CN109288615B - 骨骼髓腔预紧力加载监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种骨骼髓腔预紧力加载监测装置，包括驱动机构、加载机构和压力测量机构；驱动机构包括相互啮合的蜗杆和涡轮，以及垂直于蜗杆设置在涡轮上的传动轴；加载机构包括一端通过联轴器与传动轴的一端连接的丝杆、螺接在丝杆上的螺母和自丝杆的另一端套装在丝杆外侧的弹簧，弹簧的一端端面抵在螺母的端面上、另一端端面固定在金属垫片上；压力测量机构包括依次设置在开设于骨骼上的开孔腔底的植入物和压力传感器，金属片抵在压力传感器上，通过植入物施力；该装置不仅能够实现微小力的输出，实现持续恒力加载，精确控制力的大小和力的缓冲的作用的目的，同时根据所需要的力的范围，更换具有不同弹性系数的弹簧。
Description
技术领域
本发明涉及应力加载测量装置技术领域，特别涉及一种骨骼髓腔预紧力加载监测装置。
背景技术
人工髋关节置换术能够治疗大部分髋关节疾病，然而金属假体植入的同时也带来了应力遮挡效应，根据骨的功能适应性理论，应力遮挡作用范围内的骨质会逐渐降低骨重建速率出现骨丢失。尽管现代工程学和医学提出了许多新方法来降低应力遮挡效应，例如优化股骨柄结构，服用药物以及体外振动加载等手段，但是长期疗效仍不满意。采用工程力学技术重建应力遮挡效应区域的力学环境，控制骨质-股骨柄过盈配合的接触应力从而激发骨重建作用将可能成为解决人工关节置换后骨丢失最有意义的方法。
从我们以往的研究可以发现，股骨形态结构的个体差异较大，股骨近端应力分布较为复杂，骨丢失的表现形式也因人而异。因此，我们选取股骨近端局部区域结构进行研究，在植入物与骨质界面施加压力作为骨重建的力学激励，设计出一种可施加量化的接触应力的加载装置来重建该区域的力学环境，分析出最适合界面成骨细胞骨重建作用的载荷，这将为解决临床全髋置换后的骨丢失问题提供了一种新的可能有效的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种能实现持续恒力加载，并精确加载和实现力的缓冲的骨骼髓腔预紧力加载监测装置。
为此，本发明技术方案如下：
一种骨骼髓腔预紧力加载监测装置，包括驱动机构、加载机构和压力测量机构；其中，
所述驱动机构包括蜗杆、蜗轮和传动轴；所述蜗杆与蜗轮相互啮合，所述传动轴垂直于所述蜗杆并插装在所述蜗轮的中心孔内，使所述蜗杆顺时针或逆时针转动时带到所述传动轴在垂直于所述蜗杆轴线的方向上往复运动；在所述蜗杆的一端还连接有一个转动装置；
所述加载机构包括丝杆、螺母、弹簧和金属垫片；所述丝杆与所述传动轴同轴设置，且一端通过联轴器与所述传动轴的一端连接；所述螺母螺接在丝杆上，所述弹簧自所述丝杆的另一端套装在所述丝杆外侧，且一端端面抵在所述螺母的端面上、另一端端面固定在所述金属垫片上；
所述压力测量机构包括压力传感器和植入物；所述植入物、所述压力传感器和所述加载机构依次设置在开设于骨骼上的开孔腔底，所述压力传感器通过呈压缩状态的弹簧施加在所述金属垫片上的力与所述植入物紧密贴合。
进一步地，在所述骨骼的开孔内设置有保护套；所述保护套为一外径与开孔内径相适应的筒体，其顶端外壁上设有环形台。其中，环形台用于在其上设置其它机构，其形状具体为圆形环状体、方形环状体或其它任意形状；保护套的筒体外表面与骨骼的开孔之间采用骨水泥进行固定；由于开孔的深度并非固定值，因此筒体嵌入高度与开孔的深度相适应即可。
进一步地，在所述保护套内套装并固定有一个内衬套；所述内衬套的内径大于所述弹簧的外径，且在其对侧侧壁上各沿轴向开设有一个条形限位孔，在所述螺母的外壁上对称设有两个与所述条形限位孔相适应限位块，所述限位块分别设置在两条所述滑道内且能够分别在两条所述条形限位孔内沿轴向往复滑动。
