CN112816326A - 椎间融合器生物力学性能试验辅具及试验机和试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种椎间融合器生物力学性能试验辅具及试验机和试验方法，能够实现对椎间融合器生物力学性能进行准确的检测。椎间融合器生物力学性能试验辅具，包括球铰结构、浴缸和夹具结构，其中：浴缸，具有容纳生理盐水的容腔；球铰结构，一端与试验机连接，另一端连接夹具结构；夹具结构，用于夹持椎间融合器试样，并放置浴缸的容腔。椎间融合器生物力学性能试验机，包括工作台、安装座、横梁、立柱、举升缸、伺服驱动器和所述椎间融合器生物力学性能试验辅具；横梁通过举升缸带动能够相对工作台移动，且横梁和举升缸之间能够通过锁紧装置锁紧；伺服驱动器通过连接套及插销连接球铰结构，且伺服驱动器上设置轮辐传感器。

Description

椎间融合器生物力学性能试验辅具及试验机和试验方法
技术领域
本发明涉及假体股骨试验技术领域，具体涉及一种椎间融合器生物力学性能试验辅具及试验机和试验方法 。
背景技术
随着人口老龄化的加剧，以颈肩痛及腰腿痛为主要症状的脊柱退行性疾病正严重地影响人们的工作和生活，随着近年来颈椎、腰椎等患病人数的增多对于椎间融合器的需求也在进一步提高，未来几年我国椎间融合器临床手术将保持较为平稳的增长
在椎体间进行椎体融合术是目前治疗脊柱退行性疾病主要方法之一。合格的椎间融合器要求不仅能纠正脊柱畸形，恢复正常的生理曲度，还要保持椎间隙的稳定，所以需要融合器力学性能指标辅助于临床，包括进行简单的静态试验，评估使其断裂所需的压缩、拉伸和扭转载荷。椎间融合器的使用寿命试验至关紧要，因为疲劳失效比突变失效更为常见。通常以控制载荷正弦波形施加载荷，运行超过5百万个周期。
研发一种主要研究脊柱融合器静态和动态疲劳性能的试验机十分有必要。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种椎间融合器生物力学性能试验辅具及试验机和试验方法，能够实现对椎间融合器生物力学性能进行准确的检测。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种椎间融合器生物力学性能试验辅具，其特征在于：包括球铰结构、浴缸和夹具结构，其中：
浴缸，具有容纳生理盐水的容腔；
球铰结构，一端与试验机连接，另一端连接夹具结构；
夹具结构，用于夹持椎间融合器试样，并放置浴缸的容腔。
上述椎间融合器生物力学性能试验辅具基础上，球铰结构包括球面压杆、球面压头、升降固定座和球面拉杆；
球面压杆与试验机的伺服端连接且部分位于浴缸内；
球面压头位于球面压杆下方；
球面压杆与球面压头之间通过升降固定座和球面拉杆连接为一体。
上述椎间融合器生物力学性能试验辅具基础上，夹具结构包括压缩底座和模拟块；
压缩底座，设置在浴缸底部；
模拟块，为上下设置的两块，分别设置在球面压头和压缩底座上；
两个模拟块之间用于安装椎间融合器试样。
上述椎间融合器生物力学性能试验辅具基础上，球面压杆下表面具有放置模拟块的上凹槽体，球面压头上表面具有放置模拟块的下凹槽体。
上述椎间融合器生物力学性能试验辅具基础上，浴缸包括底座、透明玻璃和盖板（14）；
底座，设置在试验机工作台上；
盖板，位于底座上方，并具有连接球面压杆安装孔；
透明玻璃，位于底座与盖板之间；
底座和盖板之间通过螺栓螺母组件连接为一体。
上述椎间融合器生物力学性能试验辅具基础上，浴缸的内部设置加热管。
一种椎间融合器生物力学性能试验机，包括工作台、安装座、横梁、立柱、举升缸、伺服驱动器和所述椎间融合器生物力学性能试验辅具；
工作台，设置安装座上；
