CN109785723A - 一种简易肘关节生物力学实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种简易肘关节生物力学实验系统，涉及肘关节生物力学实验技术领域，其技术方案要点是：包括安装架和上位机，安装架连接有肘关节机构；肘关节机构设有第一角度传感器和第二角度传感器；前臂的端部设有前臂髓内旋转应力机构；前臂髓内旋转应力机构连接有第一牵重装置和第二牵重装置；肘关节机构表面套接有模拟肌肉结构；模拟肌肉结构内部设有压力传感器；安装架设有信息采集模块和信息传输模块。具有在可自由调节肘关节屈伸角度，任意角度模拟肘关节不同应力条件的同时，还能够模拟出肘关节表面肌肉组织结构的生物力学特征，从而便于全方位的模拟研究肘关节做屈伸运动过程中的生物力学特征的效果。
Description
技术领域
本发明涉及肘关节生物力学实验技术领域，更具体地说，它涉及一种简易肘关节生物力学实验系统。
背景技术
人类健全的生存，需要肘关节做不同幅度的活动或运动，肘关节是人体唯一能够同时并灵活实现屈曲和内旋外旋两种复合运动的关节。作为肩关节和手的联结，肘关节在上肢功能中处于重要地位：它不但可以拓展手的活动空间而且还可以为手的运动提供动力、稳定性和准确性。因此，研究肘关节的生物力学性质和行为，对肘关节的运动形式进行分析并建立其运动的实验模型必将使人类对自身运动有更深入的了解，并为对人体运动做更深入、更准确的研究提供可靠的依据。生物力学是用力学的方法来研究生物系统的结构和功能，提供分析和研究生物系统及其组成元素的行为的方法。因此，肘关节生物力学实验模型是研究分析肘关节生物力学系统必要且有效的工具。
现有的肘关节生物力学实验模拟装置，主要包括支撑架和安装在支撑架上与支撑架铰接的模拟肘关节结构；肘关节结构中的前臂连接有为前臂提供提供肘关节轴向加压载荷的加压装置。
现有技术中，肘关节生物力学实验模拟装置通过模拟出的肘关节结构及为肘关节结构提供加压荷载的加压装置来模拟出肘关节做屈伸运动过程的生物力学特征的变量，没有模拟出附着人体肘关节的骨表面的肌肉组织在肘关节做屈伸运动过程中的生物力学特征，从而不方便全方位的模拟研究肘关节做屈伸运动过程中的生物力学特征。
发明内容
本发明的目的是提供一种简易肘关节生物力学实验系统，具有可自由调节肘关节屈伸角度，任意角度模拟肘关节不同应力条件的同时，还能够模拟出肘关节表面肌肉组织结构的生物力学特征，从而便于全方位的模拟研究肘关节做屈伸运动过程中的生物力学特征。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种简易肘关节生物力学实验系统，包括安装架和上位机，所述安装架连接有肘关节机构；所述肘关节机构包括与安装架连接的肩关节球铰、与肩关节球铰连接的上臂、与上臂转动连接的肘关节转动副和与肘关节转动副连接的前臂；所述安装架与肩关节球铰连接处设有第一角度传感器；所述肘关节转动副与安装架连接处设有第二角度传感器；所述前臂远离肘关节转动副的端部设有前臂髓内旋转应力机构；所述内旋应力机构连接有扭力测试仪；所述前臂髓内旋转应力机构连接有提供前臂的内外翻加压载荷的第一牵重装置；所述前臂靠近肘关节转动副的表面连接有提供肘关节轴向加压载荷的第二牵重装置；所述肘关节机构表面套接有模拟肌肉结构；所述模拟肌肉结构内部设有压力传感器；所述安装架安装有与信息采集模块和与信息采集模块连接的信息传输模块；所述第一角度传感器、第二角度传感器连接、压力传感器和扭力测试仪与信息采集模块连接；所述信息传输模块与上位机通讯连接；所述安装架安装有供电装置。
