CN105212951A - 脊柱在体生物力学测量装置 - Google Patents

Abstract

一种脊柱在体生物力学测量装置，用于对人体脊柱进行在体生物力学测量研究，其特征在于包括：应力加载部，用于对人体脊柱施加不同方向的应力负荷；作用力测量部，位于应力加载部的下方，用于承载受试者并测量作用于受试者上的作用力；脊柱形态测量部，可移动的设置在受试者脊背后，用于测量受试者的脊柱形态；以及数据处理部，用于接收作用力测量部、脊柱形态测量部采集到的信号并进行分析处理；其中，应力加载部包括竖直方向应力加载单元和水平方向应力加载单元，竖直方向应力加载单元用于对受试者进行竖直方向的拉伸或下压，水平方向应力加载单元作用于受试者的躯体用于使受试者的脊柱产生一定的扭曲。

Description

脊柱在体生物力学测量装置

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种脊柱在体生物力学测量装置。

背景技术

脊柱生物力学研究是脊柱内固定、脊柱外固定支具以及脊柱运动康复等的理论基础。当前的脊柱生物力学研究主要采用三维有限元模型和尸体模型，这两种模型上所得到的相关数据并不能够完全拟合活体脊柱的生物力学反应。在体生物力学研究，能够实时得出机体对脊柱荷载的反应。当前随着SpineScan及Spinemouse(两者都是脊柱测量的方法，脊柱扫描技术)的发展应用，在体实时测量全脊柱矢状面和冠状面的曲线以及相邻两个椎体的矢状面相对夹角已经非常精确，然而该技术只能被动的单次测量相关脊柱参数，不能精确研究不同应力作用下的脊柱参数变化。

中国专利“脊柱三维动态测量分析系统及方法”(CN102018527)利用多台不同方位的X光机对脊柱进行三维动态测量，然后在计算机辅助下得到脊柱的参数；“脊柱生物力学模拟测试仪”，虽然不用X光，但是其使用类似于材料试验机的装置对测试样品进行模拟测试，来研究脊柱的生物力学。这两种方法，都不能对活体的人进行在体脊柱生物力学测试和研究。

目前，李明等的中国专利“一种脊柱侧凸牵引推压床”(CN101606871)，该发明专利旨在通过牵引和推压来评估脊柱侧凸柔韧性，该专利的缺陷在于无法准确得出加载应力的大小，同时结果也只是定性的，无法利用该装置进行定量的脊柱生物力学研究。

发明内容

本发明是为解决上述问题而提出的，提供了一种脊柱在体生物力学测量装置，用于对人体脊柱进行在体生物力学测量研究，其特征在于包括：

应力加载部，用于对人体脊柱施加不同方向的应力负荷；作用力测量部，位于应力加载部的下方，用于承载受试者并测量作用于受试者上的作用力；脊柱形态测量部，可移动的设置在受试者脊背后，用于测量受试者的脊柱形态；以及数据处理部，用于接收作用力测量部、脊柱形态测量部采集到的信号并进行分析处理；

其中，应力加载部包括竖直方向应力加载单元和水平方向应力加载单元，竖直方向应力加载单元用于对受试者进行竖直方向的拉伸或下压，水平方向应力加载单元作用于受试者的躯体用于使受试者的脊柱产生一定的扭曲。

本发明提供的脊柱在体生物力学测量装置，还具有这样的特征，其特征在于其中，竖直方向应力加载单元包括：至少一根立柱，固定设置在受试者的一侧；横梁，设置于立柱顶端；滑轮组，包括至少两个滑轮以及穿过滑轮的绳索，一个滑轮设置在横梁上靠近立柱的一端，另一个滑轮设置在横梁上同受试者相对应的位置处；以及应力加载件，包括颌下牵引带和腋下牵引带以及刚性加载框架，颌下牵引带套在受试者的颌下用于对颈椎施加向上的拉拽力，腋下牵引带套在受试者的腋下用于对腰椎施加向上的拉拽力，刚性加载框架的下端和受试者的双肩接触，用来对脊柱施加向下的压力。

