CN107328574A - 一种膝关节稳定性与运动学特性测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种膝关节稳定性与运动学特性测试装置，在力学材料试验机的上夹头上夹紧分度盘；分度盘上安装有与水平面夹角可调的摆杆。力学材料试验机的平台上安装有扭转机构；扭转机构上安装有由十字交叉设置的滑轨构成的滑动机构；滑动机构上安装有旋转机构；旋转机构的旋转轴末端与摆杆前端间安装膝关节标本；由此使膝关节在测量中保留2个旋转自由度与3个平移自由度，共5个自由度。通过向膝关节胫骨进行前后向加载，实现胫骨前后向稳定性及运动学特性的多自由度测试；通过向旋转机构加载扭矩，实现胫骨内外旋稳定性及运动学特性的多自由度测试；通过向扭转机构加载扭矩，实现胫骨内外翻稳定性及运动学特性的多自由度测试。
Description
技术领域
本发明属于生物力学领域，具体来说，是一种膝关节稳定性与运动学特性测试装置,主要应用于膝关节前、后交叉韧带的功能测试与损伤后韧带重建技术的评估。
背景技术
膝关节是人体最大、最复杂的关节，也是韧带损伤发病率最高的关节。膝关节韧带是维持膝关节稳定性与运动学特性的主要结构，膝关节韧带损伤的治疗已经成为目前运动创伤领域的主要内容。
测量膝关节稳定性与运动学特性，可以明确膝关节韧带的功能，对于膝关节韧带损伤的诊断、治疗与康复具有重要意义。测量膝关节韧带损伤重建后膝关节的稳定性与运动学特性可以对该手术方法进行客观评估，以往在术式创立与改进过程中仅有解剖学依据，在解剖学方面合理即可，解剖学研究属于形态学研究，不能代表功能学，因此仅靠解剖学依据进行手术的创立与改进必然有很大的盲目性，该类手术的效果只能依靠临床研究来验证，给患者带来不必要的高风险。因此，建立一套测量膝关节稳定性与运动学特性的测量设备可以为手术方法的创立与改进提供科学的研究平台与客观依据，避免手术的盲目性，具有巨大的科研与临床价值。
膝关节结构复杂，运动学上具有6个自由度(3个平移平面与3个旋转轴)，造成其运动学测量十分困难。目前国际上测量膝关节稳定性与运动学特性的设备均为自制设备，其中绝大多数设备仅能测量膝关节的稳定性，不能同时测量膝关节的运动学特征。即该类设备在测量某个自由度上的平移或旋转时，限制了其他平面或轴上的运动，造成测量结果不准确。目前较为理想的测试设备是美国匹斯堡大学肌肉骨骼研究中心开发的机器人/万用载荷力矩传感器测试系统，但该系统价格昂贵，软件程序复杂，需要专业人员进行操作，不利于普及。如何在现有条件下，建立一种膝关节稳定性与运动学特性测试装置具有重要意义。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种膝关节稳定性与运动学特性测试装置，可实现膝关节稳定性及多自由度运动学测量。本发明可测量正常膝关节韧带在维持膝关节稳定性与运动学特性中的作用，即明确该韧带的功能；测量膝关节韧带损伤治疗后膝关节的稳定性与运动学情况，即明确该手术方法在治疗膝关节韧带损伤中的作用，完成术式评估。
本发明膝关节稳定性与运动学特性测试装置，包括力学材料试验机、分度盘、摆杆、旋转机构、滑动机构与扭转机构。
所述分度盘由力学材料试验机夹头夹持，摆杆末端安装于分度盘上，使摆杆与水平面夹角在有0～90度间可调；摆杆前端固定安装膝关节股骨。
所述扭转机构安装于材料试验机的平台上，可实现膝关节在竖直方z轴上的旋转；扭转机构的上方是滑动机构，包括十字交叉设置的两条滑轨及连结两条滑轨的转接板，下面一条滑轨沿y轴安装于扭转机构上，上面一条滑轨沿x轴安装于上方的旋转机构下面，通过滑动机构可以实现膝关节在x轴与y轴上的平移；旋转机构安装于滑动机构上，旋转机构的末端固定安装膝关节胫骨，可实现膝关节在x轴上的旋转；材料试验机的卡具通过分度盘、摆杆及膝关节上连接件与股骨形成刚性相连，通过力学材料试验机夹头的上下移动，带动股骨上下移动，从而实现胫骨相对于股骨在z轴上的平移。
