CN108766169A - 膝关节力加载及生物力学特性检测实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种膝关节力加载及其生物力学检测实验平台。主要由框架单元，股骨姿态调整单元，股骨反应力和韧带应变测量及力加载单元，膝关节关节屈曲驱动单元，胫骨位姿从动单元，胫骨内外旋测量单元，髌骨姿态检测单元七个部分组成。本发明装置通过对全膝关节置换术、前交叉韧带重建术、后交叉韧带重建术等手术后的膝关节的生物力学特性检测，比较不同手术技巧下离体膝关节的生物力学特性。

Description

膝关节力加载及生物力学特性检测实验平台

技术领域

本发明属于离体膝关节生物力学实验领域，特别是涉及一种离体膝关节仿生力加载及膝关节生物力学特性的综合检测实验平台。

背景技术

膝关节是人体下肢的主要关节，它负重多且运动量大，是下肢活动的枢纽。膝关节的结构和功能都是人体关节中最复杂的关节。人体膝关节主要由股骨、胫骨、腓骨及其周围的肌肉、韧带组成，属于结构十分完备的滑膜关节。当前我国人口老年化日益严重，同时城市中产阶级群体愈加重视身体锻炼，国内以马拉松，长跑为爱好的年轻人群日益增多，由于不正确的锻炼方式，膝关节的长时间磨损导致的膝关节手术需求量增加显著。

中国发明专利专利号201611058599.X的专利公开了一种膝关节生物力学性能测试与评估装置。该发明涉及膝关节生物力学性能测试与评估装置，包括框架模块、关节固定模块、膝关节模块、关节屈曲驱动模块、加载模块。该装置通过调整膝关节的屈曲角度，模拟人体下肢关节的运动状态，通过加载外力并测试膝关节不同屈曲角度下，仿生骨组织与假体界面的应力状态。然而该装置所测试的为假体关节，加载方式的仿生程度不够高，所能测量的生物力学参数有限，综合性不够强。实际上，到目前为止，国内还没有能够实现高度仿生力加载，同时能够检测体外膝关节的多种生物力学特性的实验平台。

离体膝关节仿生力加载及其生物力学特性综合检测实验平台能够进一步提高人们对于膝关节生物力学的认识。对于骨外科大夫，本发明能够在一定程度上指导外科手术的开展。

发明内容

本发明的目的在于满足国内离体膝关节生物力学研究的需要，设计提供一种仿生的、多参数测量的生物力学综合实验平台。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种离体膝关节仿生力加载及其生物力学特性综合检测实验平台，主要由框架单元，股骨姿态调整单元，股骨反应力和韧带应变测量及力加载单元，膝关节关节屈曲驱动单元，胫骨位姿从动单元，胫骨内外旋测量单元，髌骨姿态检测单元七个部分组成。其中框架用于支撑整个检测平台，股骨状态调整单元和股骨反应力检测及力加载单元销轴连接，股骨反应力检测及力加载单元和胫骨位姿从动单元之间通过离体膝关节连接，胫骨位姿从动单元与膝关节关节屈曲驱动单元之间螺纹紧固连接，膝关节关节屈曲驱动单元与框架单元螺纹紧固连接。膝关节关节屈曲驱动单元可以使体外膝关节屈伸角度在0-120°之间，通过股骨状态调整单元可以将屈伸角度扩展到135°，同时胫骨位姿从动单元能根据膝关节标本的个体差异随动，不至于离体膝关节在力加载前出现应力残留。膝关节位姿调整完成后，股骨反应力和韧带应变测量及力加载单元通过7个气缸对对应的肌腱上加载对应的力牵拉膝关节。股骨反应力和韧带应变测量及力加载单元能够测得此时的股骨远端反应力、交叉韧带应变、关节间室分布压力。此时胫骨内外旋测量单元可以测量离体膝关节在力加载情况下胫骨的内外旋角度。髌骨姿态检测单元能够检测髌骨上标记点的位移，得到髌骨姿态的变化。胫骨位姿从动单元中的角度编码器读数的变化值能够评估膝关节内外侧方向的稳定性。

