CN110346207A - 一种前交叉韧带生物力学特性测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种前交叉韧带生物力学特性测量装置，包括试验台底板、Y轴滑台机构、X轴滑台机构、韧带固定端夹持机构、控制机构和驱动机构，X、Y轴滑台机构以及韧带固定端夹持机构固定于试验台底板上，X轴滑台机构和韧带固定端夹持机构相对的端部分别设有夹头；所述驱动机构包括X轴驱动机构和Y轴驱动机构，所述测量装置能够实现三个自由度的运动，分别为Y轴的平动、X轴的平动以及X轴的旋转运动；还包括若干拉力传感器，与控制机构电连接，通过拉力传感器的反馈值，获得前交叉韧带在三个运动方向受到力的生物力学特性参数。整个系统实现对ACL韧带三个方向上的生物力学特性测量实验，通过实验建立一套科学精准的数学模型，用于医用领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种前交叉韧带生物力学特性测量装置，用于对韧带所受拉张力或剪力以及在扭转状态下的生物力学特性测量，属于生物力学特性测试装置技术领域。
背景技术
前交叉韧带(Anterior Cruciate Ligament)是维持膝关节稳定的重要结构，具有重要的生理功能和意义。前交叉韧带起于胫骨髁间隆起前方偏外，止于股骨外髁内侧面的后部，由无数根纤维组成且分为前内束和后外束。前内束纤维行程较长，起始于胫骨起点前静力性的稳定结构，而且是具有独特解剖的动力结构，同时ACL具有拉张力或剪力防止胫骨前移。前交叉韧带断裂后对膝关节、关节软骨、半月板的影响很大。目前，通过生物力学对ACL的临床术后重建康复指导并不多，这也导致了目前的ACL重建手术在关键的参量控制上依然靠经验。因此，在ACL生物力学特性上需要一种科学精准的测量装置。
发明内容
本发明的目的是为ACL术后重建康复的测量提供一套科学精准的测量装置。研究ACL在受到拉张力、剪切力、扭矩时韧带的生物力学特性，建立一套科学的数学模型用于医用领域。
为解决上述技术问题本发明的构思是：
针对ACL等生物软组织，需要进行相关试验研究其材料特性。对于该生物软组织生物力学三维测量系统，需要进行的实验研究主要分三大类：沿生物软组织纤维走向方向的实验，这部分实验主要有简单拉伸实验和松弛实验；垂直于生物软组织纤维走向方向的横向拉伸实验，这部分实验主要探究横向拉力的因素对韧带的影响，对韧带横向拉力，测量其在一定位移下的拉力；绕生物软组织纤维走向方向的旋转扭矩实验，这部分主要研究旋转运动对于韧带的影响。为此，需要设计的生物软组织的生物力学特性三维实验测量平台，主要功能要求有：可以沿材料纤维方向的生物力学性能测量；可以进行横向拉力的生物力学性能测量；可以进行材料纤维方向扭转的生物力学性能测量；夹持装置可以较好地夹持生物软组织，不会出现松脱等问题；可以有一个较好交互性地上位机界面，可对各部分实验进行便捷操作。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
根据韧带拉力测试的需求，需要在沿韧带方向、垂直于韧带方向、韧带扭转方向进行拉力测量，因而拉力装置需要沿韧带方向、垂直于韧带方向运动、韧带方向旋转运动。
本设计考虑选取两个丝杆导轨滑台为韧带两个方向的拉伸提供动力，其中X轴滑台机构中还拥有一个旋转自由度，可以对ACL韧带提供一个扭转力矩。
一种前交叉韧带生物力学特性测量装置，包括试验台底板、Y轴滑台机构、X轴滑台机构、韧带固定端夹持机构、控制机构和驱动机构，
X、Y轴滑台机构以及韧带固定端夹持机构固定于试验台底板上，X轴滑台机构和韧带固定端夹持机构相对的端部分别设有夹头，用于沿X轴向固定前交叉韧带；
