CN111257140B - 人工韧带体外仿真疲劳模拟及在线力学监测同步测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人工韧带体外仿真疲劳模拟及在线力学监测同步测试装置及测试方法，属于生物医用纺织品疲劳性能测试装置技术领域。测试装置包括计算机、织物强力仪、在线力学监测组件、拉伸疲劳测试装置组件、屈曲疲劳测试装置组件和扭转疲劳测试装置组件。本发明在体外模拟人自体前交叉韧带在拉伸、屈曲和扭转多重载荷的受力环境下，考察不同定力拉伸载荷、屈曲角度及扭转角度时，人工韧带的耐疲劳性能，为人工韧带体外疲劳模拟测试提供一种较为仿真的测试方法，同时实时监测和获取人工韧带受力情况以预测其服役期限，为人工韧带的研发提供一定的理论参考依据。

Description

人工韧带体外仿真疲劳模拟及在线力学监测同步测试装置及 方法

技术领域

本发明涉及一种人工韧带体外仿真疲劳模拟及在线力学监测同步测试装置及测试方法，属于生物医用纺织品疲劳性能测试装置技术领域。

背景技术

前交叉韧带是控制膝关节活动的主要稳定结构，其在膝关节韧带中最易受到损伤。据报道，美国每年约有20万例前交叉韧带损伤病例。前交叉韧带组织缺乏血液营养供给，很难发生内源性愈合，因此大多采用手术进行重建治疗。目前国内外主要采用自体移植物进行前交叉韧带替换重建，但存在来源受限以及供区损伤等一系列无法避免的缺陷。相比较人工韧带材料来源较广泛，不损伤自体组织，术后恢复较快，是目前韧带移植物的理想替代材料。但是对移植失败的人工韧带进行分析，发现大多数移植失败的人工韧带移植物中都出现了不可恢复的过度伸长以及由于膝关节的反复屈曲扭转从而导致失效断裂等情况。因此，人工韧带的耐多重载荷疲劳性能是评价其使用寿命的重要因素之一。目前国内外对于人工韧带移植物疲劳性能研究较少，大多研究仅限于对人工韧带进行反复定伸长或定负荷拉伸以测试其耐疲劳性能，但这些测试方法明显与人工韧带在膝关节内的受力情况不符。目前仅有少数专利文献述及膝关节生物力学性能检测装置，例如：中国专利CN2759385发明了一种膝关节生物力学性能测试装置，通过测量膝关节在不同屈曲角度下前交叉韧带的受力以及变形情况，分析前交叉韧带组织结构的生物力学特性，但其未考虑前交叉韧带在横断面上的扭转运动。中国专利CN205568950U设计了一种生物力学试验仪，通过对前交叉韧带施加不同大小的扭矩以判断不同韧带防止膝关节过旋作用的显著程度，但其未考虑前交叉韧带在矢状面上的屈曲运动以及在冠状面上的拉伸运动。中国申请专利CN110346207A发明了一种可对前交叉韧带进行拉伸和扭转测试的生物力学特性测量装置，但其不适用于纺织基人工韧带的疲劳测试。此外，上述专利都无法在体外疲劳模拟的同时同步在线采集人工韧带的受力情况。基于上述临床应用现状以及目前在韧带生物力学研究领域亟需解决的一些问题，需要开发一种针对纺织基人工韧带进行生物力学特性检测的体外疲劳模拟测试装置，以在更为仿真的条件下尽可能地在体外建立模拟关节腔内人工韧带的受力环境，同时实时监测和获取人工韧带在多重复杂载荷作用下的力学数据，以预测其服役期限，为人工韧带的研发以及临床上对于人工韧带的选用提供一定的理论参考依据。

发明内容

本发明的目的是为解决在更为仿真的条件下尽可能地在体外建立模拟关节腔内人工韧带的受力环境，同时可以实时监测和获取人工韧带在多重复杂载荷作用下的力学数据的技术问题。

为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种人工韧带体外仿真疲劳模拟及在线力学监测同步测试装置，包括计算机、织物强力仪、在线力学监测组件、拉伸疲劳测试装置组件、屈曲疲劳测试装置组件和扭转疲劳测试装置组件；所述织物强力仪与计算机连接；所述拉伸疲劳测试装置组件通过在线力学监测组件与织物强力仪连接；所述屈曲疲劳测试装置组件通过升降台一与织物强力仪连接；所述扭转疲劳测试装置组件通过升降台二与织物强力仪连接。

优选地，所述在线力学监测组件包括力学传感器。

优选地，所述拉伸疲劳测试装置组件远离在线力学监测组件的一端设有夹持待检测人工韧带的上夹持装置，另一端与在线力学监测组件连接。

优选地，所述屈曲疲劳测试装置组件包括支撑体、滑杆、压缩弹簧和顶杆；所述C字形支撑杆开口处设有T字形的顶杆，C字形支撑杆中轴线与T字形的顶杆中轴线重合；所述顶杆的杆端设于支撑杆开口处外侧，顶杆的底座卡设于支撑杆开口处内侧；顶杆的底座中心与C字形支撑杆底部中心设有的中心孔之间设有滑杆，滑杆外周套设有压缩弹簧；所述滑杆一端与顶杆的底座固定连接，滑杆的另一端设于支撑杆底部中心孔中。