优选地，所述框架单元由60x60铝型材、90°角件、45°角件、135°角件组成。框架上方的3根铝型材通过螺栓和股骨姿态调整单元紧固连接，框架下方的2根铝型材通过螺栓和膝关节关节屈曲驱动单元紧固连接，框架中部和膝关节关节屈曲驱动单元中的直线轴承光杆固定。

优选地，所述的股骨姿态调整单元主要由天花板，上滑台，上旋转座、限位挡块、锁紧挡块组成。天花板通过螺栓与框架单元上部的3根铝型材紧固连接，上滑台通过螺栓与天花板连接，上旋转座通过螺钉与上滑台紧固连接，限位挡块通过螺钉固定在上滑台的导轨两端防止上滑台的行程超出导轨的长度，锁紧挡块与上滑台T型槽中的T型螺母通过螺钉连接，当股骨通过上滑台调整到合适的位置时通过螺钉锁紧实现股骨位置的固定。

优选地，所述的股骨反应力和韧带应变测量及力加载单元由上旋转体、气缸固定圆盘、六维力传感器、股骨套筒、气缸、气缸-拉力传感器连接套、拉力传感器，气缸轴向拉力导向板，肌肉拉力方向导板、气缸轴向导向板固定杆，肌肉拉力方向导板固定杆、十字夹座、信号调理器、信号调理器固定夹组成。气缸固定圆盘与上旋转体螺钉紧固连接，六维力传感器与气缸固定圆盘螺钉紧固连接，股骨固定套筒与六维力传感器螺钉紧固连接，气缸与气缸固定圆盘螺纹紧固连接，气缸推杆末端与气缸-拉力传感器连接套螺纹紧固连接，气缸-拉力传感器连接套与拉力传感器螺纹紧固连接，拉力传感器通过线绳与离体膝关节肌腱连接，气缸轴向导向板固定杆与气缸固定圆盘螺纹紧固连接，肌肉拉力方向导板固定杆与气缸固定圆盘螺纹紧固连接，气缸轴向拉力导向板固定杆与气缸轴向拉力导向板螺纹紧固连接，肌肉拉力方向导板固定杆与肌肉拉力方向导板螺纹紧固连接，信号调理器固定夹与某一根气缸轴向导向板固定杆螺纹紧固连接，信号调理器被信号调理器固定夹夹住，差分可变磁阻传感器测得的韧带应变信号通过信号调理器后实现韧带应变的测量。力加载时，气缸推杆牵拉肌腱提供拉力，气缸推杆末端的拉力传感器测量拉力，将实际测量的拉力值反馈，实现精确的拉力控制。力加载后，通过六维力传感器可以测得股骨远端的反应力情况，通过感压纸或薄膜压力分布传感器可以分别测量膝关节3个重要间室的压力分布。

优选地，膝关节关节屈曲驱动单元由电动升降柱、升降柱下固定板、升降柱上固定板、下托盘、下托盘附件、直线轴承、光杆、下滑台组成。升降柱下固定板与框架单元下方的2根铝型材螺纹紧固连接，电动升降柱与升降柱上固定板螺纹紧固连接，升降柱上固定板与下托盘螺纹紧固连接，下托盘与下托盘附件螺纹紧固连接，下托盘附件与直线轴承螺纹紧固连接，直线轴承在竖直放置的光杆上能做垂直方向上下运动，下滑台与下托盘螺纹紧固连接，下滑台能够实现前后左右方向的滑动。将离体膝关节装配在本发明上后，在工控机上控制电动升降柱的上下运动，由下托板带动下滑台实现上下运动，同时下滑台自身能够实现前后左右的移动，配合胫骨位姿从动单元中的左右轴转动关节可以实现由电动升降柱驱动的0-120°的关节屈伸角度变化。此单元中电动升降柱为驱动模块，直线轴承与光杆为导向模块，下滑台的前后位移与胫骨位姿从动单元中的转动关节实现将上下的直线运动转化为离体膝关节的屈伸运动。

