CN109830158A - 一种膝关节动态模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种膝关节动态模拟装置，包括髋关节模拟模块、大腿模拟模块和足部固定模块；其中，髋关节模拟模块包括体重模拟块、髋关节上下移动副和髋关节转动副，用于模拟人体蹲起重心变化及髋关节移动；大腿模拟模块包括模拟骨板、股四头肌连接部和腘绳肌连接部，固定标本腿股骨并与牵拉股四头肌、腘绳肌的肌腱连接，用于模拟人体蹲起时大腿肌肉的作用；足部固定模块用于固定标本腿的脚部。该装置可利用体重模拟块在重力作用下移动使标本腿膝关节弯曲，再现标本腿膝关节的运动状态，完成膝关节动态模拟。

Description

一种膝关节动态模拟装置

技术领域

本发明涉及生物医学器械技术领域，尤其涉及一种膝关节动态模拟装置。

背景技术

生物医学上在研究某项技术或者产品时，通常需要利用尸体进行测试以验证该方法或者产品的合理性及可行性。膝关节是人体中的重要关节，并且容易受到损伤，发病率较高。目前有很多针对于膝关节病的不同手术方式以及膝关节内植入物的研究。对于膝关节手术方式是否可行，内植入物设计是否合理，哪一项技术或产品更具有优势等问题，标本腿的测试以及验证具有不可或缺的价值。但是，现有技术只能对尸体进行静态的研究，并没有一种装置能够实现标本腿的膝关节屈曲的动态模拟，无法再现膝关节的规定的生理负荷和运动状态。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有技术无法实现尸体的膝关节屈曲的动态模拟的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种膝关节动态模拟装置，包括髋关节模拟模块、大腿模拟模块和足部固定模块；

所述髋关节模拟模块包括体重模拟块、髋关节上下移动副和髋关节转动副；所述体重模拟块可移动的设于所述髋关节上下移动副；所述髋关节转动副设于所述体重模拟块；

所述大腿模拟模块包括模拟骨板、股四头肌连接部和腘绳肌连接部；所述模拟骨板靠近标本腿的一端设有腿骨固定部，用于与标本腿的股骨连接，另一端通过所述髋关节转动副与所述体重模拟块可转动的连接；所述股四头肌连接部设置在所述模拟骨板的前侧，用于与标本腿前侧牵拉股内侧肌、股中间肌、股直肌以及股外侧肌的肌腱连接；所述腘绳肌连接部设置在所述模拟骨板的后侧，用于与标本腿后侧牵拉腘绳肌的肌腱连接；

所述足部固定模块设于所述髋关节上下移动副的一侧，用于固定标本腿的脚部。

优选地，所述股四头肌连接部包括第一至第三移动头，其中第一移动头与牵拉股中间肌和股直肌的肌腱连接，并能够相对于标本腿的膝关节沿股骨前侧方向移动，第二移动头和第三移动头分别与牵拉股内侧肌和股外侧肌的肌腱连接，并能够相对于标本腿的膝关节分别沿股骨内侧和外侧方向移动；

所述腘绳肌连接部包括腘绳肌外侧移动头和腘绳肌内侧移动头，分别与牵拉腘绳肌外侧和内侧的肌腱连接，并能够相对于标本腿的膝关节沿股骨平行方向移动。

优选地，还包括主控模块和大腿驱动部；

所述大腿驱动部分别与所述股四头肌连接部和所述腘绳肌连接部连接，用于驱动所述第一至第三移动头、所述腘绳肌外侧移动头和所述腘绳肌内侧移动头牵拉标本腿的肌腱移动；所述主控模块与所述大腿驱动部电连接。

优选地，还包括多个传感器；

所述第一至第三移动头、所述腘绳肌外侧移动头和所述腘绳肌内侧移动头均设有传感器，用于测量其所连接的肌腱的受力情况；各个传感器均与所述主控模块连接，并向所述主控模块反馈测量结果。

优选地，所述模拟骨板前侧和后侧设有多个轨道，所述第一至第三移动头、所述腘绳肌外侧移动头和所述腘绳肌内侧移动头各通过与所述轨道相匹配的滑块设于一个所述轨道，并能够沿各自所设的所述轨道滑动。

优选地，所述模拟骨板后侧设有两个所述轨道，两个所述轨道间隔设于所述模拟骨板的后侧平面，均平行于标本腿的股骨，用于限制所述腘绳肌外侧移动头和所述腘绳肌内侧移动头的移动轨迹；