由此，膝关节胫骨具2个旋转自由度(x轴与z轴)与3个平移自由度(x轴、y轴与z轴)，在测量膝关节稳定性与运动学特性时，可以得到全面的、无附加限制(测量本身需要的限制除外)的测量结果。
测试前，安装膝关节标本，将膝关节屈膝角度调整为测试需要角度，进行膝关节稳定性与运动学特性测试；包括：
A、胫骨前向稳定性及多自由度运动学特性测试。
控制试验机夹头上移，牵拉膝关节标本的股骨端上移，测量：
(1)、胫骨前移距离，即沿z轴移动距离，为试验机夹头上移距离；
(2)、胫骨内旋或外旋角度，即沿x轴旋转角度，为旋转机构沿旋转轴旋转角度；
(3)、胫骨内翻或外翻角度，即沿z轴旋转角度，为扭转机构沿扭转轴旋转角度；
(4)、胫骨沿x轴平移距离，即滑动机构沿x轴设置的滑轨移动距离；
(5)、胫骨沿y轴平移距离，即滑动机构沿y轴设置的滑轨移动距离。
B、胫骨后向稳定性及多自由度运动学特性测试。
控制试验机夹头下移，牵拉膝关节标本的股骨端下移，测量:
(1)、胫骨后移距离，即沿z轴移动距离，为试验机夹头下移距离；
(2)、胫骨内旋或外旋角度，即沿x轴旋转角度，为旋转机构绕旋转轴旋转角度；
(3)、胫骨内翻或外翻角度，即沿z轴旋转角度，为扭转机构绕扭转轴旋转角度；
(4)、胫骨x轴平移距离，即为滑动机构沿x轴设置的滑轨移动距离；
(5)、胫骨沿y轴平移距离，即滑动机构沿y轴设置的滑轨移动距离。
C、胫骨内旋与外旋稳定性及多自由度运动学特性测试。
(1)向旋转轴施加扭矩载荷，带动旋转轴正转或反转，向膝关节胫骨施加扭矩，测量加载后胫骨内旋与外旋的角度，实现胫骨内旋或外旋稳定性的测试；
(2)胫骨内翻或外翻角度，即沿z轴旋转角度，为扭转机构绕扭转轴旋转角度；
(3)胫骨x轴平移距离，即为滑动机构沿x轴设置的滑轨移动距离；
(4)胫骨沿y轴平移距离，即滑动机构沿y轴设置的滑轨移动距离。
D、胫骨内翻与外翻稳定性及多自由度运动学特性测试。
(1)向扭转机构施加载荷，进而带动旋转机构正转或反转，测量加载后膝关节内翻或外翻角度，实现胫骨内翻或外翻稳定性测试；
(2)胫骨内旋或外旋角度，即沿x轴旋转角度，为旋转机构绕旋转轴旋转角度；
(3)胫骨x轴平移距离，即为滑动机构沿x轴设置的滑轨移动距离；
(4)胫骨沿y轴平移距离，即滑动机构沿y轴设置的滑轨移动距离。
本发明的优点在于：
1、本发明膝关节稳定性与运动学特性测试装置，可完成膝关节稳定性与多自由度运动学测量；
2、本发明膝关节稳定性与运动学特性测试装置，可完成正常膝关节韧带功能的评估；
3、本发明膝关节稳定性与运动学特性测试装置，可完成对膝关节韧带损伤治疗术式的评估并确定改进方向与目标；
4、本发明膝关节稳定性与运动学特性测试装置，借助目前广泛应用的万能力学材料试验机，建立了一种膝关节稳定性与运动学特性测试装置，可完成复杂的生物力学实验。具有测量准确、造价合理、操作方便、便于推广普及等优点。
附图说明
图1为本发明膝关节韧带损伤测试装置整体结构示意图；
图2为本发明膝关节韧带损伤测试装置中分度盘结构示意图；
图3为本发明膝关节韧带损伤测试装置中膝关节上连接件上凹槽结构示意图；
图4为本发明膝关节韧带损伤测试装置中膝关节上连接件与摆杆间连接方式示意图；
图5为本发明膝关节韧带损伤测试装置中膝关节股骨与膝关节上连接件间连接方式示意图；
图6为本发明膝关节韧带损伤测试装置中旋转机构、滑动机构与扭转机构结构示意图。
图中：
1-材料试验机 2-分度盘 3-摆杆
4-膝关节上连接件 5-膝关节下连接件 6-扭转机构