优选地，所述的扭转疲劳测试装置组件包括夹持机构、扭转机构和连接结构；所述的夹持机构包括夹持副部和夹持主体；所述夹持副部和夹持主体均设为半圆柱体，夹持主体的一端设有可夹持待检测人工韧带一端的夹持副部；夹持主体的另一端设有固定连接织物强力仪的所述的连接结构；所述夹持机构通过所连接的扭转机构使夹持机构可以来回往复的原位旋转。

优选地，所述的连接结构包括连接套筒和连接基座，所述夹持主体外周套设有连接套筒，连接套筒远离夹持机构的一端设有连接织物强力仪的连接基座。

优选地，所述的扭转机构包括扭转齿轮、转盘、伺服电机、连杆、往复直线齿条、滑块和滑槽；所述扭转齿轮中轴线垂直穿设有所述夹持主体；扭转齿轮与往复直线齿条啮合连接；所述往复直线齿条的齿条背面设有滑块，滑块设于所述滑槽内；所述连杆的一端通过滑块与往复直线齿条背面连接，所述连杆的另一端通过所述转盘与伺服电机连接。

优选地，所述升降台一和升降台二可根据所述屈曲疲劳测试装置组件和扭转疲劳测试装置组件的测试要求调节高度，上下高度调节范围设为100-300mm。

优选地，所述扭转疲劳测试装置组件的扭转齿轮半径设为25-50mm；转盘半径设为30-60mm；连杆长度设为60-120mm；齿条长度设为80-100mm。

本发明还提供一种人工韧带体外仿真疲劳模拟及在线力学监测同步测试装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤1：准备实验材料：准备量程为100、500或2500N的力学传感器，准备半径为25-50mm的扭转齿轮，准备半径为30-60mm的转盘，准备长度为60-120mm连杆,准备长度为80-100mm的齿条，准备人工韧带试样,长度L为20-100mm，直径D为4-10mm，可进行聚氨酯、胶原、壳聚糖、海藻酸钠等涂层或不涂层；

步骤2：检查部件和安装试样：将拉伸疲劳测试装置组件通过螺纹与织物强力仪连接固定，上夹持装置夹持人工韧带试样上端；将扭转疲劳测试装置组件的织物强力仪连接基座通过带头销钉与织物强力仪连接固定，调整齿条至滑槽中心位置，夹持副部和夹持主体夹持人工韧带试样下端；调节升降台一和升降台二相对于织物强力仪底座高度为100-300mm；

步骤3：设置实验参数：设置织物强力仪进行载荷大小在0-2500N之间的定伸长力测试，频率为1-10Hz；屈曲疲劳测试装置组件的顶杆前端支撑人工韧带试样，使人工韧带试样初始屈曲角度在0-60度范围内，在上夹持装置向上拉伸的同时，人工韧带试样屈曲角度逐渐减小至0度，此时压缩弹簧被顶杆压缩；在返回初始隔距时，压缩弹簧逐渐回复，带动顶杆回复，人工韧带试样屈曲角度亦同时回复到初始状态；调整转盘和连杆的定位销位置，连杆带动齿条作固定动程往复运动，使得扭转齿轮在对应于人体韧带的扭转角度-45-+45度范围内转动，扭转频率与定伸长力频率一致；

步骤4：测试和记录：开始测试，观察在拉伸、屈曲和扭转多重载荷作用下人工韧带试样的表观形态变化以及记录多重载荷加载次数，同时在线力学监测组件实时监测并采集人工韧带试样受力情况；当人工韧带试样被多重载荷加载200万次或断裂时，即停止实验，记录人工韧带试样的拉伸载荷(N)或断裂时间(h)；

步骤5：进行实验评价，评价方法1：在其它条件相同的情况下，对不同定力拉伸载荷、屈曲角度、扭转角度的人工韧带试样进行测试，评价人工韧带试样的耐疲劳性能；在体外仿真疲劳模拟第200万次时，在线力学监测组件采集到人工韧带试样拉伸载荷越大，其耐疲劳性能越好，结构更为合理；评价方法2：在其它条件相同的情况下，对不同定力拉伸载荷、屈曲角度、扭转角度的人工韧带试样进行测试，评价人工韧带试样的耐疲劳性能；人工韧带试样表观结构出现断裂时间越长，其耐疲劳性能越好，结构更为合理。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的测试装置通过给纺织基人工韧带施加拉伸、屈曲和扭转等三个自由度的载荷，根据临床上对于韧带受力情况的研究确定定伸长力、屈曲角度、扭转角度等一系列测试参数，在体外模拟人体韧带在体内的真实受力环境，同时亦可根据测试需要，进行单一拉伸、屈曲或扭转疲劳测试，填补纺织基人工韧带在生物力学性能方面测试仪器的研究空白。

