CN202355480U

CN202355480U - 一种两转两移运动合成膝置换假体胫股关节磨损试验机

Info

Publication number: CN202355480U
Application number: CN2011203538253U
Authority: CN
Inventors: 黄荣瑛; 郑海东; 郑红光; 郭云飞
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2021-09-20

Abstract

一种两转两移运动合成膝置换假体胫股关节磨损试验机，它是由右部件和左部件两部分组成，右部件在本试验机右侧，是假体关节屈伸运动中的驱动结构；左部件在本试验机左侧，是产生假体关节面间的屈伸磨损运动；右部件里四杆机构中的摇杆与左部件里股骨系统中的主轴相连接；本实用新型满足了iso14243的标准要求，尽量接近置换假体在体的生物环境进行胫骨/股骨假体的磨损测试，磨损过程接近在膝假体的实际磨损情况，更使磨损特性及磨损预测较为准确；同时，该试验机主动控制的自由度较多，可调节性强；加之惯性力的加载方式，使结构更为简化与紧凑。它在膝关节假体制造和医疗器械技术领域里具有较好的实用价值和广阔地应用前景。

Description

一种两转两移运动合成膝置换假体胫股关节磨损试验机

(一)技术领域

本实用新型涉及一种检测膝关节假体磨损特性的试验机。尤其涉及一种两转两移运动合成膝置换假体胫股关节磨损试验机，属于膝关节假体制造和医疗器械技术领域。

(二)背景技术：

老龄化产生的膝关节软骨损伤、加之交通繁忙及交通事故和极限运动损伤等导致膝关节置换病率迅速上升，同时，人体关节的一次性植入要求，使膝关节置换假体的磨损性能成为关节假体制造行业中的关键问题。然而，在膝关节假体制造业中，对关节假体的磨损测试的技术与设备国外尚不成熟与完善，国内才刚刚起步。这与日趋增长的关节置换手术需求不相适应；同时，膝关节假体的磨损性能已成为膝内假体在体质量的关键指标，由临床随访结果表明：膝关节置换假体在膝十年后反映出的不适应症，除假体松动之外，磨损失效也是其主要原因。因此，置换膝关节假体的耐磨性与使用寿命预测就成为假体制造业中的极为重要的问题。本实用新型依据国际标准iso14243-1、2、3中的部分数据要求，设计了一种基于运动合成的膝关节假体磨损试验机，主要用于关节假体的磨损测试与寿命预测。同时，也为置换假体的磨损分析提供技术与设备。

(三)实用新型内容：

1、目的：本实用新型的目的是提供”一种两转两移运动合成膝置换假体胫股关节磨损试验机”，它是按照人体膝胫股关节的屈伸运动特性来设计膝关节置换假体磨损试验机，在尽可能接近人体膝关节生物环境(生物润滑液及对磨损过程的加载)的基础上测试满足磨损次数要求的假体磨损磨痕，从而获取置换假体的磨损特性及寿命预测，同时，也为假体磨损分析提供技术数据与方法。

2、技术方案：见图1，本实用新型一种两转两移运动合成膝置换假体胫股关节磨损试验机，它由右部件和左部件两部分组成，它们之间的位置连接关系是：右部件在本试验机右侧，是假体关节屈伸运动中的驱动结构；左部件在本试验机左侧，是产生假体关节面间的屈伸磨损运动；右部件里四杆机构中的摇杆与左部件里股骨系统中的主轴相连接。

所述右部件，包含电机部分和四杆机构，两者之间的关系是：四杆机构中的可调曲柄固连在电机部分的电机主轴上；该电机部分中的电机由十字槽螺钉固定在电机底座上，电机尾部由电机支撑块托起，电机支撑块放置在电机底座的凹槽内，电机底座通过螺栓固定在基座上；电机主轴通过键连接与四杆机构中的可调曲柄固连，由弹簧挡圈锁紧。该电机是底脚安装型齿轮减速三相异步电动机，额定功率0.75kW，输出转速61rpm，额定转矩81N·m；该电机底座是由型材制成的金属支架结构。见图4b，该四杆机构是由可调曲柄、连杆、摇杆、后连杆轴、后轴端挡板、深沟球轴承、连杆轴套筒、前连杆轴、前轴端挡板和锁紧螺母组成，它们之间的位置连接关系是：前连杆轴穿过可调曲柄的直槽口及连杆一端的通孔，由一对深沟球轴承确保其相对转动，深沟球轴承由连杆轴套筒限位，轴端由锁紧螺母压紧前轴端挡板；后连杆轴穿过连杆另一端的通孔及摇杆尾部的通孔，也是由一对深沟球轴承来确保其相对转动，深沟球轴承由连杆轴套筒限位，后轴端挡板通过十字槽螺钉固定在连杆的侧面上；该可调曲柄是由两个大、小圆柱状件构成，其中部设置有通孔，用于连接电机主轴，大圆柱状件距中心60mm处设置有直槽口，用于与连杆固定和连接，同时具有距离可调性；该连杆两头是圆柱杆件，中部通过矩形断面件相连；该摇杆是圆弧形件，其上设置有两个通孔，尾部孔用于与连杆相连接，中心孔用于连接股骨系统中的主轴。该后连杆轴是芯部为圆轴、头部为圆盘状的结合件；该后轴端挡板是圆盘状件；该深沟球轴承是市购件；该连杆轴套筒是圆筒形件，数量是两件；该前连杆轴是芯部为圆轴、头部为圆盘状的结合件；该前轴端挡板是圆盘状件；该锁紧螺母是市购件。