7-滑动机构 8-旋转机构 9-扭转牵引台
10-扭转牵引滑轮 11-旋转牵引轮盘 12-平台
13-定位杆件 14-自凝树脂 15-固定螺钉
101-试验机夹头 201-连接孔 202-定位孔
203-弧形孔 204-长柄 301-锁定头
302-锁紧盖 401-连接轴 401a-摆杆端部插入部分
401b-锁定头插入部分 601-扭转机构底座 602-扭转轴
603-扭转机构安装架 604-扭转机构轴承支座 701-滑道
702-下滑轨 703-上滑轨 704-条形槽
705-转接板 801-旋转轴 802-旋转机构轴承支座
901-线绳槽A 902-系绳孔A 11a-线绳槽B
11b-系绳孔B 12a-T型槽
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明膝关节稳定性与运动学特性测试装置，包括万用材料试验机1、分度盘2、摆杆3、膝关节上连接件4、膝关节下连接件5、扭转机构6、滑动机构7、旋转机构8、扭转牵引台9、扭转牵引滑轮10与旋转牵引轮盘11，如图1所示。
所述材料试验机1中，具有可沿空间z轴方向上下移动的夹持的试验机夹头101，用来加持分度盘2。试验机夹头101安装于材料试验机1两侧的试验机滑轨上，通过试验机滑轨102上的刻度实现试验机夹头101移动距离读取。
所述分度盘2为具有半圆弧边的板状结构，且半圆弧边相对侧边为直边。分度盘2的直边沿空间x轴方向设置，直边中心位置由圆柱形长柄204相连，通过试验机夹头101夹紧长柄固定分度盘2。如图2所示，分度盘2半圆弧边对应的圆心处开有连接孔201；沿分度盘2一半圆弧边等间隔15度设计的7个定位孔202。其中，连接孔201与摆杆3末端通过螺钉相连，定位孔202与摆杆3相应位置的通孔通过螺钉相连，且通过螺钉将摆杆3与不同角度处的定位孔202间进行连接，实现摆杆3与水平面夹角的调整，摆杆3与水平面夹角在0～90度间可调，进而实现了膝关节屈膝角度的调整。分度盘2上，靠近半圆弧边位置，沿周向设计有一条与半圆弧边同心的弧形孔203，同时在摆杆3对应位置设计有导向轴，将导向轴插入弧形孔203内，使在进行摆杆3角度调节时，导向轴沿弧形孔203滑动，实现摆杆3的运动导向。上述摆杆3的角度可通过在分度盘2弧形边边缘位置设计的刻度读取。
所述膝关节上连接件4为筒状结构，内部用来固定安装膝关节股骨端。膝关节上连接件4的末端端面上同轴设计有一体结构连接轴401，与摆杆3前端设计的锁定结构配合实现两者间的固定，如图3所示。其中，连接轴401端部内壁面开有凹槽，凹槽为锁眼结构，如图4所示，具有摆杆端部插入部分401a以及锁定头插入部分401b；同时连接轴401端部外壁设计有外螺纹。如图4所示，锁定结构为在摆杆3端部，外壁上设计凸起锁定头301，摆杆3端部还套有锁紧盖302，位于锁定头301的根部，锁紧盖302内部设计有内螺纹。在进行膝关节上连接件4与摆杆3间的固定时，首先将摆杆3前端的锁定头301插入连接轴401端部内，使锁定头301与连接轴401端部内壁面的凹槽401b形成咬合；此时连接轴401中锁定头插入部分401a限制了锁定头301的周向位置，实现了膝关节上连接件4与摆杆3间周向位置的固定。随后将锁紧盖302内螺纹与连接轴401端部外螺纹配合，通过拧紧锁紧盖302，使锁紧盖302端面将锁定头301顶紧，限制了锁定头301的轴向位置，实现了膝关节上连接件4与摆杆3间轴向位置的固定。