所述大腿驱动部包括两个腘绳肌模拟电机，每个所述腘绳肌模拟电机输出端各连接一个丝杠并能够带动该丝杠转动，两个所述丝杠分别平行于两个所述轨道，所述腘绳肌外侧移动头和所述腘绳肌内侧移动头分别套设于一个所述丝杠，并能够随该丝杠转动沿各自所设的轨道移动。

优选地，所述模拟骨板前侧设有五个所述轨道，分别为限制所述第一移动头移动轨迹的中间轨道，限制所述第二移动头移动轨迹的左腿股内侧肌轨道和右腿股内侧肌轨道，以及限制所述第三移动头移动轨迹的左腿股外侧肌轨道和右腿股外侧肌轨道；

所述中间轨道相对于所述模拟骨板的前侧平面向股骨前侧方向倾斜；所述左腿股内侧肌轨道、所述左腿股外侧肌轨道、所述右腿股内侧肌轨道和所述右腿股外侧肌轨道均设于所述模拟骨板的前侧平面，所述右腿股外侧肌轨道和所述左腿股外侧肌轨道分设于所述中间轨道两侧，所述左腿股内侧肌轨道设于所述右腿股外侧肌轨道外侧，所述右腿股内侧肌轨道设于所述左腿股外侧肌轨道外侧。

优选地，所述股四头肌连接部还包括总移动头，所述第一至第三移动头均与所述总移动头连接，并通过所述总移动头与所述大腿驱动部连接，所述总移动头也设有传感器，用于测量所述第一至第三移动头拉扯肌腱的合力。

优选地，所述大腿驱动部还包括股四头肌模拟电机，所述股四头肌模拟电机的输出端与卷轮连接并能够带动所述卷轮转动；所述卷轮上缠绕有动力带，并通过所述动力带连接所述总移动头；

所述模拟骨板前侧还设有两个远端变向轮和两个近端变向轮，两个所述远端变向轮分设于所述第二移动头和所述第三移动头所在的所述轨道内侧，且位于远离标本腿的一端，两个所述近端变向轮分设于所述中间轨道的两侧，且位于靠近标本腿的一端；设于所述第二移动头和所述第三移动头的牵拉带分别无交叉的绕过一个所述远端变向轮，再绕过一个近端变向轮，连接至所述第一移动头上未设置传感器处；所述第一移动头通过总牵拉带连接至所述总移动头。

优选地，还包括支架和底座；

所述髋关节模拟模块通过所述支架竖直设于所述底座；所述足部固定模块设于所述底座。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种膝关节动态模拟装置，包括髋关节模拟模块、大腿模拟模块和足部固定模块，其中，髋关节模拟模块包括体重模拟块、髋关节上下移动副和髋关节转动副，用于模拟人体蹲起重心变化和髋关节移动；足部固定模块用于固定标本腿的脚部；大腿模拟模块包括模拟骨板、股四头肌连接部和腘绳肌连接部，模拟骨板固定标本腿股骨，股四头肌连接部和腘绳肌连接部分别与牵拉股四头肌、腘绳肌的肌腱连接，模拟人体蹲起时下肢肌肉的作用。该装置解决了现有技术无法实现尸体的膝关节屈曲的动态模拟的问题，依靠体重模拟块在重力作用下移动使标本腿膝关节弯曲，再现标本腿膝关节的运动状态，模拟人下蹲，以更好地验证胫股关节和髌股关节的生物力学变化等问题。

该装置还包括主控模块和大腿驱动部，可实现控制大腿模拟模块，模拟肌肉收缩速度，从而控制标本腿下蹲的速度，模拟生活中人的步行，上下楼，如厕需要的动作时的肌肉发力等。使针对膝关节的手术或产品有更多的选择进行更全面的验证，为临床手术技术以及产品的改进提供可靠的依据。

附图说明

图1是本发明实施例中膝关节动态模拟装置正侧立体结构示意图；

图2是图1中A部分的放大图；

图3是本发明实施例中膝关节动态模拟装置背侧立体结构示意图；

图4是图3中B部分的放大图；

图5是本发明实施例中膝关节动态模拟装置正视图；

图6是图5中C部分的放大图。

图中：11：体重模拟块；121：体重模拟丝杠；122：导向杆；13：髋关节转动副；

2：大腿模拟模块；21：模拟骨板；22：腿骨固定部；23：传感器；241：远端变向轮；242：近端变向轮；251：左腿股内侧肌轨道；252：右腿股外侧肌轨道；253：中间轨道；254：左腿股外侧肌轨道；255：右腿股内侧肌轨道；26：牵拉带；261：总牵拉带；262：动力带；27：连接带；28：丝杠；29：滑块；

3：足部固定模块：

41：主电机；42：股四头肌模拟电机；43：腘绳肌模拟电机；

51：支架；52：底座；521：万向轮；6：标本腿。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明中的方位词“上”、“下”指的是尸体标本腿保持直立状态时的上方、下方。