本发明提供的脊柱在体生物力学测量装置，还具有这样的特征，其特征在于：其中，立柱根数为两根，横梁根数为一根，横梁同两根立柱的顶端连接。

本发明提供的脊柱在体生物力学测量装置，还具有这样的特征，其特征在于：其中，刚性加载框架整体呈矩形，下方同受试者双肩相接触的边呈贴合人体双肩的弧形。

本发明提供的脊柱在体生物力学测量装置，还具有这样的特征，其特征在于：其中，横梁上设置有两个通孔，用于刚性加载框架的两个侧边穿过。

本发明提供的脊柱在体生物力学测量装置，还具有这样的特征，其特征在于：其中，水平方向应力加载单元包括至少一个水平设置的推挤件，推挤件一端穿过立柱，另一端和受试者上躯体相接触。

本发明提供的脊柱在体生物力学测量装置，还具有这样的特征，其特征在于：其中，推挤件的个数为三个，其中两个设置于受试者的一侧，第三个设置于另一侧，和两个推挤件中间的位置相对应。

本发明提供的脊柱在体生物力学测量装置，还具有这样的特征，其特征在于：其中，立柱包括固定设置的立柱下部和立柱上部，立柱下部设置有多个不同高度的孔，立柱上部有至少一个孔，立柱上部同立柱下部不同高度的孔相对应后插销穿过固定，用于上下活动来改变立柱高度。

本发明提供的脊柱在体生物力学测量装置，还具有这样的特征，其特征在于：其中，脊柱形态测量部测量的脊柱参数包括全脊柱矢状面、冠状面曲度、椎体间相对夹角。

发明作用与效果

本发明提供的脊柱在体生物力学测量装置，包括应力加载部、作用力测量部、脊柱形态测量部和用于接收作用力测量部、脊柱形态测量部采集到的信号并进行分析处理的数据处理部，四个部分的组合使得：

首先，其中应力加载部包括竖直方向应力加载单元和水平方向应力加载单元，可以对人体脊柱进行拉伸压缩和扭曲应力试验，更符合实际脊柱的受力情况；

其次，作用力测量部能够实时记录受试者对地面及左右推挤作用力的变化，从而间接得出躯体(脊柱)的应力，实现了应力的定量控制和测量；

再次，脊柱形态测量部能够测量脊柱在不同负荷下的生理曲度变化，相邻椎体的夹角的变化等脊柱参数，较其他方式直接和安全，对人体伤害小，而且测量结果实时传输到数据处理部进行处理；

因此，本发明特别适用于脊柱畸形患者冠状面柔韧性评估；老年患者矢状面序列的研究；各种人群的脊柱生物力学特性等各个研究和临床治疗领域。

附图说明

图1为本发明的脊柱在体生物力学测量装置实施例1进行脊柱颌下牵引拉伸时的结构示意图；

图2为本发明的脊柱在体生物力学测量装置实施例1进行脊柱腋下牵引拉伸时的结构示意图；

图3为本发明的脊柱在体生物力学测量装置实施例1进行刚性加载框架下压时的结构示意图；

图4为本发明的脊柱在体生物力学测量装置实施例2进行脊柱颌下下牵引拉伸时的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的团体心理训练器械作具体阐述。

实施例1

图1为实施例1的脊柱在体生物力学测量装置进行脊柱颌下牵引拉伸时的结构示意图

图2为实施例1的脊柱在体生物力学测量装置进行脊柱腋下牵引拉伸时的结构示意图

图3为实施例1的脊柱在体生物力学测量装置进行刚性加载框架下压时的结构示意图

对图2，3，4中与图1相同的部分不在做说明。

如图1，2，3所示，脊柱在体生物力学测量装置100包括应力加载部10，作用力测量部20，位于应力加载部10的下方，脊柱形态测量部30，可移动的设置在受试者脊背后以及数据处理部40，同作用力测量部20、脊柱形态测量部30通过有线或无线传输而相连。

