CN103940688A - 一种体外测试髌骨关节骨软骨的股骨定位装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种体外测试髌股关节骨软骨的股骨定位装置及方法，先在股骨远端解剖结构中确定六个特征位置标记点，再用AutoCAD工程软件做出股骨滑车部位旋转轴线相对股骨髁特征位置几何位置参数，再依据已知几何位置参数调整已知的定位夹具装置，实现准确快速的定位。该定位方法可以应用在不同物种髌股关节股骨安装定位上，具有很大的通用性。该方法采用2D CT扫描图片实现股骨定位，为无菌条件下测试髌股关节骨软骨生物摩擦学性能提供了前提，并缩短了定位安装与测试间的时间间隔，延长骨软骨组织活性，对活性组织体外测试具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及骨软骨摩擦磨损性能评估的生物摩擦学领域，具体涉及一种体外测试髌骨关节骨软骨的股骨定位装置及方法。
背景技术
髌股关节是维持人体关节稳定与正常运动能力的关键，其承受载荷较大且易于损伤。髌股关节骨关节炎是髌股关节疾病中最为常见的疾病，在人群中发病率为5％左右。为了深入理解骨关节炎发生机理，有必要体外模拟髌股关节在体内的生理结构和生物力学环境下的生物摩擦学性能。
关节的体外测试在膝关节模拟机上进行，该模拟机能够模拟人体关节所处的力学载荷环境和关节六自由度的运动。为了保证测试的准确性，在进行生物摩擦学测试之前，髌股关节在人体骨肌系统中所处的解剖学位置和力线等需要在模拟机上重现，使股骨滑车部的屈曲旋转轴线、轴向力轴线与模拟机固有的屈曲旋转轴线、轴向力轴线匹配。否则会导致测试过程中膝关节模拟机运动和载荷条件与预设加载条件不匹配，影响测试的精确度，甚至会造成无法解释的组织破坏情况。
要实现自然关节在体外的解剖结构位置重现，第一步就是确定该关节组织的旋转轴线和股骨加载力线。通常的做法是在画图板上画不同直径的圆，让股骨滑车部位与所画圆匹配，确定股骨滑车部旋转轴线中心，之后凭借目测和经验确定旋转轴线中心，使股骨滑车旋转轴线中心与模拟机屈曲旋转轴线基本对中，然后把股骨样品安装在模拟机上，最后再将股骨滑车轴向力轴线与模拟机轴向力轴线匹配。单凭目测和经验进行安装定位，效率较低且精度无法控制。因此，快速精确地定位安装股骨是解决采用膝关节模拟机测试髌股关节骨软骨性能的关键技术。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种体外测试髌骨关节骨软骨的股骨定位装置及方法，该装置及方法可以实现髌骨关节骨软骨的定位。
为达到上述目的，本发明所述的体外测试髌股关节骨软骨的股骨定位装置包括基座、股骨髁远端挡板、股骨内上髁凸起处固定板、股骨外上髁凸起处固定板、轴向力轴线定位钻孔导板及截骨支撑板，股骨内上髁凸起处固定板及股骨外上髁凸起处固定板与基座前后两侧面活动连接，截骨支撑板与股骨髁远端挡板分别与基座的左右侧面活动连接，股骨内上髁凸起处固定板的上部及股骨外上髁凸起处固定板的上部分别与轴向力轴线定位钻孔导板的两侧活动连接，轴向力轴线定位钻孔导板上设有第一定位孔，股骨内上髁凸起处固定板的侧面及股骨外上髁凸起处固定板的侧面分别固定有第一滑车旋转轴线定位钻孔导板及第二滑车旋转轴线定位钻孔导板，第一滑车旋转轴线定位钻孔导板及第二滑车旋转轴线定位钻孔导板上分别开设有第二定位孔及第三定位孔，第一定位孔位于轴向力轴线定位钻孔导板的中部，第一定位孔的中心点到基座表面的垂线与第二定位孔的中心点到第三定位孔的中心点的连线在同一个平面内且相互垂直。