所述驱动机构包括X轴驱动机构和Y轴驱动机构，所述测量装置能够实现三个自由度的运动，分别为Y轴的平动、X轴的平动以及X轴的旋转运动，前两个自由度的运动由控制机构控制驱动机构运动进而驱动Y、X轴滑台机构的运动实现；
所述X轴滑台机构还固定设有旋转圆盘，X轴的旋转运动由旋转圆盘驱动；
还包括若干拉力传感器，与控制机构电连接，通过拉力传感器的反馈值，获得前交叉韧带在三个运动方向受到力的生物力学特性参数。
优选的，Y轴滑台机构的组成如下：设于底部的两个垫块，垫块上设置托板，所述托板上设置Y轴丝杆滑台机构，Y轴丝杆滑台机构包括Y轴滑台、Y轴丝杆螺母和直线导轨；
Y轴驱动机构包括步进电机，通过Y轴联轴器连接于Y轴丝杆螺母，Y轴丝杆螺母上面固定Y轴滑台，托板两侧设置直线导轨，Y轴滑台能沿直线导轨往复运动，Y轴滑台上面Y轴滑台平台上设置Y轴传感器连接块，Y轴滑台平台端部设有Y轴拉力传感器，在Y轴传感器连接块两侧设有传感器挡块，传感器挡块侧面开设螺纹孔，通过螺钉旋转固定Y轴拉力传感器；
Y轴拉力传感器外侧设有医用探钩连接块，分为上医用探钩连接块、下医用探钩连接块，上、下医用探钩连接块夹紧医用探钩，以此固定医用探钩的位置。
优选的，X轴滑台机构直接设于试验台底板上，包括X轴滑台、X轴丝杆螺母和直线导轨；X轴驱动机构包括伺服电机，通过X轴联轴器与X轴丝杆螺母固定，X轴丝杆螺母与X轴滑台固定，直线导轨设于X轴导轨座两侧，X轴滑台能沿直线导轨往复运动；
所述X轴滑台上面设有传感器垫块，传感器垫块与X轴传感器连接块固定；
旋转圆盘固定于X轴传感器连接块外侧，旋转圆盘能够旋转一定角度，旋转圆盘外侧与隔温片B固定，再与夹头底座A固定；
夹头底座A上面固定设有两个夹头A，夹头A能够在夹头底座A上平面旋转，夹头底座A两侧连接夹头挡块A，夹头挡块A侧面开螺纹孔，通过螺钉旋转固定两个夹头A；
夹头底座A下面设有半导体制冷片A和水冷箱A，水冷箱A与水箱相连，在水冷箱A下侧设有支撑板A，支撑板A两侧与夹头挡块A固定，半导体制冷片A、水冷箱A与夹头底座A固定在一起。
优选的，所述韧带固定端夹持机构包括拉力传感器固定架，拉力传感器固定架直接固定于试验台底板上，拉力传感器固定架上端连接X轴拉力传感器；
X轴拉力传感器与夹具连接块固定，夹具连接块外侧面与隔温片A连接，再与夹头底座B固定；
夹头底座B上面固定两个夹头B，夹头B能够在夹头底座B上平面旋转，夹头底座B两侧连接夹头挡块B，夹头挡块B侧面开螺纹孔，通过螺钉固定两个夹头B；
夹头底座B下面设有半导体制冷片B、水冷箱B，水冷箱B与水箱相连，在水冷箱B下侧设有支撑板B，支撑板B两侧与夹头挡块B固定，半导体制冷片B、水冷箱B与夹头底座B固定在一起。
优选的，所述控制机构基于控制器及PC机的控制系统，控制系统包括上位机、运动控制器、驱动器和执行机构，硬件包括电源、PC机、运动控制器(如：固高GTC-RC800运动控制器)和驱动器，PC机和运动控制器组成主从控制系统，控制器接收上位机的指令信号，驱动X轴驱动机构和Y轴驱动机构完成相关运动，当运动控制器接收到PC机的指令后，向驱动器发出同步控制信号，经驱动器放大后驱动相关电机，使电机按照相应的频率和角位移运行，手动控制旋转圆盘转动一定角度，拉动ACL韧带软组织，通过X轴、Y轴两侧拉力传感器的反馈值得到ACL韧带的生物力学特性参数。
本发明与现有技术相比较，具有如下突出实质特征点和显著优点：
目前国内该领域还没有科学精准的ACL测量系统，该系统与现有技术相比拥有以下优点，本发明从生物力学的角度出发，探究医生在膝关节ACL置换手术中，ACL的移植张力与横向拉力之间的关系，并构建一个可量化的数学模型，为ACL初始移植张力的测量提供理论支撑，并设计研究出一套精准高效的术中测量系统。
