CN112255108B - 一种可以检测骨骼轴向受力情况的外固定架实验台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可以检测骨骼轴向受力情况的外固定架实验台，包括泰勒外固定架、加压机构、机架、骨骼模型、上骨骼固定件、下骨骼固定件，所述加压机构固定在机架上，加压机构的输出端通过上骨骼固定件连接骨骼模型的上端，所述骨骼模型的下端通过下骨骼固定件固定在机架上，泰勒外固定架固定在骨骼模型外侧并通过钢针固定在骨骼模型上；本发明能够在实验室环境中模拟断骨在安装了泰勒外固定架情况下的愈合过程，以及检测在愈合过程中受到轴向力时外固定架各个连杆的受力情况，实现在实验室环境下，对安装有泰勒外固定架的骨骼愈合过程的轴向力学监控。
Description
技术领域
本发明涉及泰勒架轴向力学测试领域，更具体的说，尤其涉及一种可以检测骨骼轴向受力情况的外固定架实验台。
背景技术
在骨骼外科手术治疗过程中，外固定架已经广泛的运用，其造成创伤小，患者恢复速度快，矫形康复效果好。目前常用的外固定架包括单臂外固定架、ilizarov外固定架、泰勒外固定架等。其中单臂外固定架是通过钢针将骨骼固定在单臂上，只能进行骨折的愈合，不能进行骨骼矫形。Ilizarov外固定架由多个固定环与六根可伸缩的连杆组成，固定环通过克氏针固定在骨骼上，通过调整六根连杆的长度，调整固定环直接的相对位置，可用于骨折康复以及畸形矫正。在ilizarov外固定架的基础上，改良形成了泰勒外固定架，泰勒外固定架的六根连杆与固定环组成了六轴并联机构，通过调整连杆的长度，可以实现通过与计算机软件配合，可以更加精准的进行复杂畸形矫正以及骨折康复治疗。泰勒外固定架由以下几部分构成：
1、上下固定环；
2、连接固定环与骨骼的钢针或克氏针；
3、六根可调节长度的连杆；
4、连接固定环与钢针、连杆的连接件。
使用外固定架进行骨科手术治疗时，由于不能及时的获取骨骼恢复情况，为了避免摘除外固定架后再骨折，通常需要患者在骨骼基本愈合后继续装配外固定架1-2个月，给患者带来极大不便，并存在针道感染的风险。目前常用的方法是通过X光片观察骨骼愈合情况，来判断是否可以摘下外固定架，但被证明并不准确。
为了更加精准的探测断骨处的受力情况，以及判断外固定架拆除的时间，往往采用将外固定架与传感器系统相结合的方式，该方案在单臂外固定架以及ilizarov外固定架上已经进行试验，但测量过程较为复杂，需要将原有的支撑杆拆除，安装上带有传感器的连杆，可能对患者脆弱的骨骼造成二次伤害，频繁的拆装连杆对患者的身心会带来较大压力，不利于患者骨骼康复。泰勒外固定架的结构与单臂架和ilizarov外固定架有一定出入，泰勒外固定架的六根连杆并不是相互平行的竖直安装，而是六根连杆支架各自以一定角度安装，其力的分布与计算方式有很大不同。若直接应用于人体，很可能既无法得出想要的结果，还会对患者的骨骼康复造成极大的影响。
因此，急需设计一种适用于泰勒架的实验台，在实验室中对外固定架施加可控制的轴向力，进行轴向力学分析，验证其满足医学上对轴向力的探测要求。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的外固定架与传感器系统相结合的方式不适用于泰勒外固定架，泰勒外固定架的传感器安装困难的问题，为了实现在不拆除连杆的情况下就可以检测外固定架连杆上的力，提出了一种可以检测骨骼轴向受力情况的外固定架实验台，在实验室环境中模拟断骨在安装了泰勒架情况下的愈合过程，以及检测在愈合过程中受到轴向力时外固定架各个连杆的受力情况，实现在实验室环境下，对安装有泰勒架的骨骼愈合过程的轴向力学监控。