CN107036897B - 一种用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置 - Google Patents

一种用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置，包括框架总成和关节总成；所述框架总成为框架结构，所述关节总成安装于框架总成上；关节总成底部的脚踝和框架底板通过螺栓连接，关节总成中的导轨滑块与框架总成中直线导轨滑块通过螺栓连接固定；关节总成中的调节螺杆与框架总成中的螺杆套形成螺纹副，通过转动调节螺杆调节关节总成中的顶部部分的位置，从而实现膝关节模型的屈曲动作。本发明可用于模拟膝关节在不同屈曲角度下髌骨关节的生物力学。可根据需要调整膝关节的屈曲角度，且本发明固定可靠，可以保证实验的正确性。

Description

一种用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置
技术领域
本发明涉及一种生物力学性能测试的实验装置，特别是涉及一种用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置。
背景技术
在发达地区预期寿命增加，再加上肥胖率的增长，推动着全膝关节置换手术的空前增长。然而膝关节置换手术并发症也困扰着相当一部分膝关节病患者，有患者反应术后下肢伸展困难或膝前驱疼痛，其直接原因正是不良的髌骨关节生物力学。
膝关节是人体最大功能也最复杂的关节 ，同时由于生命个体的多样性以及伦理道德对于活体研究方面的限制，使得研究人员无法对膝关节周围的不同静力稳定结构进行直接测试，在尸体上评估关节生物力学不能模拟正常的人体生理环境。体外研究通常使用尸体的膝盖，它的特点是高交互性、样本可变性和生理水平载荷作用下易受影响而损坏。这限制了可以评估单一标本的变量的数量或者在测试可执行情况下的负载水平。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置，可用于模拟膝关节在不同屈曲角度下髌骨关节的生物力学。可根据需要调整膝关节的屈曲角度，且本发明固定可靠，可以保证实验的正确性。这个模拟器专门用于研究髌骨关节在生理水平上的载荷作用下生物力学的评估。
解决上述问题采用如下技术方案：
一种用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置，包括框架总成和关节总成；所述框架总成为框架结构，所述关节总成安装于框架总成上；关节总成底部的脚踝和框架底板通过螺栓连接，关节总成中的导轨滑块与框架总成中直线导轨滑块通过螺栓连接固定；关节总成中的调节螺杆与框架总成中的螺杆套形成螺纹副，通过转动调节螺杆调节关节总成中的顶部部分的位置，从而实现膝关节模型的屈曲动作。
所述框架总成包括框架底板、三根支撑柱、三个支撑连接块、两个导轨座、加强板、框架顶板、螺杆套、两个直线导轨、四个直线导轨滑块；所述三根支撑柱通过螺栓固定在框架底板上；三个支撑连接块通过螺栓固定在支撑柱的另一端面；所述加强板通过螺栓固定于两个导轨座底部；导轨座与加强板和支撑柱通过支撑连接块过渡连接；所述框架顶板通过螺栓固定于两个导轨座的端面；螺杆套通过螺纹固定于框架顶板上；两个直线导轨通过螺栓固定于导轨座的内侧面；直线导轨滑块则沿着导轨形成移动副。
所述关节总成分为底部部分、后中部部分、顶部部分、前中部部分四部分以及膝关节模型；所述底部部分包括脚踝、轴承端盖、胫骨连接轴、万向节、胫骨固定杆；所述脚踝通过螺栓固定于框架底板上；胫骨连接轴与脚踝通过深沟球轴承轴孔配合过渡固定，轴承端盖与胫骨连接轴端面通过螺栓固定连接，实现胫骨连接轴的轴向固定；胫骨连接轴上端和胫骨固定杆通过螺纹副分别与万向节上下两接头连接；胫骨固定杆和膝关节模型中的胫骨通过螺纹副连接固定；后中部部分包括股骨固定杆、股骨连接块、两个负载轴、两个垫块、股骨加强筋、两个导轨滑块、加载轴；所述股骨固定杆与膝关节模型中的股骨通过螺纹配合连接固定；股骨连接块与股骨固定杆通过螺栓固定连接；两个负载轴通过垫块实现和股骨连接块的过渡连接；垫块通过螺栓固定连接在股骨连接块的侧面；负载轴与导轨滑块通过深沟球轴承过渡配合；导轨滑块通过螺栓固定于直线导轨滑块端面；顶部部分包括抱夹、两个负载气缸导轨板、负载气缸连接板、螺杆固定板、调节螺杆、手轮、第一负载气缸；所述抱夹做成上下两部分，上下两部分通过螺纹连接合抱在一起形成圆柱形通孔，所述加载轴穿过通孔和股骨连接块两侧的通孔，抱夹上端通过螺栓与第一负载气缸下端面固定连接；第一负载气缸上端与负载气缸连接板通过螺栓固定连接；负载气缸连接板与螺杆固定块通过螺栓固定连接，调节螺杆固定在螺杆固定块上；负载气缸连接块与负载气缸导轨板通过螺栓连接；负载气缸导轨板与直线导轨滑块通过螺栓固定连接；手轮位于调节螺杆的端部，通过键连接实现转动传递；
