CN1613424A - 膝关节交叉韧带张力测试仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种膝关节交叉韧带张力测试仪，包括一个可固定在胫骨上的支架，支架上设置多组应力测试系统，每组应力测试系统包括一个张力应力计和一个滑轮及一个金属丝，滑轮及张力应力计安装在支架，金属丝经过滑轮后一端连接于张力应力计上。本发明的膝关节交叉韧带张力测试仪可以同时测量多束韧带束的应力，为医生通过韧带重建来恢复膝关节的正常功能提供依据。

Description

膝关节交叉韧带张力测试仪
技术领域
本发明涉及一种张力测试仪，具体来说是一种膝关节交叉韧带张力测试仪，用于多点测试膝关节交叉韧带在运动时的张力。
背景技术
随着交通、工业生产、体育竞技事业的快速发展，多种运动系损伤日益多见。其中，膝关节的前交叉韧带(anterior cruciate ligament，ACL)损伤是最为常见的膝关节运动伤之一。据美国统计，每年仅滑雪运动项目一项，就使50万人出现膝关节交叉韧带损伤，其他常见引起交叉韧带损伤的运动如篮球、足球每年都产生大量伤员。此外，车祸伤也是造成交叉韧带损伤的最常见原因之一，而且损伤程度多较严重。对于膝关节前交叉韧带损伤的治疗，据目前的医学水平，使用韧带替代物重建ACL以恢复膝关节的稳定性和活动性是最常用且疗效最好的治疗方法。
从结构和所承担的力学功能来看，ACL是人体内最复杂的结构之一。韧带在上端股骨侧的附着点面积较下端的胫骨侧小，其纤维束并非平行排列，而是从股骨侧大致呈斜行呈放射状向胫骨侧分布，后方纤维束在胫骨侧止点偏外，前方纤维束偏内。
在早期的研究中，由于不了解ACL的力学特性，都是通过单束韧带重建来恢复膝关节的正常功能。但人们逐渐发现，单束重建并不能很好地重现生理ACL的力学特性。因此，Gabriel曾在大体解剖概念上将ACL分为前内和后外束，并通过胫骨侧骨道将重建后的双束ACL分别连接张力应力计，在静态下测定两束纤维束各自所受的应力。发现后外束应力在膝关节伸直时所受的应力最大，随着屈曲而减小；而前内束应力在膝关节伸直位时应力较低，但屈曲过程中逐渐增加。由于还没有报道应用专用测力器械，所以将ACL简单地分为双束进行测量不仅操作容易，还避免了对过于复杂的应力变化进行讨论。
根据以上研究结果，医师们开始使用双束重建ACL并监测其力学特性：用两束替代物分别重建ACL的前内和后外束，经过力学测试，双束重建所带来的膝关节稳定性结果比单束重建时更好，但进一步研究后发现前束承担应力过多，在某种意义上失去了双束重建的意义，因此仍然不能带来最好的疗效。
事实上，ACL在膝关节活动中的受力远比双束韧带所描述的受力状态更为复杂：承担最大应力的ACL纤维束在从后向前不断地动态变化，在膝关节处在某一特定屈曲角度时，不同的纤维束所受的应力是完全不同的。只有进一步分析ACL的多束动态力学特性才能在手术中重建出更符合生理特性的ACL韧带。
目前我们对ACL多个纤维束的动态力学特性所知甚少，为了模仿每个患者的ACL的生理受力状态，需要能同时对多点应力进行测定，并且能够在动态状态下观察应力变化的装置，以便在标本测量研究或手术中辅助医师按照生理状态重建出与原始ACL更加接近的替代物，提高手术精确性。因为目前还没有专用的能够进行多点应力测试的膝关节交叉韧带张力测试仪，所以对膝关节韧带进行多点应力测试还存在一定困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种膝关节交叉韧带张力测试仪，这种测试仪可同时对膝关节交叉韧带的多束纤维进行多点应力测试。