(2)本发明的测试装置通过设置在线力学监测组件采集实时力学参数，通过定性和定量的测试条件，获取表观形态以及数据化的耐疲劳性能测试结果，从而为纺织基人工韧带的疲劳破坏机理研究以及产品开发提供参考依据。

附图说明

图1是本发明一种人工韧带体外仿真疲劳模拟及在线力学监测同步测试装置结构示意图；

图2是本发明一种人工韧带体外仿真疲劳模拟及在线力学监测同步测试装置整体结构示意图；

图3是本发明一种人工韧带体外仿真疲劳模拟及在线力学监测同步测试装置在线力学监测组件和拉伸疲劳测试装置组件图；

图4是本发明一种人工韧带体外仿真疲劳模拟及在线力学监测同步测试装置屈曲疲劳测试装置组件图；

图5本发明一种人工韧带体外仿真疲劳模拟及在线力学监测同步测试装置扭转疲劳测试装置组件正面主视示意图；

图6本发明一种人工韧带体外仿真疲劳模拟及在线力学监测同步测试装置扭转疲劳测试装置组件反面后视示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：

如图1-6所示，本发明提供了一种人工韧带体外仿真疲劳模拟及在线力学监测同步测试装置，包括计算机1、织物强力仪2、在线力学监测组件3、拉伸疲劳测试装置组件4、屈曲疲劳测试装置组件5和扭转疲劳测试装置组件6；织物强力仪2与计算机1连接；拉伸疲劳测试装置组件4通过在线力学监测组件3与织物强力仪2连接；屈曲疲劳测试装置组件5通过升降台一7与织物强力仪2连接；扭转疲劳测试装置组件6通过升降台二8与织物强力仪2连接。在线力学监测组件3包括力学传感器31。拉伸疲劳测试装置组件4远离在线力学监测组件3的一端设有夹持待检测人工韧带的上夹持装置41，另一端与在线力学监测组件3连接。屈曲疲劳测试装置组件5包括支撑体51、滑杆52、压缩弹簧53和顶杆54；C字形支撑杆51开口处设有T字形的顶杆54，C字形支撑杆51中轴线与T字形的顶杆54中轴线重合；顶杆的杆端设于支撑杆开口处外侧，顶杆54的底座卡设于支撑杆51开口处内侧；顶杆54的底座中心与C字形支撑杆51底部中心设有的中心孔之间设有滑杆52，滑杆52外周套设有压缩弹簧53；滑杆52一端与顶杆54的底座固定连接，滑杆的另一端设置于支撑杆51底部中心孔中。扭转疲劳测试装置组件6包括夹持机构、扭转机构和连接结构；夹持机构包括夹持副部61和夹持主体62；夹持副部61和夹持主体62均设为半圆柱体，夹持主体62的一端设有可夹持待检测人工韧带一端的夹持副部61；夹持主体62的另一端设有固定连接织物强力仪的所述的连接结构；夹持机构通过所连接的扭转机构使夹持机构可来回往复的原位旋转。连接结构包括连接套筒64和连接基座65，夹持主体62外周套设有连接套筒64，连接套筒64远离夹持机构的一端设有连接织物强力仪2的连接基座65。扭转机构包括扭转齿轮63、转盘66、伺服电机67、连杆68、往复直线齿条69、滑块610和滑槽；扭转齿轮63中轴线垂直穿设有夹持主体62；扭转齿轮63与往复直线齿条69啮合连接；往复直线齿条69的齿条背面设置有滑块610，滑块610设于滑槽内；连杆68的一端通过滑块610与往复直线齿条69背面连接，连杆68的另一端通过转盘66与伺服电机67连接。升降台一7和升降台二8可根据屈曲疲劳测试装置组件5和扭转疲劳测试装置组件6的测试要求调节高度，上下高度调节范围设为100-300mm。扭转疲劳测试装置组件6的扭转齿轮63半径设为25-50mm；转盘66半径设为30-60mm；连杆68长度设为60-120mm；齿条69长度设为80-100mm。

一种人工韧带体外仿真疲劳模拟及在线力学监测同步测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：准备实验材料：准备量程为100、500或2500N的力学传感器，准备半径为25-50mm的扭转齿轮，准备半径为30-60mm的转盘，准备长度为60-120mm连杆,准备长度为80-100mm的齿条，准备人工韧带试样,长度L为20-100mm，直径D为4-10mm，可进行聚氨酯、胶原、壳聚糖、海藻酸钠等涂层或不涂层；

