CN200963136Y - 通用生物关节六自由度动态应力加载系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种通用生物关节六自由度动态应力加载系统，包括一个万能材料力学试验机，在其材料夹上安装有一个可调节关节远端骨加载平台，该加载平台上设置有一排水平的螺孔，及一排与水平方向成30°及60°夹角的螺孔；在所述的万能材料力学试验机的水平测试平台上，有一个用来固定近端骨的竖直的近端骨夹具，在该水平测试平台上还安装有两组滑轮，每组滑轮由三个滑轮同轴排列，滑轮的轮轴与所需固定的远端骨的轴线垂直；还包括一个交叉韧带张力测试仪以及一个扭矩传感器，和一个内外翻传感器。这种通用生物关节六自由度动态应力加载系统结构简单，使用方便。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种对生物关节进行力学研究用的应力加载装置，用于对关节运动功能和状态进行应力测试。
背景技术
随着人们生活和文化水平的提高，体育运动早已不是极少数人的运动项目，而是存在于大多数人的日常生活中，成为人们生活中的一部分，因此与运功相关的损伤问题，越来越突出地摆在骨科医生的面前。而涉及关节的损伤问题，不仅要求及时治愈，更要尽早恢复其运动功能。从而对治疗提出了更高的要求。
生物关节疾病的治疗效果在于其功能的恢复，关节的功能需要用关节的自由度(degree-of-freedom)来描述，关节的自由度就是围绕三个轴在三维空间做6种运动，如图4所示，以膝关节为例：膝关节可沿三个轴，即胫(股)骨纵轴Z、髁间横轴X、前后纵轴Y，在三维空间中运动，包括：远近位移、内外位移和前后位移3个位移，和内外旋、屈伸、内外翻3个旋转。关节的运动是复杂的，关节的运动可以是单个平面的单一运动，也可以是多个平面的复合运动。
目前对关节进行生物运动力学研究，是对关节疾病较为热门的研究方式，也是首选。生物力学研究不仅能更好的了解关节的生物力学，而且更能推断关节的损伤机制。
对关节运动的研究，需要用应力加载装置，以研究在不同运动状态下关节的应力变化状态。因此加载装置必须能够模拟正常的生理功能，同时还要能够定量和定向的研究生物关节在各个运动状态下的应力加载状况。
而现有的生物关节应力加载系统不能满足实验的需求，也限制了此类试验的广泛开展。主要是，或者不能完全模拟正常的运动功能；或者是结构比较复杂，造成成本昂贵，拆装和测试操作非常复杂，因此限制了其使用。
实用新型内容
本实用新型的目的就在于提供一种结构简单，便于操作的通用生物关节六自由度动态应力加载系统。
本实用新型采用如下技术方案：一种通用生物关节六自由度动态应力加载系统，包括一个万能材料力学试验机，在该万能材料力学试验机的材料夹上安装有一个可调节关节远端骨加载平台，该可调节远端骨加载平台为一个竖向固定支架，在支架上设置有一排水平的螺孔，及一排与水平方向成30°夹角和一排与水平方向呈60°夹角的螺孔以用于通过螺钉固定远端骨；在所述的万能材料力学试验机的水平测试平台上，有一个用来固定近端骨的竖直的近端骨夹具，在该水平测试平台上还安装有两组滑轮，所述的两组滑轮及近端骨夹具和所述的可调节关节远端骨加载平台上所固定的远端骨的轴线一致，每组滑轮由三个滑轮同轴排列，滑轮的轮轴与所需固定的远端骨的轴线垂直；还包括一个可测试关节韧带张力的交叉韧带张力测试仪以及一个用于测远端骨旋转角度和力的关系的扭矩传感器，和一个用于测定关节近端骨或远端骨相对于关节作内外翻运动时应力加载特性的内外翻传感器。
本实用新型的这种通用生物关节六自由度动态应力加载系统，在万能材料力学试验机上加装两个特定结构的关节夹具，与交叉韧带张力测试仪和扭矩传感器及内外翻传感器，结构简单，可分别模拟6个自由度的生物关节运动，以及测试其应力情况，使用方便。
附图说明