进一步地，在所述内衬套的底端外壁上设有环形凸缘，所述环形凸缘的外径与所述保护套的内径相适应，且在环形凸缘上设有至少一道环形密封圈，使所述内衬套与所述保护套之间形成密封。
进一步地，在所述保护套上设置并固定有一个基座，自所述基座底面沿轴向向上依次开设有联轴器容置腔和和第一传动轴插孔，使所述联轴器以存在间隙的方式设置在所述联轴器容置腔内，所述传动轴穿装在所述第一传动轴插孔内；在所述基座外侧还套装有一个箱盖，所述箱盖可拆卸固定在所述基座上，使所述驱动机构、所述加载机构和所述压力测量机构均设置在由所述基座和所述箱盖组成的空腔内；在所述箱盖上开设有第二传动轴插孔，所述第一传动轴插孔和所述第二传动轴插孔均与所述传动轴的中轴线重合，且在所述第一传动轴插孔和所述第二传动轴插孔内各设置有一个深沟球轴承，使插装在所述第一传动轴插孔和所述第二传动轴插孔内的传动轴与孔壁之间形成转动连接。
进一步地，在所述基座且在邻近所述蜗杆的两端对称设置有两个轴承座，两个所述轴承座各开设有一个与所述蜗杆同轴线的蜗杆插孔，且在每个所述蜗杆插孔内均设置有一个深沟球轴承，使所述蜗杆的两端分别穿装在两个蜗杆插孔内并与蜗杆插孔孔壁形成转动连接。
进一步地，所述压力传感器为薄膜压力传感器。
进一步地，所述植入物为厚度为2mm的钛合金多孔板。
进一步地，所述转动装置包括手柄和驱动杆；所述驱动杆的两端分别固定在蜗杆和手柄上，使所述蜗杆随手柄的旋转而发生转动。
与现有技术相比，该骨骼髓腔预紧力加载监测装置的有益效果在于：
(1)该装置的驱动机构采用蜗轮蜗杆机构驱动，丝杆螺母和弹簧加载，除了能够实现微小力的输出，还能起到精确控制力的大小和力的缓冲的作用，有效的减少受力过大时对骨骼的伤害，还能使受到的力均匀分布，同时可以根据所需要的力的范围，在固定的形变量范围内，更换不同弹性系数的弹簧，比较灵活；
(2)该装置的加载机构由于通过相互配合的蜗杆和蜗轮完成，使其具有自锁功能，能够实现持续恒力加载，克服了现有技术中使用螺钉加载易松动的问题；
(3)该装置结构简单、设计合理、体积小，材料无毒，用于活体研究，操作简单、耐久性好，具有很好的推广应用价值。
附图说明
图1为本发明的骨骼髓腔预紧力加载监测装置未安装箱盖的结构示意图；
图2为本发明的骨骼髓腔预紧力加载监测装置的剖视图；
图3为本发明的骨骼髓腔预紧力加载监测装置的侧视图；
图4为本发明的骨骼髓腔预紧力加载监测装置的内衬套的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图1～3所示为用于植入体股骨开孔内的预紧力加载监测装置，其包括驱动机构、加载机构和压力测量机构；其中，
驱动机构包括蜗杆1、蜗轮2和传动轴3；所述蜗杆1与蜗轮2相互啮合，所述传动轴3垂直于所述蜗杆1并插装在所述蜗轮2的中心孔内，使所述蜗杆1顺时针或逆时针转动时带到所述传动轴3在垂直于所述蜗杆1轴线的方向上往复运动；具体地，蜗杆的头数为单头、模数为0.5mm、外径为6mm、导程为1.57mm；蜗轮采用标准直齿圆柱齿轮，其齿数为20、模数为0.5mm、外径为11mm、齿厚为6mm；
在蜗杆1的一端还连接有一个转动装置，其包括手柄12和驱动杆13；驱动杆13的一端端部采用过渡配合的方式插装并固定在蜗杆1一端端面上开设的插孔内、另一端螺纹连接在手柄12的中心孔中，实现蜗杆1随手柄12的旋转而发生转动；
加载机构包括丝杆5、螺母7、弹簧8和金属垫片9；丝杆5与传动轴3同轴设置，且一端通过联轴器4与传动轴3的一端连接；螺母7螺接在丝杆5上，弹簧8自丝杆5的另一端套装在丝杆5外侧，且一端端面抵在螺母7的端面上、另一端端面固定在金属垫片9上；其中，丝杆5和传动轴3均通过紧固螺钉固定在联轴器4上，实现丝杆5随传动轴3同步转动；