其中，应力加载部10包括竖直方向应力加载单元11和水平方向应力加载单元12；

竖直方向应力加载单元11包括：两根立柱111，固定设置在受试者的两侧，一根横梁112，设置于立柱111顶端，还有滑轮组113和用于牵引受试者的应力加载件114；

应力加载件114包括颌下牵引带1141和腋下牵引带1142以及刚性加载框架1143，颌下牵引带1141为一布制的多个圈套叠合而成，套在受试者的颌下用于对颈椎施加向上的拉拽力(如图1所示)，腋下牵引带1142也是布制的多个圈套叠合而成，套在受试者的腋下用于对腰椎施加向上的拉拽力(如图2所示)，刚性加载框架1143的下端和受试者的双肩接触，用来对脊柱施加向下的压力(如图3所示)，刚性加载框架1143整体呈矩形，其上方的水平杆可以拆卸下来，下方同受试者双肩相接触的边呈贴合人体双肩的弧形；

其中，滑轮组113包括三个滑轮1131以及穿过滑轮的绳索1132，两个滑轮设置分别在横梁112上靠近立柱111的一端，另一个滑轮设置在横梁112上同受试者相对应的位置处，而绳索1132一头与颌下牵引带1141(如图1所示)和腋下牵引带1142(如图2所示)或与地面固定(如图3所示)，而另一自由端通过砝码重力或人手的拉力来提供对受试者的向上牵引力或向下的压力作为外部的应力加载；

其中两根立柱111、横梁112构成一个门形结构；

横梁112，为一个杆状件，其同立柱连接处附近的两端和对应受试者的中间位置设置有用于安装滑轮的安装结构，而在中间位置处(横梁和立柱组成的门形中轴线位置)设置有两个通孔1121，这两个孔用于穿过应力加载件114的两个竖直边杆；

为了适应受试者的身高，立柱111由两部分构成，包括固定设置的立柱下部1111和立柱上部1112，立柱下部1112设置有5-8个不同高度的孔，立柱上部111有三个孔，立柱上部1111同立柱下部1112不同高度的孔相对应至合适的高度后，插销(也可以是螺栓或其他杆状构件)穿过固定，用于上下调节来改变立柱111的整体高度；

水平方向应力加载单元12包括三根推挤件121，推挤件121如图1，2，3所示，分别设置在立柱111上，穿过立柱111上的安装结构(通孔或侧边焊接一小段金属管)，其中两个设置于受试者的一侧，第三个设置于另一侧，和另外两个推挤件中间的位置相对应。

作用力测量部20，位于应力加载部10的下方，用于承载受试者并测量作用于受试者上的作用力，为一个多方向的作用力传感器，其可以检测竖直方向的压力和水平方向受试者脚掌对其的水平作用力(静摩擦力)，最后将作用力传输到数据处理部40。

脊柱形态测量部30，可移动的设置在受试者脊背后，用于测量受试者的脊柱形态，这里选用商品化的脊柱平扫仪pinescan，也可以使用Spinemouse仪器，测量后将作用力传输到数据处理部40，测量的脊柱参数包括全脊柱矢状面、冠状面曲度、椎体间相对夹角。

数据处理部40，接收作用力测量部20、脊柱形态测量部30采集到的信号并进行分析处理，输出结果为受试者全脊柱矢状面、冠状面曲度和椎体间相对夹角的为因变量，脊柱在垂直和水平方向的应力大小为自变量的二维曲线，输出格式为数据表格和二维线性图，这里使用电脑软件或智能手机软件实现。

使用时，分下面三种情况：

情况一，当需要对脊柱中的颈椎和腰椎尾椎进行拉伸和扭曲试验时，如图1所示，将滑轮和绳索按照图示配置好，先让受试者站在作用力测量部20上此时测得的作用力数据和由脊柱形态测量部30测得的脊柱参数作为基线数据点(F，S)，这里的S包括全脊柱矢状面、冠状面曲度、椎体间相对夹角三个数值，然后使用颌下牵引带1141套住受试者的下颌，在绳索的自由端加载不同重量的砝码或重物，一般而言从0.5kg到5kg，其加载砝码的质量选择为0.5，0.6，0.7，0.9，1.1，1.3，1.6等这样慢慢质量加大以获取足够多的一系列的加载作用力和，如此即可获得单独拉伸下颌的作用力数据和脊柱参数参数的测试数据点(F_测，S_测)，对(F_测，S_测)和(F，S)进行相减运算，即用加载力作用下的测试数据点(F_测，S_测)扣除无加载力作用下的基线数据点(F，S)即可得到加载力单独产生的加载力数据点(F_载，S_载)，上述计算过程由数据处理部40完成，最终装置输出的数据为加载力数据点(F_载，S_载)和对应的几组二维坐标曲线。