附图说明：
图1是ACL韧带测量系统结构框图。
图2是Y轴滑台机构的结构示意图。
图3是韧带固定端夹持机构的结构示意图。
图4是X轴滑台机构的结构示意图。
图中：1、Y轴滑台机构，2、韧带固定端夹持机构，3、试验台底板，4、X轴滑台机构，5、步进电机，6、Y轴联轴器，7、Y轴滑台平台8、Y轴传感器连接块，9、传感器挡块，10、螺钉，11、Y轴拉力传感器，12、上医用探钩连接块，13、医用探钩，14、下医用探钩连接块，15、垫块，16、Y轴丝杆螺母，17、托板，18、Y轴滑台，19、拉力传感器固定架，20、X轴拉力传感器，21、夹具连接块，22、夹头B，23、夹头挡块B，24、水冷箱B，25、半导体制冷片B，26、支撑板B，27、夹头底座B，28、隔温片A，29、伺服电机，30、X轴滑台，31、传感器垫块，32、X轴传感器连接块，33、隔温片B，34、旋转圆盘，35、夹头A，36、夹头挡块A，37、夹头底座A，38、半导体制冷片A，39、水冷箱A，40、支撑板A，41、X轴导轨座，42、X轴丝杆螺母。
具体实施方式：
本发明的使用方法结合附图说明如下：
作为医用ACL生物力学特性测量系统，在保证操作人员的安全前提下，正确安装整套系统。系统作业流程如下：首先将准备好的ACL韧带放在冷冻夹具上启动PC机、控制器、驱动器、水冷箱等控制系统，PC机下达指令控制X轴、Y轴驱动机构转动一定角度在X、Y方向上受到拉力或者扭转力时观察两个拉力传感器的反馈值。
一种前交叉韧带生物力学特性测量装置，包括试验台底板3、Y轴滑台机构1、X轴滑台机构4、韧带固定端夹持机构2、控制机构和驱动机构，
X、Y轴滑台机构以及韧带固定端夹持机构2固定于试验台底板3上，X轴滑台机构4和韧带固定端夹持机构2相对的端部分别设有夹头，用于沿X轴向固定前交叉韧带；
所述驱动机构包括X轴驱动机构和Y轴驱动机构，所述测量装置能够实现三个自由度的运动，分别为Y轴的平动、X轴的平动以及X轴的旋转运动，前两个自由度的运动由控制机构控制驱动机构运动进而驱动Y、X轴滑台机构的运动实现；
所述X轴滑台机构还固定设有旋转圆盘34，X轴的旋转运动由旋转圆盘34驱动；
还包括若干拉力传感器，与控制机构电连接，通过拉力传感器的反馈值，获得前交叉韧带在三个运动方向受到力的生物力学特性参数。
具体的说，Y轴滑台机构1的组成如下：设于底部的两个垫块15，垫块15上设置托板17，所述托板17上设置Y轴丝杆滑台机构，Y轴丝杆滑台机构包括Y轴滑台18、Y轴丝杆螺母16和直线导轨；
Y轴驱动机构包括步进电机5，通过Y轴联轴器6连接于Y轴丝杆螺母16，Y轴丝杆螺母16上面固定Y轴滑台18，托板17两侧设置直线导轨，Y轴滑台18能沿直线导轨往复运动，Y轴滑台18上面的Y轴滑台平台7上设置Y轴传感器连接块8，Y轴滑台平台7端部设有Y轴拉力传感器11，在Y轴传感器连接块8两侧设有传感器挡块9，传感器挡块9侧面开设螺纹孔，通过螺钉10旋转固定Y轴拉力传感器11；
Y轴拉力传感器11外侧设有医用探钩连接块，分为上医用探钩连接块12、下医用探钩连接块14，上、下医用探钩连接块夹紧医用探钩13，以此固定医用探钩13的位置。
具体的说，X轴滑台机构直接设于试验台底板3上，包括X轴滑台30、X轴丝杆螺母42和直线导轨；X轴驱动机构包括伺服电机29，通过X轴联轴器与X轴丝杆螺母42固定，X轴丝杆螺母42与X轴滑台30固定，直线导轨设于X轴导轨座41两侧，X轴滑台30能沿直线导轨往复运动；
所述X轴滑台30上面设有传感器垫块31，传感器垫块31与X轴传感器连接块32固定；