上述膝关节上连接件4与膝关节股骨间的连接方式如图5所示：首先，在膝关节上连接件4外壁上预制有安装孔，拧入固定螺钉15，使固定螺钉15前端位于膝关节上连接件4内部；同时在膝关节股骨端安装两根十字型设置的定位杆件13(钢钉)。随后，将膝关节股骨端与定位杆件13一并插入于膝关节上连接件4内部，并在膝关节上连接件4的内部填充自凝树脂14，自凝树脂14固化后，通过十字交叉的定位杆件13防止股骨端与树脂14间的旋转与移位；通过膝关节上连接件4外壁上的固定螺钉15防止膝关节上连接件4与树脂14间的旋转与移位，最终实现股骨端与膝关节上连接件4之间的刚性固定。
所述扭转机构6安装于试验机夹头101夹头下方的T型槽平台12，该平台12上具有沿空间x轴设计的多条等间距T型槽12a。扭转机构6包括扭转机构底座601、扭转轴602、滑动机构安装架603及扭转机构轴承支座604，如图6所示。其中，扭转机构底座601两侧各开有两个条形孔，共四个条形孔；由四个螺栓穿过条形孔，并通过转动扭转机构底座601，使四个螺栓分别与平台12上的T型槽12a位置对应匹配，并配合安装于T型槽12a内，由此可实现扭转机构底座601沿空间x轴方向上的平移；且在螺栓与T型槽12a匹配过程中，通过螺栓沿条形孔的移动，实现扭转机构底座位置的微调。扭转轴602垂直于扭转机构底座601设置，端部与扭转机构底座601固定。扭转机构轴承支座604为两个，安装于纵向设置的扭转机构安装架603上，且通过轴承套接于扭转轴602上；使扭转机构安装架603可绕扭转轴602转动；扭转轴作为膝关节内外翻轴，可在膝关节内翻与外翻运动下旋转。扭转机构安装架603的转动角度可通过在扭转机构安装架603上设计的指针与扭转轴602顶端端部设计的刻度配合读取。上述扭转机构安装架603两侧还安装有扭转牵引台9。扭转牵引台9为框架结构，沿水平面设置，具有一条弧形边，弧形边的圆心位于扭转轴的中轴线上，沿弧形边设计有线绳槽A901，且线绳槽A901末端设计有与系绳孔A902；将牵引绳A一端系于系绳孔A902处，并将牵引绳置于线绳槽A901内。牵引绳A端部绕过扭转牵引滑轮10后加载配重。扭转牵引滑轮10安装于平台12后端安装的滑轮架上，调节扭转牵引滑轮10高度，使牵引绳A与水平面平行，调节滑轮架位置，使牵引绳A与扭转牵引台9的弧形线槽A901相切。牵引绳A端部加载配重，实现扭转机构安装架603的加载后转动。
所述滑动机构7包括滑道701、下滑轨702与上滑轨703。其中，滑道701垂直于扭转机构6中扭转轴602设置，水平固定于扭转机构安装架603上，且通过扭转机构安装架603上安装的加强筋706支撑上。滑道701上开有两条平行的条形孔，用来实现下滑轨702的平移。下滑轨702垂直于条形槽704设置，下滑轨702两侧开有螺孔，通过螺栓穿过两侧螺孔后，分别插入滑道上的两个条形槽704，并与螺母配合连接；通过拧紧螺母实现下滑轨702与滑道701间的固定；松开螺母后，可使下滑轨702沿条形槽704平移，可实现滑动机构7的相对于扭转机构6的位置调节。下滑轨702上装配有滑块，二者组成直线轴承，下滑块的上面安装有转接板705，二者间用螺栓固定。转接板705的上面固定着上滑轨703的滑块，二者之间也是螺栓固定，上滑轨703位与转接板705上方的滑块组成直线轴承，上滑轨703垂直于下滑轨702设置。上滑轨703固定于旋转机构8中的旋转底座803的下面；由此，转接板705将两个十字交叉的直线轴承连为一体，两个直线轴承分别沿x轴与y轴排列，实现了胫骨在x轴与y轴上的2个平移自由度。滑动机构8的滑动距离分别由在转接板705上设计的指针与下滑轨702和上滑轨703上设计的刻度配合读取。