所述基座的左侧面上设有第一凸起，截骨支撑板上设有与所述第一凸起相配合的第一凹槽，截骨支撑板的两侧面分别设有第一孔槽及第二孔槽，第一凸起的侧面设有第一通孔，第一螺栓穿过第一孔槽插入于第一通孔内，第二螺栓穿过第二孔槽插入于第一通孔内。
所述基座的右侧面设有第二凸起，股骨髁远端挡板上设有与所述第二凸起相配合的第二凹槽，股骨髁远端挡板的两侧面上分别设有第三孔槽及第四孔槽，第二凸起的侧面设有第二通孔，第三螺栓穿过第三孔槽插入于第二通孔内，第四螺栓穿过第四孔槽插入于第二通孔内。
所述基座的后侧面上设有第三凸起及第四凸起，股骨外上髁凸起处固定板上设有与所述第三凸起及第四凸起相配合的第三凹槽及第四凹槽，股骨外上髁凸起处固定板的两侧面分别设有第五孔槽及第六孔槽，第三凸起的侧面设有第三通孔，第五螺栓穿过第五孔槽插入于第三通孔内，第四凸起的侧面设有第四通孔，第六螺栓穿过第六孔槽插入于第四通孔内。
所述基座的前侧面上设有第五凸起及第六凸起，股骨内上髁凸起处固定板上设有与所述第五凸起及第六凸起相配合的第五凹槽及第六凹槽，股骨内上髁凸起处固定板的两侧面分别设有第七孔槽及第八孔槽，第五凸起的侧面设有第五通孔，第七螺栓穿过第七孔槽插入于第五通孔内，第六凸起的侧面设有第六通孔，第八螺栓穿过第八孔槽插入于第六通孔内。
所述股骨外上髁凸起处固定板的上部设有第七通孔，股骨内上髁凸起处固定板的上部设有第八通孔，轴向力轴线定位钻孔导板上设有第九孔槽及第十孔槽，第九螺栓穿过第九孔槽插入于第七通孔内，第十螺栓穿过第十孔槽插入于第八通孔内。
本发明所述的体外测试髌骨关节骨软骨的股骨定位方法包括以下步骤：
1)参照股骨远端解剖学的特点，以股骨滑车内侧髁矢状位最低点、股骨滑车外侧髁矢状位最低点、股骨髁远端内髁横截面最低点、股骨髁远端外髁横截面最低点、股骨一侧副韧带附着点及股骨另一侧副韧带附着点为六个股骨解剖标志定位点，然后确定定位标志点与轴向力轴线及屈曲轴线的空间位置关系；
2)通过CT对髌骨关节骨软骨部位在矢状位进行2D扫描，获得矢状位2D的CT图片，然后把2D CT图片导入到CAD工程软件中，作股骨髁远端的逼近圆及股骨滑车部位的逼近圆，将股骨髁远端的逼近圆圆心与股骨滑车部位的逼近圆圆心的连线偏转α角度后的直线作为滑车部位的轴向力轴线；
3)复制并平移所述滑车部位的轴向力轴线，使其与股骨髁远端相切，其中，切点为股骨远端股骨髁横截面最低点，测量滑车部位的轴向力轴线平移的距离L1；垂直于轴向力轴线作垂线，然后平移所述垂线，使垂线与与股骨滑车髁部位最低点相切，其中，切点为股骨滑车髁矢状面最低点，测量所述垂线平移到距离L2，然后复制平移轴向力轴线，使轴向力轴线与股骨近端相切，确定截骨距离；
4)然后将髌骨关节骨软骨放置到所述体外测试髌骨关节骨软骨的股骨定位装置，并调整第一滑车旋转轴线定位钻孔导板及第二滑车旋转轴线定位钻孔导板，使第二定位孔的中心点与第三定位孔的中心点的连线到基座的距离为L2，调整股骨髁远端挡板与第二定位孔及第三定位孔之间空间位置，确定滑车部旋转中心与股骨髁最远端距离L1，然后根据截骨距离调整截骨支撑板与第一滑车旋转轴线定位钻孔导板及第二滑车旋转轴线定位钻孔导板之间空间位置，确定截骨位置，得确定股骨滑车旋转轴、轴向力轴线的空间位置及截骨位置。