同样的可以在加载单独的扭曲力时，让受试者俯卧在平板床上，使用脊柱形态测量部30测量对应的脊柱参数，所得的数据点作为扭曲力的基线数据点(F，S)，对应的使用三根推挤件121人工加载不同的力时的测试数据点(F_测，S_测)，同上述水平方向加载一样，进行相减的扣除运算记得到对应的加载力数据点(F_载，S_载)，同样的经过数据处理部40得到加载力数据点(F_载，S_载)和对应的几组二维坐标曲线。

进一步的，同时进行拉伸和扭曲试验，将两个加载力竖直拉伸和水平推挤同时施加同时扣除对应的基线数据，即可得到对应的加载力数据点(F_载，S_载)和对应的几组二维坐标曲线。

情况二，当需要对脊柱中的腰椎尾椎进行拉伸试验时，如图2所示，将滑轮和绳索按照图示配置好，使用腋下牵引带1142进行牵引，其操作和情况一类似。

情况三，当需要对脊柱中的腰椎尾椎进行压缩试验时，如图3所示，配置好绳索，将刚性加载框架1143的水平上方杆拆卸下来，同时两个竖直边杆穿过横梁112上两个通孔1121后，再将水平上方杆装配上去，当下方的杆同受试者的双肩接触后，如此即可添加砝码或重物来加载压力了，其他的操作同情况1类似。

测试完成后，要求受试者填写ODI(Oswestry功能障碍指数问卷表)和VAS(视觉模拟评分法)评分等测量评价主观疼痛的主观量表。

实施例2

图4为实施例2的脊柱在体生物力学测量装置进行脊柱颌下牵引拉伸时的结构示意图

作为如图1，2，3门形结构的一种简化，由一个横梁和两个立柱组成的门字形结构变化为一个横梁和一个立柱组成的阿拉伯数字“7”的样子，对应的绳索要布置成图示4所示那样，另外一个滑轮布置在横梁端部，作为一种适应，三根推挤件121中处于中间的那根推挤件122的靠近受试者那端就相应的设计为弯钩状，以可以对受试者的腰部进行水平的前推后拉，同样另外另个推挤件也可以如中间那根一样，设计为弯钩状。其他操作同实施例1相类似。

实施例的作用和有益效果

本实施例提供的脊柱在体生物力学测量装置，包括应力加载部、作用力测量部、脊柱形态测量部和用于接收作用力测量部、脊柱形态测量部采集到的信号并进行分析处理的数据处理部，四个部分的组合使得：

首先，其中应力加载部包括竖直方向应力加载单元和水平方向应力加载单元，可以对人体脊柱进行拉伸压缩和扭曲应力试验，更符合实际脊柱的受力情况；

其次，作用力测量部能够实时记录受试者对地面及左右推挤作用力的变化，从而间接得出躯体(脊柱)的应力，实现了应力的定量控制和测量；

再次，脊柱形态测量部能够测量脊柱在不同负荷下的生理曲度变化，相邻椎体的夹角的变化等脊柱参数，较其他方式直接和安全，对人体伤害小，而且测量结果实时传输到数据处理部进行处理。

本实施例提供的脊柱在体生物力学测量装置，其中的应力加载件，包括颌下牵引带和腋下牵引带以及刚性加载框架，可以对受试者脊柱进行拉伸和压缩，特别的颌下牵引带和腋下牵引带的设计符合需要，可以试验脊柱中颈椎，腰椎，尾椎等不同部位的。