前中部部分包括气缸安装座、两个隔套、第二负载气缸、髌骨盖板、髌骨安装块、髌骨、应变片、钢丝绳、拉力传感器；所述气缸安装座通过螺栓固定于股骨连接块上；销轴穿过气缸安装座和两个隔套的通孔实现第二负载气缸的定位；髌骨盖板和髌骨安装块通过螺栓固定；钢丝绳挂在第二负载气缸下端的挂钩上，穿过髌骨盖板和髌骨安装块结合面两半圆孔合抱形成的通孔；拉力传感器安装在钢丝绳中部；髌骨和髌骨安装块通过螺栓固定；应变片放置在髌骨下端和膝关节模型中股骨踝曲面形成的间隙中。
与现有技术相比，本发明具有以下明显优势：
1.本发明一种用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置，通过拉力传感器对钢丝绳上拉力的实时监控，能够模拟韧带承受拉力载荷时髌骨关节的承载情况。
2.本发明一种用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置，膝关节胫骨固定轴和底板采用万向节连接，膝关节的屈曲较为容易，能够模拟人体膝关节的屈曲状态。
3.本发明一种用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置，通过在髌骨和膝关节间隙间放置应变片，通过应变片来间接测量屈曲活动下髌骨内侧表面的应力分布。
4.本发明一种用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置，通过转动手轮带动抱夹竖直向下移动，抱夹推动加载轴运动，股骨连接块绕加载轴转动同时向下移动实现膝关节的弯曲动作，可以实现弯曲角度的逐渐增大，并且整个膝关节能够比较稳固的维持在调节好的角度。
5.本发明一种用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置，使用气缸来提供动力源，整个动力装置占用空间小。并且关节总成和框架总成通过上下两端的固定以及直线导轨和直线导轨滑块的滑动副进行牢固定位，整个装置结构牢固。
附图说明
图1是本发明一种用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置的初始状态示意图。
图2是本发明一种用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置的框架总成示意图。
图3是本发明一种用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置的关节总成示意图。
图4是本发明一种用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置的底部部分示意图。
图5是本发明一种用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置的后中部部分示意图。
图6是本发明一种用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置的顶部部分示意图。
图7是本发明一种用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置的前中部部分示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，一种用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置，包括框架总成I和关节总成II；所述框架总成I为框架结构，所述关节总成II安装于框架总成I上；关节总成II底部的脚踝10和框架底板1通过螺栓连接，关节总成II中的导轨滑块21与框架总成I中直线导轨滑块9通过螺栓连接固定；关节总成II中的调节螺杆27与框架总成I中的螺杆套7形成螺纹副，通过转动调节螺杆27调节关节总成II中的顶部部分C的位置，从而实现膝关节模型15的屈曲动作。