本发明采用如下技术方案：膝关节交叉韧带张力测试仪，包括一个可固定在胫骨上的支架，支架上设置多组应力测试系统，每组应力测试系统包括一个张力应力计和一个滑轮及一个金属丝，滑轮及张力应力计安装在支架，金属丝经过滑轮后一端连接于张力应力计上。
所述的张力应力计可以通过螺钉固定在所述的支架上。
所述的支架可以由一个弧形槽状胫骨侧支架以及一个或两个固定于胫骨侧支架上的扇形安装板构成。
所述的张力应力计上安装有一个中空螺栓，所述的金属丝穿过中空螺栓并焊接在一个金属球上，金属球的直径大于中空螺栓的内径。
本发明的膝关节交叉韧带张力测试仪，可以通过支架固定在膝关节标本的胫骨上，将每组应力测试系统中的金属丝与膝关节的韧带末端连接，模拟膝关节的生理屈伸、内外旋、内外翻的过程，张力应力计受到金属丝的拉力产生电信号，将张力应力计得到的电压信号通过模数转换器转换为数字信号输入电脑便可获得膝关节韧带不同纤维束所受应力的动态变化，达到多点测试的目的，为医生通过韧带重建来恢复膝关节的正常功能提供依据。
附图说明
图1为本发明的膝关节交叉韧带张力测试仪的结构图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为张力应力计的结构示意图；
图4为图3的B-B剖视图；
图5为中空螺栓与金属丝的连接方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的膝关节交叉韧带张力测试仪进一步说明。
膝关节交叉韧带张力测试仪由一个支架及支架上的多组应力测试系统组成。如图1和图2所示，支架包括一个截面形状(图1中打剖面线的部分)为弧形长槽构成的胫骨侧支架10，弧形长槽的弧形应尽量与人腿部胫骨形状吻合，以便于稳定地固定在胫骨上；在胫骨侧支架10外表面沿其长度方向上焊有两块金属板11、12，两块金属板成构成安装应力测试系统的安装板，两块金属板11、12排成扇形；本实施例中示出了四组应力测试系统，每组应力测试系统均包括一个滑轮40、一根金属丝30及一个张力应力计20，张力应力计20一端通过带长孔的连接板22和螺钉23安装在金属板12上，金属丝30一端连接于张力应力计20另一端经过滑轮40。安装板也可以由一块扇形的金属板构成，还可采用一个金属支架。
每组应力测试系统的系统测量误差应尽量小且应尽量保持一致，所以各金属丝30的弹性变形量越小测量的越精确。对于金属丝30来说，弹性模量越低越好，本实施例中采用直径为0.3mm的铜丝，即可满足要求。各组应力测试系统呈放射状排列在扇形的安装板上，使金属丝30的长度能够尽量保持一致，以使其弹性变形能力趋于一致。
滑轮40的作用一是要保证金属丝30之间保证一定间距以使其不会互相影响，另一个作用是作为金属丝30的支点使金属丝可绕滑轮40转过一定角度，以与适应膝关节曲张动作。滑轮40应尽量小，以使金属丝30之间的间距能够满足不同韧带纤维束的要求，并且也能够减少滑轮40转动的阻力提高测量的准确性。经过反复试验表面，相邻的滑轮之间相距5mm能获得比较满意的测量效果。同时，本实施例中各滑轮40安装点构成的圆弧的半径R为50mm，相邻的滑轮间距为5mm，这些位点的设计保证了张力应力计20的测力方向可以根据不同个体的ACL天然角度进行调整。
可以理解的是，张力应力计20的测量范围应该涵盖人体膝关节交叉韧带正常的应力，而且还要保证足够的测量精度，一般要求在0.02N以内。根据上述要求可以选购市售的张力应力计。本实施例中设计的张力应力计如图3和图4所示，在一块52mm×50mm×10mm的Ly12铝合金板上开有两道宽6.5mm的缝隙26、27，使两个缝隙26、27之间的部分形成测量区域，在测量区域中部开有两个圆孔25以增强其应变能力，在一侧装有四个应变片元件。应变片元件可以采500欧姆的应变片28以将应力转换为电信号。
