CN202128567U - 一种模拟人体体内环境的装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟人体体内环境的装置，其包括依次用管路相串联的储液槽、第一管接头、液体加热装置、泵、第二管接头、阀门、流量计，以及铂电阻传感器和温控仪，该储液槽内放置生理液，人工髋关节模拟试验机的人造股骨浸于该生理液内，其夹具和旋转装置分别连接该人造股骨的上、下端并伸出所述储液槽的槽壁，铂电阻传感器设置在液体加热装置与泵之间的管路上，温控仪分别与液体加热装置和铂电阻传感器连接。本实用新型保证了生理液温度和浓度的稳定，能够更真实地模拟人工髋关节在人体内的环境状态，适用于各种人工髋关节模拟试验机。

Description

一种模拟人体体内环境的装置

技术领域

本实用新型涉及一种医疗器械实验模拟装置，特别涉及一种用于人工髋关节模拟试验机的模拟人体体内环境的装置。

背景技术

髋关节是人体受力最复杂的关节，同时也是关节疾病的易发部位，常见的有外伤性疾病、缺血坏死性疾病、退行性病变、炎症性及肿瘤性疾病。目前我国的发病人数近500万，且呈逐渐上升的趋势。随着现代医疗技术的发展，施行人工髋关节置换手术的情况越来越多。据统计，全球每年有110万例的髋关节植入，并呈现逐年递增的趋势。在美国和英国每年大约分别有20万和8万个髋关节置换，而且这个数字在2030年将会以原来的170倍速度增长。在植入手术后的使用过程中，人工关节的磨损不仅能造成关节假体本身的破坏而引起机械性失效，还会产生大量磨损颗粒导致假体周围骨溶解。研究表明，人工髋关节的晚期松动与磨损颗粒(磨屑)不断增多而引起的异物反应有关。国内外研究者针对人工髋关节材料设计以及表面涂层进行了大量研究，期望通过改变配副材料来减轻磨损、减少磨屑，但收效不佳。因此对人工髋关节的强度、蠕变和磨损性能进行系统研究是必要的，人工髋关节试验机的研制就是在对满足上述性能试验需要的条件下提出来的。

人工髋关节模拟试验机主要用于评价人工髋关节生物材料的摩擦磨损特性和验证理论计算结果与实际的吻合程度，而摩擦学实验的结果往往受实验环境条件的影响较大，因此，试验机应尽力模拟人工髋关节的实际工况条件：运动状态、载荷、速度、温度及环境介质等等，如，要更加真实地模拟人体的体内37℃生理环境。国内外的人工关节模拟试验机都无一例外地涉及到这一问题，并努力在试验机上实现人体体内坏境的体外模拟，例如MTS公司生产的模拟试验机(Bionix 12-Station Hip Wear Simulator)成功地实现了37±2℃范围内的环境模拟。然而国外的很多人体体内环境的模拟装置均将人工股骨头整体浸泡在静止的生理液中，而且生理液完全暴露于空气之中，以模拟摩擦磨损试验过程中的体内环境。但是据有关文献表明，真实的人体关节表面的软骨是一种多孔的粘弹性材料，骨组织间隙内充满了液体，在应力的作用下液体能够在组织中流进或流出，当关节不承载时，软骨起存储液体的作用，当关节承载时，软骨中液体就不断流出而起到润滑作用。因此，现有人体体内环境模拟装置不仅无法真实地模拟体内关节中起润滑作用的生理液的流动状态，而且由于模拟装置的生理液长期停留在储液槽中会受到摩擦粉末的污染，而导致生理液浓度的降低。此外，国外产品Instron-Stanmore Multi-Station Knee Simulator由于同时能够同时模拟多个关节的运动，则出现了管路繁琐的问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，克服现有人体体内环境模拟装置的不足，提供一种用于人工髋关节模拟试验机的模拟人体体内环境的装置，其在满足模拟人体生理37℃体温要求的前提下，既实现生理液的流动，又保持生理液的浓度，达到模拟真实人体体内环境的效果，为人工髋关节模拟试验机的实验提供更为逼真的人体环境条件。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种模拟人体体内环境的装置，用于人工髋关节模拟试验机，该人工髋关节模拟试验机包括有人造股骨、夹具和旋转装置，其特征在于：所述装置包括储液槽、第一管接头、液体加热装置、铂电阻传感器、泵、第二管接头、阀门、流量计和温控仪，该第一管接头、液体加热装置、泵、第二管接头、阀门和流量计依次用管路相串联，所述储液槽内放置生理液，其分别与流量计和第一管接头用管路相连接，所述人造股骨浸于该生理液内，所述夹具和旋转装置分别连接该人造股骨的上、下端并伸出所述储液槽的槽壁，所述铂电阻传感器设置在液体加热装置与泵之间的管路上，所述温控仪分别与液体加热装置和铂电阻传感器连接。