所述左部件，包含基座、无杆气缸、连接板、气动摆台、连接平台、转台、支撑杆、胫骨系统和股骨系统组成，见图1，支撑杆固连在底板基座上，无杆气缸放置在基座上面，其上再分别放置连接板、气动摆台、连接平台及转台，胫骨系统放置在转台上面，两两之间均由相应的螺纹连接；股骨系统通过其主轴固定在支撑杆内。该基座是矩形板料；该无杆气缸是SMC公司生产的MY1M40-G-15-C-S-Z73，竖直方向最大允许力矩59N·m，最大允许负载840N，由无杆气缸控制膝关节假体在M/L(内/外)方向上的位移；该连接板是矩形板料，其功能为连接无杆气缸和气动摆台；该气动摆台是SMC公司生产的MSQA70-A93，气动摆台控制膝关节假体I/E(内/外)旋转的角度，有效输出力矩6.79N·m；该连接平台是圆柱形结构，其功能为连接气动摆台和转台；该转台是圆盘及圆锥台结合件；该支撑杆是头部设置有圆孔的金属结构支撑架，并在侧板设有加强筋板。见图3，该胫骨系统是由燕尾槽导轨、燕尾槽滑块、胫骨平台锅、夹紧钳、薄螺母、密封圈组成，其间关系是燕尾槽导轨由螺钉固连在转台上，燕尾槽滑块安装在燕尾槽导轨内，通过紧定螺钉及镶条调整二者之间的预紧力，胫骨平台锅通过螺钉固连在燕尾槽滑块上，夹紧钳从锅体侧面可调孔插入并夹紧胫骨假体，用双螺母锁死，密封圈进行密封；该燕尾槽导轨是燕尾槽形导轨；该燕尾槽滑块是燕尾槽形滑块；该胫骨平台锅，锅内设有凹槽，用于放置并粗定位胫骨假体，其内壁设计了椭圆弧装配面，和胫骨假体侧面配合进行精定位；该夹紧钳是柄端带有螺纹的金属结构件，工作面为平面；该薄螺母是市购件；该密封圈是环状市购件。见图2，该股骨系统是由股骨假体、股骨假体楔块、v形载荷梁、主轴、连接杆、主轴侧键、主轴中键、圆锥滚子轴承、圆螺母、止动垫圈、主轴左、右套筒、轴肩挡圈、双头螺柱、螺母、调整垫片、六角头螺栓组成，主轴穿过连接杆上的通孔及股骨假体楔块的通孔，连接杆通过两组六角头螺栓与v形载荷梁固连，股骨假体与股骨假体楔块通过过盈配合固为一体后，再用双头螺柱及螺母将其固结在载荷梁上，可加入调整垫片调整其相对位置，主轴两端穿过支撑杆上的通孔，由圆锥滚子轴承确保其相对转动，由轴肩挡圈和主轴左、右套筒进行限位，并由圆螺母加止动垫圈锁死，主轴与摆杆、连接杆、股骨假体楔块均由键连接。该股骨假体是后挡稳定型假体；该股骨假体楔块为木质材料，与股骨假体为过盈配合；该载荷梁是一边开有V型的矩形板料；该主轴是普通台阶轴；该连接杆是矩形金属结构连接件；该主轴侧键、主轴中键、圆锥滚子轴承、圆螺母和止动垫圈是按需要选购的件；该主轴左、右套筒是心部设置有圆孔的圆柱形件；该轴肩挡圈、双头螺柱、螺母、和六角头螺栓是按需要选购的件；该调整垫片是薄片状环形金属件，用于确保股骨假体与胫骨平台呈压紧状态。