如图1至图6所示，本发明实施例提供的一种膝关节动态模拟装置，包括髋关节模拟模块、大腿模拟模块2和足部固定模块3，其中：

如图1所示，髋关节模拟模块包括体重模拟块11、髋关节上下移动副和髋关节转动副13。体重模拟块11可移动的设于髋关节上下移动副，即体重模拟块11设于髋关节上下移动副并能够沿髋关节上下移动副上下移动，用于模拟人体重心的上下移动。髋关节转动副13设于体重模拟块11，用于模拟髋关节转动。

大腿模拟模块2包括模拟骨板21、股四头肌连接部和腘绳肌连接部。模拟骨板21靠近标本腿6的一端设有腿骨固定部22，用于与标本腿6的股骨连接，另一端通过髋关节转动副13与体重模拟块11可转动的连接，即模拟骨板21与髋关节转动副13连接(髋关节转动副13与体重模拟块11连接)，并可相对于体重模拟块11转动，用于模拟股骨。股四头肌连接部设置在模拟骨板21的前侧，用于与标本腿6前侧牵拉股内侧肌、股中间肌、股直肌以及股外侧肌的肌腱连接，模拟股骨前侧的股四头肌对标本腿6膝关节的牵拉作用。腘绳肌连接部设置在模拟骨板21的后侧，用于与标本腿6后侧牵拉腘绳肌的肌腱连接，模拟股骨后侧的腘绳肌对标本腿6膝关节的牵拉作用。此处的方位词“前”、“后”是相对于安装于该装置后的标本腿6而言，即标本腿6脚尖指向方向为前。

足部固定模块3设于髋关节上下移动副的一侧，位于体重模拟块11的下方，用于固定标本腿6的脚部，避免体重模拟块11模拟人体重心的上下移动时，标本腿6的脚部发生移动，影响膝关节的受力情况。

由于现有技术中没有一种可以复现尸体标本腿6膝关节运动状态的装置，很多针对于膝关节病的不同手术方式以及膝关节内植入物的研究是受到限制的，例如不同方式的前膝关节韧带重建手术后，或全膝关节置换用不同类型假体后，膝关节的受力状况或运动轨迹是否发生了改变等，这些问题无法在静态的尸体上进行验证。

而本发明提供了一种适用于各种膝关节手术的膝关节动态模拟装置，包括髋关节模拟模块、大腿模拟模块2和足部固定模块3，该装置固定标本腿6的脚部，并连接标本腿6的股骨和牵拉股四头肌、腘绳肌的肌腱，依靠髋关节模拟模块和大腿模拟模块2带动标本腿6的大腿部分与小腿部分发生相对转动，模拟人体屈伸膝关节的动作，再现了膝关节的运动状态。该装置可与其他测量装置配合使用，用以研究膝关节胫股关节和髌股关节的运动学和力学变化等。本发明提供的膝关节动态模拟装置能够为手术技术以及膝关节手术产品的研发提供更有效合理的实验支撑。

优选地，本发明提供的膝关节动态模拟装置其股四头肌连接部包括第一至第三移动头(即第一移动头、第二移动头和第三移动头)，其中，第一移动头与标本腿6中牵拉股中间肌和股直肌的肌腱连接，并能够相对于标本腿6的膝关节沿股骨前侧方向移动，用于模拟股中间肌和股直肌对膝关节的拉伸作用。第二移动头和第三移动头分别与标本腿6中牵拉股内侧肌和股外侧肌的肌腱连接，并能够相对于标本腿6的膝关节分别沿股骨内侧和外侧方向移动，用于分别模拟股内侧肌和股外侧肌对膝关节的拉伸作用。

腘绳肌连接部包括腘绳肌外侧移动头和腘绳肌内侧移动头，分别与牵拉腘绳肌外侧和内侧的肌腱连接，并能够相对于标本腿6的膝关节沿股骨平行方向移动。即，腘绳肌外侧移动头和腘绳肌内侧移动头均设置在标本腿6股骨后方，平行于股骨移动。考虑到腘绳肌在人体蹲起的动作中并非主要发力肌群，本发明未对膝关节处牵拉腘绳肌的肌腱进行细分，而是设置了外、内两个平行间隔的受力点，简化了装置的复杂度和使用难度。