本发明进一步设置为：所述前臂髓内旋转应力机构包括与前臂的尺骨内部插接的髓内钉、与前臂表面固定连接的瞄准器和设置在瞄准器的瞄准环内固定钉；所述第一牵重装置和扭力测试仪与髓内钉伸出尺骨外的端部连接。
本发明进一步设置为：所述信息采集模块包括与第一角度传感器、第二角度传感器连接、压力传感器和扭力测试仪连接的信息处理器和与信息处理器连接的数据存储器；所述信息处理器和数据存储器与信息传输模块连接。
本发明进一步设置为：所述第一牵重装置包括与安装架固定连接的第一滑轮、与髓内钉伸出尺骨外的端部连接的第一牵引绳和与牵引绳端部可拆卸连接的第一配重块；所述第二牵重装置包括与安装架固定连接的第二滑轮、与前臂靠近肘关节转动副的表面连接的第二牵引绳和与第二牵引绳端部可拆卸连接的第二配重块。
本发明进一步设置为：所述肩关节球铰固定连接有固定杆；所述固定杆远离肩关节球铰的端部与安装架转动连接。
本发明进一步设置为：所述信息传输模块为蓝牙信号接收器。
本发明进一步设置为：所述模拟肌肉结构为具有弹性形变的有机硅胶塑料材质制成。
本发明具有以下有益效果：通过肘关节机构、模拟肌肉结构、第一牵重装置、第二牵重装置、第一角度传感器、第二角度传感器、压力传感器、信息采集模块、信息传输模块和上位机构成的肘关节生物力学实验系统，能够自由调节肘关节屈伸角度，为肘关节提供内外翻应力、前臂旋转应力和肘关节轴向应力，可在任意角度模拟肘关节不同应力条件，基本满足了肘关节生物力学实验中所需的变量；同时，能够模拟出的模拟肌肉结构在肘关节做屈伸运动过程中的生物力学特征，通过上位机将肘关节做屈伸运动的生物力学特征与附着肘关节表面的模拟肌肉结构的生物力学特征，便于全方位的模拟研究肘关节做屈伸运动过程中的生物力学特征。
附图说明
图1是本发明实施例中的结构示意图；
图2是本发明实施例中结构框图。
图中：1、安装架；2、上位机；3、肩关节球形铰；4、上臂；5、肘关节转动副；6、前臂；7、第一角度传感器；8、第二角度传感器；9、扭力测试仪；10、模拟肌肉结构；11、压力传感器；12、蓝牙信号接收器；13、信息传输模块；14、供电装置；15、髓内钉；16、瞄准器；17、固定钉；18、信息处理器；19、数据存储器；20、第一滑轮；21、第一牵引绳；22、第一配重块；23、第二滑轮；24、第二牵引绳；25、第二配重块；26、固定杆。
具体实施方式
以下结合附图1-2对本发明作进一步详细说明。
实施例：一种简易肘关节生物力学实验系统，如图1和图2所示，包括安装架1和上位机2，安装架1连接有肘关节机构。肘关节机构包括与安装架1连接的肩关节球铰、与肩关节球铰连接的上臂4、与上臂4转动连接的肘关节转动副5和与肘关节转动副5连接的前臂6。安装架1与肩关节球铰连接处设有第一角度传感器7。肘关节转动副5与安装架1连接处设有第二角度传感器8。前臂6远离肘关节转动副5的端部设有前臂6髓内旋转应力机构。内旋应力机构连接有扭力测试仪9。前臂6髓内旋转应力机构连接有提供前臂6的内外翻加压载荷的第一牵重装置。前臂6靠近肘关节转动副5的表面连接有提供肘关节轴向加压载荷的第二牵重装置。肘关节机构表面套接有模拟肌肉结构10。模拟肌肉结构10内部设有压力传感器11。安装架1安装有与信息采集模块和与信息采集模块连接的信息传输模块13。第一角度传感器7、第二角度传感器8连接、压力传感器11和扭力测试仪9与信息采集模块连接。信息传输模块13与上位机2通讯连接。安装架1安装有供电装置14。