图1为本实用新型的通用生物关节六自由度动态应力加载系统结构示意图。
图2为生物关节扭矩测度传感器的结构示意图。
图3为内外翻传感器的结构示意图。
图4为膝关节的六个自由度运动示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型的通用生物关节六自由度动态应力加载系统作进一步说明。
如图1所示，包括一个万能材料力学试验机，为长春机电仪器制造厂的产品，这种试验机能够用来测试试样的位移和应力变化。在万能材料力学试验机上的万用材料夹上，通过连接部固定连接有一个可调节关节远端骨加载平台，该可调节关节远端骨加载平台为折成直角的固定板构成的支架，固定板上设置有一排水平的螺孔6，及一排与水平方向成30°夹角的螺孔5和一排与水平方向呈60°夹角的螺孔6以用于通过螺钉和螺孔固定远端骨7，使远端骨7能够与近端骨16呈30°、60°和90°夹角；在万能材料力学试验机的水平测试平台9上，有一个用来固定近端骨16的竖直的近端夹具15，该夹具的轴线与可调节关节远端骨加载平台上固定的远端骨6的轴线相交，以保证关节的自然状态，在万能材料力学试验机的水平测试平台9上还安装有两组滑轮12、14，两组滑轮12、14及近端骨夹具15和远端骨6的轴线一致，每组滑轮由三个滑轮同轴排列成，滑轮12、14的轮轴与远端骨6的轴线垂直；还包括一个可测试关节韧带张力变化的的交叉韧带张力测试仪18以及一个扭矩测试传感器和一个内外翻传感器。
固定近端骨16用的近端骨夹具15，可以为一块类似可调节关节远端骨加载平台的平板，或一个弹性夹具，本实施例中采用一个圆筒，在圆筒筒壁上设置多个螺孔，如图1所示，将近端骨16插入圆筒内，利用螺丝端部自四周将近端骨顶紧，便可方便、稳固地实现近端骨16的固定，可以适应不同大小的近端骨的固定要求。
在万能材料力学试验机的水平测试平台9上，沿两组滑轮12、14及近端固夹具15的轴线位置有一道凸字形的安装固定槽10，用于装固定用滑轮及近端骨夹具用的螺钉，在两组滑轮12、14及近端骨夹具15的底座上，有与该固定槽垂直的横槽13，通过螺钉以及横槽13和固定槽10，可以调整滑轮12、14及近端骨夹具15在万能材料力学试验机上的位置，保证远近端骨16安装时与远端骨7的轴线一致。
虽然目前，有很多种扭矩传感器和内外翻传感器可以选用，为提高测量精度，本实用新型采用的扭矩传感器的结构如图2所示，为适应测试精度的要求，扭矩传感器为y12结构铝合金制成的圆筒体，圆筒体中段20部分的内孔直径为16mm，外径为20mm，长度为60mm其两端直径变大，一端在四周对称地设置螺孔23，其作用在于如图2所示通过螺钉其该传感器固定在远端骨端部，另一端有通孔22，以便于插入一个杆件，施加扭力，在中段中部两侧对称的地方各贴有一片90°直角应变花21。应变花规格为120欧姆。90°直角应变花21，为三个电阻丝栅按图2所示呈45°、90°夹角排列方式固定，其中间的电阻丝栅与传感器轴线一致，以便通过这三个电阻丝栅测定结构受外荷载作用于复杂应力状态。组桥后，计算得其灵敏度为：10.7×10E-5v/NM(桥压为3.3v)。相当于，在单位扭矩(1NM)作用下，产生的电压变化为10.7×0.00001v，107毫伏。采用90°直角应变花，如果测得三个应变值E0°、E45°和E90°，即可确定该点处主应力的大小及方向的实验值。90°直角应变花设计可一定程度上具有抗弯曲偏载能力，减少弯曲偏载干扰，保证扭矩测量的精度。
本实施例中内外翻传感器的结构如图3所示，采用y12结构铝合金矩形块40，其长度A为63mm，宽度B为28mm，厚度C为21mm。在其厚度方向加工有两个四个角为圆角的矩形通孔41，两个通孔沿其长度A的方向排列，在宽度方向的中心线处有直开口42将两个矩形通孔41连通，在矩形通孔外侧壁44的厚度为3mm，其内外两侧各贴有一片应变片45。在与直开口42垂直的方向上有孔43，用于传感器的固定以施加作用力。应变片采用350欧姆的应变片。