丝杆5采用双头丝杆，其螺距为1mm、导程为2mm、外径为5mm、长度为22mm；弹簧8采用碳素弹簧钢，其线径为1mm、外径为9mm、长度为10mm，对应的切变模量G＝79000MPa、刚度为6.43N/mm；螺纹安装在丝杆5上的螺母7的最大行程为6mm，即最大可压缩弹簧6mm，进而可以计算出蜗杆旋转一周，丝杆螺母向下直线运动0.1mm，则蜗杆最多可旋转60圈；通过调节螺母7在丝杆5上的位置，实现调节弹簧的压缩量，进而调节压力的大小；
压力测量机构包括薄膜压力传感器10和植入物11；植入物11、压力传感器10和加载机构依次设置在开设于骨骼上的开孔腔底，同时压力传感器10通过呈压缩状态的弹簧施加在金属垫片9上的力与植入物11紧密贴合；具体地，植入物11为厚度为2mm的钛合金多孔板，其通过3D打印制作而成，多孔板上开孔的孔径约为0.5mm，其作用是承担缺损区域的外界载荷满足日常生活需要，加速缺损区的骨重建作用提高缺损区域骨强度。
为了使上述驱动机构、加载机构和压力测量机构稳定的设置在骨骼的开孔内且不易被损坏，在骨骼的开孔内设置有保护套17，并在保护套17内套装并固定有一个内衬套6，以保证骨骼的开孔内的体液不会污染至加载机构和压力测量机构而导致其中部件发生损坏；另外，在保护套17上设置并固定有一个基座16，并在基座16外侧还套装有一个箱盖15，使驱动机构、加载机构和压力测量机构均设置并固定在由基座16和箱盖15组成的空腔内；具体地，
如图1所示，保护套17为一外径与开孔内径相适应的筒体，其顶端设有环形台，环形台的径向截面为方形环状，用于在其上设置基座；
如图4所示，内衬套6也为筒体结构，其顶端和底端均设有外径与保护套17的内径相适应的环形凸缘，使内衬套6通过沿圆周方向设置在顶端侧壁上的螺钉固定在保护套17上，同时内衬套6与保护套17之间形成有环空；与此同时，在内衬套6的底端环形凸缘外壁上开设有一环形凹槽，通过在该环形凹槽内设置有一道环形密封圈25，使内衬套6与保护套17之间形成密封，防止开孔内的体液通过保护套17与植入物11之间缝隙流至驱动机构中；
内衬套6的内径大于弹簧8的外径，且在其对侧侧壁上各沿轴向开设有一个条形限位孔26，在螺母7的外壁上对称设有两个与条形限位孔26相适应限位块，限位块分别设置在两条条形限位孔26内并随螺母7在两条条形限位孔26内沿轴向往复滑动，而不会发生转动；
基座16通过螺钉固定在保护套17上；自所述基座底面沿轴向向上依次开设有联轴器容置腔和和第一传动轴插孔，使所述联轴器以存在间隙的方式设置在所述联轴器容置腔内，即联轴器4与保护套17相互独立，所述传动轴穿装在所述第一传动轴插孔内；
箱盖15通过螺钉可拆卸地固定在基座16上，其上开设有第二传动轴插孔；开设在基座16上的第一传动轴插孔和开设在箱盖上的第二传动轴插孔均与传动轴3的中轴线重合，且在第一传动轴插孔和第二传动轴插孔内分别设置有第一深沟球轴承22和第二深沟球轴承21，使插装在第一传动轴插孔和第二传动轴插孔内的传动轴3与孔壁之间形成转动连接；同时，在传动轴3上还套装有上套筒23和下套筒24，二者分别设置在第二深沟球轴承21与涡轮2之间和第一深沟球轴承22与之间，以保证驱动机构稳定；
在基座16且在邻近蜗杆1的两端还对称设置有两个轴承座18，两个轴承座18各开设有一个与蜗杆1同轴线的蜗杆插孔，且在两个蜗杆插孔内分别设置有第三深沟球轴承和第四深沟球轴承，使蜗杆1的两端分别穿装在两个蜗杆插孔内并与蜗杆插孔孔壁形成转动连接。
该骨骼髓腔预紧力加载监测装置的工作原理如下：
将该测量装置的保护套17下侧的圆柱形筒体的外表面通过骨水泥固定于骨骼上的开孔中，通过旋转手柄12驱动蜗轮蜗杆机构，使传动轴3转动，经过联轴器4将转矩传递给丝杆5，随丝杆5旋转，螺母7沿限位孔26向下运动，弹簧8受到压缩，其弹力依次通过金属片9和薄膜压力传感器10作用于植入物11上，同时通过薄膜压力传感器10实时测量植入物11表面所受到的压力的大小。
该装置可以根据所需施加的力的范围，在固定的形变量范围内，更换不同弹性系数的弹簧，以实现不同的预紧力加载条件。