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种可以检测骨骼轴向受力情况的外固定架实验台，包括泰勒外固定架、加压机构、机架、骨骼模型、上骨骼固定件、下骨骼固定件，所述加压机构固定在机架上，加压机构的输出端通过上骨骼固定件连接骨骼模型的上端，所述骨骼模型的下端通过下骨骼固定件固定在机架上，泰勒外固定架固定在骨骼模型外侧并通过钢针固定在骨骼模型上；
所述骨骼模型包括3D打印上端骨骼、3D打印下端骨骼、上骨骼下端连接件、下骨骼上端连接件、传感器上端连接件、三维传感器、传感器固定平台、螺纹杆和骨骼固定针，所述3D打印上端骨骼的上端与上骨骼固定件固定连接，3D打印上端骨骼的下端通过骨骼固定针固定在上骨骼下端连接件上，上骨骼下端连接件的下端连接传感器上端连接件，传感器上端连接件的下端连接三维传感器，三维传感器安装在传感器固定平台上，传感器固定平台的下端通过螺纹杆连接下骨骼上端连接件，3D打印下端骨骼的上端通过骨骼固定针固定在下骨骼上端连接件上，3D打印下端骨骼的下端通过骨骼固定针固定在下骨骼固定件上；所述三维传感器和传感器固定平台之间留有用于放置不同弹性模量的PDMS愈伤组织模型的预留空间；PDMS愈伤组织模型指的是用二甲基硅氧烷材料制作的愈伤组织模型。
加压机构包括输出气缸、气缸固定架、连接螺母、拉压传感器和推力盘，所述输出气缸通过气缸固定架安装在机架上，输出气缸的输出端通过连接螺母连接拉压传感器的上端，拉压传感器的下端连接推力盘，所述推力盘的下端贴紧骨骼模型的3D打印上端骨骼上表面并通过上骨骼固定件与3D打印上端骨骼固定连接；
所述泰勒外固定架包括固定环、钢针加固件、钢针和泰勒连接杆，所述固定环设置有上下对称设置的一对，两个固定环通过六根结构完全相同的泰勒连接杆连接，钢针设置有多根，每根钢针均通过钢针加固件固定在固定环上；每个固定环上通过钢针加固件固定有三根钢针；所述泰勒连接杆包括第一万向节上端件、万向节连接销、第一万向节下端件、万向节连接件、连杆传感器、长连接螺管、长螺杆和第二万向节，所述第一万向节上端件通过螺栓固定在上端的固定环上，第一万向节上端件与第一万向节下端件通过万向节连接销连接形成第一万向节，第一万向节下端件通过万向节连接件连接连杆传感器的上端，连杆传感器的下端与长连接螺管的上端固定连接，所述长螺杆的上端套装在长连接螺管上，长螺杆的下端通过第二万向节固定在下端的固定环上。
进一步的，所述拉压传感器为100KG量程拉压传感器。
进一步的，所述连杆传感器为20KG量程拉压传感器。
进一步的，所述长连接螺管为可旋转的连接螺母，通过旋转长连接螺管实现调整泰勒连接杆的长度。
进一步的，所述输出气缸通过控制系统连接气泵，气泵输出的气管上设置有电磁比例阀，输出气缸输出0-700N的轴向压力。
进一步的，所述钢针加固件包括钢针上端加固件、立柱和钢针下端加固件，所述钢针上端加固件和立柱设置在固定环上方，所述钢针下端加固件设置在固定环下方，钢针上端加固件底部设置有一个固定螺孔，钢针下端加固件设置有三个固定螺孔，钢针上端加固件底部的固定螺孔通过固定螺栓固定在钢针下端加固件的其中一个固定螺孔上，钢针下端加固件通过穿过另外两个固定螺孔的固定螺栓固定在固定环上；所述钢针上端加固件上设置有三个平行设置的钢针安装孔，所述立柱上设置有三个平行设置的钢针安装孔和三个垂直于钢针安装孔设置的钢针固定孔，所述钢针上端加固件上的三个钢针安装孔和立柱上的三个钢针安装孔相对齐，钢针直径略小于钢针安装孔的直径，钢针穿过其中一个钢针安装孔，另外钢针上端加固件上的另外两个钢针安装孔和立柱上的另外两个钢针安装孔通过螺栓连接，钢针通过穿过钢针固定孔的螺柱固定在立柱上。