本实用新型所述的模拟人体体内环境的装置，其液体加热装置为一双层液体容器，其包括内层的内容器、外层的外容器和加热电阻丝，所述内容器与外容器的容腔互相隔绝，所述内容器设有生理液入口和生理液出口且通入生理液，该生理液入口通过管路与所述第一管接头连接，该生理液出口通过管路与所述泵连接，所述内容器用良导热性材料制造，所述外容器设有注水口且注入水，其用透明材料制造，所述加热电阻丝缠绕在所述内容器的外壁周围，其两端与所述温控仪连接；所述储液槽用耐腐蚀材料制造；所述夹具和旋转装置各自与所述储液槽的槽壁之间均设置有密封环；所述第一管接头和第二管接头为多通管接头。

本实用新型的有益效果是：

1、由于设置有循环管路使生理液处于循环流动状态，不仅避免了摩擦粉末污染导致的生理液浓度降低，而且能够更真实地模拟关节在人体内的工作环境，从而为研究人工髋关节假体摩擦磨损性能的人工髋关节模拟试验机提供了更加接近人体运动状态的实验条件。

2、由于设置有密封的储液槽，因此减少了生理液与空气的直接接触，避免了生理液的污染。

3、由于设置有采用热传导原理的液体加热装置和恒温控制系统，因此保证了生理液温度始终稳定保持在37±1℃范围内，实现了对人体体温环境的准确模拟。

总之，本实用新型所述模拟人体体内环境的装置为研究人工髋关节假体摩擦磨损性能的体外试验创造了更加接近人体运动状态的有利条件，对于人工髋关节模拟试验机在仿生状态下，测试人工假体材料的磨损率、磨损周期以及各种力学性能，提供了更加真实的人体模拟环境。本实用新型能够用于各种人工髋关节模拟试验机。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为液体加热装置的剖视图。

图中，

1阀门，2流量计，3储液槽，4人造股骨，5夹具，6密封环，7旋转装置，8管路，

9第一管接头，10铂电阻传感器，11泵，12电机，13第二管接头，14温控仪，

15支承轴，16注水口，17上端盖，18水，19生理液，20外容器，21加热电阻丝，

22下端盖，23电阻丝上接口，24生理液出口，25内容器，26电阻丝下接口，

27生理液入口，X液体加热装置。

具体实施方式

现结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明。

首先请参阅图1本实用新型的结构示意图，图示模拟人体体内环境的装置用于人工髋关节模拟试验机，该人工髋关节模拟试验机包括有人造股骨4、夹具5和旋转装置7，夹具5用来固定人造股骨4，夹具5由电机带动做单摆运动，旋转装置7由电机带动做旋转运动，实验时两种运动形式同时加载。

所述模拟人体体内环境的装置包括储液槽3、第一管接头9、液体加热装置X、铂电阻传感器10、泵11、第二管接头13、阀门1、流量计2和温控仪14。该第一管接头9、液体加热装置X、泵11、第二管接头13、阀门1和流量计2依次用管路8相串联起来，该储液槽3分别与流量计2和第一管接头9通过管路8相连接。

所述储液槽3是一种用耐腐蚀材料制造的有机玻璃容器，其用来放置生理液19，该储液槽3外观上有刻度，可用来衡量生理液19的容积量，该生理液19为用以模拟人体内液体的含有各种不同化学成分的润滑液体。所述人造股骨4浸于该生理液19内，所述夹具5和旋转装置7分别连接该人造股骨4的上、下端并伸出所述储液槽3的槽壁，所述夹具5与所述储液槽3的槽壁之间和旋转装置7与所述储液槽3的槽壁之间均设置有密封环6。当旋转装置7做旋转运动以及夹具5做单摆运动时，密封环6起到了隔离水分的作用，同时也不影响运动，实现了储液槽3的动密封，能够防止生理液19直接暴露于空气中，从而避免了生理液19的污染。

所述第一管接头9和第二管接头13为多通管接头，当需要同时模拟多个人造股骨4运动时，可选用多通管接头上不同的接头，有效地解决了由于管路太多而引起的管路繁琐问题。与此同时，也为维修带来的极大的方便。所述阀门1用来调节生理液19的流量，以实现流量可控。所述流量计2用来显示生理液19的液体流动速度，为阀门1调速提供数据依据。所述泵11是生理液19循环流动的动力，其由电机12驱动。

再请参阅图2液体加热装置的剖视图。所述液体加热装置X为一双层液体容器，其包括内层的内容器25、外层的外容器20、上端盖17、下端盖22、支承轴15和加热电阻丝21。所述内容器25与外容器20的容腔互相隔绝。所述内容器25用良导热性材料制造，其固定在支承轴15上，该内容器25设有生理液入口27和生理液出口24，该生理液入口27通过管路8与所述第一管接头9连接，该生理液出口24通过管路8与所述泵11连接。所述内容器25用来通入生理液19并在其内被加热。所述外容器20用透明的有机玻璃材料制造，由外部极易看到液体的高度，该外容器20上部设有注水口16且由此注入水18，当液体有损失而使水面下降时，可随时加入水18，从而有效防止加热电阻丝21裸露在空气中带来的危险。所述加热电阻丝21均匀地缠绕在所述内容器25的外壁周围，但不完全贴近内容器25的外壁，使之处于松散的状态，以免由于局部过热引起危险。该加热电阻丝21两端通过电阻丝上接口23和电阻丝下接口26与所述温控仪14的输出相连接，一个接正极，一个接负极。所述内容器25的外壁为水18与生理液19的热交换面。