步骤2：检查部件和安装试样：将拉伸疲劳测试装置组件通过螺纹与织物强力仪连接固定，上夹持装置夹持人工韧带试样上端；将扭转疲劳测试装置组件的织物强力仪连接基座通过带头销钉与织物强力仪连接固定，调整齿条至滑槽中心位置，夹持副部和夹持主体夹持人工韧带试样下端；调节升降台一和升降台二相对于织物强力仪底座高度为100-300mm；

步骤3：设置实验参数：设置织物强力仪进行载荷大小在0-2500N之间的定伸长力测试，频率为1-10Hz；屈曲疲劳测试装置组件的顶杆前端支撑人工韧带试样，使人工韧带试样初始屈曲角度在0-60度范围内，在上夹持装置向上拉伸的同时，人工韧带试样屈曲角度逐渐减小至0度，此时压缩弹簧被顶杆压缩；在返回初始隔距时，压缩弹簧逐渐回复，带动顶杆回复，人工韧带试样屈曲角度亦同时回复到初始状态；调整转盘和连杆的定位销位置，连杆带动齿条作固定动程往复运动，使得扭转齿轮在对应于人体韧带的扭转角度-45-+45度范围内转动，扭转频率与定伸长力频率一致；

步骤4：测试和记录：开始测试，观察在拉伸、屈曲和扭转多重载荷作用下人工韧带试样的表观形态变化以及记录多重载荷加载次数，同时在线力学监测组件实时监测并采集人工韧带试样受力情况；当人工韧带试样被多重载荷加载200万次或断裂时，即停止实验，记录人工韧带试样的拉伸载荷(N)或断裂时间(h)；

步骤5：进行实验评价，评价方法1：在其它条件相同的情况下，对不同定力拉伸载荷、屈曲角度、扭转角度的人工韧带试样进行测试，评价人工韧带试样的耐疲劳性能；在体外仿真疲劳模拟第200万次时，在线力学监测组件采集到人工韧带试样拉伸载荷越大，其耐疲劳性能越好，结构更为合理；评价方法2：在其它条件相同的情况下，对不同定力拉伸载荷、屈曲角度、扭转角度的人工韧带试样进行测试，评价人工韧带试样的耐疲劳性能；人工韧带试样表观结构出现断裂时间越长，其耐疲劳性能越好，结构更为合理。

为了更清晰说明本发明的各机构结构和效果，下面结合附图和优选实例对本发明作详细讲解。

图1是本发明的人工韧带体外仿真疲劳模拟及力学监测同步测试装置示意图。包括计算机1、织物强力仪2、在线力学监测组件3、拉伸疲劳测试装置组件4、屈曲疲劳测试装置组件5和扭转疲劳测试装置组件6。

图2是本发明的人工韧带体外仿真疲劳模拟及力学监测同步测试装置整体图。包括计算机1、织物强力仪2、在线力学监测组件3、拉伸疲劳测试装置组件4、屈曲疲劳测试装置组件5和扭转疲劳测试装置组件6。织物强力仪2通过串口线与计算机1连接，在线力学监测组件3通过单头螺栓与织物强力仪2固定连接，拉伸疲劳测试装置组件4通过螺纹与织物强力仪2连接，屈曲疲劳测试装置组件5通过螺纹与升降台一7固定连接，升降台一7通过螺纹与织物强力仪2底座固定连接。扭转疲劳测试装置组件6通过螺纹与升降台二8固定连接，升降台二8通过螺纹与织物强力仪2底座固定连接。

图3是本发明的人工韧带体外仿真疲劳模拟及力学监测同步测试装置在线力学监测组件和拉伸疲劳测试装置组件图。在线力学监测组件3包括力学传感器31，通过单头螺栓与织物强力仪2固定。拉伸疲劳测试装置组件4包括上夹持装置41，通过带头销钉与在线力学监测组件3固定连接。

图4是本发明的人工韧带体外仿真疲劳模拟及力学监测同步测试装置屈曲疲劳测试装置组件图。包括支撑体51、滑杆52、压缩弹簧53和顶杆54，顶杆54为“T”字型结构，对称中心开有小孔；支撑体51对称中心开有小孔，滑杆52一端与顶杆54螺纹连接，另一端与支撑体51连接，压缩弹簧53套在滑杆52外，一端与顶杆54接触，另一端与支撑体51接触。