在本实施例中，在使用肘关节生物力学实验系统进行实验的过程中，通过肩关节球铰、上臂4、肘关节转动副5和前臂6构成的肘关节机构，便于自由调节肘关节屈伸角度，且能同时为肘关节提供三个方向的应力，即内外翻应力、前臂6旋转应力和肘关节轴向应力，从而模拟出人体肘关节做屈伸运动的生物力学特征。通过第一牵重装置和第二牵重装置，便于牵引肘关节机构做屈伸运动。通过第一角度传感器7，便于感应肩关节球铰做屈伸运动过程中的角度变化信息。然后第一角度传感器7将感应到的该角度变化信息传递至信息采集模块，信息采集模块接收到该角度变化信息后对该信息进行处理，然后信息采集模块将该角度变化信息传递信息传输模块13，信息传输模块13接收到该信息后将该信息传递至上位机2，上位机2接收到该信息后通过上位机2内安装的肘关节生物力学运动分析软件将该信息进行整合分析。通过第二角度传感器8，便于感应前臂6以肘关节转动副5为转动轴做外旋和内旋运动的角度变化信息，然后第二角度传感器8将感受到的该角度变形传递至信息采集模块，然后信息采集模块对该角度变化信息进行处理后将该角度变化信息传递至信息传送模块，信息传输模块13接收到该信息后将该信息传递至上位机2，上位机2接收到该信息后通过上位机2内安装的肘关节生物力学运动分析软件将该信息进行整合分析。通过模拟肌肉结构10，便于模拟出肘关节屈伸过程中肌肉组织的生物力学特征。通过压力传感器11，便于感受肘关节做屈伸运动过程中模拟肌肉结构10内部发生形变所产生的压力信息，然后压力传感器11将感受到的压力信息传递至信息采集模块，信息采集模块对该压力信息进行处理后将该压力信息通过信息传输模块13传递至上位机2，上位机2接收到该信息后通过上位机2内安装的肘关节生物力学运动分析软件将该信息进行整合分析。通过肘关节机构、模拟肌肉结构10、第一牵重装置、第二牵重装置、第一角度传感器7、第二角度传感器8、压力传感器11、信息采集模块、信息传输模块13和上位机2构成的肘关节生物力学实验系统，能够自由调节肘关节屈伸角度，为肘关节提供内外翻应力、前臂6旋转应力和肘关节轴向应力，可在任意角度模拟肘关节不同应力条件，基本满足了肘关节生物力学实验中所需的变量。同时，能够模拟出的模拟肌肉结构10在肘关节做屈伸运动过程中的生物力学特征，通过上位机2将肘关节做屈伸运动的生物力学特征与附着肘关节表面的模拟肌肉结构10的生物力学特征，从而能够全方位的模拟研究肘关节做屈伸运动过程中的生物力学特征。
前臂6髓内旋转应力机构包括与前臂6的尺骨内部插接的髓内钉15、与前臂6表面固定连接的瞄准器16和设置在瞄准器16的瞄准环内固定钉17。第一牵重装置和扭力测试仪9与髓内钉15伸出尺骨外的端部连接。
在本实施例中，通过髓内钉15、与前臂6表面固定连接的瞄准器16和固定钉17构成的前臂6内旋转应力机构，便于模拟出肘关节在第二牵重装置提供的内外翻加压载荷情况下的肘关节的生物力学特征。通过扭力测试仪9，便于测量出前臂6做内旋外翻运动过程中的扭力矩。
信息采集模块包括与第一角度传感器7、第二角度传感器8连接、压力传感器11和扭力测试仪9连接的信息处理器18和与信息处理器18连接的数据存储器19。信息处理器18和数据存储器19与信息传输模块13连接。
在本实施例中，通过信息处理器18，对接收到第一角度传感器7、第二角度传感器8连接、压力传感器11和扭力测试仪9传递的信息进行处理分析，然后将接收到的信息传递至数据存储器19进行存储。同时，数据存储器19将存储的数据信息通过信息传输模块13传递至上位机2。
第一牵重装置包括与安装架1固定连接的第一滑轮20、与髓内钉15伸出尺骨外的端部连接的第一牵引绳21和与牵引绳端部可拆卸连接的第一配重块22。第二牵重装置包括与安装架1固定连接的第二滑轮23、与前臂6靠近肘关节转动副5的表面连接的第二牵引绳24和与第二牵引绳24端部可拆卸连接的第二配重块25。