本发明提供的膝关节动态模拟装置为了更合理、有效地复现膝关节运动状态，采用了不同的移动头，沿人体腿部肌肉受力方向拉伸其对应的肌腱。特别是股四头肌连接部，优选地，第一移动头的移动方向相对于标本腿6的股骨向前成角5°。第二移动头的移动方向与股骨位于同一平面，向内侧方向斜，与股骨成角35°。第三移动头的移动方向与股骨位于同一平面，向外侧方向斜，与股骨成角20°。此处所述的“向前”、“向内侧”和“向外侧”均是指以股骨靠近膝关节的一端为原点，以股骨的轴线为起始线，分别“向前”、“向内侧”和“向外侧倾斜。其中“前”、“内”和“外”均是相对于标本腿6而言。

优选地，该膝关节动态模拟装置还包括主控模块和大腿驱动部，大腿驱动部分别与股四头肌连接部和腘绳肌连接部连接，用于驱动第一至第三移动头、腘绳肌外侧移动头和腘绳肌内侧移动头牵拉标本腿6的肌腱移动。主控模块与大腿驱动部电连接，用于控制大腿驱动部的工作状况。

进一步优选地，还包括髋关节驱动部，髋关节驱动部与髋关节模拟模块连接，用于驱动体重模拟块11沿髋关节上下移动副移动。

加入主控模块和大腿驱动部、髋关节驱动部使得该装置更为灵活多变且容易操控。体重模拟块11在自身重力作用下可沿髋关节上下移动副下移，模拟下蹲。加入髋关节驱动部可调控体重模拟块11上移，或调控其上下移动速度，配合大腿驱动部调控大腿模拟模块2模拟不同情形的肌肉发力速度，可控制标本腿6以实际需要的模式实现反复蹲起，模拟生活中例如人的步行、上下楼、如厕等多种动作的动态过程。

优选地，该膝关节动态模拟装置还包括多个传感器23。第一至第三移动头、腘绳肌外侧移动头和腘绳肌内侧移动头均设有传感器23。即，至少第一至第三移动头、腘绳肌外侧移动头和腘绳肌内侧移动头各设有一个传感器23，用于测量其所连接的肌腱的受力情况；各个传感器23均与主控模块连接，并向主控模块反馈测量结果。

设置多个传感器23可测量标本腿6在动态过程中各个肌腱所承受的拉力，有助于使用者研究人体不同动作中股四头肌和腘绳肌分别对膝关节产生的作用力，以便更准确地分析膝关节的受力状况，例如术前、术后是否存在差异等。进一步优选地，主控模块能够根据多个传感器23反馈的测量结果，生成相应的控制指令并发送，调整大腿驱动部和/或髋关节驱动部的输出参数，控制该装置模拟肌肉不同的收缩速度，复现膝关节不同动态。

如图2至图6所示，优选地，模拟骨板21前侧和后侧均设有多个轨道，第一至第三移动头、腘绳肌外侧移动头和腘绳肌内侧移动头各通过与轨道相匹配的滑块29设于一个轨道，并能够沿各自所设的轨道滑动。即，模拟骨板21至少前侧设有三个轨道，后侧设有两个轨道，每个轨道上均设有与之相匹配的、可移动的滑块29，第一至第三移动头、腘绳肌外侧移动头和腘绳肌内侧移动头分别设于一个滑块29上，并能沿该滑块29所在的轨道移动。通过轨道和滑块29的配合，可控制各个肌腱沿模拟膝关节动态所需的方向移动。

在一个优选的实施例中，如图3和图4所示，模拟骨板21后侧设有两个轨道，两个轨道间隔设于模拟骨板21的后侧平面，均平行于标本腿6的股骨，用于限制腘绳肌外侧移动头和腘绳肌内侧移动头的移动轨迹，使得腘绳肌外侧移动头和腘绳肌内侧移动头能够沿平行于股骨的方向，在股骨后方牵拉标本腿6中相应的肌腱。

大腿驱动部包括两个腘绳肌模拟电机43，每个腘绳肌模拟电机43的输出端各连接一个丝杠28并能够带动该丝杠28转动，如图4所示，本实施例中，丝杠28通过丝杠固定座设于轨道的一侧，腘绳肌模拟电机43的输出端与相应的丝杠28通过齿轮连接(图4中为简洁省略了部分固定用螺钉)，两个丝杠28分别平行于两个轨道。腘绳肌外侧移动头和腘绳肌内侧移动头分别套设于一个丝杠28，并与该丝杠28相互配合，能够随该丝杠28转动沿丝杠28的轴向移动，即可在丝杠28驱动下沿各自所设的轨道移动。

需要说明的是，本实施例介绍了一种通过电机与丝杠配合实现驱动腘绳肌外侧移动头和腘绳肌内侧移动头移动的方案，但不限于仅采用该方案，实际上采用现有技术中其他的驱动方案也可以实现驱动腘绳肌外侧移动头和腘绳肌内侧移动头沿各自设置的轨道移动。