优选地，胫骨位姿从动单元由上下轴交叉滚子轴承、上下轴移动箱体、直线轴承，第二角度编码器、第一角度编码器支架、第一角度编码器、第一角度编码器联轴器、箱体-角度编码器连接座、直线轴承安装板、前后轴交叉滚子轴承、第三角度编码器支架、第三角度编码器、第三角度编码器联轴器、胫骨内外旋测量单元支架、左右轴旋转体、左右轴旋转轴、左右轴旋转关节菱形带座轴承、前后轴旋转体、直线导轨、压簧、上下轴直线导轨固定菱形带座轴承组成。所有零件构成3个旋转副，一个移动副。其中上下轴转动副1个，前后轴转动副1个，左右轴转动副1个，3个转动副配合下滑台的2个移动副和1个上下轴移动副构成6个自由度能够实现胫骨远端在从动力作用下达到空间中的任何位姿。其中上下轴移动箱体、前后轴旋转体上各有20°的圆弧槽可以在胫骨达到任意位置后螺钉锁死固定。同时在第一角度编码器、第二角度编码器、第三角度编码器能够记录各转动关节的转动角度。

优选地，胫骨内外旋测量单元主要由第四角度编码器、第四角度编码器支架、立柱、内外旋联轴器、内外旋平台、深沟球轴承、胫骨套筒过渡板、胫骨套筒组成。其中，胫骨受力内外旋时会带动胫骨套筒旋转，胫骨套筒与胫骨套筒过渡板通过螺钉连接，胫骨套筒的旋转角度通过内外旋联轴器在第四角度编码器上测得。

优选地，髌骨姿态检测单元由三脚架、三维数字化仪、三维数字化仪安装托盘组成。三维数字化仪的底座与三维数字化仪安装托盘连接。同时三脚架可以随着股骨与垂直方向夹角的不同调整高度。三维数字化仪能够记录空间中任意两点之间的坐标，同时根据坐标能够测算髌骨上被测量点在实验中的位移情况。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的一种离体膝关节仿生力加载及其生物力学特性综合检测实验平台具有仿生肌肉力加载系统。该系统由气动加载硬件与控制软件组成，提供了一种快捷方便的肌肉力加载方法。不同与以往挂砝码获得肌肉拉力，该系统通过在工控机上操作控制气缸气压，实现肌肉拉力的伺服控制。

2、本发明提供的一种离体膝关节仿生力加载及其生物力学特性综合检测实验平台可根据实验要求快速调节膝关节屈伸角度。通过机构学设计，将电动升降柱的上下直线运动转化为膝关节的屈伸运动，同时第三角度编码器能够实时记录膝关节屈曲的角度。

3、本发明提供的一种离体膝关节仿生力加载及其生物力学特性综合检测实验平台提供了多参数测量的数据采集系统，该系统由数据采集硬件与人机交互的软件组成。其中六维力传感器能够测量股骨的末端反应力，感压纸能够测量膝关节间室内的压力分布及大小。位移检测装置(三维数字化仪)能够测量髌骨的姿态变化。第四角度编码器能够测量胫骨的内外旋角度。同时第一角度编码器和第二角度编码器能够测量胫骨内外侧稳定性。微型位移传感器能够测量交叉韧带的应变。该实验平台所测量的这些生物力学数据可作为离体膝关节的功能的评价指标。

本发明装置通过对全膝关节置换术、前交叉韧带重建术、后交叉韧带重建术等手术后的膝关节的生物力学特性检测，比较不同手术技巧下离体膝关节的生物力学特性。因此本发明检测的结果对于骨外科大夫针对不同手术和患者个体情况进行手术有一定的指导作用。离体的肩关节在符合生理学状态的条件下装配在实验平台上，并且通过气缸连接肌腱模拟人体肌肉力的加载。本发明检测到的参数包括1)髌股间室压力分布、2)胫股间室压力分布、3)髌胫间室压力分布、4)胫骨内外旋角度、5)股骨远端反应力与力矩、6)前后交叉韧带和内外侧副韧带的应变、7)髌骨姿态变化、8)膝关节内外侧方向稳定性等。