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的体外测试髌股关节骨软骨的股骨定位装置及方法通过将下肢膝关节部位在矢状位进行2D扫描，然后获取矢状位2D的CT图片，根据矢状位2D的CT图片获取确定滑车部旋转中心与股骨髁最远端距离L1、滑车部旋转中心到滑车髁最远端距离L2以及截骨的位置通过所述体外测试髌股关节骨软骨的股骨定位装置来进行下肢膝关节部位的定位，从而采用2D的CT扫描图片实现3D定位，实现快速精确定位与安装，该方法依据股骨解剖学特征实现股骨定位，具有通用性，可用于不同物种的自然股骨定位。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的爆炸图；
图3为本发明中的CT图片。
其中，1为股骨滑车部位的逼近圆、2为股骨髁远端的逼近圆、3为轴向力轴线、4为股骨髁远端挡板、5为股骨外上髁凸起处固定板、6为股骨内上髁凸起处固定板、7为第二滑车旋转轴线定位钻孔导板、8为轴向力轴线定位钻孔导板、9为截骨支撑板、10为基座、11为第一滑车旋转轴线定位钻孔导板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1及图2，本发明所述的体外测试髌股关节骨软骨的股骨定位装置包括基座10、股骨髁远端挡板4、股骨内上髁凸起处固定板6、股骨外上髁凸起处固定板5、轴向力轴线定位钻孔导板8及截骨支撑板9，股骨内上髁凸起处固定板6及股骨外上髁凸起处固定板5与基座10前后两侧面活动连接，截骨支撑板9与股骨髁远端挡板4分别与基座10的左右侧面活动连接，股骨内上髁凸起处固定板6的上部及股骨外上髁凸起处固定板5的上部分别与轴向力轴线定位钻孔导板8的两侧活动连接，轴向力轴线定位钻孔导板8上设有第一定位孔，股骨内上髁凸起处固定板6的侧面及股骨外上髁凸起处固定板5的侧面分别固定有第一滑车旋转轴线定位钻孔导板11及第二滑车旋转轴线定位钻孔导板7，第一滑车旋转轴线定位钻孔导板11及第二滑车旋转轴线定位钻孔导板7上分别开设有第二定位孔及第三定位孔，第一定位孔位于轴向力轴线定位钻孔导板8的中部，第一定位孔的中心点到基座10表面的垂线与第二定位孔的中心点到第三定位孔的中心点的连线在同一个平面内且相互垂直。
需要说明的是，所述基座10的左侧面上设有第一凸起，截骨支撑板9上设有与所述第一凸起相配合的第一凹槽，截骨支撑板9的两侧面分别设有第一孔槽及第二孔槽，第一凸起的侧面设有第一通孔，第一螺栓穿过第一孔槽插入于第一通孔内，第二螺栓穿过第二孔槽插入于第一通孔内，基座10的右侧面设有第二凸起，股骨髁远端挡板4上设有与所述第二凸起相配合的第二凹槽，股骨髁远端挡板4的两侧面上分别设有第三孔槽及第四孔槽，第二凸起的侧面设有第二通孔，第三螺栓穿过第三孔槽插入于第二通孔内，第四螺栓穿过第四孔槽插入于第二通孔内，基座10的后侧面上设有第三凸起及第四凸起，股骨外上髁凸起处固定板5上设有与所述第三凸起及第四凸起相配合的第三凹槽及第四凹槽，股骨外上髁凸起处固定板5的两侧面分别设有第五孔槽及第六孔槽，第三凸起的侧面设有第三通孔，第五螺栓穿过第五孔槽插入于第三通孔内，第四凸起的侧面设有第四通孔，第六螺栓穿过第六孔槽插入于第四通孔内，基座10的前侧面上设有第五凸起及第六凸起，股骨内上髁凸起处固定板6上设有与所述第五凸起及第六凸起相配合的第五凹槽及第六凹槽，股骨内上髁凸起处固定板6的两侧面分别设有第七孔槽及第八孔槽，第五凸起的侧面设有第五通孔，第七螺栓穿过第七孔槽插入于第五通孔内，第六凸起的侧面设有第六通孔，第八螺栓穿过第八孔槽插入于第六通孔内，股骨外上髁凸起处固定板5的上部设有第七通孔，股骨内上髁凸起处固定板6的上部设有第八通孔，轴向力轴线定位钻孔导板8上设有第九孔槽及第十孔槽，第九螺栓穿过第九孔槽插入于第七通孔内，第十螺栓穿过第十孔槽插入于第八通孔内。
