CN104490396B - 一种髋关节扭矩测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种髋关节扭矩测量系统，包括适于固定在与待测髋关节相连肢体上的固定装置，与所述固定装置固定连接的应变装置，所述应变装置被施力并通过所述固定装置转动所述肢体、并进而转动被所述肢体包覆的股骨绕所述股骨轴线转动时，能够产生均匀应变，以及用于测定所述应变装置的应变量的测量装置。本发明的髋关节扭矩测量系统，可在术中对患者髋关节所承受的力矩情况进行测量，验证髋关节软组织修复的必要性，并可根据测量结果决定如何对患者的软组织进行针对性有效修复，重建患者术后髋关节的软组织平衡，并增加髋关节的稳定性，因而能够改善全髋关节置换手术的疗效，明显降低术后脱位率。

Description

一种髋关节扭矩测量系统

技术领域

本发明涉及一种髋关节扭矩测量系统，属于髋关节扭矩测量技术领域。

背景技术

目前在髋关节置换术中，最常采用的后外侧入路有诸多优点，如软组织损伤小、操作简单、显露髋臼清楚、可以更好的保护外展肌、异位骨化发生率低、术后恢复好等等，这使得后外侧入路得到了越来越广泛的应用。然而，相较于其他手术入路方式，后外侧入路手术后，关节的脱位率相对较高。

现有技术中的各种修复和评判方法，通常是在术后人为的限制病人的体位和活动范围。患者术后康复具有时间长、效果慢等的缺点，不仅给患者带来痛苦，而且康复时间长，耗费金钱多，对患者的精神状态也有不利影响。

发明人经过长期观察研究发现，现有髋关节置换术的后外侧入路方式，导致脱位率相对较高的原因之一是股骨端缺乏强有力的软组织支撑。发明人发现，如果能够在术中对髋关节后外侧软组织修复后扭转力量进行评价，并根据评价结果采取相应修复后方软组织的措施，则能够显著降低术后关节脱位率，而大大减少采用术后修复的方式对患者进行后续治疗的机率，给患者减少痛苦，减轻经济压力。现有技术中，尚未有在术中髋关节后外侧软组织修复后扭转力量的测量工具，有鉴于此，发明人发明制作了本发明的髋关节扭矩测量系统。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种能够在后外侧入路髋关节置换术中，对髋关节后外侧软组织修复后的扭转力矩进行连续测量，从而为修复后方软组织提供参考的髋关节扭矩测量系统。

为此，本发明提供一种髋关节扭矩测量系统，包括适于固定在与待测髋关节相连肢体上的固定装置，与所述固定装置固定连接的应变装置，所述应变装置被施力并通过所述固定装置转动所述肢体、并进而转动被所述肢体包覆的股骨绕所述股骨轴线转动时，能够产生均匀应变，以及用于测定所述应变装置的应变量的测量装置。

所述固定装置包括能够通过连接结构固定夹在与所述肢体相连的膝关节左右两侧、并同时固定夹住一部分与所述膝关节相连的大腿部分和小腿部分的第一固定板和第二固定板，以保证所述固定装置的转动角度与所述股骨的转动角度同步一致。

所述应变装置包括分别垂直固定设在所述第一固定板和所述第二固定板外侧面中部、且在被施力时能够发生均匀应变的两个应力柱；任一所述应力柱的自由端均设有施力用的把手；使用两个所述把手同时对所述应力柱施力时，两个所述把手之间的距离为施加在两个所述把手上力矩的力臂之和。

分别设在所述第一固定板和所述第二固定板上的两个所述应力柱的中轴线相重合。

所述测量装置为包括电阻应变片的电阻应变仪；两个所述应力柱上均设有用于固定所述电阻应变片的固定平面，所述固定平面与施加在所述把手上用于驱动所述股骨转动的力的方向垂直，所述固定平面在两个所述应力柱上的设置位置和设置方向均相同，所述电阻应变片在所述固定平面上的固定方向与阻应变的方向平行。

两个所述应力柱上均设有两个呈镜面对称的所述固定平面，两个所述电阻应变片呈镜面对称的固定在任意一个所述应力柱的两个所述固定平面上。

还包括用于连续测量所述股骨转动角度的倾角盒。

所述连接结构包括连接轴，所述连接轴的一端与所述第一固定板连接，另一端通过活动连接结构与所述第二固定板活动连接；

所述活动连接结构包括设在所述连接轴的所述另一端外侧壁上的外螺纹，设在所述第二固定板上，且能够被所述另一端穿过的通孔，以及具有可与所述外螺纹相配合内螺纹的螺母；所述螺母通过螺纹配合方式套设在所述连接轴穿过所述通孔的部分上后，通过向所述第一固定板方向挤压所述第二固定板，从而将所述第一固定板和所述第二固定板固定在所述肢体上。