进一步的，所述传感器上端连接件整体呈圆柱型，传感器上端连接件的底部设置有四个圆形通孔，传感器上端连接件通过穿过四个通孔的螺柱与三维传感器固定连接，传感器上端连接件中设置有螺纹孔，传感器上端连接件通过穿过螺纹孔的螺纹杆与上骨骼下端连接件连接。
本发明的有益效果在于：
1、本发明能够在实验室环境中模拟断骨在安装了泰勒外固定架情况下的愈合过程，以及检测在愈合过程中受到轴向力时外固定架各个连杆的受力情况，实现在实验室环境下，对安装有泰勒外固定架的骨骼愈合过程的轴向力学监控。
2、本发明为了实现在不拆除泰勒连接杆的情况下就可以检测泰勒外固定架的泰勒连接杆上的力，将泰勒连接杆与拉压传感器通过螺纹副进行固定。通过旋转泰勒连接杆上的长连接螺管，可以实现泰勒连接杆的长度调节。
3、本发明为了在实验室环境尽可能的模拟骨骼愈合情况，用特殊材质的3D打印骨骼代替人体骨骼，并在其上下两端打孔，通过钢针将上下两端断骨与泰勒外固定架进行固定，并用二甲基硅氧烷材料制作不同弹性模量的愈伤组织模型，放置在骨骼模型中，模拟骨骼修复的不同阶段。
4、本发明采用特殊的骨骼固定件，将3D打印下端骨骼固定在实验台外部机架上，在断骨的上下端设计有特殊的固定件连接，将三维传感器与骨骼模型的上下段进行连接，并在三维传感器与3D打印下端骨骼中间预留可以放置PDMS愈伤组织模型的空间。
5、本发明实验台上端安装有输出气缸，通过控制系统控制向下输出的轴向力，输出气缸的推杆下端通过双向的连接螺母安装了拉压传感器，用来实时检测输出气缸输出的力的大小，拉压传感器下安装有推力盘，向3D打印上端骨骼输出均匀的轴向力。
6、本发明的钢针通过立柱与上下两个固定环相连接，过大的固定环会导致泰勒外固定架整体的刚度过低，但过小的固定环不利于实验台实验，因此在不缩小固定环大小的前提下，设计了钢针固定装置，通过螺钉与螺母立柱相连接，提升泰勒外固定架整体的刚度。
附图说明
图1是本发明一种可以检测骨骼轴向受力情况的外固定架实验台的整体结构示意图。
图2是本发明去除外部机架和上骨骼固定件后的整体结构示意图。
图3是本发明加压机构的结构示意图。
图4是本发明钢针通过钢针加固件安装在固定环上的结构示意图。
图5是本发明钢针上端加固件的结构示意图。
图6是本发明泰勒连接杆的结构示意图。
图7是本发明泰勒连接杆端部的万向节与固定环的连接结构示意图。
图8是本发明三维传感器的安装结构示意图。
图9是本发明传感器上端连接件的结构示意图。
图中：1-输出气缸、2-气缸固定架、3-上骨骼固定件、4-机架、5-连接螺母、6-拉压传感器、7-推力盘、8-3D打印上端骨骼、9-钢针上端加固件、10-立柱、11-固定环、12-钢针下端加固件、13-第一万向节上端件、14-万向节连接销、15-第一万向节下端件、16-万向节连接件、17-连杆传感器、18-长连接螺管、19-长螺杆、20-下骨骼固定件、21-骨骼固定针、22-3D打印下端骨骼、23-下骨骼上端连接件、24-螺纹杆、25-传感器固定平台、26-三维传感器、27-传感器上端连接件、28-上骨骼下端连接件、29-钢针。