附图说明

图1是本发明一种离体膝关节仿生力加载及膝关节生物力学特性的综合检测实验平台整体示意图。

图2是本发明一种离体膝关节仿生力加载及膝关节生物力学特性的综合检测实验平台的框架单元示意图。

图3是本发明一种离体膝关节仿生力加载及膝关节生物力学特性的综合检测实验平台的股骨姿态调整单元示意图。

图4是本发明一种离体膝关节仿生力加载及膝关节生物力学特性的综合检测实验平台的股骨反应力和韧带应变测量及力加载单元示意图。

图5是本发明一种离体膝关节仿生力加载及膝关节生物力学特性的综合检测实验平台的膝关节关节屈曲驱动单元示意图。

图6是本发明一种离体膝关节仿生力加载及膝关节生物力学特性的综合检测实验平台的胫骨位姿从动单元示意图。

图7是本发明一种离体膝关节仿生力加载及膝关节生物力学特性的综合检测实验平台的胫骨位姿从动单元分解图。

图8是本发明一种离体膝关节仿生力加载及膝关节生物力学特性的综合检测实验平台的胫骨内外旋测量单元示意图。

图9是本发明一种离体膝关节仿生力加载及膝关节生物力学特性的综合检测实验平台的胫骨内外旋测量单元分解图。

图10是本发明一种离体膝关节仿生力加载及膝关节生物力学特性的综合检测实验平台的髌骨姿态检测单元示意图。

图中标号如下：

图1中：框架单元1，股骨姿态调整单元2，3-股骨反应力和韧带应变测量及力加载单元，4-膝关节关节屈曲驱动单元，5-胫骨位姿从动单元，6-胫骨内外旋测量单元，7-髌骨姿态检测单元。

图2中：101-60x60铝型材，102-90°角件，103-45°角件，104-135°角件。

图3中：201-天花板，202-上滑台，203-上旋转座，204-限位挡块，205-锁紧挡块。

图4中：301-上旋转体，302-气缸固定圆盘，303-六维力传感器，304-股骨套筒，305-气缸，306-气缸-拉力传感器连接套，307-拉力传感器，308-气缸轴向拉力导向板，309-肌肉拉力方向导板，310-气缸轴向导向板固定杆，311-肌肉拉力方向导板固定杆，312-信号调理器，313-信号调理器固定夹，314-十字夹座。

图5中：401-电动升降柱，402-升降柱下固定板，403-升降柱上固定板，404-下托盘，405-下托盘附件，406-直线轴承，407-光杆，408-下滑台。

图7中：501-上下轴交叉滚子轴承，502-上下轴移动箱体，503-直线轴承，504-第二角度编码器、505-第一角度编码器支架、506-第一角度编码器、507-第一角度编码器联轴器、508-箱体-角度编码器连接座、509-直线轴承安装板、510-前后轴交叉滚子轴承、511-第三角度编码器支架、512-第三角度编码器、513-第三角度编码器联轴器、514-胫骨内外旋测量单元支架、515-左右轴旋转体、516-左右轴旋转轴、517-左右轴旋转关节菱形带座轴承、518-前后轴旋转体、519-直线导轨、520-压簧、521-上下轴直线导轨固定菱形带座轴承。

图9中：601-第四角度编码器、602-第四角度编码器支架、603-立柱、604-内外旋联轴器、605-内外旋平台、606-深沟球轴承、607-胫骨套筒过渡板、608-胫骨套筒。

图10中：701-三脚架，702-三维数字化仪，703-三维数字化仪安装托盘。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种离体膝关节仿生力加载及膝关节生物力学特性的综合检测实验平台，主要由框架单元1，股骨姿态调整单元2，3-股骨反应力和韧带应变测量及力加载单元，4-膝关节关节屈曲驱动单元，5-胫骨位姿从动单元，6-胫骨内外旋测量单元，7-髌骨姿态检测单元共7个部分组成。