在本实施例中，通过第一滑轮20、第一牵引绳21和第一配重块22构成的第一牵重装置，便于为前臂6提供内翻加压载荷和外翻加压载荷。同时，第一配重块22和第一牵引绳21可拆卸连接，便于更换不同质量的第一配重块22为前臂6提供不同大小的内翻加压载荷和外翻加压载荷。通过第二滑轮23、第二牵引绳24和第二配重块25构成的第二牵重装置，便于为前臂6提供肘关节轴向加压载荷。同时，第二配重块25和第二牵引绳24之间可拆卸连接，使得能够更换不同质量大小的第二配重块25为前臂6提不同大小的肘关节轴向加压荷载。
肩关节球铰固定连接有固定杆26。固定杆26远离肩关节球铰的端部与安装架1转动连接。
在本实施例中，通过固定杆26，便于肩关节球铰与安装架1之间的连接固定。通过固定杆26与安装架1的转动连接，便于肩关节球铰能够做自由屈伸运动。
信息传输模块13为蓝牙信号接收器12。
在本实施例中，通过蓝牙信息接收器，便于将信息采集模块采集到的肘关节做屈伸运动过程中的生物力学特征的信息变量传递至上位机2。
模拟肌肉结构10为具有弹性形变的有机硅胶塑料材质制成。
在本实施例中，通过具有弹性形变的有机硅胶塑料材质制成的模拟肌肉结构10，使得能够模拟肌肉结构10能够稳定附着在肘关节的骨表面，从而能够根据肘关节做屈伸运动模拟出人体肘关节骨表面肌肉组织的生物力学特征。
工作原理：在使用肘关节生物力学实验系统进行实验的过程中，通过肩关节球铰、上臂4、肘关节转动副5和前臂6构成的肘关节机构，便于自由调节肘关节屈伸角度，且能同时为肘关节提供三个方向的应力，即内外翻应力、前臂6旋转应力和肘关节轴向应力，从而模拟出人体肘关节做屈伸运动的生物力学特征。通过第一牵重装置和第二牵重装置，便于牵引肘关节机构做屈伸运动。通过第一角度传感器7，便于感应肩关节球铰做屈伸运动过程中的角度变化信息。然后第一角度传感器7将感应到的该角度变化信息传递至信息采集模块，信息采集模块接收到该角度变化信息后对该信息进行处理，然后信息采集模块将该角度变化信息传递信息传输模块13，信息传输模块13接收到该信息后将该信息传递至上位机2，上位机2接收到该信息后通过上位机2内安装的肘关节生物力学运动分析软件将该信息进行整合分析。通过第二角度传感器8，便于感应前臂6以肘关节转动副5为转动轴做外旋和内旋运动的角度变化信息，然后第二角度传感器8将感受到的该角度变形传递至信息采集模块，然后信息采集模块对该角度变化信息进行处理后将该角度变化信息传递至信息传送模块，信息传输模块13接收到该信息后将该信息传递至上位机2，上位机2接收到该信息后通过上位机2内安装的肘关节生物力学运动分析软件将该信息进行整合分析。通过模拟肌肉结构10，便于模拟出肘关节屈伸过程中肌肉组织的生物力学特征。通过压力传感器11，便于感受肘关节做屈伸运动过程中模拟肌肉结构10内部发生形变所产生的压力信息，然后压力传感器11将感受到的压力信息传递至信息采集模块，信息采集模块对该压力信息进行处理后将该压力信息通过信息传输模块13传递至上位机2，上位机2接收到该信息后通过上位机2内安装的肘关节生物力学运动分析软件将该信息进行整合分析。通过肘关节机构、模拟肌肉结构10、第一牵重装置、第二牵重装置、第一角度传感器7、第二角度传感器8、压力传感器11、信息采集模块、信息传输模块13和上位机2构成的肘关节生物力学实验系统，能够自由调节肘关节屈伸角度，为肘关节提供内外翻应力、前臂6旋转应力和肘关节轴向应力，可在任意角度模拟肘关节不同应力条件，基本满足了肘关节生物力学实验中所需的变量。同时，能够模拟出的模拟肌肉结构10在肘关节做屈伸运动过程中的生物力学特征，通过上位机2将肘关节做屈伸运动的生物力学特征与附着肘关节表面的模拟肌肉结构10的生物力学特征，能够在肘关节生物力学实验中全方位得模拟出肘关节屈伸运动过程中的生物力学特征及实验中所需的变量。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (7)