如图2所示，所述框架总成I包括框架底板1、三根支撑柱2、三个支撑连接块3、两个导轨座4、加强板5、框架顶板6、螺杆套7、两个直线导轨8、四个直线导轨滑块9；所述三根支撑柱2通过螺栓固定在框架底板1上；三个支撑连接块3通过螺栓固定在支撑柱2的另一端面；所述加强板5通过螺栓固定于两个导轨座4底部；导轨座4与加强板5和支撑柱2通过支撑连接块3过渡连接；所述框架顶板6通过螺栓固定于两个导轨座4的端面；螺杆套7通过螺纹固定于框架顶板6上；两个直线导轨8通过螺栓固定于导轨座4的内侧面；直线导轨滑块9则沿着导轨8形成移动副。
如图3所示，所述关节总成II分为底部部分A、后中部部分B、顶部部分C、前中部部分D四部分以及膝关节模型15；
如图4所示，所述底部部分A包括脚踝10、轴承端盖11、胫骨连接轴12、万向节13、胫骨固定杆14；所述脚踝10通过螺栓固定于框架底板1上；胫骨连接轴12与脚踝10通过深沟球轴承轴孔配合过渡固定，轴承端盖11与胫骨连接轴12端面通过螺栓固定连接，实现胫骨连接轴12的轴向固定；胫骨连接轴12上端和胫骨固定杆14通过螺纹副分别与万向节13上下两接头连接；胫骨固定杆14和膝关节模型15中的胫骨通过螺纹副连接固定；
如图5所示，后中部部分B包括股骨固定杆16、股骨连接块17、两个负载轴18、两个垫块19、股骨加强筋20、两个导轨滑块21、加载轴22；所述股骨固定杆16与膝关节模型15中的股骨通过螺纹配合连接固定；股骨连接块17与股骨固定杆16通过螺栓固定连接；两个负载轴18通过垫块19实现和股骨连接块17的过渡连接；垫块19通过螺栓固定连接在股骨连接块17的侧面；负载轴18与导轨滑块21通过深沟球轴承过渡配合；导轨滑块21通过螺栓固定于直线导轨滑块9端面；
如图6所示，顶部部分C包括抱夹23、两个负载气缸导轨板24、负载气缸连接板25、螺杆固定板26、调节螺杆27、手轮28、第一负载气缸29；所述抱夹23做成上下两部分，上下两部分通过螺纹连接合抱在一起形成圆柱形通孔，所述加载轴22穿过通孔和股骨连接块17两侧的通孔，抱夹23上端通过螺栓与第一负载气缸29下端面固定连接；第一负载气缸29上端与负载气缸连接板25通过螺栓固定连接；负载气缸连接板25与螺杆固定块26通过螺栓固定连接，调节螺杆27固定在螺杆固定块26上；负载气缸连接块25与负载气缸导轨板24通过螺栓连接；负载气缸导轨板24与直线导轨滑块9通过螺栓固定连接；手轮28位于调节螺杆27的端部，通过键连接实现转动传递；
如图7所示，前中部部分D包括气缸安装座30、两个隔套31、第二负载气缸32、髌骨盖板33、髌骨安装块34、髌骨35、应变片36、钢丝绳37、拉力传感器38；所述气缸安装座30通过螺栓固定于股骨连接块17上；销轴穿过气缸安装座30和两个隔套31的通孔实现第二负载气缸32的定位；髌骨盖板33和髌骨安装块34通过螺栓固定；钢丝绳37挂在第二负载气缸32下端的挂钩上，穿过髌骨盖板33和髌骨安装块34结合面两半圆孔合抱形成的通孔；拉力传感器38安装在钢丝绳37中部；髌骨35和髌骨安装块34通过螺栓固定；应变片36放置在髌骨35下端和膝关节模型15中股骨踝曲面形成的间隙中。
本发明装置的使用过程如下：
转动手轮28通过键连接带动调节螺杆27转动进而推动螺杆固定板26向下运动，第一负载气缸29充气推动抱夹23向下运动，直线导轨滑块9沿直线导轨8向下运动，由于胫骨固定杆14下端接万向节13，股骨连接块17与负载轴18形成转动副，股骨连接块17转动带动股骨固定杆16转动，因此膝关节15中股骨和胫骨、股骨固定杆16和胫骨固定杆14将形成一定角度，模拟膝关节的屈曲状态，并且可通过转动手轮28对屈曲角度值进行调节。此时第二负载气缸32充气对钢丝绳37施加一定拉力模拟软组织对髌骨35的拉力载荷，拉力传感器38实时监测钢丝绳37上负载大小，通过应变片36测量得出该屈曲状态下髌骨35内表面的应力分布图。

Claims (2)

1.一种用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置，包括框架总成（I）和关节总成（II）；其特征在于，所述框架总成（I）为框架结构，所述关节总成（II）安装于框架总成（I）上；关节总成（II）底部的脚踝（10）和框架底板（1）通过螺栓连接，关节总成（II）中的导轨滑块（21）与框架总成（I）中直线导轨滑块（9）通过螺栓连接固定；关节总成（II）中的调节螺杆（27）与框架总成（I）中的螺杆套（7）形成螺纹副，通过转动调节螺杆（27）调节关节总成（II）中的顶部部分（C）的位置，从而实现膝关节模型（15）的屈曲动作；