旋转圆盘34固定于X轴传感器连接块32外侧，旋转圆盘34能够旋转一定角度，旋转圆盘34外侧与隔温片B33固定，再与夹头底座A37固定；
夹头底座A37上面固定设有两个夹头A35，夹头A35能够在夹头底座A37上平面旋转，夹头底座A37两侧连接夹头挡块A36，夹头挡块A36侧面开螺纹孔，通过螺钉10旋转固定两个夹头A36；
夹头底座A37下面设有半导体制冷片A38和水冷箱A39，水冷箱A39与水箱相连，在水冷箱A39下侧设有支撑板A40，支撑板A40两侧与夹头挡块A36固定，半导体制冷片A38、水冷箱A39与夹头底座A37固定在一起。
具体的说，所述韧带固定端夹持机构2包括拉力传感器固定架19，拉力传感器固定架19直接固定于试验台底板3上，拉力传感器固定架19上端连接X轴拉力传感器20；
X轴拉力传感20器与夹具连接块21固定，夹具连接块21外侧面与隔温片A28连接，再与夹头底座B27固定；
夹头底座B27上面固定两个夹头B22，夹头B22能够在夹头底座B27上平面旋转，夹头底座B27两侧连接夹头挡块B23，夹头挡块B23侧面开螺纹孔，通过螺钉10固定两个夹头B22；
夹头底座B27下面设有半导体制冷片B25、水冷箱B24，水冷箱B24与水箱相连，在水冷箱B24下侧设有支撑板B26，支撑板B26两侧与夹头挡块B27固定，半导体制冷片B25、水冷箱B24与夹头底座B27固定在一起。
本发明中，所述控制机构基于控制器及PC机的控制系统，控制系统包括上位机、运动控制器、驱动器和执行机构，硬件包括电源、PC机、运动控制器(如：固高GTC-RC800运动控制器)和驱动器，PC机和运动控制器组成主从控制系统，控制器接收上位机的指令信号，驱动X轴驱动机构和Y轴驱动机构完成相关运动，当运动控制器接收到PC机的指令后，向驱动器发出同步控制信号，经驱动器放大后驱动相关电机，使电机按照相应的频率和角位移运行，手动控制旋转圆盘转动一定角度，拉动ACL韧带软组织，通过X轴、Y轴两侧拉力传感器的反馈值得到ACL韧带的生物力学特性参数。
在实验前将两处的夹持机构冷冻，保证机构的温度在零度以下，这样在实验过程中，可以保证韧带的正常生物力学特性。将ACL韧带固定在试验台上后，启动PC机，通过上位机的指令控制控制器、驱动器、电机等执行机构。此时韧带受到拉伸、剪切力、扭转力产生形变，此时再通过两个拉力传感器的反馈值得到韧带所受到的拉力数值，最后建立一套量化的科学测量模型，用于医用领域。
Claims (5)
1.一种前交叉韧带生物力学特性测量装置，包括试验台底板(3)、Y轴滑台机构(1)、X轴滑台机构(4)、韧带固定端夹持机构(2)、控制机构和驱动机构，其特征在于：
X、Y轴滑台机构以及韧带固定端夹持机构(2)固定于试验台底板(3)上，X轴滑台机构(4)和韧带固定端夹持机构(2)相对的端部分别设有夹头，用于沿X轴向固定前交叉韧带；
所述驱动机构包括X轴驱动机构和Y轴驱动机构，所述测量装置能够实现三个自由度的运动，分别为Y轴的平动、X轴的平动以及X轴的旋转运动，前两个自由度的运动由控制机构控制驱动机构运动进而驱动Y、X轴滑台机构的运动实现；
所述X轴滑台机构还固定设有旋转圆盘(34)，X轴的旋转运动由旋转圆盘(34)驱动；
还包括若干拉力传感器，与控制机构电连接，通过拉力传感器的反馈值，获得前交叉韧带在三个运动方向受到力的生物力学特性参数。
2.根据权利要求1所述的前交叉韧带生物力学特性测量装置，其特征在于：Y轴滑台机构(1)的组成如下：
设于底部的两个垫块(15)，垫块(15)上设置托板(17)，所述托板(17)上设置Y轴丝杆滑台机构，Y轴丝杆滑台机构包括Y轴滑台(18)、Y轴丝杆螺母(16)和直线导轨；