图5和图6是本发明的人工韧带体外仿真疲劳模拟及力学监测同步测试装置扭转疲劳测试装置组件图。包括夹持副部61、夹持主体62、扭转齿轮63、连接套筒64、织物强力仪连接基座65、转盘66、伺服电机67、连杆68、齿条69和滑块610。测试时夹持副部61和夹持主体62夹持人工韧带下端，通过螺丝螺母紧固。伺服电机67带动转盘66转动，转盘66上刻有长槽，通过定位销与连杆68连接，连杆68带动滑块610在滑槽内作往复直线运动。齿条69与滑块610通过螺纹紧固，齿条69亦作往复直线运动。扭转齿轮63与齿条69相互啮合作轴向扭转运动，扭转齿轮63通过键实现轴向定位，轴向与夹持主体62过盈配合。连接套筒64通过螺丝螺母与夹持主体62固定，织物强力仪连接基座65通过带头销钉与织物强力仪2连接固定。升降台一7和升降台二8可根据屈曲疲劳测试装置组件5和扭转疲劳测试装置组件6的测试要求，调节上下高度为100-300mm。在线力学监测组件中力学传感器量程为100、500或2500N。拉伸疲劳测试装置组件中上夹持装置材料为铝合金。屈曲疲劳测试装置组件中支撑体材料为铝合金，压缩弹簧材料为铜，滑杆和顶杆材料均为不锈钢。扭转疲劳测试装置组件中夹持副部、夹持主体、连接套筒、织物强力仪连接基座，转盘、连杆和滑块材料均为铝合金，扭转齿轮和齿条材料为尼龙。扭转齿轮半径为25-50mm，转盘半径为30-60mm，连杆长度为60-120mm，齿条长度为80-100mm。

实施例1

本实例记录了一种人工韧带体外仿真疲劳模拟测试方法，具体测试步骤如下：

(1)准备实验材料：准备量程为500N的力学传感器31，准备半径为25mm的扭转齿轮63，准备半径为30mm的转盘66，准备长度为80mm连杆68,准备长度为80mm的齿条69，准备人工韧带试样A1,长度L1为30mm，直径D1为5mm，不进行涂层；

(2)检查部件和安装试样：将拉伸疲劳测试装置组件4通过螺纹与织物强力仪2连接固定，上夹持装置41夹持人工韧带试样A1上端；将扭转疲劳测试装置组件6的织物强力仪连接基座65通过带头销钉与织物强力仪2连接固定，调整齿条69至滑槽中心位置，夹持副部61和夹持主体62夹持人工韧带试样A1下端；升降台一7和升降台二8高度均调节相对于织物强力仪2底座为250mm；

(3)设置实验参数：设置织物强力仪2进行定力拉伸载荷为100N的定伸长力测试，频率为4Hz；屈曲疲劳测试装置组件5的顶杆54前端支撑人工韧带试样A1，使人工韧带试样A1初始屈曲角度为30度，在上夹持装置41向上拉伸的同时人工韧带试样A1屈曲角度逐渐减小至0度，此时压缩弹簧53被顶杆54压缩，在返回初始隔距时，压缩弹簧53逐渐回复带动顶杆54回复，人工韧带试样A1屈曲角度亦同时回复到初始状态；调整转盘66和连杆68的定位销位置，连杆68带动齿条69作固定动程往复运动，使得扭转齿轮63在对应于人体韧带的扭转角度-15-+15度范围内转动，扭转频率与定伸长力频率一致；

(4)测试和记录：开始测试，观察在拉伸、屈曲和扭转多重载荷作用下人工韧带试样A1的表观形态变化以及记录多重载荷加载次数，同时在线力学监测组件3实时监测并采集人工韧带试样A1受力情况。根据标准《无源外科植入物人工韧带专用要求(YY/T 0965-2014)》，当人工韧带试样A1被多重载荷加载200万次时，即停止实验，记录人工韧带试样A1的拉伸载荷N1＝57.28N；

(5)对照测试，在测试步骤(3)中，调节定力拉伸载荷为250N，其它条件不变，重复步骤(1)到(4)，记录人工韧带试样A1的拉伸载荷N2＝54.34N；

(6)对照测试，在测试步骤(3)中，调节定力拉伸载荷为400N，其它条件不变，重复步骤(1)到(4)，记录人工韧带试样A1的拉伸载荷N3＝49.88N；

(7)评价人工韧带试样A1耐疲劳性能：通过本装置和本测试方法，对不同定力拉伸载荷的人工韧带试样A1进行测试。在体外仿真疲劳模拟第200万次时，在线力学监测组件3监测到人工韧带试样A1拉伸载荷越大，其耐疲劳性能越好，其结构更为合理。根据测试结果可知，拉伸载荷大小顺序为N1(57.28N)>N2(54.34N)>N3(49.88N)，说明定力拉伸载荷对人工韧带试样A1有一定影响，且定力拉伸载荷越大，人工韧带试样A1耐疲劳性能越差。在实际测试时建议在较大定力拉伸载荷条件下进行测试。

实施例2

本实例记录了一种人工韧带体外仿真疲劳模拟测试方法，具体测试步骤如下：

(1)准备实验材料：准备量程为500N的力学传感器31，准备半径为30mm的扭转齿轮63，准备半径为40mm的转盘66，准备长度为75mm连杆68,准备长度为85mm的齿条69，准备人工韧带试样A2,长度L2为30mm，直径D2为5.5mm，不进行涂层；