本实施例提供的脊柱在体生物力学测量装置，其中刚性加载框架整体呈矩形，下方同受试者双肩相接触的边呈贴合人体双肩的弧形，如此的贴合双肩的弧形设计符合人机工程学的要求，提供了受试者的测试耐受性。

本实施例提供的脊柱在体生物力学测量装置，立柱有两部分构成，通过插销等方式来调节立柱整体的高度，可以适应不同升高受试者的身高情况。

因此，本发明特别适用于脊柱畸形患者冠状面柔韧性评估；老年患者矢状面序列的研究；各种人群的脊柱生物力学特性等各个研究和临床治疗领域。

Claims (9)

1.一种脊柱在体生物力学测量装置，用于对人体脊柱进行在体生物力学测量研究，其特征在于包括：

应力加载部，用于对人体脊柱施加不同方向的应力负荷；

作用力测量部，位于所述应力加载部的下方，用于承载受试者并测量作用于所述受试者上的作用力；

脊柱形态测量部，可移动的设置在所述受试者脊背后，用于测量所述受试者的脊柱形态；以及

数据处理部，用于接收所述作用力测量部、所述脊柱形态测量部采集到的信号并进行分析处理；

其中，所述应力加载部包括竖直方向应力加载单元和水平方向应力加载单元，所述竖直方向应力加载单元用于对所述受试者进行竖直方向的拉伸或下压，所述水平方向应力加载单元作用于所述受试者的躯体用于使所述受试者的脊柱产生一定的扭曲。

2.根据权利要求1所述的脊柱在体生物力学测量装置，其特征在于：

其中，所述竖直方向应力加载单元包括：

至少一根立柱，固定设置在所述受试者的一侧；

横梁，设置于所述立柱顶端；

滑轮组，包括至少两个滑轮以及穿过所述滑轮的绳索，一个所述滑轮设置在所述横梁上靠近所述立柱的一端，另一个所述滑轮设置在横梁上同所述受试者相对应的位置处；以及

应力加载件，包括颌下牵引带和腋下牵引带以及刚性加载框架，所述颌下牵引带套在所述受试者的颌下用于对颈椎施加向上的拉拽力，所述腋下牵引带套在所述受试者的腋下用于对腰椎施加向上的拉拽力，所述刚性加载框架的下端和所述受试者的双肩接触，用来对脊柱施加向下的压力。

3.根据权利要求2所述的脊柱在体生物力学测量装置，其特征在于：

其中，所述立柱根数为两根，所述横梁根数为一根，所述横梁同两根所述立柱的顶端连接。

4.根据权利要求2所述的脊柱在体生物力学测量装置，其特征在于：

其中，所述刚性加载框架整体呈矩形，下方同所述受试者双肩相接触的边呈贴合人体双肩的弧形。

5.根据权利要求4所述的脊柱在体生物力学测量装置，其特征在于：

其中，所述横梁上设置有两个通孔，用于所述刚性加载框架的两个侧边穿过。

6.根据权利要求2所述的脊柱在体生物力学测量装置，其特征在于：

其中，所述水平方向应力加载单元包括至少一个水平设置的推挤件，所述推挤件一端穿过所述立柱，另一端和所述受试者上躯体相接触。

7.根据权利要求6所述的脊柱在体生物力学测量装置，其特征在于：

其中，所述推挤件的个数为三个，其中两个设置于所述受试者的一侧，第三个设置于另一侧，和两个推挤件中间的位置相对应。

8.根据权利要求2所述的脊柱在体生物力学测量装置，其特征在于：

其中，所述立柱包括固定设置的立柱下部和立柱上部，

所述立柱下部设置有多个不同高度的孔，

所述立柱上部有至少一个孔，

所述立柱上部同所述立柱下部不同高度的孔相对应后插销穿过固定，用于上下活动来改变所述立柱高度。

9.根据权利要求1所述的脊柱在体生物力学测量装置，其特征在于：

其中，所述脊柱形态测量部测量的脊柱参数包括全脊柱矢状面、冠状面曲度、椎体间相对夹角。