所述旋转机构8包括旋转轴801、旋转机构轴承支座802与旋转机构底座803。其中，旋转机构轴承支座802为两个，安装于旋转机构底座803上。旋转轴801两端通过轴承分别安装于两个旋转机构轴承支座802上。旋转轴801末端安装有膝关节下连接件5。旋转轴801作为膝关节内外旋轴，可在膝关节内旋与外旋运动下旋转，且旋转轴801的转动也可向膝关节施加扭矩；其中，旋转轴801的转动角度可通过在旋转轴801上设计的指针与旋转机构轴承支座802上设计的刻度配合读取。上述旋转轴801前端同轴安装有旋转牵引轮盘11；旋转牵引轮盘11周向设计有线绳槽11a。将牵引绳B一端系于旋转牵引轮盘11外缘设计的系绳孔B11b处，并将牵引绳B正向或反向缠绕于线绳槽B11a内，端部加载配重，实现旋转轴801的加载正向或反向旋转。
所述膝关节下连接件5与膝关节上连接件4结构相同，用来固定安装膝关节胫骨端。膝关节下连接件5与旋转轴802末端连接方式，与膝关节上连接件4和摆杆3前端连接方式相同；膝关节下连接件5与膝关节胫骨间的连接方式，与膝关节上连接件4与膝关节股骨间的连接方式相同。
本发明在应用时，首先安装膝关节标本，具体如下：将膝关节标本的股骨与胫骨端分别固定于膝关节上连接件4与膝关节下连接件5内，然后将膝关节上连接件4与摆杆3前端连接固定，使膝关节标本的屈膝轴沿空间y轴方向设置，胫骨中轴线沿空间x轴方向设置。调整摆杆3角度，将膝关节标本的屈膝角度调整至测试需要角度。上下调整试验机夹头101位置，使胫骨中轴线与旋转轴801的中轴线位于同一水平面；随后平移旋转机构8及其下面的滑动机构7与扭转机构6在平台12上的位置，将胫骨中轴线与旋转轴801的中轴线重合。随后沿空间x轴方向平移旋转机构8及其下面的滑动机构7与扭转机构6在平台12上的位置，将膝关节下连接件5与旋转轴801末端连接固定。随后进行归零操作，调整扭转机构6在平台12上的位置，将滑动机构7中的转接板705沿x轴在上滑轨703上位置归零(指针刻度位于0)，将转接板705沿y轴在下滑轨702上位置归零(指针刻度位于0)；使胫骨处于内外旋扭矩平衡位置，作为旋转机构8的零位；扭转机构6处于内外翻扭矩平衡位置，作为扭转机构6的零位。
通过上述方法安装膝关节标本，依次将膝关节屈膝角度调整为90°、60°、30°、15°，分别在各屈膝角度下进行下述膝关节稳定性与运动学特性测试，下面以对膝关节稳定性与运动学特性测试为例进行说明，包括：
A、胫骨前向稳定性及多自由度运动学特性测试；
控制试验机夹头101上移，牵拉膝关节标本的股骨端上移，造成膝关节标本的胫骨相对于股骨前向移位。此过程中，膝关节胫骨保留2个旋转与3个平移共5个自由度。其中，2个旋转分别为胫骨内、外旋(沿x轴旋转)与胫骨内、外翻(沿z轴旋转)；3个平移分别为胫骨沿空间x轴、y轴、z轴的移动。具体测量方法为：
(1)、胫骨前移距离，即沿z轴移动距离，为试验机夹头101上移距离；
(2)、胫骨内旋或外旋角度，即沿x轴旋转角度，为旋转机构6绕旋转轴602旋转角度；
(3)、胫骨内翻或外翻角度，即沿z轴旋转角度，为扭转机构8中扭转轴801旋转角度；
(4)、胫骨沿x轴平移距离，即滑动机构沿x轴设置的滑轨移动的距离；
(5)、胫骨沿y轴平移距离，即滑动机构沿y轴设置的滑轨移动的距离。
胫骨前向稳定性及运动学特性是膝关节的重要生物力学特性，主要由前交叉韧带维持，其他膝关节韧带辅助。应用该设备测量过程中，膝关节保持了5个自由度，即在测量过程中没有在非测量自由度上进行限制。在测量胫骨前向稳定性的同时，兼顾了膝关节的内、外翻稳定性与膝关节的内、外旋稳定性的测量，并且测量了胫骨前向加载时在空间x轴、y轴上的位移。因此，本发明对膝关节胫骨前向稳定性作出了全面、准确的测量。该测量主要应用于前交叉韧带的功能测量及重建后前交叉韧带移植物功能的测量。
B、胫骨后向稳定性及多自由度运动学特性测试；
控制试验机夹头101下移，牵拉膝关节标本的股骨端下移，造成膝关节标本中胫骨相对于股骨向后移位。此过程中，膝关节胫骨同样具有5个自由度，2个旋转分别为胫骨内、外旋(沿x轴旋转)与胫骨内、外翻(沿z轴旋转)；3个平移分别为胫骨沿空间x轴、y轴、z轴的移动。具体测量方法为：