另外，考虑到标本腿6分左右腿，股外侧肌和股内侧肌具有相对性，腘绳肌外侧移动头和腘绳肌内侧移动头是便于说明而定义的，具有相对性，即切换左右腿时，股外侧肌和股内侧肌发生了互换，腘绳肌外侧移动头和腘绳肌内侧移动头也在概念上发生了互换，但实际并不需要将一侧轨道上的移动头拆卸下来换至另一侧。

在另一个优选的实施例中，如图2、图5和图6所示，模拟骨板21前侧设有五个轨道，分别为：用于限制第一移动头移动轨迹的中间轨道253，用于限制第二移动头移动轨迹的左腿股内侧肌轨道251和右腿股内侧肌轨道255，以及用于限制第三移动头移动轨迹的左腿股外侧肌轨道254和右腿股外侧肌轨道252。

其中，中间轨道253相对于模拟骨板21的前侧平面向股骨前侧方向倾斜，中间轨道253在模拟骨板21的前侧平面的投影沿标本腿6股骨方向。优选地，如图1所示，模拟骨板21的中间部分设有楔形凸块，该楔形凸块远离标本腿6的一端高于靠近标本腿6的另一端，中间轨道253设于该楔形凸块上，实现相对于股骨前侧方向倾斜。

如图6所示，左腿股内侧肌轨道251、左腿股外侧肌轨道254、右腿股内侧肌轨道255和右腿股外侧肌轨道252均设于模拟骨板21的前侧平面，向标本腿6股骨的两侧倾斜，且均为远离标本腿6的一端到股骨方向的垂线距离大于靠近标本腿6的另一端到股骨方向的垂线距离。右腿股外侧肌轨道252和左腿股外侧肌轨道254分设于中间轨道253两侧，右腿股内侧肌轨道255和右腿股外侧肌轨道252分设于中间轨道253两侧，左腿股内侧肌轨道251和左腿股外侧肌轨道254分设于中间轨道253两侧。左腿股内侧肌轨道251设于右腿股外侧肌轨道252外侧，右腿股内侧肌轨道255设于左腿股外侧肌轨道254外侧，此处的外侧是指相对于股骨方向的垂线距离较大，即，具体远离标本腿6远近相同的情况下，左腿股内侧肌轨道251到股骨方向的垂线距离大于右腿股外侧肌轨道252，右腿股内侧肌轨道255到股骨方向的垂线距离大于左腿股外侧肌轨道254。若使用者面对该装置站立，从使用者的左侧到右侧，五个轨道依次为：左腿股内侧肌轨道251、右腿股外侧肌轨道252、中间轨道253、左腿股外侧肌轨道254和右腿股内侧肌轨道255。

优选地，右腿股外侧肌轨道252和左腿股外侧肌轨道254与股骨方向夹角为20°，左腿股内侧肌轨道251和右腿股内侧肌轨道255与股骨方向夹角为35°。

当测试用标本腿6为左腿时，第一移动头设于中间轨道253，第二移动头设于左腿股内侧肌轨道251，第三移动头设于左腿股外侧肌轨道254。当标本腿6为右腿时，第二移动头设于右腿股内侧肌轨道255，第三移动头设于右腿股外侧肌轨道252，即该装置即适用于左腿，又适用于右腿，通用性好，且切换方便。

此外，第二移动头与第三移动头是便于说明而定义的，具有相对性，实际使用时，为便于切换，以左腿切换为右腿为例，可将左腿股内侧肌轨道251上的移动头就近切换到右腿股外侧肌轨道252，将左腿股外侧肌轨道254上的移动头就近切换到右腿股内侧肌轨道255，即测试左腿时的第二移动头概念上变为了测试右腿时的第三移动头，但实际不需要跨越中间轨道253进行交换。

优选地，股四头肌连接部还包括总移动头，第一至第三移动头均与总移动头连接，并通过总移动头与大腿驱动部连接，总移动头也设有传感器23，用于测量第一至第三移动头拉扯肌腱的合力。

此处设置总移动头的优势在于一方面能够更好的模拟人体肌肉对膝关节的牵拉作用情况，另一方面可在分别测量第一至第三移动头牵拉肌腱受力情况的基础上，再增多测量一个总的合力。

进一步优选地，如图1所示，大腿驱动部还包括股四头肌模拟电机42，股四头肌模拟电机42的输出端与卷轮连接，并能够带动卷轮转动。卷轮上缠绕有动力带262，并通过动力带262连接总移动头。转动卷轮缠绕动力带262即可同时牵动第一至第三移动头拉扯肌腱。