Y轴驱动机构包括步进电机(5)，通过Y轴联轴器(6)连接于Y轴丝杆螺母(16)，Y轴丝杆螺母(16)上面固定Y轴滑台(18)，托板(17)两侧设置直线导轨，Y轴滑台(18)能沿直线导轨往复运动，Y轴滑台(18)上面的Y轴滑台平台(7)上设置Y轴传感器连接块(8)，Y轴滑台平台(7)端部设有Y轴拉力传感器(11)，在Y轴传感器连接块(8)两侧设有传感器挡块(9)，传感器挡块(9)侧面开设螺纹孔，通过螺钉(10)旋转固定Y轴拉力传感器(11)；
Y轴拉力传感器(11)外侧设有医用探钩连接块，分为上医用探钩连接块(12)、下医用探钩连接块(14)，上、下医用探钩连接块夹紧医用探钩(13)，以此固定医用探钩(13)的位置。
3.根据权利要求1所述的前交叉韧带生物力学特性测量装置，其特征在于：X轴滑台机构(1)直接设于试验台底板(3)上，包括X轴滑台(30)、X轴丝杆螺母(42)和直线导轨；
X轴驱动机构包括伺服电机(29)，通过X轴联轴器与X轴丝杆螺母(42)固定，X轴丝杆螺母(42)与X轴滑台(30)固定，直线导轨设于X轴导轨座(41)两侧，X轴滑台(30)能沿直线导轨往复运动；
所述X轴滑台(30)上面设有传感器垫块(31)，传感器垫块(31)与X轴传感器连接块(32)固定；
旋转圆盘(34)固定于X轴传感器连接块(32)外侧，旋转圆盘(34)能够旋转一定角度，旋转圆盘(34)外侧与隔温片B(33)固定，再与夹头底座A(37)固定；
夹头底座A(37)上面固定设有两个夹头A(35)，夹头A(35)能够在夹头底座A(37)上平面旋转，夹头底座A(37)两侧连接夹头挡块A(36)，夹头挡块A(36)侧面开螺纹孔，通过螺钉旋转固定两个夹头A(35)；
夹头底座A(37)下面设有半导体制冷片A(38)和水冷箱A(39)，水冷箱A(39)与水箱相连，在水冷箱A(39)下侧设有支撑板A(40)，支撑板A(40)两侧与夹头挡块A(36)固定，半导体制冷片A(38)、水冷箱A(39)与夹头底座A(37)固定在一起。
4.根据权利要求1所述的前交叉韧带生物力学特性测量装置，其特征在于：所述韧带固定端夹持机构(2)包括拉力传感器固定架(19)，拉力传感器固定架(19)直接固定于试验台底板(3)上，拉力传感器固定架(19)上端连接X轴拉力传感器(20)；
X轴拉力传感器(20)与夹具连接块(21)固定，夹具连接块(21)外侧面与隔温片A(28)连接，再与夹头底座B(27)固定；
夹头底座B(27)上面固定两个夹头B(22)，夹头B能够在夹头底座B(27)上平面旋转，夹头底座B(27)两侧连接夹头挡块B(23)，夹头挡块B(23)侧面开螺纹孔，通过螺钉固定两个夹头B(22)；
夹头底座B(27)下面设有半导体制冷片B(25)、水冷箱B(24)，水冷箱B(24)与水箱相连，在水冷箱B(24)下侧设有支撑板B(26)，支撑板B(26)两侧与夹头挡块B(23)固定，半导体制冷片B(38)、水冷箱B(39)与夹头底座B(27)固定在一起。
5.根据权利要求1所述的前交叉韧带生物力学特性测量装置，其特征在于：
所述控制机构基于控制器及PC机的控制系统，控制系统包括上位机、运动控制器、驱动器和执行机构，硬件包括电源、PC机、运动控制器和驱动器，PC机和运动控制器组成主从控制系统，控制器接收上位机的指令信号，驱动X轴驱动机构和Y轴驱动机构完成相关运动，当运动控制器接收到PC机的指令后，向驱动器发出同步控制信号，经驱动器放大后驱动相关电机，使电机按照相应的频率和角位移运行，手动控制旋转圆盘转动一定角度，拉动ACL韧带软组织，通过X轴、Y轴两侧拉力传感器的反馈值得到ACL韧带的生物力学特性参数。
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