如图2所示，框架单元1主要由多根铝型材通过角件配合滑块螺母、螺钉连接搭建而成的框架，框架的整体尺寸为1970x1620x1000。包括101-60x60铝型材，102-90°角件，103-45°角件，104-135°角件。框架上方的3根铝型材通过螺栓和股骨姿态调整单元紧固连接，框架下方的2根铝型材通过螺栓和膝关节关节屈曲驱动单元紧固连接，框架中部和膝关节关节屈曲驱动单元中的直线轴承导轨固定。框架的上部和下部各有两根铝型材保证整体框架的稳定性。

如图3所示，股骨姿态调整单元2由201-天花板，202-上滑台，203-上旋转座、204-限位挡块、205-锁紧挡块组成。201-天花板通过螺栓与框架单元1上部的3根铝型材紧固连接。202-上滑台通过螺栓与201-天花板连接，202-上滑台由3块铝板与直线导轨组成，其中前后方向的行程为0-230mm，左右方向行程为0-110mm。203-上旋转座通过螺钉与202-上滑台紧固连接，203-上旋转座可以绕上下轴调整股骨角度，调节后螺钉连接紧固锁死，同时上旋转座上有2圈间隔30°分布的螺纹孔，这2圈螺纹孔与301-上旋转体上的孔可以实现15°间隔调节股骨与垂直方向的夹角。204-限位挡块通过螺钉固定在202-上滑台的导轨两端防止202-上滑台的行程超出导轨的长度，205-锁紧挡块与202-上滑台T型槽中的T型螺母通过螺钉连接，当股骨通过202-上滑台调整到合适的位置时通过螺钉锁紧实现股骨位置的固定。

如图4所示，3-股骨反应力和韧带应变测量及力加载单元主要由301-上旋转体，302-气缸固定圆盘，303-六维力传感器，304-股骨套筒，305-气缸，306-气缸-拉力传感器连接套，307-拉力传感器，308-气缸轴向拉力导向板，309-肌肉拉力方向导板，310-气缸轴向导向板固定杆，311-肌肉拉力方向导板固定杆，312-信号调理器，313-信号调理器固定夹，314-十字夹座组成。301-上旋转体与302-气缸固定圆盘螺钉紧固连接，301-上旋转体与203-上旋转座通过销轴连接，可以实现间隔15°的角度调节，调节完毕螺钉拧紧锁死。303-六维力传感器与302-气缸固定圆盘螺钉紧固连接。304-股骨固定套筒与303-六维力传感器螺钉紧固连接。305-气缸与302-气缸固定圆盘螺纹紧固连接，共8根气缸，其中4根φ20缸径，4根φ16缸径，每根气缸对应不同的肌肉。305-气缸推杆末端与306-气缸-拉力传感器连接套螺纹紧固连接。306-气缸-拉力传感器连接套与307-拉力传感器螺纹紧固连接，307-拉力传感器通过线绳通过308-气缸轴向导向板和309-肌肉拉力方向导板调整线绳方向与离体膝关节肌腱连接。310-气缸轴向导向板固定杆与302-气缸固定圆盘螺纹紧固连接，310-气缸轴向导向板固定杆共有3根，保持了308-气缸轴向导向板的稳定性。309-肌肉拉力方向导板固定杆与302-气缸固定圆盘螺纹紧固连接，309-肌肉拉力方向导板固定杆由2根长度不同的φ20铝棒通过314-十字夹座连接。310-气缸轴向拉力导向板固定杆与308-气缸轴向拉力导向板螺纹紧固连接。311-肌肉拉力方向导板固定杆与309-肌肉拉力方向导板螺纹紧固连接。313-信号调理器固定夹与某一根310-气缸轴向导向板固定杆螺纹紧固连接，312-信号调理器被313-信号调理器固定夹夹住。力加载时，通过比例阀控制305-气缸内压力大小，通过305-气缸推杆末端的307-拉力传感器测得的力的大小反馈给工控机进行力的闭环控制，得到精确的拉力值。同时通过308-气缸轴向拉力导向板防止气缸推杆的径向抖动，通过309-肌肉拉力方向导板上的24个小孔调节线绳的方向得到符合膝关节生理特性的拉力方向。与304-股骨套筒连接的303-六维力传感器能够测量受力后的股骨远端反应力与力矩。在力加载前将感压纸放置于髌股间室、胫股间室、髌胫间室可以分别测量3个重要间室的压力分布。在力加载前将差分可变磁阻传感器放置于交叉韧带上，通过312-信号调理器调理后可以得到韧带的应变值。