金属丝30与张力应力计20的连接要求牢固且不会在连接部位产生变形，如图1、图3和图4所示，在张力应力计20两端有螺孔24，用于安装中空螺栓。金属丝与螺栓的连接方式与图5所示，金属丝30穿过中空螺栓21并焊接在一个金属球31上，金属球31直径大于中空螺栓21的内径使其能够卡在中空螺栓21上。当将该中空螺栓21通过螺纹结构拧在图4所示的张力应力计20上的螺孔24内时，便将金属丝连接在了张力应力计上。
本实施例中虽然只所映出了4个张力应力计固定在特制的胫骨支架的固定位点上，实际还可根据需要增加应力测试系统的数量。
其工作原理是：
将槽状的胫骨侧支架10固定胫骨上，将人体膝关节标本ACL胫骨侧末端游离，通过弹性模量较小的金属线30分别连接至各个张力应力计20上(根据重建的韧带数量确定所需张力应力计数量)，在保持韧带末端零位移的状态下设定好各张力应力计20的位置并固定。模拟膝关节的生理屈伸、内外旋、内外翻的过程，张力应力计20将得到的电压值传输到数模转换器上，转换为数字信号输入电脑，使用电脑显示ACL不同纤维束所受应力的动态变化。在真正人体上重建ACL韧带时也可以使用同样的方法预先进行应力测试，并对重建后的韧带实际受力进行复测，检测其与生理ACL的受力差别。利用该测定仪，我们在人膝关节标本上已经得到了初步测量结果：在标本的胫骨平台选定了两个标记点，第一个标记点位于冠状面47％、矢状面43％处，附着在该点上的韧带纤维束在膝关节0-30°屈曲过程中承受最大应力，最大值60.7N；第二个标记点位于冠状面52％、矢状面57％处，附着在该点上的韧带纤维束在膝关节30°-90°屈曲过程中承受最大应力52.7N。这两点的选定对改进ACL重建术中对韧带重建点的选择有决定性的辅助。

Claims (8)

1、一种膝关节交叉韧带张力测试仪，其特征在于：包括一个可固定在胫骨上的支架，支架上设置多组应力测试系统，每组应力测试系统包括一个张力应力计和一个滑轮及一个金属丝，滑轮及张力应力计安装在支架，金属丝经过滑轮后一端连接于张力应力计上。
2、如权利要求1所述的膝关节交叉韧带张力测试仪，其特征在于：所述的张力应力计通过螺钉固定在所述的支架上。
3、如权利要求1或2所述的膝关节交叉韧带张力测试仪，其特征在于：所述的支架由一个弧形槽状胫骨侧支架以及一个或两个固定于胫骨侧支架上的扇形安装板构成。
4、如权利要求或3所述的膝关节交叉韧带张力测试仪，其特征在于：所述的扇形安装板由两块金属板构成。
5、如权利要求或1或2所述的膝关节交叉韧带张力测试仪，其特征在于：所述的张力应力计上安装有一个中空螺栓，所述的金属丝穿过中空螺栓并焊接在一个金属球上，金属球的直径大于中空螺栓的内径。
6、如权利要求1或2所述的膝关节交叉韧带张力测试仪，其特征在于：所述的金属丝为直径为0.3mm的铜丝。
7、如权利要求1或2所述的膝关节交叉韧带张力测试仪，其特征在于：所述的张力应力计为一块52mm×50mm×10mm的Ly12铝合金板，其上开有两道宽6.5mm的缝隙，两个缝隙之间的部分形成测量区域，在测量区域中部开有两个圆孔，在一侧装有四个应变片元件。
8、如权利要求7所述的膝关节交叉韧带张力测试仪，其特征在于：所述的应变片元件为500欧姆应变片。
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