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1～9所示，一种可以检测骨骼轴向受力情况的外固定架实验台，包括泰勒外固定架、加压机构、机架4、骨骼模型、上骨骼固定件3、下骨骼固定件20，所述加压机构固定在机架4上，加压机构的输出端通过上骨骼固定件3连接骨骼模型的上端，所述骨骼模型的下端通过下骨骼固定件20固定在机架4上，泰勒外固定架固定在骨骼模型外侧并通过钢针29固定在骨骼模型上。所述输出气缸1通过控制系统连接气泵，气泵输出的气管上设置有电磁比例阀，输出气缸1输出0-700N的轴向压力。
所述骨骼模型包括3D打印上端骨骼8、3D打印下端骨骼22、上骨骼下端连接件28、下骨骼上端连接件23、传感器上端连接件27、三维传感器26、传感器固定平台25、螺纹杆24和骨骼固定针21，所述3D打印上端骨骼8的上端与上骨骼固定件3固定连接，3D打印上端骨骼8的下端通过骨骼固定针21固定在上骨骼下端连接件28上，上骨骼下端连接件28的下端连接传感器上端连接件27，传感器上端连接件27的下端连接三维传感器26，三维传感器26安装在传感器固定平台25上，传感器固定平台25的下端通过螺纹杆24连接下骨骼上端连接件23，3D打印下端骨骼22的上端通过骨骼固定针21固定在下骨骼上端连接件23上，3D打印下端骨骼22的下端通过骨骼固定针21固定在下骨骼固定件20上；所述三维传感器26和传感器固定平台25之间留有用于放置不同弹性模量的PDMS愈伤组织模型的预留空间。
加压机构包括输出气缸1、气缸固定架2、连接螺母5、拉压传感器6和推力盘7，所述输出气缸1通过气缸固定架2安装在机架4上，输出气缸1的输出端通过连接螺母5连接拉压传感器6的上端，拉压传感器6的下端连接推力盘7，所述推力盘7的下端贴紧骨骼模型的3D打印上端骨骼8上表面并通过上骨骼固定件3与3D打印上端骨骼8固定连接。由于输出气缸1的输出端与拉力传感器6的螺纹直径往往并不相同，因此需要一个双向的连接螺母5进行连接，同时为了使输出气缸1输出的力均匀分布在骨骼上，在拉压传感器6下方安装推力盘7。
所述泰勒外固定架包括固定环11、钢针加固件、钢针29和泰勒连接杆，所述固定环11设置有上下对称设置的一对，两个固定环11通过六根结构完全相同的泰勒连接杆连接，钢针29设置有多根，每根钢针29均通过钢针加固件固定在固定环11上；每个固定环11上通过钢针加固件固定有三根钢针29；所述泰勒连接杆包括第一万向节上端件13、万向节连接销14、第一万向节下端件15、万向节连接件16、连杆传感器17、长连接螺管18、长螺杆19和第二万向节，所述第一万向节上端件13通过螺栓固定在上端的固定环11上，第一万向节上端件13与第一万向节下端件15通过万向节连接销14连接形成第一万向节，第一万向节下端件15通过万向节连接件16连接连杆传感器17的上端，连杆传感器17的下端与长连接螺管18的上端固定连接，所述长螺杆19的上端套装在长连接螺管18上，长螺杆19的下端通过第二万向节固定在下端的固定环11上。
所述拉压传感器6为100KG量程拉压传感器。所述连杆传感器17为20KG量程拉压传感器。
所述长连接螺管18为可旋转的连接螺母5，通过旋转长连接螺管18实现调整泰勒连接杆的长度。