(2)检查部件和安装试样：将拉伸疲劳测试装置组件4通过螺纹与织物强力仪2连接固定，上夹持装置41夹持人工韧带试样A2上端；将扭转疲劳测试装置组件6的织物强力仪连接基座65通过带头销钉与织物强力仪2连接固定，调整齿条69至滑槽中心位置，夹持副部61和夹持主体62夹持人工韧带试样A2下端；升降台一7和升降台二8高度均调节相对于织物强力仪2底座为250mm；

(3)设置实验参数：设置织物强力仪2进行定力拉伸载荷为400N的定伸长力测试，频率为4Hz；屈曲疲劳测试装置组件5的顶杆54前端支撑人工韧带试样A2，使人工韧带试样A2初始屈曲角度为30度，在上夹持装置41向上拉伸的同时人工韧带试样A2屈曲角度逐渐减小至0度，此时压缩弹簧53被顶杆54压缩，在返回初始隔距时，压缩弹簧53逐渐回复带动顶杆54回复，人工韧带试样A2屈曲角度亦同时回复到初始状态；调整转盘66和连杆68的定位销位置，连杆68带动齿条69作固定动程往复运动，使得扭转齿轮63在对应于人体韧带的扭转角度-15-+15度范围内转动，扭转频率与定伸长力频率一致；

(4)测试和记录：开始测试，观察在拉伸、屈曲和扭转多重载荷作用下人工韧带试样A2的表观形态变化以及记录多重载荷加载次数，同时在线力学监测组件3实时监测并采集人工韧带试样A2受力情况。根据标准《无源外科植入物人工韧带专用要求(YY/T 0965-2014)》，当人工韧带试样A2被多重载荷加载200万次后，即停止实验，记录人工韧带试样A2的拉伸载荷N1＝49.91N；

(5)对照测试，在测试步骤(3)中，调节屈曲角度为45度，其它条件不变，重复步骤(1)到(4)，记录人工韧带试样A2的拉伸载荷N2＝46.88N；

(6)对照测试，在测试步骤(3)中，调节屈曲角度为60度，其它条件不变，重复步骤(1)到(4)，记录人工韧带试样A2的拉伸载荷N3＝44.83N；

(7)评价人工韧带试样A2耐疲劳性能：通过本装置和本测试方法，对不同屈曲角度的人工韧带试样A2进行测试。在体外仿真疲劳模拟第200万次时，在线力学监测组件3监测到人工韧带试样A2拉伸载荷越大，其耐疲劳性能越好，其结构更为合理。根据测试结果可知，拉伸载荷大小顺序为N1(49.91N)>N2(46.88N)>N3(44.83N)，说明屈曲角度对人工韧带试样A2有一定影响，且屈曲角度越大，人工韧带试样A2耐疲劳性能越差。在实际测试时建议在较大屈曲角度条件下进行测试。

实施例3

本实例记录了一种人工韧带体外仿真疲劳模拟测试方法，具体测试步骤如下：

(1)准备实验材料：准备量程为500N的力学传感器31，准备半径为30mm的扭转齿轮63，准备半径为45mm的转盘66，准备长度为80mm连杆68,准备长度为80mm的齿条69，准备人工韧带试样A3,长度L3为40mm，直径D3为5.5mm，不进行涂层；

(2)检查部件和安装试样：将拉伸疲劳测试装置组件4通过螺纹与织物强力仪2连接固定，上夹持装置41夹持人工韧带试样A3上端；将扭转疲劳测试装置组件6的织物强力仪连接基座65通过带头销钉与织物强力仪2连接固定，调整齿条69至滑槽中心位置，夹持副部61和夹持主体62夹持人工韧带试样A3下端；升降台一7和升降台二8高度均调节相对于织物强力仪2底座为250mm；

(3)设置实验参数：设置织物强力仪2进行定力拉伸载荷为400N的定伸长力测试，频率为4Hz；屈曲疲劳测试装置组件5的顶杆54前端支撑人工韧带试样A3，使人工韧带试样A3初始屈曲角度为60度，在上夹持装置41向上拉伸的同时人工韧带试样A3屈曲角度逐渐减小至0度，此时压缩弹簧53被顶杆54压缩，在返回初始隔距时，压缩弹簧53逐渐回复带动顶杆54回复，人工韧带试样A3屈曲角度亦同时回复到初始状态；调整转盘66和连杆68的定位销位置，连杆68带动齿条69作固定动程往复运动，使得扭转齿轮63在对应于人体韧带的扭转角度-15-+15度范围内转动，扭转频率与定伸长力频率一致；

(4)测试和记录：开始测试，观察在拉伸、屈曲和扭转多重载荷作用下人工韧带试样A3的表观形态变化以及记录多重载荷加载次数，同时在线力学监测组件3实时监测并采集人工韧带试样A3受力情况。根据标准《无源外科植入物人工韧带专用要求(YY/T 0965-2014)》，当人工韧带试样A3被多重载荷加载200万次时，即停止实验，记录人工韧带试样A3的拉伸载荷N1＝44.79N；