所述连接轴至少设有四个，在连接固定所述第一固定板和所述第二固定板时，任一所述连接轴均同时垂直于所述第一固定板和所述第二固定板；所述通孔同样至少设有4个，且与所述连接轴一一对应；

所述第一固定板和所述第二固定板均具有适于夹在与所述膝关节相连大腿部分的第一固定部，和适于夹在与所述膝关节相连小腿部分的第二固定部，所述第一固定部与所述第二固定部垂直连接；所述通孔在靠近所述第二固定部端部的两侧设有2个，在靠近所述第一固定部端部、并远离所述第二固定部的一侧设有1个，在连接所述第一固定部和所述第二固定部部分的外侧设有1个。

所述连接轴的所述一端通过转动连接结构可转动的连接在所述第一固定板的内侧面上；所述转动连接结构包括设在所述连接轴的所述一端的固定孔或固定轴，以及与所述固定孔或固定轴相对配合固定设在所述第一固定板内侧面上的固定轴或固定孔。

本发明的一种髋关节扭矩测量系统具有以下优点：

1.本发明的髋关节扭矩测量系统，通过对应变装置施力驱动固定在与待测髋关节相连肢体上的固定装置，从而驱动被肢体包覆的股骨绕股骨轴线转动，由于力的作用是相互的，髋关节在股骨转动时所承受的力矩与施加在应变装置上用于保持股骨状态的力矩相同。另外，由于应变装置在受力时能够产生均匀应变，应变装置每牛顿的平均应变量是一个稳定值，因此当对应变装置施力将股骨转动至某一角度时，通过测定单纯由于转动股骨所产生的应变装置的应变量以及施加在应变装置上的力臂长度，即可计算得出髋关节在股骨位于某一角度时所承受的力矩。

本发明的髋关节扭矩测量系统，可在术中对患者髋关节所承受的力矩情况进行测量，验证髋关节软组织修复的必要性，并可根据测量结果决定如何对患者的软组织进行针对性有效修复，重建患者术后髋关节的软组织平衡，并增加髋关节的稳定性，因而能够改善全髋关节置换手术的疗效，明显降低术后脱位率。

2.本发明的髋关节扭矩测量系统，设置固定装置能够通过连接结构固定夹在与上述肢体相连的膝关节左右两侧、并同时固定夹住一部分与膝关节相连的大腿部分和小腿部分的第一固定板和第二固定板，当通过固定装置转动股骨时，不仅能够迅速有效的转动股骨，而且能够保证固定装置的转动角度与股骨的转动角度同步一致，从而能够直接根据固定装置的转动角度判断股骨的转动角度，判断快速准确。另外，上述固定装置设计还便于与连续测量股骨转动角度的倾角盒连接，连续测量股骨在不同转动角度时，髋关节所承受的力矩。

3.本发明的髋关节扭矩测量系统，应变装置包括分别垂直设在第一固定板和第二固定板外侧面中部、且在施力时能发生均匀应变的两个应力柱，应力柱的自由端设有便于施力的把手；当需转动股骨时，直接用手握住两个把手，即可方便的转动股骨；而且当使用分别位于两个应力柱上的把手转动股骨时，髋关节所承受的力矩与施加在两个应力柱上的力矩之和相等，在计算施加在两个应力柱上的力矩时，由于施加的作用力相同，因而可以使用作用力乘以两个力臂之和的方式计算得到，而两个力臂的和就是两个把手之间的距离，容易测量得到。

4.本发明的髋关节扭矩测量系统，设置位于第一固定板和第二固定板上的两个应力柱的中轴线相重合，首先可以减少弯矩偏差，实现更精确的测量，其次也方便测量力臂。

5.本发明的髋关节扭矩测量系统，使用电阻应变仪测量应力柱的应变量，精确可靠；在每一个应力柱上均设有两个呈镜面对称的固定平面，两个电镀应变片呈镜面对称的固定在任一一个应力柱的两个固定平面上，使用4个电阻应变片能够减小弯矩偏差，提高测量精度。

6.本发明的髋关节扭矩测量系统，还可与倾角盒配合使用，连续记录与髋关节相连股骨的转动角度，并连续记录由于转动股骨所产生的应变量，从而能够测得股骨转动角度连续变化时，髋关节所承受的力矩大小。

7.本发明的髋关节扭矩测量系统，通过连接轴连接第一固定板和第二固定板，将连接轴的一端固定在第一固定板上，另一端通过螺母与螺栓的配合方式实现第二固定板与第一固定板之间的固定，固定方式简单，却牢固有效，使用方便。