其中，该电机的型号是YCJ-120-170；

其中，该基座的外形尺寸为1400×700×50；

其中，该深沟球轴承的规格型号是：内径7mm，轴承代号627，数量四个；

其中，该圆锥滚子轴承的规格型号是：内径25mm，轴承代号30205，数量两个。

胫骨系统的结构原理是：由最底部的无杆气缸控制膝关节假体在M/L方向上的位移，位移控制范围为±7.5mm，无杆气缸与摆台气缸通过连接板用螺栓连接，摆台气缸则控制膝关节假体I/E旋转的角度，根据ISO标准，其旋转角度为-2-6°，旋转力矩为0.6Nm/度；燕尾槽导轨约束膝关节假体在A/P方向上的随动，位移控制范围为±5mm；胫骨平台锅的内壁设计了椭圆弧装配面，和胫骨假体侧面配合来确定胫骨平台的安装位置，并采用楔块及双螺母夹紧固定。锅内盛有组织特性接近人体关节液的润滑液，淹没胫骨平台，使磨损试验环境尽量接近膝关节生物环境。股骨系统用于实现股骨假体的屈伸运动，主要为屈伸驱动与磨损循环加载结构。股骨假体与假体楔块通过过盈配合固为一体，假体楔块用螺栓固结在V型载荷梁上，载荷梁通过两侧侧板形成龙门结构，假体楔块与载荷梁通过龙门两侧的连接板用螺栓固连于一体，两侧连接板均与主轴相连，主轴经键连接于穿过股骨假体的楔块，并安装在固定支架的两侧板上；固定支架由底座与两侧板组成，为加强刚度，在侧板上设置加强筋板；主轴左侧与曲柄摇杆机构的摇杆连接。当电机驱动曲柄摇杆循环摆动时，通过摇杆使主轴摆动，由主轴带动整个龙门载荷梁摆动，由此，实现了股骨假体的屈伸运动与循环加载。屈伸范围为±30°，最大屈伸范围为±60°，频率为1±0.1Hz。磨损测试循环次数为500万次，即5×10⁶ 次，试验温度为37℃±3℃。

优点及功效：本实用新型一种两转两移运动合成膝置换假体胫股关节磨损试验机，满足iso14243的标准要求，尽量接近置换假体在体的生物环境进行胫骨/股骨假体的磨损测试，磨损过程较接近在膝假体的实际磨损情况，更使磨损特性及磨损预测较为准确；同时，该试验机主动控制的自由度较多，可调节性强；加之惯性力的加载方式，使结构更为简化与紧凑。

(四)附图说明：

图1.本实用新型一种两转两移运动合成膝置换假体胫股关节磨损试验机结构示意图；

图2.本实用新型的龙门载荷机构示意图；

图3.本实用新型的胫骨系统运动机构示意图；

图4a.本实用新型的曲柄摇杆驱动机构示意图；

图4b.本实用新型的曲柄摇杆驱动机构爆炸图；

图5.本实用新型的镶条示意图；

图6.本实用新型的调整垫片示意图。

图中标号说明如下：

1、基座；2、气缸固定六角头螺栓M14X90-C；3、无杆气缸；4、连接板；5、内六角螺栓M8X20-C；6、六角头螺栓M10X50-C；7、气动摆台；8、连接平台；9、内六角螺钉M8X20-20-C；10、六角头螺栓M10X20-C；11、转台；12、燕尾槽导轨；13、燕尾槽滑块；14、紧定螺钉M5X12-C；15、镶条；16、胫骨平台锅；17、十字槽盘头螺钉M8X16-16-C；18、夹紧钳；19、密封圈；20、夹紧钳垫圈；21、薄螺母M5-C；22、支撑杆；23、六角头螺栓M12X30-C；24、垫圈12；25、主轴；26、圆螺母M20X1.5-C；27、止动垫圈；28、主轴右套筒；29、圆锥滚子轴承；30、轴肩挡圈；31、主轴侧键；32、主轴左套筒；33、主轴中键；34、股骨假体楔块；35、螺母M10-C；36、双头螺柱M10X40-C；37、调整垫片；38、连接杆；39、V形载荷梁；40、六角头螺栓M20X80-C；41、六角头螺栓M20X60-C；42、摇杆；43、后连杆轴；44、深沟球轴承；45、连杆轴套筒；46、后轴端挡板；47、十字槽螺钉M3X8-6.35；48、连杆；49、可调曲柄；50、前连杆轴；51、前轴端挡板；52、锁紧螺母M6-C；53、弹簧挡圈；54、电机；55、内六角螺栓M12X25-C；56、电机支撑块；57、电机底座；58、六角头螺栓M20X55-C；59、内六角圆柱头螺钉M4X16-C。

(五)具体实施方式：

结合附图进一步阐述本实用新型的技术方案：

见图1，本实用新型一种两转两移运动合成膝置换假体胫股关节磨损试验机，它是由右部件和左部件两部分组成，它们之间的位置连接关系是：左部件在本试验机左侧，右部件在本试验机右侧，右部件里曲柄摇杆机构中的摇杆与左部件里股骨系统中的主轴相连接。