如图5所示，4-膝关节关节屈曲驱动单元主要由401-电动升降柱，402-升降柱下固定板，403-升降柱上固定板，404-下托盘，405-下托盘附件，406-直线轴承，407-光杆，408-下滑台组成。402-升降柱下固定板与框架单元1下方的2根铝型材螺纹紧固连接。401-电动升降柱与403-升降柱上固定板螺纹紧固连接。403-升降柱上固定板与404-下托盘螺纹紧固连接。404-下托盘与405-下托盘附件螺纹紧固连接。405-下托盘附件与406-直线轴承螺纹紧固连接。406-直线轴承在竖直放置的407-光杆上能做垂直方向上下运动。407-光杆通过卧式支撑座与铝型材固定。408-下滑台与405-下托盘螺纹紧固连接，408-下滑台由3块铝板和直线导轨组成，能够实现前后左右方向的滑动，其中前后方向的移动范围为0-230mm，左右方向移动范围为0-110mm。在工控机上可控制401-电动升降柱上下运动，通过408-下滑台与5-胫骨位姿从动单元中的左右轴转动关节能够实现膝关节屈伸角度的变化，通过在5-胫骨位姿从动单元中的513-编码器上的角度值计算出膝关节的屈伸角度。

如图6和7所示，5-胫骨位姿从动单元主要由501-上下轴交叉滚子轴承，502-上下轴移动箱体，503-直线轴承，504-第二角度编码器、505-第一角度编码器支架、506-第一角度编码器、507-第一角度编码器联轴器、508-箱体-角度编码器连接座、509-直线轴承安装板、510-前后轴交叉滚子轴承、511-第三角度编码器支架、512-第三角度编码器、513-第三角度编码器联轴器、514-胫骨内外旋测量单元支架、515-左右轴旋转体、516-左右轴旋转轴、517-左右轴旋转关节菱形带座轴承、518-前后轴旋转体、519-直线导轨、520-压簧、521-上下轴直线导轨固定菱形带座轴承组成。501-上下轴交叉滚子轴承的外圈和408-下滑台通过螺钉紧固连接。同时501-上下轴交叉滚子轴承的内圈与502-上下轴移动箱体螺钉紧固连接。519-直线导轨和520-压簧通过521-上下轴直线导轨固定菱形带座轴承螺纹紧固在502-上下轴移动箱体上。505-第一角度编码器支架、506-第一角度编码器、507-第一角度编码器联轴器组成上下轴旋转角度测量模块通过508-箱体-角度编码器连接座与502-上下轴移动箱体连接。503-直线轴承和509-直线轴承安装板通过螺钉紧固连接。同时503-直线轴承可以在519-直线导轨上下滑动。520-压簧可以平衡整个装置的自身重力。504-第二角度编码器安装在509-直线轴承安装板上。510-前后轴交叉滚子轴承外圈通过螺钉安装在509-直线轴承安装板上。518-前后轴旋转体与510-前后轴交叉滚子轴承内圈通过螺钉连接。516-左右轴旋转轴和517-左右轴旋转关节菱形带座轴承组成左右轴旋转关节，左右轴旋转关节与515-左右轴旋转体通过键连接，在516-左右轴旋转轴末端511-第三角度编码器支架、512-第三角度编码器、513-第三角度编码器联轴器组成左右轴旋转角度测量模块。514-胫骨内外旋测量单元支架通过螺钉固定在515-左右轴旋转体上。5-胫骨位姿从动单元中有3个旋转关节，1个上下轴旋转关节，1个左右轴旋转关节，1个前后轴旋转关节，还有1个上下轴移动关节。其中上下轴旋转关节的旋转角度范围为(-20°,20°)，1个左右轴旋转关节的旋转角度范围为(-105°，30°)，1个前后轴旋转关节的旋转角度范围为(-20°，20°)。5-胫骨位姿从动单元中包含着3个转动副，1个移动副加上408-下滑台中的2个移动副，构成了6个自由度的机构。此机构能够实现在膝关节上加载力时，胫骨的末端能够实现在固定屈伸角度状态下的内外翻转动。