8.本发明的髋关节扭矩测量系统，设置第一固定板和第二固定板均具有适于夹在与膝关节相连大腿部分的第一固定部，和适于夹在与膝关节相连小腿部分的第二固定部，使得第一固定板和第二固定板能够更好、更牢固的固定在肢体上；设置第一固定部和第二固定部垂直连接，是方便大腿和小腿以曲膝90°的方式固定在第一固定板和第二固定板之间，方便转动股骨；设置连接轴同时垂直于第一固定板和第二固定板，不仅能够在两个固定板之间为大腿、小腿和膝关节预留充足容纳空间，还能在固定两个固定板时防止第一固定板和第二固定板之间发生相对偏移，避免导致分别固定在两个固定板上的应力柱不相对应。

9.本发明的髋关节扭矩测量系统，将连接轴的一端以可转动的方式连接在第一固定板的内侧面上，可以在不使用时将连接轴弯曲折叠，从而使得本发明髋关节扭矩测量系统的固定装置结构紧凑、节省空间。

附图说明

图1是实施例中髋关节扭矩测量系统的整体结构示意图。

图2是图1除去测量装置后的立体爆炸结构示意图。

图3是第一固定板连接应力柱、把手以及连接轴后的立体结构示意图。

图4是图3的另一立体视图。

图5是图4的仰视图。

图6是连接有应力柱、把手的第二固定板的俯视图。

附图标记为：1-第一固定板，10-第一固定部，2-第二固定板，20-第二固定部，21-通孔，3-应力柱，31-把手，32-固定平面，33-固定孔，34-固定轴，4-连接轴，41-螺母，42-垫圈，5-测量装置，51-电阻应变片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的一种髋关节扭矩测量系统做进一步的详细说明。

实施例

本实施例提供一种髋关节扭矩测量系统，如图1-6所示，包括适于固定在与待测髋关节相连肢体上的固定装置，与所述固定装置固定连接的应变装置，所述应变装置被施力并通过所述固定装置转动所述肢体、并进而转动被所述肢体包覆的股骨绕所述股骨轴线转动时，能够产生均匀应变，以及用于测定所述应变装置的应变量的测量装置5。

所述固定装置包括能够通过连接结构固定夹在与所述肢体相连的膝关节左右两侧、并同时固定夹住一部分与所述膝关节相连的大腿部分和小腿部分的第一固定板1和第二固定板2，以保证所述固定装置的转动角度与所述股骨的转动角度同步一致。

如图1、图2和图3所示，所述应变装置包括分别垂直固定设在所述第一固定板1和所述第二固定板2外侧面中部、且在被施力时能够发生均匀应变的两个应力柱3；任一所述应力柱3的自由端均设有施力用的把手31；使用两个所述把手31同时对所述应力柱3施力时，两个所述把手31之间的距离为施加在两个所述把手31上力矩的力臂之和。

分别设在所述第一固定板1和所述第二固定板2上的两个所述应力柱3的中轴线相重合。

如图1所示，所述测量装置5为包括电阻应变片51的电阻应变仪；两个所述应力柱3上均设有用于固定所述电阻应变片51的固定平面32，所述固定平面32与施加在所述把手31上用于驱动所述股骨转动的力的方向垂直，所述固定平面32在两个所述应力柱3上的设置位置和设置方向相同，所述电阻应变片51在所述固定平面32上的固定方向与阻应变的方向平行。

在本实施例中，所采用的电阻应变仪为秦皇岛市协力科技开发有限公司生产的XL2102A动态应变仪。

两个所述应力柱3上均设有两个呈镜面对称的所述固定平面32，两个所述电阻应变片51呈镜面对称的固定在任意一个所述应力柱3的两个所述固定平面32上。

在本实施例中，上述应力柱3为钛材质，钛材质坚固性好，且应变均匀。

还包括用于连续测量所述股骨转动角度的倾角盒，本实施例采用长沙市欧尚电子科技有限公司生产的Bevelbox倾角盒。

所述连接结构包括连接轴4，所述连接轴4的一端与所述第一固定板1连接，另一端通过活动连接结构与所述第二固定板2活动连接；所述活动连接结构包括设在所述连接轴4的所述另一端外侧壁上的外螺纹，设在所述第二固定板2上，且能够被所述另一端穿过的通孔21，以及具有可与所述外螺纹相配合内螺纹的螺母41；所述螺母41通过螺纹配合方式套设在所述连接轴4穿过所述通孔21的部分上后，通过向所述第一固定板1方向挤压所述第二固定板2，从而将所述第一固定板1和所述第二固定板2固定在所述肢体上。