参考图3，本发明所述的体外测试髌骨关节骨软骨的股骨定位方法包括以下步骤：
1)参照股骨远端解剖学的特点，以股骨滑车内侧髁矢状位最低点、股骨滑车外侧髁矢状位最低点、股骨髁远端内髁横截面最低点、股骨髁远端外髁横截面最低点、股骨一侧副韧带附着点及股骨另一侧副韧带附着点为六个股骨解剖标志定位点，然后确定定位标志点与轴向力轴线3及屈曲轴线的空间位置关系；
2)通过CT对髌骨关节骨软骨部位在矢状位进行2D扫描，获得矢状位2D的CT图片，然后把2D CT图片导入到CAD工程软件中，作股骨髁远端的逼近圆2及股骨滑车部位的逼近圆1，将股骨髁远端的逼近圆2圆心与股骨滑车部位的逼近圆1圆心的连线偏转α角度后的直线作为滑车部位的轴向力轴线3，α一般为六度到八度；
3)复制并平移所述滑车部位的轴向力轴线3，使其与股骨髁远端相切，其中，切点为股骨远端股骨髁横截面最低点，测量滑车部位的轴向力轴线3平移的距离L1；垂直于轴向力轴线3作垂线，然后平移所述垂线，使垂线与与股骨滑车髁部位最低点相切，其中，切点为股骨滑车髁矢状面最低点，测量所述垂线平移到距离L2，然后复制平移轴向力轴线3，使轴向力轴线3与股骨近端相切，确定截骨距离；
4)然后将髌骨关节骨软骨放置到所述体外测试髌骨关节骨软骨的股骨定位装置，并调整第一滑车旋转轴线定位钻孔导板11及第二滑车旋转轴线定位钻孔导板7，使第二定位孔的中心点与第三定位孔的中心点的连线到基座10的距离为L2，调整股骨髁远端挡板4与第二定位孔及第三定位孔之间空间位置，确定滑车部旋转中心与股骨髁最远端距离L1，然后根据截骨距离调整截骨支撑板9与第一滑车旋转轴线定位钻孔导板11及第二滑车旋转轴线定位钻孔导板7之间空间位置，确定截骨位置，得确定股骨滑车旋转轴、轴向力轴线3的空间位置及截骨位置。
Claims (7)
1.一种体外测试髌股关节骨软骨的股骨定位装置，其特征在于，包括基座(10)、股骨髁远端挡板(4)、股骨内上髁凸起处固定板(6)、股骨外上髁凸起处固定板(5)、轴向力轴线定位钻孔导板(8)及截骨支撑板(9)，股骨内上髁凸起处固定板(6)及股骨外上髁凸起处固定板(5)与基座(10)前后两侧面活动连接，截骨支撑板(9)与股骨髁远端挡板(4)分别与基座(10)的左右侧面活动连接，股骨内上髁凸起处固定板(6)的上部及股骨外上髁凸起处固定板(5)的上部分别与轴向力轴线定位钻孔导板(8)的两侧活动连接，轴向力轴线定位钻孔导板(8)上设有第一定位孔，股骨内上髁凸起处固定板(6)的侧面及股骨外上髁凸起处固定板(5)的侧面分别活动连接有第一滑车旋转轴线定位钻孔导板(11)及第二滑车旋转轴线定位钻孔导板(7)，第一滑车旋转轴线定位钻孔导板(11)及第二滑车旋转轴线定位钻孔导板(7)上分别开设有第二定位孔及第三定位孔，第一定位孔位于轴向力轴线定位钻孔导板(8)的中部，第一定位孔的中心点到基座(10)表面的垂线与第二定位孔的中心点到第三定位孔的中心点的连线在同一个平面内且相互垂直。
2.根据权利要求1所述的体外测试髌股关节骨软骨的股骨定位装置，其特征在于，所述基座(10)的左侧面上设有第一凸起，截骨支撑板(9)上设有与所述第一凸起相配合的第一凹槽，截骨支撑板(9)的两侧面分别设有第一孔槽及第二孔槽，第一凸起的侧面设有第一通孔，第一螺栓穿过第一孔槽插入于第一通孔内，第二螺栓穿过第二孔槽插入于第一通孔内。