请参阅图1，所述铂电阻传感器10设置在液体加热装置X与泵11之间的管路8上，其用以实时采集生理液19的温度信号。所述温控仪14分别与液体加热装置X和铂电阻传感器10连接。

本实用新型的工作过程简述如下：

首先，由注水口16向外容器20中注入水18，由外部可直接观察所注入的水量。

然后，向储液槽3内注满生理液19，等待数分钟，由于重力作用生理液19将由第一管接头9进入液体加热装置X。整个液体加热装置X由温控仪14控制。温控仪14接入电源，准备就绪，打开开关，设定恰当的PID值。铂电阻传感器10实时采集生理液19的温度信号，将采集的信号送入温控仪14。温控仪14事先设定好温度值为37℃，并显示当前温度值，如果当前的温度值小于37℃，则输出开关接通加热电阻丝21对外容器20中的水18继续加热升温；当当前的温度大于37℃时，则输出开关断开，加热电阻丝21停止加热。当加热一段时间后，温控仪14可实现稳定的加热控制，使生理液19仅在37±1℃范围内上下波动。由于内容器25的容器壁为水18与生理液19的热交换面，因此当外容器20中水18的温度逐渐提高时，内容器25中的生理液19的温度也随之升高。本实用新型采用的水传热方法，生理液19传热均匀，简单实用。该方法有效地防止了由于直接加热生理液19而带来的金属污染和腐蚀性物质，这一点改进符合GMP标准。

最后，生理液19从生理液出口24流出，电机12驱动泵11，将生理液19经过第二管接头13、阀门1和流量计2重新送入储液槽3；送回的生理液19在储液槽3中起到了润滑人造股骨4的作用，同时生理液19温度保持为体内环境的37℃，所述的模拟人体体内环境的装置真正实现了体内环境的体外模拟。

本实用新型实现了生理液19的回环运动，解决了反复注入生理液19带来的人员多余工作量。

考虑到可能在实验过程中会采用不同的生理液19，本实用新型所有的构件都可拆卸、清洗。当需要清洗时，只需将温控仪14关闭，在储液槽3中注入水，这样在水循环流动的过程中，对所有的管路自动作出清洗。

本实用新型为研究人工髋关节假体摩擦磨损性能的体外研究提供了更加接近人体运动状态的有利条件，同时对于在仿生状态下，研究人工假体材料的磨损率、磨损周期以及各种力学性能，提供了更加真实的模拟环境，这对于临床上研究材料的各种性能具有十分重要的意义。

Claims (5)

1.一种模拟人体体内环境的装置，用于人工髋关节模拟试验机，该人工髋关节模拟试验机包括有人造股骨、夹具和旋转装置，其特征在于：所述装置包括储液槽、第一管接头、液体加热装置、铂电阻传感器、泵、第二管接头、阀门、流量计和温控仪，该第一管接头、液体加热装置、泵、第二管接头、阀门和流量计依次用管路相串联，所述储液槽内放置生理液，其分别与流量计和第一管接头用管路相连接，所述人造股骨浸于该生理液内，所述夹具和旋转装置分别连接该人造股骨的上、下端并伸出所述储液槽的槽壁，所述铂电阻传感器设置在液体加热装置与泵之间的管路上，所述温控仪分别与液体加热装置和铂电阻传感器连接。

2.根据权利要求1所述的模拟人体体内环境的装置，其特征在于：所述液体加热装置为一双层液体容器，其包括内层的内容器、外层的外容器和加热电阻丝，所述内容器与外容器的容腔互相隔绝，所述内容器设有生理液入口和生理液出口且通入生理液，该生理液入口通过管路与所述第一管接头连接，该生理液出口通过管路与所述泵连接，所述外容器设有注水口且注入水，所述加热电阻丝缠绕在所述内容器的外壁周围，其两端与所述温控仪连接。

3.根据权利要求2所述的模拟人体体内环境的装置，其特征在于：所述外容器用透明材料制造，所述内容器用良导热性材料制造，所述储液槽用耐腐蚀材料制造。

4.根据权利要求1、2或3所述的模拟人体体内环境的装置，其特征在于：所述夹具和旋转装置各自与所述储液槽的槽壁之间均设置有密封环。

5.根据权利要求1、2或3所述的模拟人体体内环境的装置，其特征在于：所述第一管接头和第二管接头为多通管接头。

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