4、脊柱侧弯患者机器人矫形器的设计

脊柱侧弯患者机器人矫形器的设计

1. 引言

脊柱侧弯是一种复杂的三维脊柱畸形，特发性脊柱侧弯（IS）是最常见的类型，病因不明，约占所有脊柱侧弯病例的80%。它不仅会导致脊柱弯曲，还会对消化系统、神经系统和骨骼系统等人体其他系统造成损害，影响肋骨和骨盆，降低患者的日常生活质量，带来疼痛、功能受限等问题。青少年特发性脊柱侧弯最为常见，影响2% - 3%的人群，女性病情进展的概率是男性的8倍。

目前，脊柱侧弯的治疗方法主要有三种：观察、支具治疗和手术。观察和支具治疗属于非手术治疗，能大幅降低治疗成本，且多项研究表明支具治疗比单纯观察更有效。例如，有研究指出支具治疗可使青少年特发性脊柱侧弯高风险曲线进展至手术阈值的概率降低，支具治疗的成功率为72%，而单纯观察的成功率为48%。因此，研发有效的支具对于脊柱侧弯患者至关重要，同时利用机器人技术也为改善患者服务提供了机会。

2. 机器人矫形器设计

在现有的研究中，用于治疗脊柱侧弯的机器人设备较少，知名的有Japet Medical Devices公司商业化的Atlas和哥伦比亚大学开发的RoSE。本文设计的主动式机器人脊柱矫形器，基于6自由度的“三点压力”治疗原理。其运动学结构为双Stewart平台，由上、中、下三个矫正环组成，每个环通过搭扣固定，呈椭圆形，与人体躯干形状相似。相邻的两个环由两组各六个电动线性致动器驱动，可提供6自由度的矫正力，实现对脊柱侧弯的三维动态矫正。

每个致动器上都添加了用于测量位置的电位计和测量力的力传感器。两个Stewart平台串联连接，可独立进行位置或力控制模式操作。此外，该矫形器还配备了6D力传感器，能实时检测施加在患者脊柱上的矫正力，从而根据患者的康复状态灵活调整康