1.一种简易肘关节生物力学实验系统，包括安装架(1)和上位机(2)，其特征是：所述安装架(1)连接有肘关节机构；所述肘关节机构包括与安装架(1)连接的肩关节球铰、与肩关节球铰连接的上臂(4)、与上臂(4)转动连接的肘关节转动副(5)和与肘关节转动副(5)连接的前臂(6)；所述安装架(1)与肩关节球铰连接处设有第一角度传感器(7)；所述肘关节转动副(5)与安装架(1)连接处设有第二角度传感器(8)；所述前臂(6)远离肘关节转动副(5)的端部设有前臂(6)髓内旋转应力机构；所述内旋应力机构连接有扭力测试仪(9)；所述前臂(6)髓内旋转应力机构连接有提供前臂(6)的内外翻加压载荷的第一牵重装置；所述前臂(6)靠近肘关节转动副(5)的表面连接有提供肘关节轴向加压载荷的第二牵重装置；所述肘关节机构表面套接有模拟肌肉结构(10)；所述模拟肌肉结构(10)内部设有压力传感器(11)；所述安装架(1)安装有与信息采集模块和与信息采集模块连接的信息传输模块(13)；所述第一角度传感器(7)、第二角度传感器(8)连接、压力传感器(11)和扭力测试仪(9)与信息采集模块连接；所述信息传输模块(13)与上位机(2)通讯连接；所述安装架(1)设有供电装置(14)。
2.根据权利要求1所述的一种简易肘关节生物力学实验系统，其特征是：所述前臂(6)髓内旋转应力机构包括与前臂(6)的尺骨内部插接的髓内钉(15)、与前臂(6)表面固定连接的瞄准器(16)、设置在瞄准器(16)的瞄准环内固定钉(17)；所述第一牵重装置和扭力测试仪(9)与髓内钉(15)伸出尺骨外的端部连接。
3.根据权利要求1所述的一种简易肘关节生物力学实验系统，其特征是：所述信息采集模块包括与第一角度传感器(7)、第二角度传感器(8)连接、压力传感器(11)和扭力测试仪(9)连接的信息处理器(18)和与信息处理器(18)连接的数据存储器(19)；所述信息处理器(18)和数据存储器(19)与信息传输模块(13)连接。
4.根据权利要求1所述的一种简易肘关节生物力学实验系统，其特征是：所述第一牵重装置包括与安装架(1)固定连接的第一滑轮(20)、与髓内钉(15)伸出尺骨外的端部连接的第一牵引绳(21)和与牵引绳端部可拆卸连接的第一配重块(22)；所述第二牵重装置包括与安装架(1)固定连接的第二滑轮(23)、与前臂(6)靠近肘关节转动副(5)的表面连接的第二牵引绳(24)和与第二牵引绳(24)端部可拆卸连接的第二配重块(25)。
5.根据权利要求1所述的一种简易肘关节生物力学实验系统，其特征是：所述模拟肌肉结构(10)为具有弹性形变的有机硅胶塑料材质制成。
6.根据权利要求1所述的一种简易肘关节生物力学实验系统，其特征是：所述肩关节球铰固定连接有固定杆(26)；所述固定杆(26)远离肩关节球铰的端部与安装架(1)转动连接。
7.根据权利要求1所述的一种简易肘关节生物力学实验系统，其特征是：所述信息传输模块(13)为蓝牙信号接收器(12)。
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Granted publication date: 20210316 |