优选地，为简化装置，总移动头可以只包括传感器23，如图2和图6所示，第二移动头和第三移动头分别通过牵拉带26连接至第一移动头上未设置传感器23处，避免第二移动头和第三移动头影响第一移动头的传感器23测量其单独牵拉股中间肌和股直肌的肌腱的受力情况。优选地，第二移动头和第三移动头通过牵拉带26分别连接至第一移动头的两侧。第一移动头通过总牵拉带261连接至总移动头的传感器23测量端，总移动头的传感器23测量第一至第三移动头牵拉各自肌腱的合力。

优选地，模拟骨板21前侧还设有两个远端变向轮241和两个近端变向轮242，设置远端变向轮241和近端变向轮242可改变牵拉第二移动头和第三移动头的牵拉带26的作用力方向，以便于更准确的测量第一至第三移动头合力。

两个远端变向轮241分设于第二移动头和第三移动头所在的轨道内侧，且位于远离标本腿6的一端。以标本腿6为右腿为例，一个远端变向轮241位于右腿股内侧肌轨道255和左腿股外侧肌轨道254之间，靠近右腿股内侧肌轨道255内侧，另一个远端变向轮241位于右腿股外侧肌轨道252和中间轨道253之间，靠近右腿股外侧肌轨道252的内侧。优选地，两个远端变向轮241均靠近其附近轨道的顶端，超出第二移动头和第三移动头的行程，使设于第二移动头和第三移动头的牵拉带26尽量靠近其自身移动轨迹，避免牵拉带26受到的作用力与第二移动头和第三移动头牵拉各自的肌腱的力偏差过大，影响测量第一至第三移动头合力的准确性。进一步优选地，两个远端变向轮241可拆卸的设于模拟骨板21上，方便调整其位置，切换左右腿时，调整第二移动头和第三移动头的同时调整两个远端变向轮241位置。

两个近端变向轮242分设于中间轨道253的两侧，且位于靠近标本腿6的一端。如图2和图6所示，设于第二移动头和第三移动头的牵拉带26分别无交叉的绕过一个远端变向轮241后，再绕过一个近端变向轮242，连接至第一移动头的两侧。优选地，两个近端变向轮242的间距不应过大，避免第二移动头和第三移动头通过牵拉带26与第一移动头连接时，向两侧的分力过大，影响合力的测量结果。进一步优选地，如图6所示，两个近端变向轮242的间距约等于第一移动头的宽度，经过近端变向轮242后，设于第二移动头和第三移动头的牵拉带26均与中间轨道253平行。

需要说明的是，本实施例介绍了一种通过股四头肌模拟电机与卷轮配合实现同时驱动第一至第三移动头移动的方案，但不限于仅采用此方案，实际上，采用现有技术中其他的驱动方案也可以实现驱动第一至第三移动头。例如，若不考虑设置总移动头，即不测量第一至第三移动头拉扯肌腱的合力，则可以采用与上述腘绳肌外侧移动头和腘绳肌内侧移动头相同的驱动方案，利用电机与丝杠28相互配合实现分别驱动第一至第三移动头，电机驱动可改为液压驱动等方式。

为更便于使用，优选地，该装置还包括支架51和底座52，髋关节模拟模块通过支架51竖直设于底座52。足部固定模块3设于底座52。进一步优选地，底座52底部还设有四个万向轮521，方便使用者移动该装置。

在一个优选的实施例中，如图1至图6所示，髋关节上下移动副包括至少两根平行设置的导向杆122，体重模拟块11套设在导向杆122上，能够在重力的作用下沿各导向杆122向下移动，实现模拟屈膝动作。

考虑到便于控制体重模拟块11升起，或控制其下落速度，优选地，髋关节驱动部包括体重模拟丝杠121和主电机41，体重模拟丝杠121与体重模拟块11相互配合，体重模拟丝杠121转动时，体重模拟块11沿体重模拟丝杠121和导向杆122的轴向移动。主电机41的输出端与体重模拟丝杠121连接，能够带动体重模拟丝杠121转动，实现移动体重模拟块11，模拟人体蹲起时重心的变化。

髋关节转动副13包括基座和可相对于基座转动的转动端，基座设于体重模拟块11前侧面，优选为体重模拟块11前侧面中间，转动端与模拟骨板21的顶端(即远离标本腿6的一端)连接。

如图1所示，模拟骨板21的主体可采用顶端较宽、底端较窄的板材，其底部设有腿骨固定部22，腿骨固定部22呈管状并设有轴向开口，可调节固定股骨的松紧度，其内部设有多个增加摩擦力的凸齿，使用时腿骨固定部22的管口下端套设于标本腿6的股骨上端，可采用外接的紧固装置紧固。各个轨道为设于模拟骨板21前、后表面的凹槽，相对应的滑块29设于凹槽内并可沿所设凹槽滑动。优选地，凹槽行程末端设有阻挡块，防止滑块29脱出各自所设轨道。