(5)对照测试，在测试步骤(3)中，调节扭转角度为-30-+30度，其它条件不变，重复步骤(1)到(4)，记录人工韧带试样A3的拉伸载荷N2＝43.12N；

(6)对照测试，在测试步骤(3)中，调节扭转角度为-45-+45度，其它条件不变，重复步骤(1)到(4)，记录人工韧带试样A3的拉伸载荷N3＝39.88N；

(7)评价人工韧带试样A3耐疲劳性能：通过本装置和本测试方法，对不同扭转角度的人工韧带试样A3进行测试。在体外仿真疲劳模拟第200万次时，在线力学监测组件3监测到人工韧带试样A3拉伸载荷越大，其耐疲劳性能越好，其结构更为合理。根据测试结果可知，拉伸载荷大小顺序为N1(44.79N)>N2(43.12N)>N3(39.88N)，说明扭转角度对人工韧带试样A3有一定影响，且扭转角度越大，人工韧带试样A3耐疲劳性能越差。在实际测试时建议在较大扭转角度条件下进行测试。

实施例4

本实例记录了一种人工韧带体外仿真疲劳模拟测试方法，具体测试步骤如下：

(1)准备实验材料：准备量程为500N的力学传感器31，准备半径为40mm的扭转齿轮63，准备半径为45mm的转盘66，准备长度为100mm连杆68,准备长度为90mm的齿条69，准备人工韧带试样A4,长度L4为40mm，直径D4为4mm，进行聚氨酯涂层；

(2)检查部件和安装试样：拉伸疲劳测试装置组件4通过螺纹与织物强力仪2连接固定，上夹持装置41夹持人工韧带试样A4上端；将扭转疲劳测试装置组件6的织物强力仪连接基座65通过带头销钉与织物强力仪2连接固定，调整齿条69至滑槽中心位置，夹持副部61和夹持主体62夹持人工韧带试样A4下端；升降台一7和升降台二8高度均调节相对于织物强力仪2底座为250mm；

(3)设置实验参数：设置织物强力仪2进行定力拉伸载荷为400N的定伸长力测试，频率为4Hz；屈曲疲劳测试装置组件5的顶杆54前端支撑人工韧带试样A4，使人工韧带试样A4初始屈曲角度为60度，在上夹持装置41向上拉伸的同时人工韧带试样A4屈曲角度逐渐减小至0度，此时压缩弹簧53被顶杆54压缩，在返回初始隔距时，压缩弹簧53逐渐回复带动顶杆54回复，人工韧带试样A4屈曲角度亦同时回复到初始状态；调整转盘66和连杆68的定位销位置，连杆68带动齿条69作固定动程往复运动，使得扭转齿轮63在对应于人体韧带的扭转角度-45-+45度范围内转动，扭转频率与定伸长力频率一致；

(4)测试和记录：开始测试，观察在拉伸、屈曲和扭转多重载荷作用下人工韧带试样A4的表观形态变化以及记录多重载荷加载次数，根据标准《无源外科植入物人工韧带专用要求(YY/T 0965-2014)》，当人工韧带试样A4断裂后，即停止实验，记录人工韧带试样A4的断裂时间T1＝138.18h；

(5)对照测试：在测试步骤(1)中，选用未进行聚氨酯涂层人工韧带试样A5，其它条件不变，重复步骤(1)到(4)，记录人工韧带试样A5的断裂时间T2＝133.54h；

(6)评价人工韧带试样A4和A5耐疲劳性能：通过本装置和本测试方法，对是否进行聚氨酯涂层的人工韧带试样A4和A5进行测试。检测到人工韧带试样A4或A5断裂时间越长，其耐疲劳性能越好，其结构更为合理。根据测试结果可知，断裂时间长短顺序为T1(138.18h)>T2(133.54h)，说明是否进行聚氨酯涂层对人工韧带试样有一定影响，且未涂层的人工韧带试样耐疲劳性能较差。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种人工韧带体外仿真疲劳模拟及在线力学监测同步测试装置，其特征在于：包括计算机、织物强力仪、在线力学监测组件、拉伸疲劳测试装置组件、屈曲疲劳测试装置组件和扭转疲劳测试装置组件；所述织物强力仪与计算机连接；所述拉伸疲劳测试装置组件通过在线力学监测组件与织物强力仪连接；所述屈曲疲劳测试装置组件通过升降台一与织物强力仪连接；所述扭转疲劳测试装置组件通过升降台二与织物强力仪连接；所述在线力学监测组件包括力学传感器；所述拉伸疲劳测试装置组件远离在线力学监测组件的一端设有夹持待检测人工韧带的上夹持装置，另一端与在线力学监测组件连接；所述屈曲疲劳测试装置组件包括C字形支撑杆、滑杆、压缩弹簧和T字形的顶杆；所述C字形支撑杆开口处设有T字形的顶杆，C字形支撑杆中轴线与T字形的顶杆中轴线重合；所述顶杆的杆端设于支撑杆开口处外侧，顶杆的底座卡设于支撑杆开口处内侧；顶杆的底座中心与C字形支撑杆底部中心设有的中心孔之间设有滑杆，滑杆外周套设有压缩弹簧；所述滑杆一端与顶杆的底座固定连接，滑杆的另一端设于支撑杆底部中心孔中；所述的扭转疲劳测试装置组件包括夹持机构、扭转机构和连接结构；所述的夹持机构包括夹持副部和夹持主体；所述夹持副部和夹持主体均设为半圆柱体，夹持主体的一端设有可夹持待检测人工韧带一端的夹持副部；夹持主体的另一端设有固定连接织物强力仪的所述的连接结构；所述夹持机构通过所连接的扭转机构使夹持机构可来回往复的原位旋转；所述的连接结构包括连接套筒和连接基座，所述夹持主体外周套设有连接套筒，连接套筒远离夹持机构的一端设有连接织物强力仪的连接基座；所述的扭转机构包括扭转齿轮、转盘、伺服电机、连杆、往复直线齿条、滑块和滑槽；沿所述扭转齿轮中轴线垂直穿设有所述夹持主体；扭转齿轮与往复直线齿条啮合连接；所述往复直线齿条的齿条背面设有滑块，滑块设于所述滑槽内；所述连杆的一端通过滑块与往复直线齿条背面连接，所述连杆的另一端通过所述转盘与伺服电机连接。