(1)、胫骨后移距离，即沿z轴移动距离，为试验机夹头下移距离；
(2)、胫骨内旋或外旋角度，即沿x轴旋转角度，为旋转机构绕旋转轴旋转角度；
(3)、胫骨内翻或外翻角度，即沿z轴旋转角度，为扭转机构绕扭转轴旋转角度；
(4)、胫骨沿x轴平移距离，即滑动机构沿x轴设置的滑轨移动的距离；
(5)、胫骨沿y轴平移距离，即滑动机构沿y轴设置的滑轨移动的距离。
胫骨后向稳定性及运动学特性是膝关节的重要生物力学特性，主要由后交叉韧带维持，其他膝关节韧带辅助。应用该设备测量过程中，膝关节保持了5个自由度，即在测量过程中没有对非测量自由度上进行限制。在测量胫骨后向稳定性的同时，兼顾了膝关节的内、外翻稳定性与膝关节的内、外旋稳定性的测量，并且测量了胫骨后向加载时胫骨在空间x轴、y轴上的位移。因此，本发明对膝关节胫骨后向稳定性作出了全面、准确的测量。该测量主要应用于后交叉韧带的功能测量及重建后后交叉韧带移植物功能的测量。
C、胫骨内旋与外旋稳定性及多自由度运动学特性测试。
将牵引绳B一端系于旋转牵引轮盘11上的系绳孔B11b处，并正向或反向缠绕于线绳槽11a内；随后在牵引绳B上安装配重，由配重向牵引绳B施加拉力，在旋转机构8上产生5N/m的扭矩载荷；进而带动旋转轴801正转或反转，向膝关节胫骨施加扭矩，实现胫骨内旋或外旋稳定性测试。
在配重作用下，牵引绳B呈竖直状态，当旋转轴801发生内旋或外旋时，牵引绳B均可保持与线绳槽11a呈切线关系，此时力臂恒定(等于扭转机构8的直径)，保证了扭矩加载的恒定；在此扭矩加载过程中，对胫骨在其他自由度上的运动没有造成限制，膝关节在测试过程中保持4个自由度，其中，2个旋转分别为胫骨内、外旋(沿x轴旋转)与胫骨内、外翻(沿z轴旋转)；2个平移分别为胫骨沿空间x轴、y轴的移动。胫骨在各个自由度上的运动情况均得到测量，保证了测试结果的准确性。(跟您沟通后，这里应该是4个，没有试验机夹头带动的数值z轴方向。)
D、胫骨内翻与外翻稳定性及多自由度运动学特性测试；
将牵引绳A一端系于滑动机构安装架603左侧或右侧扭转牵引台9的系绳孔A902处，并沿线绳槽A901设置牵引绳A；随后，调整滑轮支架在平台12上的位置及高度，使牵引绳A处于水平面上，将牵引绳A绕过扭转牵引滑轮10后，在牵引绳A另一端安装配重，保证牵引绳A与扭转牵引台9的弧形边相切，由配重向牵引绳A施加牵引力，在扭转机构上产生5N/m的载荷；进而带动扭转机构绕扭转轴602正向或反向转动，实现胫骨内翻或外翻稳定性测试。
调整定滑轮支架在平台上的位置，保证牵引绳A与扭转牵引台9的弧形边相切，此时力臂恒定(等于扭转牵引台9弧形部分的直径)，即保证了扭矩加载的恒定；在此扭矩加载过程中，对胫骨在其他自由度上的运动没有造成限制，膝关节在测试过程中保持4个自由度，其中，2个旋转分别为胫骨内、外旋(沿x轴旋转)与胫骨内、外翻(沿z轴旋转)；2个平移分别为胫骨沿空间x轴、y轴、的移动。胫骨在各个自由度上的运动情况均得到测量，保证了测试结果的准确性。
通过本发明膝关节稳定性与运动学特性测试装置，可以测量膝关节3种状态(交叉韧带完整、交叉韧带切断、交叉韧带重建)下，不同加载条件(前后向加载、内外翻加载、内外旋加载)下膝关节的稳定性及运动学特性。通过比较研究交叉韧带完整与交叉韧带切断两种状态，可以明确交叉韧带的功能；通过比较研究交叉韧带切断与交叉韧带重建两种状态，可以明确该种交叉韧带重建技术的作用；通过比较研究交叉韧带完整与交叉韧带重建两种状态，可以明确该种交叉韧带重建技术的不足与改进的方向。
本发明对于膝关节前、后交叉韧带同样适用，实现膝关节前、后交叉韧带的功能测试与重建术式评估，为临床工作提供实验依据，避免盲目性。