在实验过程中发现由于固定环的直径过大，会使得泰勒外固定架整体刚度降低，达不到想要测量力的效果，因此设计了钢针加固件。所述钢针加固件包括钢针上端加固件9、立柱10和钢针下端加固件12，所述钢针上端加固件9和立柱10设置在固定环11上方，所述钢针下端加固件12设置在固定环11下方，钢针上端加固件9底部设置有一个固定螺孔，钢针下端加固件12设置有三个固定螺孔，钢针上端加固件9底部的固定螺孔通过固定螺栓固定在钢针下端加固件12的其中一个固定螺孔上，钢针下端加固件12通过穿过另外两个固定螺孔的固定螺栓固定在固定环11上；所述钢针上端加固件9上设置有三个平行设置的钢针安装孔，所述立柱10上设置有三个平行设置的钢针安装孔和三个垂直于钢针安装孔设置的钢针固定孔，所述钢针上端加固件9上的三个钢针安装孔和立柱10上的三个钢针安装孔相对齐，钢针29直径略小于钢针安装孔的直径，钢针29穿过其中一个钢针安装孔，另外钢针上端加固件9上的另外两个钢针安装孔和立柱10上的另外两个钢针安装孔通过螺栓连接，钢针29通过穿过钢针固定孔的螺柱固定在立柱10上。
所述传感器上端连接件27整体呈圆柱型，传感器上端连接件27的底部设置有四个圆形通孔，传感器上端连接件27通过穿过四个通孔的螺柱与三维传感器26固定连接，传感器上端连接件27中设置有螺纹孔，传感器上端连接件27通过穿过螺纹孔的螺纹杆24与上骨骼下端连接件28连接。
在进行实验前，将PDMS愈伤组织模型放入三维传感器下方，调整好各根泰勒连接杆的长度，打开气泵，通过电磁比例阀控制输出气缸输出一个较小的预紧力，稳定后通过单片机将各个传感器读出数据置零，再逐渐调大电磁比例阀输出的气压，直到达到所需大小。读出各个传感器的数值，并进行记录。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。
Claims (5)
1.一种可以检测骨骼轴向受力情况的外固定架实验台，其特征在于：包括泰勒外固定架、加压机构、机架（4）、骨骼模型、上骨骼固定件（3）、下骨骼固定件（20），所述加压机构固定在机架（4）上，加压机构的输出端通过上骨骼固定件（3）连接骨骼模型的上端，所述骨骼模型的下端通过下骨骼固定件（20）固定在机架（4）上，泰勒外固定架固定在骨骼模型外侧并通过钢针（29）固定在骨骼模型上；
所述骨骼模型包括3D打印上端骨骼（8）、3D打印下端骨骼（22）、上骨骼下端连接件（28）、下骨骼上端连接件（23）、传感器上端连接件（27）、三维传感器（26）、传感器固定平台（25）、螺纹杆（24）和骨骼固定针（21），所述3D打印上端骨骼（8）的上端与上骨骼固定件（3）固定连接，3D打印上端骨骼（8）的下端通过骨骼固定针（21）固定在上骨骼下端连接件（28）上，上骨骼下端连接件（28）的下端连接传感器上端连接件（27），传感器上端连接件（27）的下端连接三维传感器（26），三维传感器（26）安装在传感器固定平台（25）上，传感器固定平台（25）的下端通过螺纹杆（24）连接下骨骼上端连接件（23），3D打印下端骨骼（22）的上端通过骨骼固定针（21）固定在下骨骼上端连接件（23）上，3D打印下端骨骼（22）的下端通过骨骼固定针（21）固定在下骨骼固定件（20）上；所述三维传感器（26）和传感器固定平台（25）之间留有用于放置不同弹性模量的PDMS愈伤组织模型的预留空间；
加压机构包括输出气缸（1）、气缸固定架（2）、连接螺母（5）、拉压传感器（6）和推力盘（7），所述输出气缸（1）通过气缸固定架（2）安装在机架（4）上，输出气缸（1）的输出端通过连接螺母（5）连接拉压传感器（6）的上端，拉压传感器（6）的下端连接推力盘（7），所述推力盘（7）的下端贴紧骨骼模型的3D打印上端骨骼（8）上表面并通过上骨骼固定件（3）与3D打印上端骨骼（8）固定连接；