如图8和9所示，6-胫骨内外旋测量单元主要由601-第四角度编码器、602-第四角度编码器支架、603-立柱、604-内外旋联轴器、605-内外旋平台、606-深沟球轴承、607-胫骨套筒过渡板、608-胫骨套筒组成。在6-胫骨内外旋测量单元中，608-胫骨套筒、607-胫骨套筒过渡板和604-内外旋联轴器连接与606-深沟球轴承内圈过盈配合连接，同时601-第四角度编码器能够记录下胫骨的内外旋角度。

如图10所示，7-髌骨姿态检测单元主要由701-三脚架，702-三维数字化仪，703-三维数字化仪安装托盘组成。703-三维数字化仪安装托盘与701-三脚架螺纹紧固连接，702-三维数字化仪与703-三维数字化仪安装托盘螺纹紧固连接。在膝关节上力加载前，可以通过小螺钉，克氏针等标记髌骨的原始姿态，力加载后通过703-三维数字化仪扫描髌骨上标记点的空间坐标变化，标记点的位置变化能够记录髌骨的位姿变化，此数值可以用于评价膝关节的稳定性。

本发明装置通过对全膝关节置换术、前交叉韧带重建术、后交叉韧带重建术等手术后的膝关节的生物力学特性检测，比较不同手术技巧下离体膝关节的生物力学特性。因此本发明检测的结果对于骨外科大夫针对不同手术和患者个体情况进行手术有一定的指导作用。离体的肩关节在符合生理学状态的条件下装配在实验平台上，并且通过气缸连接肌腱模拟人体肌肉力的加载。本发明检测到的参数包括1)髌股间室压力分布、2)胫股间室压力分布、3)髌胫间室压力分布、4)胫骨内外旋角度、5)股骨远端反应力与力矩、6)前后交叉韧带和内外侧副韧带的应变、7)髌骨姿态变化、8)膝关节内外侧方向稳定性等。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种膝关节力加载及生物力学检测实验平台，其特征在于，包括框架单元，股骨姿态调整单元，股骨反应力和韧带应变测量及力加载单元，膝关节关节屈曲驱动单元，胫骨位姿从动单元，胫骨内外旋测量单元，髌骨姿态检测单元，

其中，所述的框架单元包括多根通过互相紧固连接构成外框架的铝型材，及设于所述的铝型材交接处的角件；

所述的股骨姿态调整单元包括固定在所述的框架单元上部的天花板、固定在所述天花板上的上滑台组件及固定在所述的上滑台组件上的上旋转座，所述的上滑台组件包括直线导轨及在所述直线导轨中滑动的铝板，所述的上滑台组件两端均设有限位挡块，所述的上滑台组件侧边设有锁紧挡块，所述的上旋转座与所述的铝板紧固连接；