Claims (5)
1.一种骨骼髓腔预紧力加载监测装置，其特征在于，包括驱动机构、加载机构和压力测量机构；其中，
所述驱动机构包括蜗杆(1)、蜗轮(2)和传动轴(3)；所述蜗杆(1)与蜗轮(2)相互啮合，所述传动轴(3)垂直于所述蜗杆(1)并插装在所述蜗轮(2)的中心孔内，使所述蜗杆(1)顺时针或逆时针转动时带动所述传动轴(3)在垂直于所述蜗杆(1)轴线的方向上往复运动；在所述蜗杆(1)的一端还连接有一个转动装置；
所述加载机构包括丝杆(5)、螺母(7)、弹簧(8)和金属垫片(9)；所述丝杆(5)与所述传动轴(3)同轴设置，且一端通过联轴器(4)与所述传动轴(3)的一端连接；所述螺母(7)螺接在丝杆(5)上，所述弹簧(8)自所述丝杆(5)的另一端套装在所述丝杆(5)外侧，且一端端面抵在所述螺母(7)的端面上、另一端端面固定在所述金属垫片(9)上；
所述压力测量机构包括压力传感器(10)和植入物(11)；所述植入物(11)、所述压力传感器(10)和所述加载机构依次设置在开设于骨骼上的开孔腔底，所述压力传感器(10)通过呈压缩状态的弹簧施加在所述金属垫片(9)上的力与所述植入物(11)紧密贴合；
在所述骨骼的开孔内设置并固定有保护套(17)；所述保护套(17)为一外径与开孔内径相适应的筒体，其顶端外壁上设有环形台；
在所述保护套(17)内套装并固定有一个内衬套(6)；所述内衬套(6)的内径大于所述弹簧(8)的外径，且在其对侧侧壁上各沿轴向开设有一个条形限位孔(26)，在所述螺母(7)的外壁上对称设有两个与所述条形限位孔(26)相适应限位块，两个所述限位块分别设置在两个条形限位孔(26)内且能够分别在两条所述条形限位孔(26)内沿轴向往复滑动；
在所述内衬套(6)的底端外壁上设有环形凸缘，所述环形凸缘的外径与所述保护套(17)的内径相适应，且在环形凸缘上设有至少一道环形密封圈(25)，使所述内衬套(6)与所述保护套(17)之间形成密封；
在所述保护套(17)上设置并固定有一个基座(16)，自所述基座(16)底面沿轴向向上依次开设有联轴器容置腔和和第一传动轴插孔，使所述联轴器(4)以存在间隙的方式设置在所述联轴器容置腔内，所述传动轴穿装在所述第一传动轴插孔内；在所述基座(16)外侧还套装有一个箱盖(15)，所述箱盖(15)可拆卸固定在所述基座(16)上，使所述驱动机构、所述加载机构和所述压力测量机构均设置在由所述基座(16)和所述箱盖(15)组成的空腔内；在所述箱盖(15)上开设有第二传动轴插孔，所述第一传动轴插孔和所述第二传动轴插孔均与所述传动轴(3)的中轴线重合，且在所述第一传动轴插孔和所述第二传动轴插孔内各设置有一个深沟球轴承，使插装在所述第一传动轴插孔和所述第二传动轴插孔内的传动轴(3)与孔壁之间形成转动连接。
2.根据权利要求1所述的骨骼髓腔预紧力加载监测装置，其特征在于，在所述基座(16)且在邻近所述蜗杆(1)的两端对称设置有两个轴承座(18)，两个所述轴承座(18)各开设有一个与所述蜗杆(1)同轴线的蜗杆插孔，且在每个所述蜗杆插孔内均设置有一个深沟球轴承，使所述蜗杆(1)的两端分别穿装在两个蜗杆插孔内并与蜗杆插孔孔壁形成转动连接。
3.根据权利要求1所述的骨骼髓腔预紧力加载监测装置，其特征在于，所述压力传感器(10)为薄膜压力传感器。
4.根据权利要求1所述的骨骼髓腔预紧力加载监测装置，其特征在于，所述植入物(11)为厚度为2mm的钛合金多孔板。
5.根据权利要求1所述的骨骼髓腔预紧力加载监测装置，其特征在于，所述转动装置包括手柄(12)和驱动杆(13)；所述驱动杆(13)的两端分别固定在蜗杆(1)和手柄(12)上，使所述蜗杆(1)随手柄(12)的旋转而发生转动。
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