CN114112337A - 一种模拟膝关节伸直时生物力学的装置及加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模拟膝关节伸直时生物力学的装置及加载方法。装置包括水平的台架、踝关节支撑件、股骨支撑件、重力模拟组件、扭力组件和膝关节外翻模拟组件，踝关节支撑件活动安装在台架上部的一端，并可朝向台架两侧摆转，股骨支撑件设置于台架上部的另一端，重力模拟组件安装在台架上，并位于踝关节支撑件远离股骨支撑件的一端，重力模拟组件通过扭力组件连接踝关节支撑件，重力模拟组件用于通过扭力组件对踝关节支撑件模拟加载并监测重力，扭力组件用于模拟胫骨扭转并监测扭转力，膝关节外翻模拟组件安装于台架上，并与股骨支撑件连接。优点：能准确的模拟人体直立时膝关节受力情况，为治疗相关膝关节疾病提供丰富的实验基础。

Description

一种模拟膝关节伸直时生物力学的装置及加载方法

技术领域

本发明涉及医疗实验器械领域，特别涉及一种模拟膝关节伸直时生物力学的装置及加载方法。

背景技术

膝关节是人体重要关节之一，关乎人体行走跳跃等动作，大部分膝关节疾病和膝关节受力有关系，治疗相关膝关节疾病的医疗器械则需在膝关节受力情况下检验可行性和可靠性，但是不可能直接在人体上做实验，因此，急需一种匹配的实验装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟膝关节伸直时生物力学的装置及加载方法，有效的克服了现有技术的缺陷。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种模拟膝关节伸直时生物力学的装置，包括水平的台架、踝关节支撑件、股骨支撑件、重力模拟组件、扭力组件和膝关节外翻模拟组件，上述踝关节支撑件活动安装在上述台架上部的一端，并可朝向上述台架两侧摆转，上述股骨支撑件设置于上述台架上部的另一端，上述重力模拟组件安装在上述台架上，并位于上述踝关节支撑件远离上述股骨支撑件的一端，上述重力模拟组件通过上述扭力组件连接上述踝关节支撑件，上述重力模拟组件用于通过上述扭力组件对上述踝关节支撑件模拟加载并监测重力，上述扭力组件用于模拟胫骨扭转并监测扭转力，上述膝关节外翻模拟组件安装于上述台架上，并与上述股骨支撑件连接，用于驱使上述股骨支撑件朝向上述台架两侧平移，从而模拟膝关节外翻运动并监测外翻力。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，上述踝关节支撑件为半包裹脚部及踝关节的鞋型的构件。

进一步，上述重力模拟组件包括纵轨组、纵移机构、第一驱动板、第二驱动板和第一压力传感器，上述纵轨组装配于上述台架上，并朝向上述台架的两端水平延伸，上述第一驱动板和第二驱动板间隔设置，并分别通过滑块滑动装配于上述纵轨组上，上述第一驱动板和第二驱动板分别竖直装有承压板，上述第一压力传感器连接于两个上述承压板之间，上述第一驱动板位于上述第二驱动板和踝关节支撑件之间，上述扭力组件装配于上述第一驱动板上。

进一步，上述纵移机构为纵向设置的第二丝杠传动副，该第二丝杠传动副的丝杠朝向上述台架的两端水平延伸，其两端通过轴承装配于上述台架上，上述第二丝杠传动副的螺母座与上述第二驱动板的下端连接固定。

进一步，上述扭力组件包括扭转驱动装置和扭力传感器，上述扭转驱动装置装配于上述第二驱动板上，上述扭力传感器与上述扭转驱动装置的驱动端传动连接，并且，上述扭力传感器与上述踝关节支撑件连接固定。

进一步，上述股骨支撑件为竖直设置且开口朝上的“U”型的支撑件。

进一步，上述膝关节外翻模拟组件包括横轨组、横移机构和第二压力传感器，上述横轨组装配于上述台架上，并朝向上述台架的两侧水平延伸，上述股骨支撑件下端通过滑块滑动安装于上述横轨组上，上述第二压力传感器通过支架安装于上述台架上，并位于上述股骨支撑件的一侧，上述第二压力传感器与上述股骨支撑件的一侧接触，上述横移机构与上述股骨支撑件传动连接，用于驱使上述股骨支撑件沿上述横轨组平移。

进一步，上述横移机构为横向设置的第一丝杠传动副，该第一丝杠传动副的丝杠朝向上述台架的两侧水平延伸，其两端通过轴承装配于上述台架上，上述第一丝杠传动副的螺母座与上述股骨支撑件的下端连接固定。