所述泰勒外固定架包括固定环（11）、钢针加固件、钢针（29）和泰勒连接杆，所述固定环（11）设置有上下对称设置的一对，两个固定环（11）通过六根结构完全相同的泰勒连接杆连接，钢针（29）设置有多根，每根钢针（29）均通过钢针加固件固定在固定环（11）上；每个固定环（11）上通过钢针加固件固定有三根钢针（29）；所述泰勒连接杆包括第一万向节上端件（13）、万向节连接销（14）、第一万向节下端件（15）、万向节连接件（16）、连杆传感器（17）、长连接螺管（18）、长螺杆（19）和第二万向节，所述第一万向节上端件（13）通过螺栓固定在上端的固定环（11）上，第一万向节上端件（13）与第一万向节下端件（15）通过万向节连接销（14）连接形成第一万向节，第一万向节下端件（15）通过万向节连接件（16）连接连杆传感器（17）的上端，连杆传感器（17）的下端与长连接螺管（18）的上端固定连接，所述长螺杆（19）的上端套装在长连接螺管（18）上，长螺杆（19）的下端通过第二万向节固定在下端的固定环（11）上；
所述钢针加固件包括钢针上端加固件（9）、立柱（10）和钢针下端加固件（12），所述钢针上端加固件（9）和立柱（10）设置在固定环（11）上方，所述钢针下端加固件（12）设置在固定环（11）下方，钢针上端加固件（9）底部设置有一个固定螺孔，钢针下端加固件（12）设置有三个固定螺孔，钢针上端加固件（9）底部的固定螺孔通过固定螺栓固定在钢针下端加固件（12）的其中一个固定螺孔上，钢针下端加固件（12）通过穿过另外两个固定螺孔的固定螺栓固定在固定环（11）上；所述钢针上端加固件（9）上设置有三个平行设置的钢针安装孔，所述立柱（10）上设置有三个平行设置的钢针安装孔和三个垂直于钢针安装孔设置的钢针固定孔，所述钢针上端加固件（9）上的三个钢针安装孔和立柱（10）上的三个钢针安装孔相对齐，钢针（29）直径略小于钢针安装孔的直径，钢针（29）穿过其中一个钢针安装孔，另外钢针上端加固件（9）上的另外两个钢针安装孔和立柱（10）上的另外两个钢针安装孔通过螺栓连接，钢针（29）通过穿过钢针固定孔的螺柱固定在立柱（10）上；
所述传感器上端连接件（27）整体呈圆柱型，传感器上端连接件（27）的底部设置有四个圆形通孔，传感器上端连接件（27）通过穿过四个通孔的螺柱与三维传感器（26）固定连接，传感器上端连接件（27）中设置有螺纹孔，传感器上端连接件（27）通过穿过螺纹孔的螺纹杆（24）与上骨骼下端连接件（28）连接。
2.根据权利要求1所述的一种可以检测骨骼轴向受力情况的外固定架实验台，其特征在于：所述拉压传感器（6）为100KG量程拉压传感器。
3.根据权利要求1所述的一种可以检测骨骼轴向受力情况的外固定架实验台，其特征在于：所述连杆传感器（17）为20KG量程拉压传感器。
4.根据权利要求1所述的一种可以检测骨骼轴向受力情况的外固定架实验台，其特征在于：所述长连接螺管（18）为可旋转的连接螺母（5），通过旋转长连接螺管（18）实现调整泰勒连接杆的长度。
5.根据权利要求1所述的一种可以检测骨骼轴向受力情况的外固定架实验台，其特征在于：所述输出气缸（1）通过控制系统连接气泵，气泵输出的气管上设置有电磁比例阀，输出气缸（1）输出0-700N的轴向压力。
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