所述的股骨反应力和韧带应变测量及力加载单元包括与所述的上旋转座销轴连接的上旋转体，所述的上旋转体另一端固定在气缸固定圆盘的上平面，所述气缸固定圆盘平面上还紧固穿设有多根气缸，所述的气缸的推杆末端设有气缸拉力传感器连接套，所述的气缸拉力传感器连接套与拉力传感器紧固连接，拉力传感器通过固定在所述的气缸固定圆盘的下平面上的气缸轴向导向板和肌肉拉力方向导板调整线绳方向与离体膝关节肌腱连接，所述的气缸轴向导向板上紧固连接有气缸轴向拉力导向板固定杆，所述的气缸轴向拉力导向板固定杆上通过信号调理器固定夹与信号调理器连接，所述的肌肉拉力方向导板与所述的肌肉拉力方向导板固定板紧固连接，所述的气缸固定圆盘的下平面上还固定有六维力传感器，六维力传感器端部设有股骨固定套筒；

膝关节关节屈曲驱动单元包括与所述的框架单元下部连接的升降柱下固定板，与所述的升降柱下固定板上表面固定连接的电动升降柱，连接在电动升降柱另一端的升降柱上固定板，升降板上固定板的上表面与下托盘紧固连接，下托盘上设有下托盘附件，所述的下托盘附件上设有直线轴承安装孔，所述的直线轴承穿过光杆，在光杆上上下运动，所述的光杆两端分别通过卧式支撑座固定在所述的框架单元上部和下部，所述的下托盘上设有下滑台组件；

所述的胫骨位姿从动单元包括与所述的下滑台组件固定连接的上下轴交叉滚子轴承。与所述的上下轴交叉滚子轴承内圈连接的上下轴移动箱体，所述的第一角度编码器通过所述的箱体-角度编码器连接座与上下轴移动箱体连接。所述的直线导轨通过所述的上下轴直线导轨固定菱形带座轴承与上下轴移动箱体连接，所述的压簧套在直线导轨上。所述的直线轴承和所述的直线轴承安装板连接，直线轴承在直线导轨上能够上下移动。所述的前后轴交叉滚子轴承通过螺钉与直线轴承安装板连接。所述的前后轴旋转体通过螺钉与前后轴交叉滚子轴承连接。所述的左右轴旋转关节菱形带座轴承通过螺钉固定在前后轴旋转体上。所述的左右轴旋转轴通过左右轴旋转关节菱形带座轴承上的顶丝固定在左右轴旋转关节菱形带座轴承的内圈上。所述的第三角度编码器通过所述的第三角度编码器支架和所述的第三角度编码器联轴器与左右轴旋转轴连接。所述的左右轴旋转体通过键与左右轴旋转轴连接。所述的胫骨内外旋测量单元支架通过螺钉与左右轴旋转体连接。

所述的胫骨内外旋测量单元由所述的第四角度编码器支架与所述的第四角度编码器连接。第四角度编码器与所述的内外旋联轴器通过顶丝连接。所述的立柱通过螺钉与所述的内外旋平台连接。所述的深沟球轴承内圈与内外旋平台过盈配合连接。所述的胫骨套筒过渡板通过螺钉与内外旋联轴器连接。所述的胫骨套筒通过螺钉与胫骨套筒过渡板连接；

所述的髌骨姿态检测单元包括与所述框架单元下部连接的三脚架，与所述的三脚架螺纹紧固连接的三维数字化仪安装托盘，与所述的三维数字化仪安装托盘连接的三维数字化仪。

2.根据权利要求1所述的膝关节仿生力加载及生物力学检测实验平台，其特征在于，所述的上滑台组件上设有T型槽，所述的紧挡块与所述的T型槽中的T型螺母通过螺钉连接。

3.根据权利要求2所述的膝关节仿生力加载及生物力学检测实验平台，其特征在于，所述的肌肉拉力方向导板设有24个小孔。

4.根据权利要求3所述的膝关节仿生力加载及生物力学检测实验平台，其特征在于，所述的下滑台由3块铝板和直线导轨组成。

5.根据权利要求4所述的膝关节仿生力加载及生物力学检测实验平台，其特征在于，所述的上下轴移动箱体上设有40°的圆弧槽，前后轴旋转体上设有40°圆弧槽和135°圆弧槽。

6.根据权利要求5所述的膝关节仿生力加载及生物力学检测实验平台，其特征在于，所述的直线导轨上套有所述的压簧。