还包括套设在所述连接轴4的所述另一端上的垫圈42，所述螺母41通过所述垫圈42向所述第一固定板1方向挤压所述第二固定板2。

所述连接轴4设有四个，在连接固定所述第一固定板1和所述第二固定板2时，任一所述连接轴4均同时垂直于所述第一固定板1和所述第二固定板2；如图6所示，所述通孔21同样设有4个，且与所述连接轴4一一对应；所述第一固定板1和所述第二固定板2均具有适于夹在与所述膝关节相连大腿部分的第一固定部10，和适于夹在与所述膝关节相连小腿部分的第二固定部20，所述第一固定部10和所述第二固定部20垂直连接；所述通孔21在靠近所述第二固定部20端部的两侧设有2个，在靠近所述第一固定部10端部、并远离所述第二固定部20的一侧设有1个，在连接所述第一固定部10和所述第二固定部20部分的外侧设有1个。

如图1所示，两个第一固定部10形成的空间用于固定与膝关节相连的大腿部分，两个第二固定部20形成的空间用于固定与膝关节相连的小腿部分。

作为对本实施例的一种变形，设置所述通孔21为半圆形通孔；将所述通孔21设置为半圆形通孔的好处在于，连接轴4不用通过上下的方式穿过通孔21与第二固定板2连接，而是可以通过半圆形通孔的开口部分进入，从而减小了穿孔难度，穿孔更加方便。

如图4和图5所示，所述连接轴3的所述一端通过转动连接结构可转动的连接在所述第一固定板1的内侧面上；所述转动连接结构包括设在所述连接轴3的所述一端的固定孔33，以及与所述固定孔33相对配合固定设在所述第一固定板1内侧面上的固定轴34。

作为对本实施例的一种变形，还可以设置所述转动连接结构包括设在所述连接轴3的所述一端的固定轴34，以及与所述固定轴34相对配合固定设在所述第一固定板1内侧面上的固定孔33。

以测量一个病人的髋关节扭矩为例，介绍使用本实施例一种髋关节扭矩测量系统的方法如下：

使用连接轴4配合螺母41和垫圈42，将第一固定板1和第二固定板2固定夹在与待测髋关节相连的膝关节左右两侧，并固定部分与所述膝关节相连的大腿部分和小腿部分，测量两个应力柱3上把手31之间的距离，记为力臂B＝0.3米；

使用角度尺或其他工具，调整至标准曲髋45°位(也可以是其他度数的体位)，打开应变仪，记录由于小腿重力产生的微应变A1＝852.051，内旋与髋关节相连的股骨，直至上述髋关节到达即将脱位的临界状态时停止，此时股骨的内旋角度为60°，记录此时的微应变数值A2＝1528.320；

由以上数据，根据公式D＝(A2-A1)÷C×B，即：扭矩＝(试验测得微应变数值一小腿重力产生的微应变数值)÷每牛顿的平均应变×力臂长度，应力柱3的每牛顿应变量C一般为19.152Eu/N，从而可以计算得出，在标准曲髋45°体位时，股骨内旋转至60°时，髋关节所承受的力矩D为10.593牛·米。

由于应力柱3的每牛顿应变量因环境不同会有变化，因此为了得到更为精确的力矩数值，可以在使用之前重新标定，方法为：

将第一固定板1和第二固定板2垂直于地面放置，使两个应力柱3与地面平行并适于标定每牛顿应变量，在一个应力柱3的把手位置依次悬挂1kg、2kg、3kg、4kg、5kg、6kg的标准砝码，然后在应变仪上读出相应的应变量数值，求得应力柱3每牛顿的应变量平均值；然后在另一个应力柱3的把手位置同样依次悬挂上述质量的标准砝码，在应变仪上读出相应的应变量数值，再次求得应力柱3每牛顿的应变量平均值，然后对这个两个平均值再取平均值，从而标定应力柱3的每牛顿应变量数值。

本实施例的髋关节扭矩测量系统还可以与倾角盒搭配使用：用Bevelbox倾角盒对测试前髋关节中立位进行标准化调零，用角度尺调至标准屈髋45°位，记录由于小腿重力产生的微应变，内旋与髋关节相连的股骨，连续记录与髋关节相连股骨的内旋转动角度，并连续记录内旋时微应变数值的变化，同时观察关节的脱位情况，当达到髋关节即将脱位的临界状态时停止，从而能够测得在曲髋45°体位(或其他曲髋体位，如90°等)时，股骨转动角度连续变化时髋关节所承受力矩的数值。

