反馈输入，对矫正路径进行优化；外固定数学模型用于描述矫正骨段在三维空间的位置信息以及运动信息；通过直角坐标路径控制法对矫正骨段进行直线轨迹规划，获取矫正骨段的位置姿态参数；根据矫正骨段的位置姿态参数，获取六个伸缩杆334的长度参数；

步骤四，基于六个多关节串、并联的驱动机构33，通过控制系统32进行可以调节幅度和方向的动态扭矩输出，以使分别贴合在骨盆、腰段和胸段上的下固定环13(参照环)、中固定环12(移动环)和上固定环11(移动环)实现六自由度运动，从而实现腰部和胸部相对于骨盆的全自由度运动，实现对脊柱位姿的精确控制。

健康者和椎体压缩性骨折患者对应胸弯和腰弯的Cobb角信息、冠状位偏移距、顶椎偏移距，具体为：获取健康者和椎体压缩性骨折患者的CT/X射线图片，将骶1椎体中点作为原点，将其与胸1椎体的竖直方向距离标记为纵坐标的单位100，通过标注的12个胸椎、5个腰椎的中点位置得到每个椎体的坐标，测量得到胸弯和腰弯切线相交得到的夹角记作Cobb角，胸1椎体横坐标为冠状位偏移距，顶椎中点横坐标为顶椎偏移距。

外固定数学模型包括：

以下固定环13(参照环)中心为原点建立局部坐标系{B}，分别以中固定环12和上固定环11(移动环)中心为原点建立局部坐标系{P}，以参照骨段的“起始点”为原点建立全局坐标系{U}；读取六个驱动机构33上伸缩杆334的杆长的初始值：L1、L2、L3、L4、L5、L6，利用位姿正解算法计算出移动环相对于参照环的初始位姿，用位姿矩阵表示：

式中，表示移动环坐标{P}相对于参照环坐标{B}的姿态转换矩阵，表示{P}坐标原点相对于{B}坐标系的位置；

由标准正位X光片和标准侧位X光片测量畸形参数，畸形参数包括由标准正位X光片和标准侧位X光片测得的三个位移和三个成角：

内侧或外侧的正位位移：标准正位X光片上测量，从起始点到对应点沿X轴方向的距离；

外翻或内翻的正位角度：标准正位X光片上测量，两骨段轴线的夹角；

前部或后部的侧位位移：标准侧位X光片上测量，从起始点到对应点沿Y轴方向的距离；

屈曲或反张的侧位角度：侧位X光片上测量，两骨段轴线的夹角；

压缩或分离的轴向位移：在正位X光片或侧位X光片上测量，从起始点到对应点沿Z轴方向的距离；

外旋或内旋的轴向角度：测量参照骨段与移动骨段矢状面上的旋转夹角。

其中，设绕固定轴X-Y-Z的转角为α’，β’，γ’，从测量的畸形参数中得到：

式中，cα＝cosα，sα＝sinα，cβ＝cosβ，sβ＝sinβ，cγ＝cosγ，sγ＝sinγ

令

联立(2)和(3)得解得结果如下：

(1)cosβ’≠0则：

α’＝Atan2(r₂₃,r₃₃)

γ’＝Atan2(r₁₂,r₁₁)

(2)β’＝±90°则：

α’＝0

γ’＝±Atan2(r₂₁,r₂₂)

其中，Atan2(y，x)表示双变量反正切函数，x和y的符号确定角度所在的象限，上式解出的[α’，β’，γ’]^T即为实际中外固定架1绕X、Y、Z轴的旋转量。

测量框架参数，框架参数包括由标准正位X光片和标准侧位X光片测得的3个偏移及1个成角：

内侧或外侧的参照环中心正位偏移：标准正位X光片上测量，参照环中心相对于起始点的偏移；

前部或后部的参照环中心侧位偏移：标准侧位X光片上测量，参照环中心相对于起始点的偏移；

参照环中心轴向偏移：标准正位X光片上测量或标准侧位X光片上测量，从参照环的边缘至起始点之间的轴向距离；

外旋或内旋的参照环旋转角度：临床测量参照环的矢状面相对于参照骨段矢状面的旋转角度；

从测量的框架参数中得到参照环相对于参照骨段的位姿矩阵，用表示，得到移动环相对于参照骨段的位姿矩阵：

将以移动环中心、移动骨段的对应点为原点建立的局部坐标系{P}、{U}拟合到全局坐标系得到移动环相对于移动骨段的位姿矩阵：

式中，表示移动骨段相对于参照骨段的位姿矩阵，由变量[x，y，z，α’，β’，γ’]构成，其中[x，y，z]和[α’，β’，γ’]分别表示所述对应点相对于“起始点”在三个方向上的位移偏移量及三个方向的旋转角度。

本发明所述的一种用于腰椎椎体骨质疏松性压缩性骨折的智能动态矫形器的使用方法如下：

将上固定环11贴合固定在患者的胸段周围，中固定环12贴合固定在患者的腹段周围，下固定环13贴合固定在患者骨盆处，控制系统32根据患者的骨折状况以及胸段、腹段、骨盆处的位姿信息等样本集数据，规划矫正路径，并通过力传感器4和位移传感器5的反馈输入，结合获取的样本集数据，建立外固定数学模型，量化反馈输入，对矫正路径进行优化，并通过控制驱动机构33的运动方向和角度，使上固定环11和中固定环12相对于下固定环13在垂直和前后、左右六个方向活动，从而实现腰部和胸部相对于骨盆的全自由度运动，实现对脊柱位姿的精确控制，可以帮助患者便捷精确地进行康复功能锻炼，避免关节僵硬，废用性肌萎缩；还可以对脊柱进行纵向垂体拉伸，通过保守治疗地方式一定程度上恢复骨折压缩程度，以帮助患处进行较好的功能锻炼，从而获得更好的预后。

综上所述，本发明提供的一种用于腰椎椎体骨质疏松性压缩性骨折的智能动态矫形器及应用方法，解决现有设备无法满足老年骨质疏松性椎体压缩性骨折的快速康复以及较高质量的功能锻炼的问题。

上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。