进一步，还包括胫骨支撑件，上述胫骨支撑件安装于上述台架上部，并位于上述踝关节支撑件和股骨支撑件之间。

还提供一种模拟膝关节伸直时生物力学的加载方法，包括以下步骤：

S1、装置平方后，将人体腿部固定在装置上；

S2、通过操作重力模拟组件对人体脚底加载，模拟人体重力加载，并记录数据；

S3、通过操作扭力组件小腿及脚部模拟加载扭转力，模拟胫骨扭力加载，并记录数据；

S4、通过操作膝关节外翻模拟组件对股骨进行侧翻，模拟股骨外翻力加载，并记录数据

本发明的有益效果是：结构设计合理，能准确的模拟人体直立时膝关节受力情况，为治疗相关膝关节疾病提供丰富的实验基础。

附图说明

图1为本发明的模拟膝关节伸直时生物力学的装置的正面结构示意图；

图2为本发明的模拟膝关节伸直时生物力学的装置的侧面结构示意图；

图3为本发明的模拟膝关节伸直时生物力学的装置中股骨支撑件的侧面结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、台架；2、踝关节支撑件；3、股骨支撑件；4、重力模拟组件；5、扭力组件；6、膝关节外翻模拟组件；7、胫骨支撑件；41、纵轨组；42、第一驱动板；43、第二驱动板；44、第一压力传感器；51、扭转驱动装置；52、扭力传感器；61、横轨组；62、第二压力传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1和2所示，本实施例的模拟膝关节伸直时生物力学的装置包括水平的台架1、踝关节支撑件2、股骨支撑件3、重力模拟组件4、扭力组件5和膝关节外翻模拟组件6，上述踝关节支撑件2活动安装在上述台架1上部的一端，并可朝向上述台架1两侧摆转，上述股骨支撑件3设置于上述台架1上部的另一端，上述重力模拟组件4安装在上述台架1上，并位于上述踝关节支撑件2远离上述股骨支撑件3的一端，上述重力模拟组件4通过上述扭力组件5连接上述踝关节支撑件2，上述重力模拟组件4用于通过上述扭力组件5对上述踝关节支撑件2模拟加载并监测重力，上述扭力组件5用于模拟胫骨扭转并监测扭转力，上述膝关节外翻模拟组件6安装于上述台架1上，并与上述股骨支撑件3连接，用于驱使上述股骨支撑件3朝向上述台架1两侧平移，从而模拟膝关节外翻运动并监测外翻力。

模拟加载过程如下：

S1、装置平方后，将人体腿部固定在装置上：

将人体腿部模型伸直置于台架1上，将脚放在踝关节支撑件2处，调整位置，使小腿和大腿完全张开，将小腿与踝关节支撑件2固定住，将大腿放在股骨支撑件3上，微调后固定；

S2、通过操作重力模拟组件4对人体脚底加载，模拟人体重力加载，并记录数据：

按人体平均体重120kg模拟，直立时每条腿受到压力为300N。

操作重力模拟组件4向踝关节支撑件2施加轴向力，也就是对人体脚底施加腿长方向的力，将压力调整至300N后保持即可；

更具体地，如图1和2所示，上述重力模拟组件4包括纵轨组41、纵移机构、第一驱动板42、第二驱动板43和第一压力传感器44，上述纵轨组41装配于上述台架1上，并朝向上述台架1的两端水平延伸，上述第一驱动板42和第二驱动板43间隔设置，并分别通过滑块滑动装配于上述纵轨组41上，上述第一驱动板42和第二驱动板43分别竖直装有承压板，上述第一压力传感器44连接于两个上述承压板之间，上述第一驱动板42位于上述第二驱动板43和踝关节支撑件2之间，上述扭力组件5装配于上述第一驱动板42上；操作时，纵移机构驱使第二驱动板43沿纵轨组41做直线运动，从而对第一压力传感器44施加压力，观察压力传感器数值，将压力调整至300N压力后，纵移机构保持即可；

具体地，上述纵移机构为纵向设置的第二丝杠传动副，该第二丝杠传动副的丝杠朝向上述台架1的两端水平延伸，其两端通过轴承装配于上述台架1上，上述第二丝杠传动副的螺母座与上述第二驱动板43的下端连接固定，同时，在第二丝杠传动副的丝杆远离踝关节支撑件2的一端连接操作手柄，通过操作手柄驱使第二丝杆传动副的丝杆旋转，从而驱使第二驱动板43移动对第一压力传感器44施加压力，整体结构设计合理，压力加载精度高，运行过程稳定。

S3、通过操作扭力组件5小腿及脚部模拟加载扭转力，模拟胫骨扭力加载，并记录数据:

一般人体胫骨扭力约为3Nm，通过操作扭力组件5驱使踝关节支撑件2扭转，来对胫骨模拟扭转加载，扭转加载至300N后保持即可；

更具体地，上述扭力组件5包括扭转驱动装置51和扭力传感器52，上述扭转驱动装置51装配于上述第二驱动板43上，上述扭力传感器52与上述扭转驱动装置51的驱动端传动连接，并且，上述扭力传感器52与上述踝关节支撑件2连接固定，操作时，扭转驱动装置51通过扭力传感器52向踝关节支撑件2施加扭转力，即可使人体胫骨做旋转运动，从而模拟人体直立时扭转加载，同时，扭力传感器52实时监测扭力数据，达到300N时保持即可，其设计简单，操作方便；

上述扭转驱动装置51采用常规的旋转气缸即可；

S4、通过操作膝关节外翻模拟组件6对股骨进行侧翻，模拟股骨外翻力加载，并记录数据：

一般人体股骨外翻力最大约260N，通过操作膝关节外翻模拟组件6驱使股骨带动对应的膝关节向外侧移动，即可模拟膝关节侧翻加载，至加载力达到260N时保持即可；

在该实施例中，上述股骨支撑件3设计为竖直设置且开口朝上的“U”型的支撑件，其U型开口的内侧底壁上设置相对柔软点的垫体，垫体与人大腿接触，提升舒适度。

更具体地，如图3所示，上述膝关节外翻模拟组件6包括横轨组61、横移机构和第二压力传感器62，上述横轨组61装配于上述台架1上，并朝向上述台架1的两侧水平延伸，上述股骨支撑件3下端通过滑块滑动安装于上述横轨组61上，上述第二压力传感器62通过支架安装于上述台架1上，并位于上述股骨支撑件3的一侧，上述第二压力传感器62与上述股骨支撑件3的一侧接触，上述横移机构与上述股骨支撑件3传动连接，用于驱使上述股骨支撑件3沿上述横轨组61平移，操作时，横移机构驱使股骨支撑件3沿横轨组61做直线运动，从而对第二压力传感器62施加压力，观察第二压力传感器62数值，将压力调整至260N压力后，横移机构保持即可；

具体地，上述横移机构为横向设置的第一丝杠传动副，该第一丝杠传动副的丝杠朝向上述台架1的两侧水平延伸，其两端通过轴承装配于上述台架1上，上述第一丝杠传动副的螺母座与上述股骨支撑件3的下端连接固定，同时，在第一丝杠传动副的丝杆远离第二压力传感器62的一端连接操作手柄，通过改操作手柄驱使第一丝杆传动副的丝杆旋转，从而驱使股骨支撑件3移动对第二压力传感器62施加压力，整体结构设计合理，压力加载精度高，运行过程稳定。

在上述实施例中，上述踝关节支撑件2为半包裹脚部及踝关节的鞋型的构件，在“鞋帮”对应部位的两侧分别开孔，并穿绳，通过绳来绑紧人体脚骨与踝关节支撑件2。

在上述实施例中，横轨组61实际上包括两组间隔分布的横轨，横移机构设置于两根横轨之间，股骨支撑件3的下端分别通过滑块与两根横轨分别滑动连接，整体结构装配紧凑，股骨支撑件3移动比较稳定，同时，结构之间占用空间体积小。

在上述实施例中，纵轨组41实际上包括两组间隔分布的纵轨，纵移机构设置于两根纵轨之间，第一驱动板42和第二驱动板43的两端分别通过滑块滑动安装于两根纵轨上，整体结构装配紧凑，第一驱动板42和第二驱动板43的移动比较稳定，同时，结构之间占用空间体积小。

本实施例中，考虑到小腿的稳定支撑及固定，整个装置还配置胫骨支撑件7，上述胫骨支撑件7安装于上述台架1上部，并位于上述踝关节支撑件2和股骨支撑件3之间。

该方案中，胫骨支撑件7在台架1上定点安装，能够稳定的支撑人体小腿，确保实验加载的顺利。

更具体地，如图1和2所示，胫骨支撑件7采用与股骨支撑件3相似的U型支撑件结构，小腿嵌合在该胫骨支撑件7中，该U型支撑件内侧设有软垫，通过绳索将小腿与胫骨支撑件7捆绑固定即可。