2.如权利要求1所述的一种人工韧带体外仿真疲劳模拟及在线力学监测同步测试装置，其特征在于：所述升降台一和升降台二可根据所述屈曲疲劳测试装置组件和扭转疲劳测试装置组件的测试要求调节高度，上下高度调节范围设为100-300mm。

3.如权利要求1所述的一种人工韧带体外仿真疲劳模拟及在线力学监测同步测试装置，其特征在于：所述扭转疲劳测试装置组件的扭转齿轮半径设为25-50mm；转盘半径设为30-60mm；连杆长度设为60-120mm；齿条长度设为80-100mm。

4.如权利要求1-3中任一项所述的一种人工韧带体外仿真疲劳模拟及在线力学监测同步测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：准备实验材料：准备量程为100、500或2500N的力学传感器，准备半径为25-50mm的扭转齿轮，准备半径为30-60mm的转盘，准备长度为60-120mm连杆,准备长度为80-100mm的齿条，准备人工韧带试样,长度L为20-100mm，直径D为4-10mm，可进行聚氨酯、胶原、壳聚糖、海藻酸钠涂层或不涂层；

步骤2：检查部件和安装试样：将拉伸疲劳测试装置组件通过螺纹与织物强力仪连接固定，上夹持装置夹持人工韧带试样上端；将扭转疲劳测试装置组件的织物强力仪连接基座通过带头销钉与织物强力仪连接固定，调整齿条至滑槽中心位置，夹持副部和夹持主体夹持人工韧带试样下端；调节升降台一和升降台二相对于织物强力仪底座高度为100-300mm；

步骤3：设置实验参数：设置织物强力仪进行载荷大小在0-2500N之间的定伸长力测试，频率为1-10Hz；屈曲疲劳测试装置组件的顶杆前端支撑人工韧带试样，使人工韧带试样初始屈曲角度在0-60度范围内，在上夹持装置向上拉伸的同时，人工韧带试样屈曲角度逐渐减小至0度，此时压缩弹簧被顶杆压缩；在返回初始隔距时，压缩弹簧逐渐回复，带动顶杆回复，人工韧带试样屈曲角度亦同时回复到初始状态；调整转盘和连杆的定位销位置，连杆带动齿条作固定动程往复运动，使得扭转齿轮在对应于人体韧带的扭转角度-45-+45度范围内转动，扭转频率与定伸长力频率一致；

步骤4：测试和记录：开始测试，观察在拉伸、屈曲和扭转多重载荷作用下人工韧带试样的表观形态变化以及记录多重载荷加载次数，同时在线力学监测组件实时监测并采集人工韧带试样受力情况；当人工韧带试样被多重载荷加载200万次或断裂时，即停止实验，记录人工韧带试样的拉伸载荷(N)或断裂时间(h)；

步骤5：进行实验评价，评价方法1：在其它条件相同的情况下，对不同定力拉伸载荷、屈曲角度、扭转角度的人工韧带试样进行测试，评价人工韧带试样的耐疲劳性能；在体外仿真疲劳模拟第200万次时，在线力学监测组件采集到人工韧带试样拉伸载荷越大，其耐疲劳性能越好，结构更为合理；评价方法2：在其它条件相同的情况下，对不同定力拉伸载荷、屈曲角度、扭转角度的人工韧带试样进行测试，评价人工韧带试样的耐疲劳性能；人工韧带试样表观结构出现断裂时间越长，其耐疲劳性能越好，结构更为合理。

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