交叉韧带张力测试仪，采用专利申请号为200410098575.8号中国专利文献公开的产品。
使用过程如图1所示，将近端骨16固定在其夹具15上，远端骨通过螺钉和可调节关节远端骨加载平台上的螺孔按水平方式(或与水平方向呈30°或60°)的方式固定。将连接在关节韧带上的牵引绳绕过两组滑轮12、14后，加载一定重量的砝码11，以给关节韧带施加一定拉力，模拟关节受力情况，并且交叉韧带张力测试仪18测定关节在六自由度运动时的韧带受力情况，通过万能材料力学试验机测试位移和所受应力情况。参照图1所示，将扭矩传感器8固定在远端骨7端部，在远端骨7与近端骨16呈不同夹角的自由状态下(即此时远端骨未固定在其加载平台上)，转动扭矩传感器8，使远端骨转动，可测定在此运动状态下关节所施加的扭矩变化情况。将图3所示的内外翻传感器固定在骨端则可测定关节所受的拉压力变化情况。
这种通用生物关节六自由度动态应力加载系统结构简单，拆装方便，经济实用，各测力单元相互独立且互不干扰，可适用于不同的生物四肢大关节。
Claims (6)
1、一种通用生物关节六自由度动态应力加载系统，其特征在于：包括一个万能材料力学试验机，在该万能材料力学试验机的材料夹上安装有一个可调节关节远端骨加载平台，该可调节关节远端骨加载平台为一个竖向固定支架，在支架上设置有一排水平的螺孔，及一排与水平方向成30°夹角和一排与水平方向呈60°夹角的螺孔以用于通过螺钉固定远端骨；在所述的万能材料力学试验机的水平测试平台上，有一个用来固定近端骨的竖直的近端骨夹具，在该水平测试平台上还安装有两组滑轮，所述的两组滑轮及近端骨夹具和所述的可调节关节远端骨加载平台上所固定的远端骨的轴线一致，每组滑轮由三个滑轮同轴排列，滑轮的轮轴与所需固定的远端骨的轴线垂直；还包括一个可测试关节韧带张力的交叉韧带张力测试仪以及一个用于测远端骨旋转角度和力的关系的扭矩传感器，和一个用于测定关节近端骨或远端骨相对于关节作内外翻运动时应力加载特性的内外翻传感器。
2、如权利要求1所述的通用生物关节六自由度动态应力加载系统，其特征在于：所述的近端骨夹具采用一个圆筒，在圆筒筒壁上设置多个螺孔。
3、如权利要求1或2所述的通用生物关节六自由度动态应力加载系统，其特征在于：所述的万能材料力学试验机的水平测试平台上，沿所述的两组滑轮及所述的近端固夹具的轴线位置有一道凸字形的安装固定槽，用于装固定滑轮用及近端骨夹具用的螺钉，在所述的两组滑轮及所述的近端骨夹具的底座上，有与该固定槽垂直的横槽，固定螺钉穿过该横槽并装配在所述的固定槽内，将所述的滑轮及近端骨夹具安装在所述的水平测试平台上。
4、如权利要求1或2所述的通用生物关节六自由度动态应力加载系统，其特征在于：所述的扭矩传感器为y12结构铝合金制成的圆筒体，圆筒体中段部分的内孔直径为16mm，外径为20mm，长度为60mm其两端直径变大，一端在四周对称地设置螺孔，另一端有通孔，在中段中部两侧对称的地方各贴有一片90°直角应变花。
5、如权利要求4所述的通用生物关节六自由度动态应力加载系统，其特征在于：所述的90°直角应变花，为三个电阻丝栅呈45°、90°夹角排列方式固定，其中间的电阻丝栅与所述的扭矩传感器的轴线一致。
6、如权利要求1或2所述的通用生物关节六自由度动态应力加载系统，其特征在于：所述的内外翻传感器采用y12结构铝合金矩形块，在其厚度方向加工有两个四个角为圆角的矩形通孔，两个通孔沿其长度的方向排列，在宽度方向的中心线处有直开口将两个矩形通孔连通，在矩形通孔外侧壁内外两侧各贴有一片应变片，在与直开口垂直的方向上有孔。
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