在上述实施例中，台架1采用长方形的板面结构，方便平稳的放置，踝关节支撑件和股骨支撑件3分别装配于台架1上部的两端(长度方向的两端)即可。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种模拟膝关节伸直时生物力学的装置，其特征在于：包括水平的台架(1)、踝关节支撑件(2)、股骨支撑件(3)、重力模拟组件(4)、扭力组件(5)和膝关节外翻模拟组件(6)，所述踝关节支撑件(2)活动安装在所述台架(1)上部的一端，并可朝向所述台架(1)两侧摆转，所述股骨支撑件(3)设置于所述台架(1)上部的另一端，所述重力模拟组件(4)安装在所述台架(1)上，并位于所述踝关节支撑件(2)远离所述股骨支撑件(3)的一端，所述重力模拟组件(4)通过所述扭力组件(5)连接所述踝关节支撑件(2)，所述重力模拟组件(4)用于通过所述扭力组件(5)对所述踝关节支撑件(2)模拟加载并监测重力，所述扭力组件(5)用于模拟胫骨扭转并监测扭转力，所述膝关节外翻模拟组件(6)安装于所述台架(1)上，并与所述股骨支撑件(3)连接，用于驱使所述股骨支撑件(3)朝向所述台架(1)两侧平移，从而模拟膝关节外翻运动并监测外翻力。

2.根据权利要求1所述的一种模拟膝关节伸直时生物力学的装置，其特征在于：所述踝关节支撑件(2)为半包裹脚部及踝关节的鞋型的构件。

3.根据权利要求1所述的一种模拟膝关节伸直时生物力学的装置，其特征在于：所述重力模拟组件(4)包括纵轨组(41)、纵移机构、第一驱动板(42)、第二驱动板(43)和第一压力传感器(44)，所述纵轨组(41)装配于所述台架(1)上，并朝向所述台架(1)的两端水平延伸，所述第一驱动板(42)和第二驱动板(43)间隔设置，并分别通过滑块滑动装配于所述纵轨组(41)上，所述第一驱动板(42)和第二驱动板(43)分别竖直装有承压板，所述第一压力传感器(44)连接于两个所述承压板之间，所述第一驱动板(42)位于所述第二驱动板(43)和踝关节支撑件(2)之间，所述扭力组件(5)装配于所述第一驱动板(42)上。

4.根据权利要求3所述的一种模拟膝关节伸直时生物力学的装置，其特征在于：所述纵移机构为纵向设置的第二丝杠传动副，该第二丝杠传动副的丝杠朝向所述台架(1)的两端水平延伸，其两端通过轴承装配于所述台架(1)上，所述第二丝杠传动副的螺母座与所述第二驱动板(43)的下端连接固定。

5.根据权利要求3所述的一种模拟膝关节伸直时生物力学的装置，其特征在于：所述扭力组件(5)包括扭转驱动装置(51)和扭力传感器(52)，所述扭转驱动装置(51)装配于所述第二驱动板(43)上，所述扭力传感器(52)与所述扭转驱动装置(51)的驱动端传动连接，并且，所述扭力传感器(52)与所述踝关节支撑件(2)连接固定。

6.根据权利要求1所述的一种模拟膝关节伸直时生物力学的装置，其特征在于：所述股骨支撑件(3)为竖直设置且开口朝上的“U”型的支撑件。

7.根据权利要求6所述的一种模拟膝关节伸直时生物力学的装置，其特征在于：所述膝关节外翻模拟组件(6)包括横轨组(61)、横移机构和第二压力传感器(62)，所述横轨组(61)装配于所述台架(1)上，并朝向所述台架(1)的两侧水平延伸，所述股骨支撑件(3)下端通过滑块滑动安装于所述横轨组(61)上，所述第二压力传感器(62)通过支架安装于所述台架(1)上，并位于所述股骨支撑件(3)的一侧，所述第二压力传感器(62)与所述股骨支撑件(3)的一侧接触，所述横移机构与所述股骨支撑件(3)传动连接，用于驱使所述股骨支撑件(3)沿所述横轨组(61)平移。

8.根据权利要求7所述的一种模拟膝关节伸直时生物力学的装置，其特征在于：所述横移机构为横向设置的第一丝杠传动副，该第一丝杠传动副的丝杠朝向所述台架(1)的两侧水平延伸，其两端通过轴承装配于所述台架(1)上，所述第一丝杠传动副的螺母座与所述股骨支撑件(3)的下端连接固定。

9.根据权利要求1至8任一项所述的一种模拟膝关节伸直时生物力学的装置，其特征在于：还包括胫骨支撑件(7)，所述胫骨支撑件(7)安装于所述台架(1)上部，并位于所述踝关节支撑件(2)和股骨支撑件(3)之间。

10.一种模拟膝关节伸直时生物力学的加载方法，利用如权利要求1至9任一项所述的模拟膝关节伸直时生物力学的装置实施，其特征在于，包括以下步骤：

S1、装置平方后，将人体腿部固定在装置上；

S2、通过操作重力模拟组件(4)对人体脚底加载，模拟人体重力加载，并记录数据；

S3、通过操作扭力组件(5)小腿及脚部模拟加载扭转力，模拟胫骨扭力加载，并记录数据；

S4、通过操作膝关节外翻模拟组件(6)对股骨进行侧翻，模拟股骨外翻力加载，并记录数据。

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