3.根据权利要求2所述的体外测试髌股关节骨软骨的股骨定位装置，其特征在于，所述基座(10)的右侧面设有第二凸起，股骨髁远端挡板(4)上设有与所述第二凸起相配合的第二凹槽，股骨髁远端挡板(4)的两侧面上分别设有第三孔槽及第四孔槽，第二凸起的侧面设有第二通孔，第三螺栓穿过第三孔槽插入于第二通孔内，第四螺栓穿过第四孔槽插入于第二通孔内。
4.根据权利要求3所述的体外测试髌股关节骨软骨的股骨定位装置，其特征在于，所述基座(10)的后侧面上设有第三凸起及第四凸起，股骨外上髁凸起处固定板(5)上设有与所述第三凸起及第四凸起相配合的第三凹槽及第四凹槽，股骨外上髁凸起处固定板(5)的两侧面分别设有第五孔槽及第六孔槽，第三凸起的侧面设有第三通孔，第五螺栓穿过第五孔槽插入于第三通孔内，第四凸起的侧面设有第四通孔，第六螺栓穿过第六孔槽插入于第四通孔内。
5.根据权利要求4所述的体外测试髌股关节骨软骨的股骨定位装置，其特征在于，所述基座(10)的前侧面上设有第五凸起及第六凸起，股骨内上髁凸起处固定板(6)上设有与所述第五凸起及第六凸起相配合的第五凹槽及第六凹槽，股骨内上髁凸起处固定板(6)的两侧面分别设有第七孔槽及第八孔槽，第五凸起的侧面设有第五通孔，第七螺栓穿过第七孔槽插入于第五通孔内，第六凸起的侧面设有第六通孔，第八螺栓穿过第八孔槽插入于第六通孔内。
6.根据权利要求5所述的体外测试髌股关节骨软骨的股骨定位装置，其特征在于，所述股骨外上髁凸起处固定板(5)的上部设有第七通孔，股骨内上髁凸起处固定板(6)的上部设有第八通孔，轴向力轴线定位钻孔导板(8)上设有第九孔槽及第十孔槽，第九螺栓穿过第九孔槽插入于第七通孔内，第十螺栓穿过第十孔槽插入于第八通孔内。
7.一种体外测试髌骨关节骨软骨的股骨定位方法，基于权利要求1所述的装置，其特征在于，包括以下步骤：
1)参照股骨远端解剖学的特点，以股骨滑车内侧髁矢状位最低点、股骨滑车外侧髁矢状位最低点、股骨髁远端内髁横截面最低点、股骨髁远端外髁横截面最低点、股骨一侧副韧带附着点及股骨另一侧副韧带附着点为六个股骨解剖标志定位点，然后确定定位标志点与轴向力轴线(3)及屈曲轴线的空间位置关系；
2)通过CT对髌骨关节骨软骨部位在矢状位进行2D扫描，获得矢状位2D的CT图片，作股骨髁远端的逼近圆(2)及股骨滑车部位的逼近圆(1)，将股骨髁远端的逼近圆(2)圆心与股骨滑车部位的逼近圆(1)圆心的连线偏转α角度后的直线作为滑车部位的轴向力轴线(3)；
3)复制并平移所述滑车部位的轴向力轴线(3)，使其与股骨髁远端相切，其中，切点为股骨远端股骨髁横截面最低点，测量滑车部位的轴向力轴线(3)平移的距离L1；垂直于轴向力轴线(3)作垂线，然后平移所述垂线，使垂线与与股骨滑车髁部位最低点相切，其中，切点为股骨滑车髁矢状面最低点，测量所述垂线平移到距离L2，然后复制平移轴向力轴线(3)，使轴向力轴线(3)与股骨近端相切，确定截骨距离；
4)然后将髌骨关节骨软骨放置到所述体外测试髌骨关节骨软骨的股骨定位装置，并调整第一滑车旋转轴线定位钻孔导板(11)及第二滑车旋转轴线定位钻孔导板(7)，使第二定位孔的中心点与第三定位孔的中心点的连线到基座(10)的距离为L2，调整股骨髁远端挡板(4)与第二定位孔及第三定位孔之间空间位置，确定滑车部旋转中心与股骨髁最远端距离L1，然后根据截骨距离调整截骨支撑板(9)与第一滑车旋转轴线定位钻孔导板(11)及第二滑车旋转轴线定位钻孔导板(7)之间空间位置，确定截骨位置，得确定股骨滑车旋转轴、轴向力轴线(3)的空间位置及截骨位置。
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