横梁，设置安装座上方；
立柱，设置横梁与安装座之间；
举升缸，两端连接横梁和安装座；
伺服驱动器，设置在横梁上；
横梁通过举升缸带动能够相对工作台移动，且横梁和举升缸之间能够通过锁紧装置锁紧；
伺服驱动器通过连接套及插销连接球铰结构，且伺服驱动器上设置轮辐传感器。
一种利用所述椎间融合器生物力学性能试验机进行椎间融合器生物力学性能试验方法，包括如下步骤：
1）选取待测试样，将模拟块与椎间融合器试样连接为一体；
2）压缩-沉陷试验：将模拟块和椎间融合器试样的组合体放入压缩底座中；将球面压头旋转至水平位置，球面压杆连接到试验机上，通过举升缸使移动横梁上下升降用于调节试验空间；调整完成后锁紧装置将其锁紧；控制使伺服驱动器伸出直至模拟块与椎间融合器试样的组合体进入到球面压头内；设定参数后继续下移能够测定融合器屈服载荷、融合器刚度和融合器沉陷特性；
3）压缩-剪切试验：将模拟块和椎间融合器的组合体放入剪切底座中。将球面上压头旋转至与水平夹角45°位置，球面压杆连接到试验机上；通过举升缸使移动横梁上下升降以方便调节试验空间；调整完成后锁紧装置将其锁紧；控制使伺服驱动器伸出直至模拟块与椎间融合器试样的组合体进入到球面压头内；设定参数后继续下移可测定融合器屈服载荷，融合器刚度和融合器剪切强度特性参数；
4）疲劳试验：调整完椎间融合器生物力学性能试验辅具后，设定频率和振幅，运行500万次，椎间融合器试样未发生功能失效或机械失效的最高载荷水平；
5）需要模拟生理盐水环境，将椎间融合器生物力学性能试验辅具安装在浴缸的安装底座上，然后装入生理盐水，水位高于椎间融合器试样；用加热管将生理盐水（15）加热并保持在所需实验温度。
本发明的有益效果是：带柄股骨上端通过夹具夹持，其下端插入筒体内，在筒体内填充介质使介质固化为介质层后将带柄股骨固定，将浴缸套装于筒体外侧，在浴缸内注入生理盐水使带柄股骨浸入生理盐水中实现模拟人体环境，通过移动横梁驱动机构驱动移动横梁在导杆的导向下向下移动，载荷加载装置按一定设定的频率和力值对夹具不断施加压力载荷，从而对带柄股骨进行疲劳试验，提高了带柄股骨的试验效率。
附图说明
图1为本发明的椎间融合器试样固定示意图；
图2为本发明的试验机结构示意图；
图3为本发明的椎间融合器生物力学性能试验辅具主视示意图；
图4为本发明的压缩-沉陷剖视示意图；
图5为本发明的压缩-沉陷主视示意图；
图6为本发明的压缩-沉陷立体视示意图；
图7为本发明的压缩-剪切主视示意图；
图8为本发明的压缩-剪切剖视示意图；
图9为本发明的压缩-剪切立体视示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方
位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本实用和简化描
述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和
操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参考图1，一种椎间融合器生物力学性能试验辅具，包括球铰结构、浴缸和夹具结构，其中：浴缸，具有容纳生理盐水的容腔；球铰结构，一端与试验机连接，另一端连接夹具结构；夹具结构，用于夹持椎间融合器试样23，并放置浴缸的容腔。
本实施例中，球铰结构包括球面压杆19、球面压头18、升降固定座20和球面拉杆21；球面压杆19与试验机的伺服端连接且部分位于浴缸内；球面压头18位于球面压杆19下方；球面压杆19与球面压头18之间通过升降固定座20和球面拉杆21连接为一体。
本实施例中，夹具结构包括压缩底座16和模拟块17；压缩底座16，设置在浴缸底部；