优选地，第一至第三移动头、腘绳肌外侧移动头和腘绳肌内侧移动头均包括凸形移动座，凸形移动座通过滑块29嵌设于相对应的凹槽内，其朝向标本腿6的一侧设有传感器23，传感器23为力传感器，如图2和图6所示，其测量端分别通过连接带27与各自对应牵拉的肌腱连接，即设于第一移动头的传感器23测量端通过连接带27与牵拉股中间肌和股直肌的肌腱连接，设于第二移动头的传感器23测量端通过连接带27与牵拉股内侧肌的肌腱连接，设于第三移动头的传感器23测量端通过连接带27与牵拉股外侧肌的肌腱连接。对于第二移动头和第三移动头，其凸形移动座背向标本腿6的一侧分别通过牵拉带26连接至第一移动头的凸形移动座两侧，第一移动头的凸形移动座背向标本腿6的一侧通过总牵拉带261连接至总移动头的传感器23测量端，总移动头的传感器23的背向测量端的一侧通过动力带262连接至设于模拟骨板21顶部的卷轮。其中，各连接带27、各牵拉带26、总牵拉带261及动力带262可选钢丝或其相近产品。

优选地，足部固定模块3包括带立沿的足形槽，用于放置并固定标本腿6的脚部。进一步优选地，底座52可采用方箱，方箱顶部设有足部固定滑轨，足部固定模块3设于足部固定滑轨上并能够沿足部固定滑轨移动，调节标本腿6脚部到髋关节上下移动副的相对位置。

优选地，如图1所示，髋关节上下移动副后方设有三角结构的支架51，用于支撑髋关节上下移动副，确保体重模拟块11能够沿垂直底座52的方向上下移动且不会轻易晃动，以免干扰模拟过程或测试结果。

当人体下蹲时，如果没有股四头肌以及腘绳肌的牵拉作用，将直接跌坐在地上，正因为股四头肌和腘绳肌的有效作用，人类才可以控制自己下蹲的姿势和速度。

使用时，在标本腿6下蹲过程中，体重模拟块11作用使标本腿6有下蹲趋势，股四头肌连接部和腘绳肌连接部开始对标本腿6施加作用力，主控模块和大腿驱动部配合工作，模拟肌肉持续牵拉膝关节，可达到匀速下蹲的效果。在标本腿6站起过程中，主控模块和大腿驱动部、髋关节驱动部配合工作，髋关节驱动部驱动体重模拟丝杠121转动，带动体重模拟块11升起，大腿驱动部驱动股四头肌连接部和腘绳肌连接部移动，模拟大腿肌肉的收缩，达到标本腿6站起的效果，再现膝关节规定生理负荷和运动。通过主控模块设置体重模拟块11以及股四头肌连接部和腘绳肌连接部的移动行程，可控制标本腿6下蹲与站起的极点位置，完成一个或多个周期的蹲起膝关节运动，并可调节蹲起速度的大小。该装置可模拟不同的膝关节屈伸动作，调节方便，通用性好，配合其他设备使用能够完成更为全面、可靠的尸体验证。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种膝关节动态模拟装置，其特征在于：包括髋关节模拟模块、大腿模拟模块和足部固定模块；

所述髋关节模拟模块包括体重模拟块、髋关节上下移动副和髋关节转动副；所述体重模拟块可移动的设于所述髋关节上下移动副；所述髋关节转动副设于所述体重模拟块；

所述大腿模拟模块包括模拟骨板、股四头肌连接部和腘绳肌连接部；所述模拟骨板靠近标本腿的一端设有腿骨固定部，用于与标本腿的股骨连接，另一端通过所述髋关节转动副与所述体重模拟块可转动的连接；所述股四头肌连接部设置在所述模拟骨板的前侧，用于与标本腿前侧牵拉股内侧肌、股中间肌、股直肌以及股外侧肌的肌腱连接；所述腘绳肌连接部设置在所述模拟骨板的后侧，用于与标本腿后侧牵拉腘绳肌的肌腱连接；

所述足部固定模块设于所述髋关节上下移动副的一侧，用于固定标本腿的脚部。

2.根据权利要求1所述的膝关节动态模拟装置，其特征在于：

所述股四头肌连接部包括第一至第三移动头，其中第一移动头与牵拉股中间肌和股直肌的肌腱连接，并能够相对于标本腿的膝关节沿股骨前侧方向移动，第二移动头和第三移动头分别与牵拉股内侧肌和股外侧肌的肌腱连接，并能够相对于标本腿的膝关节分别沿股骨内侧和外侧方向移动；