Claims (9)
1.一种膝关节稳定性与运动学特性测试装置，其特征在于：包括力学材料试验机、分度盘、摆杆、旋转机构、滑动机构与扭转机构；
所述分度盘由力学材料试验机夹头夹持，摆杆末端安装于分度盘上，使摆杆与水平面夹角在有0～90度间可调；摆杆前端固定安装膝关节股骨；
所述旋转机构位于最上方，具有沿x轴的旋转自由度；滑动机构位于旋转机构与扭转机构之间，包括十字交叉设置的两条滑轨，两滑轨间通过转接板相连；上面一条滑轨沿x轴排列，安装于旋转机构的下面，具有沿x轴的平移自由度；下面一条滑轨沿y轴排列，安装于扭转机构的上面，具有沿y轴的平移自由度；扭转机构位于最下方，安装于力学材料试验机的操作台上，具有沿竖直z轴的旋转自由度；旋转机构的旋转轴末端安装膝关节胫骨；
由此，使膝关节胫骨在测量时具2个旋转自由度与3个平移自由度：通过旋转机构使膝关节胫骨具有绕x轴的旋转自由度；通过扭转机构使膝关节胫骨具有绕z轴的旋转自由度；通过滑动机构中的两条十字交叉滑轨，使胫骨具有沿x轴与y轴平移的两个平移自由度；通过力学材料试验机夹头的上下移动，带动膝关节股骨的上下移动，从而使膝关节胫骨具有相对于股骨的沿z轴的平移自由度。
2.如权利要求1所述一种膝关节稳定性与运动学特性测试装置，其特征在于：旋转机构通过加载配重，由线绳牵拉的方式加载转动。
3.如权利要求1所述一种膝关节稳定性与运动学特性测试装置，其特征在于：所述扭转机构通过加载配重，由线绳牵拉的方式加载转动。
4.如权利要求1所述一种膝关节稳定性与运动学特性测试装置，其特征在于：所述分度盘为半圆形板状结构，摆杆末端连接于分度盘上的圆心处；分度盘的圆周上，等间隔开有定位孔，由摆杆与不同定位孔配合实现摆杆与水平面间夹角的调节，达到调节屈膝角度的目的。
5.如权利要求1所述一种膝关节稳定性与运动学特性测试装置，其特征在于：摆杆前端与旋转轴末端各自安装有膝关节上连接件与下连接件，二者在结构上相同，分别实现摆杆与膝关节股骨及旋转轴与膝关节胫骨的固定；膝关节股骨与膝关节上连接件间的固定方式为：膝关节上连接件外壁上预制有安装孔，拧入固定螺栓，在膝关节股骨端插入十字交叉的定位杆件，膝关节股骨端连同定位杆件一同插入膝关节上连接件内，然后向膝关节上连接件内填充自凝树脂，通过十字交叉杆件防止股骨端与树脂间的旋转与位移；通过上连接件壁上的螺栓防止膝关节上连接件与树脂间的旋转与位移，最终实现股骨端与膝关节上连接件之间的刚性固定；膝关节胫骨端与旋转轴末端的膝关节下连接件之间的固定方式与膝关节股骨端与膝关节上连接件间的固定方式相同。
6.如权利要求1所述一种膝关节稳定性与运动学特性测试装置，其特征在于：摆杆前端与膝关节上连接件的固定方式为：膝关节上连接件端面上设计有连接轴，同时摆杆前端设计有锁定结构，由连接轴与锁定结构配合，实现摆杆前端与膝关节上连接件的固定；其中，连接轴端部内壁上开有凹槽，锁定结构的侧壁上有凸起锁定头，锁定头的根部有锁紧盖；由此将摆杆前端的锁定结构插入连接轴中，锁定结构的凸起锁定头与连接轴内壁的凹槽相咬合；随后将锁定结构上的锁紧盖与连接轴上的螺纹配合连接，通过拧紧锁紧盖，将连接轴与锁定结构锁死，实现摆杆前端与膝关节上连接件间的刚性固定；旋转轴末端和膝关节下连接件间的固定方式与摆杆前端和膝关节上连接件间的固定方式相同。