模拟块17采用聚氨酯材料，为上下设置的两块，分别设置在球面压头18和压缩底座16上；两个模拟块17之间用于安装椎间融合器试样23。
本实施例中，球面压杆19下表面具有放置模拟块17的上凹槽体，球面压头18上表面具有放置模拟块17的下凹槽体。
本实施例中，浴缸包括底座11、透明玻璃12和盖板14；底座11，设置在试验机工作台上；盖板14，位于底座11上方，并具有连接球面压杆安装孔；透明玻璃，位于底座11与盖板14之间；底座11和盖板14之间通过螺栓螺母组件连接为一体。
本实施例中，浴缸的内部设置加热管13。
参考图2，一种椎间融合器生物力学性能试验机，包括工作台2、安装座、横梁6、立柱3、举升缸4、伺服驱动器7和所述椎间融合器生物力学性能试验辅具；工作台2，设置安装座上，安装座下方为电器箱1；横梁6，设置安装座上方；立柱3，设置横梁6与安装座之间；举升缸4，两端连接横梁6和安装座；伺服驱动器7，设置在横梁6上；横梁6通过举升缸4带动能够相对工作台2移动，且横梁6和举升缸4之间能够通过锁紧装置5锁紧；伺服驱动器7通过连接套9及插销10连接球铰结构，且伺服驱动器7上设置轮辐传感器8。
一种利用所述椎间融合器生物力学性能试验机进行椎间融合器生物力学性能试验方法，包括如下步骤：
1）选取待测试样，如图1，将模拟块17与椎间融合器试样23连接为一体，沿Z轴方向从上方模拟块17上表面到下方的模拟块17下表面的距离，颈椎、胸椎和腰椎椎间融合器的实验块高度分别为40mm、60mm和70mm， 高度H根据预期使用的椎体和椎间盘形态数据决定；
2）压缩-沉陷试验：如图4、图5及图6，将模拟块17和椎间融合器试样23的组合体放入压缩底座16中；将球面压头18旋转至水平位置，球面压杆19连接到试验机上，通过举升缸4使移动横梁6上下升降用于调节试验空间；调整完成后锁紧装置5将其锁紧；控制使伺服驱动器7伸出直至模拟块17与椎间融合器试样23的组合体进入到球面压头18内；设定参数后继续下移能够测定融合器屈服载荷、融合器刚度和融合器沉陷特性；
3）压缩-剪切试验：如图7、图8及图9，将模拟块和椎间融合器的组合体放入剪切底座24中。将球面上压头18旋转至与水平夹角45°位置，球面压杆19连接到试验机的连接套9上，通过插销10可快速连接固定。通过举升油缸4使移动横梁6上下升降以方便调节试验空间；调整完成后锁紧装置5将其锁紧；控制使伺服驱动器7直至模拟块和椎间融合器的组合体进入到球面压头18内；设定参数后继续下移可测定融合器屈服载荷，融合器刚度和融合器剪切强度特性等参数；
4）疲劳试验：调整完椎间融合器生物力学性能试验辅具后，设定频率和振幅，运行500万次，椎间融合器试样23未发生功能失效或机械失效的最高载荷水平；
5）需要模拟生理盐水环境，将椎间融合器生物力学性能试验辅具安装在浴缸的安装底座11上，然后装入生理盐水，水位高于椎间融合器试样23；用加热管13将生理盐水15加热并保持在所需实验温度。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种椎间融合器生物力学性能试验辅具，其特征在于：包括球铰结构、浴缸和夹具结构，其中：
浴缸，具有容纳生理盐水的容腔；
球铰结构，一端与试验机连接，另一端连接夹具结构；
夹具结构，用于夹持椎间融合器试样（23），并放置浴缸的容腔。
2.根据权利要求1所述椎间融合器生物力学性能试验辅具，其特征在于：球铰结构包括球面压杆（19）、球面压头（18）、升降固定座（20）和球面拉杆（21）；
球面压杆（19）与试验机的伺服端连接且部分位于浴缸内；
球面压头（18）位于球面压杆（19）下方；