所述腘绳肌连接部包括腘绳肌外侧移动头和腘绳肌内侧移动头，分别与牵拉腘绳肌外侧和内侧的肌腱连接，并能够相对于标本腿的膝关节沿股骨平行方向移动。

3.根据权利要求2所述的膝关节动态模拟装置，其特征在于：

还包括主控模块和大腿驱动部；

所述大腿驱动部分别与所述股四头肌连接部和所述腘绳肌连接部连接，用于驱动所述第一至第三移动头、所述腘绳肌外侧移动头和所述腘绳肌内侧移动头牵拉标本腿的肌腱移动；所述主控模块与所述大腿驱动部电连接。

4.根据权利要求3所述的膝关节动态模拟装置，其特征在于：

还包括多个传感器；

所述第一至第三移动头、所述腘绳肌外侧移动头和所述腘绳肌内侧移动头均设有传感器，用于测量其所连接的肌腱的受力情况；各个传感器均与所述主控模块连接，并向所述主控模块反馈测量结果。

5.根据权利要求4所述的膝关节动态模拟装置，其特征在于：

所述模拟骨板前侧和后侧设有多个轨道，所述第一至第三移动头、所述腘绳肌外侧移动头和所述腘绳肌内侧移动头各通过与所述轨道相匹配的滑块设于一个所述轨道，并能够沿各自所设的所述轨道滑动。

6.根据权利要求5所述的膝关节动态模拟装置，其特征在于：

所述模拟骨板后侧设有两个所述轨道，两个所述轨道间隔设于所述模拟骨板的后侧平面，均平行于标本腿的股骨，用于限制所述腘绳肌外侧移动头和所述腘绳肌内侧移动头的移动轨迹；

所述大腿驱动部包括两个腘绳肌模拟电机，每个所述腘绳肌模拟电机输出端各连接一个丝杠并能够带动该丝杠转动，两个所述丝杠分别平行于两个所述轨道，所述腘绳肌外侧移动头和所述腘绳肌内侧移动头分别套设于一个所述丝杠，并能够随该丝杠转动沿各自所设的轨道移动。

7.根据权利要求5或6所述的膝关节动态模拟装置，其特征在于：

所述模拟骨板前侧设有五个所述轨道，分别为限制所述第一移动头移动轨迹的中间轨道，限制所述第二移动头移动轨迹的左腿股内侧肌轨道和右腿股内侧肌轨道，以及限制所述第三移动头移动轨迹的左腿股外侧肌轨道和右腿股外侧肌轨道；

所述中间轨道相对于所述模拟骨板的前侧平面向股骨前侧方向倾斜；所述左腿股内侧肌轨道、所述左腿股外侧肌轨道、所述右腿股内侧肌轨道和所述右腿股外侧肌轨道均设于所述模拟骨板的前侧平面，所述右腿股外侧肌轨道和所述左腿股外侧肌轨道分设于所述中间轨道两侧，所述左腿股内侧肌轨道设于所述右腿股外侧肌轨道外侧，所述右腿股内侧肌轨道设于所述左腿股外侧肌轨道外侧。

8.根据权利要求7所述的膝关节动态模拟装置，其特征在于：

所述股四头肌连接部还包括总移动头，所述第一至第三移动头均与所述总移动头连接，并通过所述总移动头与所述大腿驱动部连接，所述总移动头也设有传感器，用于测量所述第一至第三移动头拉扯肌腱的合力。

9.根据权利要求8所述的膝关节动态模拟装置，其特征在于：

所述大腿驱动部还包括股四头肌模拟电机，所述股四头肌模拟电机的输出端与卷轮连接并能够带动所述卷轮转动；所述卷轮上缠绕有动力带，并通过所述动力带连接所述总移动头；

所述模拟骨板前侧还设有两个远端变向轮和两个近端变向轮，两个所述远端变向轮分设于所述第二移动头和所述第三移动头所在的所述轨道内侧，且位于远离标本腿的一端，两个所述近端变向轮分设于所述中间轨道的两侧，且位于靠近标本腿的一端；设于所述第二移动头和所述第三移动头的牵拉带分别无交叉的绕过一个所述远端变向轮，再绕过一个近端变向轮，连接至所述第一移动头上未设置传感器处；所述第一移动头通过总牵拉带连接至所述总移动头。

10.根据权利要求1所述的膝关节动态模拟装置，其特征在于：还包括支架和底座；所述髋关节模拟模块通过所述支架竖直设于所述底座；所述足部固定模块设于所述底座。