7.如权利要求1所述一种膝关节稳定性与运动学特性测试装置，其特征在于：测试前，安装膝关节标本的具体方式为：将膝关节标本的股骨固定于摆杆前端，使膝关节标本的屈膝轴沿空间y轴方向设置，胫骨中轴线沿空间x轴方向设置；调整摆杆角度，将膝关节标本的屈膝角度调整至测试需要角度；上下调整试验机夹头位置，使胫骨中轴线与旋转轴的中轴线位于同一水平面，平移旋转机构及其下面的滑动机构与扭转机构在材料试验机平台上的位置，将胫骨中轴线与旋转轴的中轴线重合，随后沿空间x轴方向平移旋转机构及其下面的滑动机构与扭转机构在材料试验机平台上的位置，将膝关节胫骨与旋转轴末端连接固定；最后通过再次调整旋转机构及其下面的滑动机构与扭转机构在材料试验机平台上的位置，将滑动机构中的转接板沿x轴在上滑轨上位置归零，将转接板沿y轴在下滑轨上位置归零；使胫骨处于内外旋扭矩平衡位置，作为旋转机构的零位；使扭转机构处于内外翻扭矩平衡位置，作为扭转机构的零位。
8.如权利要求1所述一种膝关节稳定性与运动学特性测试装置，其特征在于：将膝关节屈膝角度调整为测试需要角度，进行膝关节稳定性与运动学特性测试；包括：
A、胫骨前向稳定性及多自由度运动学特性测试；
控制试验机夹头上移，牵拉膝关节标本的股骨端上移，测量：
(1)、胫骨前移距离，即沿z轴移动距离，为试验机夹头上移距离；
(2)、胫骨内旋或外旋角度，即沿x轴旋转角度，为旋转机构绕旋转轴旋转角度；
(3)、胫骨内翻或外翻角度，即沿z轴旋转角度，为扭转机构绕扭转轴旋转角度；
(4)、胫骨沿x轴平移距离，即滑动机构沿x轴设置的滑轨移动的距离；
(5)、胫骨沿y轴平移距离，即滑动机构沿y轴设置的滑轨移动的距离；
B、胫骨后向稳定性及多自由度运动学特性测试；
控制试验机夹头下移，牵拉膝关节标本的股骨端下移，测量:
(1)、胫骨后移距离，即沿z轴移动距离，为试验机夹头下移距离；
(2)、胫骨内旋或外旋角度，即沿x轴旋转角度，为旋转机构绕旋转轴旋转角度；
(3)、胫骨内翻或外翻角度，即沿z轴旋转角度，为扭转机构中扭转轴旋转角度；
(4)、胫骨沿x轴平移距离，即滑动机构沿x轴设置的滑轨移动距离；
(5)、胫骨沿y轴平移距离，即滑动机构沿y轴设置的滑轨移动距离；
C、胫骨内旋与外旋稳定性及多自由度运动学特性测试；
(1)向旋转轴施加扭矩载荷，带动旋转轴正转或反转，向膝关节胫骨施加扭矩，测量加载后胫骨内旋与外旋的角度，实现胫骨内旋或外旋稳定性的测试；
(2)胫骨内翻或外翻角度，即沿z轴旋转角度，为扭转机构中扭转轴旋转角度；
(3)胫骨沿x轴平移距离，即滑动机构沿x轴设置的滑轨移动距离；
(4)胫骨沿y轴平移距离，即滑动机构沿y轴设置的滑轨移动距离。
D、胫骨内翻与外翻稳定性及多自由度运动学特性测试；
(1)向扭转机构施加载荷，带动扭转机构正转或反转，测量加载后胫骨内翻与外翻的角度，实现胫骨内翻与外翻稳定性的测试；
(2)胫骨内旋或外旋角度，即沿x轴旋转角度，为旋转机构绕旋转轴旋转角度；
(3)胫骨沿x轴平移距离，即滑动机构沿x轴设置的滑轨移动距离；
(4)胫骨沿y轴平移距离，即滑动机构沿y轴设置的滑轨移动距离。
9.如权利要求8所述一种膝关节稳定性与运动学特性测试装置，其特征在于：分别在膝关节交叉韧带完整、交叉韧带切断、交叉韧带重建后3种状态下进行测量，在每种状态下进行胫骨的前或后向加载、内外翻加载、内外旋加载，完成3种状态下各种加载条件下膝关节的稳定性及运动学测试。通过比较研究交叉韧带完整与交叉韧带切断两种状态下的稳定性与运动学测试结果，明确交叉韧带的功能；通过比较研究研究交叉韧带切断与交叉韧带重建两种状态下的稳定性与运动学测试结果，可明确交叉韧带重建技术的在恢复膝关节稳定性及运动学特性方面的作用；通过比较研究研究交叉韧带完整与交叉韧带重建两种状态下的稳定性与运动学测试结果，进而明确该交叉韧带重建技术在恢复膝关节稳定性及运动学特性方面的不足与改进的方向；
对于膝关节前、后交叉韧带同样适用，实现膝关节前、后交叉韧带的功能测试与重建术式评估，为临床工作提供实验依据，避免盲目性。
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