球面压杆（19）与球面压头（18）之间通过升降固定座（20）和球面拉杆（21）连接为一体。
3.根据权利要求1所述椎间融合器生物力学性能试验辅具，其特征在于：夹具结构包括压缩底座（16）和模拟块（17）；
压缩底座（16），设置在浴缸底部；
模拟块（17），为上下设置的两块，分别设置在球面压头（18）和压缩底座（16）上；
两个模拟块（17）之间用于安装椎间融合器试样（23）。
4.根据权利要求3所述椎间融合器生物力学性能试验辅具，其特征在于：球面压杆（19）下表面具有放置模拟块（17）的上凹槽体，球面压头（18）上表面具有放置模拟块（17）的下凹槽体。
5.根据权利要求1所述椎间融合器生物力学性能试验辅具，其特征在于：浴缸包括底座（11）、透明玻璃（12）和盖板（14）；
底座（11），设置在试验机工作台上；
盖板（14），位于底座（11）上方，并具有连接球面压杆安装孔；
透明玻璃，位于底座（11）与盖板（14）之间；
底座（11）和盖板（14）之间通过螺栓螺母组件连接为一体。
6.根据权利要求1至5任一项所述椎间融合器生物力学性能试验辅具，其特征在于：浴缸的内部设置加热管（13）。
7.一种椎间融合器生物力学性能试验机，其特征在于：包括工作台（2）、安装座、横梁（6）、立柱（3）、举升缸（4）、伺服驱动器（7）和权利要求1至5任一项所述椎间融合器生物力学性能试验辅具；
工作台（2），设置安装座上；
横梁（6），设置安装座上方；
立柱（3），设置横梁（6）与安装座之间；
举升缸（4），两端连接横梁（6）和安装座；
伺服驱动器（7），设置在横梁（6）上；
横梁（6）通过举升缸（4）带动能够相对工作台（2）移动，且横梁（6）和举升缸（4）之间能够通过锁紧装置（5）锁紧；
伺服驱动器（7）通过连接套（9）及插销（10）连接球铰结构，且伺服驱动器（7）上设置轮辐传感器（8）。
8.一种利用权利要求7所述椎间融合器生物力学性能试验机进行椎间融合器生物力学性能试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）选取待测试样，将模拟块（17）与椎间融合器试样（23）连接为一体；
2）压缩-沉陷试验：将模拟块（17）和椎间融合器试样（23）的组合体放入压缩底座（16）中；将球面压头（18）旋转至水平位置，球面压杆（19）连接到试验机上，通过举升缸（4）使移动横梁（6）上下升降用于调节试验空间；调整完成后锁紧装置（5）将其锁紧；控制使伺服驱动器（7）伸出直至模拟块（17）与椎间融合器试样（23）的组合体进入到球面压头（18）内；设定参数后继续下移能够测定融合器屈服载荷、融合器刚度和融合器沉陷特性；
3）压缩-剪切试验：将模拟块和椎间融合器的组合体放入剪切底座（24）中，将球面上压头（18）旋转至与水平夹角45°位置，球面压杆（19）连接到试验机；通过举升缸（4）使移动横梁（6）上下升降用于调节试验空间；调整完成后锁紧装置（5）将其锁紧；控制使伺服驱动器（7）伸出直至模拟块（17）与椎间融合器试样（23）的组合体进入到球面压头（18）内；设定参数后继续下移可测定融合器屈服载荷，融合器刚度和融合器剪切强度特性参数；
4）疲劳试验：调整完椎间融合器生物力学性能试验辅具后，设定频率和振幅，运行500万次，椎间融合器试样（23）未发生功能失效或机械失效的最高载荷水平；
5）需要模拟生理盐水环境，将椎间融合器生物力学性能试验辅具安装在浴缸的安装底座（11）上，然后装入生理盐水，水位高于椎间融合器试样（23）；用加热管（13）将生理盐水（15）加热并保持在所需实验温度。
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