显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种髋关节扭矩测量系统，其特征在于：包括适于固定在与待测髋关节相连肢体上的固定装置，与所述固定装置固定连接的应变装置，所述应变装置被施力并通过所述固定装置转动所述肢体、并进而转动被所述肢体包覆的股骨绕所述股骨的轴线转动时，能够产生均匀应变，以及用于测定所述应变装置的应变量的测量装置(5)。

2.根据权利要求1所述的髋关节扭矩测量系统，其特征在于：所述固定装置包括能够通过连接结构固定夹在与所述肢体相连的膝关节左右两侧、并同时固定夹住一部分与所述膝关节相连的大腿部分和小腿部分的第一固定板(1)和第二固定板(2)，以保证所述固定装置的转动角度与所述股骨的转动角度同步一致。

3.根据权利要求2所述的髋关节扭矩测量系统，其特征在于：所述应变装置包括分别垂直固定设在所述第一固定板(1)和所述第二固定板(2)外侧面中部、且在被施力时能够发生均匀应变的两个应力柱(3)；任一所述应力柱(3)的自由端均设有施力用的把手(31)；使用两个所述把手(31)同时对所述应力柱(3)施力时，两个所述把手(31)之间的距离为施加在两个所述把手(31)上力矩的力臂之和。

4.根据权利要求3所述的髋关节扭矩测量系统，其特征在于：分别设在所述第一固定板(1)和所述第二固定板(2)上的两个所述应力柱(3)的中轴线相重合。

5.根据权利要求3所述的髋关节扭矩测量系统，其特征在于：所述测量装置(5)为包括电阻应变片(51)的电阻应变仪；两个所述应力柱(3)上均设有用于固定所述电阻应变片(51)的固定平面(32)，所述固定平面(32)与施加在所述把手(31)上用于驱动所述股骨转动的力的方向垂直，所述固定平面(32)在两个所述应力柱(3)上的设置位置和设置方向均相同，所述电阻应变片(51)在所述固定平面(32)上的固定方向与阻应变的方向平行。

6.根据权利要求5所述的髋关节扭矩测量系统，其特征在于：两个所述应力柱(3)上均设有两个呈镜面对称的所述固定平面(32)，两个所述电阻应变片(51) 呈镜面对称的固定在任意一个所述应力柱(3)的两个所述固定平面(32)上。

7.根据权利要求5所述的髋关节扭矩测量系统，其特征在于：还包括用于连续测量所述股骨转动角度的倾角盒。

8.根据权利要求2-7中任一项所述的髋关节扭矩测量系统，其特征在于：所述连接结构包括连接轴(4)，所述连接轴(4)的一端与所述第一固定板(1)连接，另一端通过活动连接结构与所述第二固定板(2)活动连接；

所述活动连接结构包括设在所述连接轴(4)的所述另一端外侧壁上的外螺纹，设在所述第二固定板(2)上，且能够被所述另一端穿过的通孔(21)，以及具有可与所述外螺纹相配合内螺纹的螺母(41)；所述螺母(41)通过螺纹配合方式套设在所述连接轴(4)穿过所述通孔(21)的部分上后，通过向所述第一固定板(1)方向挤压所述第二固定板(2)，从而将所述第一固定板(1)和所述第二固定板(2)固定在所述肢体上。

9.根据权利要求8所述的髋关节扭矩测量系统，其特征在于：所述连接轴(4)至少设有四个，在连接固定所述第一固定板(1)和所述第二固定板(2)时，任一所述连接轴(4)均同时垂直于所述第一固定板(1)和所述第二固定板(2)；所述通孔(21)同样至少设有4个，且与所述连接轴(4)一一对应；

所述第一固定板(1)和所述第二固定板(2)均具有适于夹在与所述膝关节相连大腿部分的第一固定部(10)，和适于夹在与所述膝关节相连小腿部分的第二固定部(20)，所述第一固定部(10)与所述第二固定部(20)垂直连接；所述通孔(21)在靠近所述第二固定部(20)端部的两侧设有2个，在靠近所述第一固定部(10)端部、并远离所述第二固定部(20)的一侧设有1个，在连接所述第一固定部(10)和所述第二固定部(20)部分的外侧设有1个。

10.根据权利要求9所述的髋关节扭矩测量系统，其特征在于：所述连接轴(4)的所述一端通过转动连接结构可转动的连接在所述第一固定板(1)的内侧面上；所述转动连接结构包括设在所述连接轴(4)的所述一端的固定孔(33)或固定轴(34)，以及与所述固定孔(33)或固定轴(34)相对配合固定设在所述第一固定板(1)内侧面上的固定轴(34)或固定孔(33)。