所述关节总成（II）由底部部分（A）、后中部部分（B）、顶部部分（C）、前中部部分（D）四部分以及膝关节模型（15）组成；
所述底部部分（A）包括脚踝（10）、轴承端盖（11）、胫骨连接轴（12）、万向节（13）、胫骨固定杆（14）；所述脚踝（10）通过螺栓固定于框架底板（1）上；胫骨连接轴（12）与脚踝（10）通过深沟球轴承轴孔配合过渡固定，轴承端盖（11）与胫骨连接轴（12）端面通过螺栓固定连接，实现胫骨连接轴（12）的轴向固定；胫骨连接轴（12）上端和胫骨固定杆（14）通过螺纹副分别与万向节（13）上下两接头连接；胫骨固定杆（14）和膝关节模型（15）中的胫骨通过螺纹副连接固定；
后中部部分（B）包括股骨固定杆（16）、股骨连接块（17）、两个负载轴（18）、两个垫块（19）、股骨加强筋（20）、两个导轨滑块（21）、加载轴（22）；所述股骨固定杆（16）与膝关节模型（15）中的股骨通过螺纹配合连接固定；股骨连接块（17）与股骨固定杆（16）通过螺栓固定连接；两个负载轴（18）通过垫块（19）实现和股骨连接块（17）的过渡连接；垫块（19）通过螺栓固定连接在股骨连接块（17）的侧面；负载轴（18）与导轨滑块（21）通过深沟球轴承过渡配合；导轨滑块（21）通过螺栓固定于直线导轨滑块（9）端面；
顶部部分（C）包括抱夹（23）、两个负载气缸导轨板（24）、负载气缸连接板（25）、螺杆固定块（26）、调节螺杆（27）、手轮（28）、第一负载气缸（29）；所述抱夹（23）做成上下两部分，上下两部分通过螺纹连接合抱在一起形成圆柱形通孔，所述加载轴（22）穿过通孔和股骨连接块（17）两侧的通孔，抱夹（23）上端通过螺栓与第一负载气缸（29）下端面固定连接；第一负载气缸（29）上端与负载气缸连接板（25）通过螺栓固定连接；负载气缸连接板（25）与螺杆固定块（26）通过螺栓固定连接，调节螺杆（27）固定在螺杆固定块（26）上；负载气缸连接板（25）与负载气缸导轨板（24）通过螺栓连接；负载气缸导轨板（24）与直线导轨滑块（9）通过螺栓固定连接；手轮（28）位于调节螺杆（27）的端部，通过键连接实现转动传递；
前中部部分（D）包括气缸安装座（30）、两个隔套（31）、第二负载气缸（32）、髌骨盖板（33）、髌骨安装块（34）、髌骨（35）、应变片（36）、钢丝绳（37）、拉力传感器（38）；所述气缸安装座（30）通过螺栓固定于股骨连接块（17）上；销轴穿过气缸安装座（30）和两个隔套（31）的通孔实现第二负载气缸（32）的定位；髌骨盖板（33）和髌骨安装块（34）通过螺栓固定；钢丝绳（37）挂在第二负载气缸（32）下端的挂钩上，穿过髌骨盖板（33）和髌骨安装块（34）结合面两半圆孔合抱形成的通孔；拉力传感器（38）安装在钢丝绳（37）中部；髌骨（35）和髌骨安装块（34）通过螺栓固定；应变片（36）放置在髌骨（35）下端和膝关节模型（15）中股骨踝曲面形成的间隙中。
2.根据权利要求1所述的用于髌骨关节生物力学性能测试的实验装置，其特征在于，所述框架总成（I）包括框架底板（1）、三根支撑柱（2）、三个支撑连接块（3）、两个导轨座（4）、加强板（5）、框架顶板（6）、螺杆套（7）、两个直线导轨（8）、四个直线导轨滑块（9）；所述三根支撑柱（2）的一端通过螺栓固定在框架底板（1）上；三个支撑连接块（3）通过螺栓固定在支撑柱（2）的另一端面；所述加强板（5）通过螺栓固定于两个导轨座（4）底部；导轨座（4）与加强板（5）和支撑柱（2）通过支撑连接块（3）过渡连接；所述框架顶板（6）通过螺栓固定于两个导轨座（4）的端面；螺杆套（7）通过螺纹固定于框架顶板（6）上；两个直线导轨（8）通过螺栓固定于导轨座（4）的内侧面；直线导轨滑块（9）则沿着导轨（8）形成移动副。
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全膝人工关节置换涉及的生物力学变化;李宝文;《中国组织工程研究与临床康复》;20080422;第12卷(第17期);第3313-3316页 *

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