左部件产生假体关节面间的屈伸磨损运动，右部件是假体关节屈伸运动中的驱动结构。

左部件的技术方案及原理：

左部件主要包括主轴25，股骨假体楔块34，v形载荷梁39，支撑杆22，胫骨平台锅16、夹紧钳18、燕尾槽导轨12、燕尾槽滑块13、气动摆台7、无杆气缸3、连接板4、连接平台8和基座1组成。从底向上左部件又分为胫骨/股骨系统，两系统汇集于假体接触面，按照置换胫骨/股骨的在膝要求，股骨假体安装在胫骨聚乙烯衬垫的髁间窝内，应具有适当的伸屈膝间隙。

胫骨系统如图3所示，胫骨假体被固定在胫骨平台锅16内，通过胫骨平台锅16内侧椭圆弧与胫骨假体侧面配合来定位，从锅体侧面可调孔插入夹紧钳18夹紧胫骨假体，并用薄螺母M5-C 21备紧夹紧钳18来连接固定，薄螺母M5-C 21下部垫有夹紧钳垫圈20及密封圈19，以水、合成润滑剂或关节液为润滑剂进行润滑磨损试验，或以干接触条件进行磨损试验。胫骨平台锅16通过底部通孔与下方的燕尾槽滑块13用十字槽盘头螺钉M8X16-16-C 17固连，燕尾槽滑块13安装在燕尾槽导轨12内，通过紧定螺钉M5X12-C 14及镶条15调整二者之间的预紧力。燕尾槽导轨12保证膝关节假体在A/P(前/后)方向上的位移。燕尾槽导轨12通过内六角圆柱头螺钉M4X16-C 59固定在下方的转台11上，转台11与其下方的气动摆台7通过连接平台8采用内六角螺钉M8X20-20-C 9及六角头螺栓M10X20-C10固连在一起，气动摆台7带动其上的部件做回转运动，控制膝关节假体的I/E旋转运动，根据ISO标准，随股骨假体的屈伸运动，控制其旋转角度为-2-6°，旋转力矩为0.6Nm。气动摆台7与最底部的无杆气缸3也通过连接板4用内六角螺栓M8X20-C 5和六角头螺栓M10X50-C 6固连在一起，无杆气缸3通过气缸固定六角头螺栓M14X90-C 2固连在基座1上，无杆气缸3带动其上面所有部件做平移运动，控制膝关节假体在M/L(内/外)方向上的位移，随股骨假体的屈伸运动，M/L的位移控制在±7.5mm范围内。

股骨系统如图2所示，股骨系统由股骨假体、股骨假体楔块34、v形载荷梁39及主轴25组成：股骨假体与股骨假体楔块34通过过盈装配于一体，利用股骨假体上的圆锥销定位。股骨假体楔块34与V型载荷梁39有同轴螺纹孔，二者通过双头螺柱M10X40-C 36和螺母M10-C35固定，V型载荷梁39用惯性力将股骨假体压紧在胫骨假体聚乙烯衬垫上，选取压力约400N，它接近于在膝内置换假体面间的压力，加入调整垫片37调整预紧力；同时，主轴25穿过股骨假体楔块34，采用主轴中键33连接，可减小膝关节假体屈伸过程中的弯矩。V型载荷梁39通过六角头螺栓M20X80-C 40及六角头螺栓M20X60-C 41固连两侧连接杆38，构成龙门结构；连接杆38与主轴25通过主轴侧键31连接，主轴25两侧安装在支撑杆22上，选用圆锥滚子轴承29为主轴25与支撑杆22的装配连接，支撑杆22通过六角头螺栓M12X30-C23及垫圈1224固连在基座1上。圆锥滚子轴承29内圈依靠轴肩挡圈30定位，外圈依靠套主轴左、右筒32、28定位，主轴25右侧通过主轴侧键31连接摇杆42，轴端均采用止动垫圈27加圆螺母M20X1.5-C 26锁死。

右部件的技术方案及原理：

右部件实现股骨屈伸驱动，主要由电机54，电机底座57，可调曲柄49，连杆48，摇杆42等元件组成。

右部件的技术方案如图4所示：可调曲柄49，连杆48及摇杆42共同构成可调的曲柄摇杆机构，摇杆42与主轴25相连接，通过圆锥滚子轴承29及孔轴配合保持其摇杆42与主轴25的传动关系；后连杆轴43穿过连杆48一端的通孔及摇杆42尾部的通孔，通过深沟球轴承44及孔轴配合保持两者相对转动，深沟球轴承44由连杆轴套筒45限位，后轴端挡板46通过十字槽螺钉M3X8-6.35 47固定在连杆48的侧面上；前连杆轴50穿过可调曲柄49的直槽口及连杆48另一端的通孔，通过深沟球轴承44及孔轴配合保持两者相对转动，轴端由锁紧螺母M6-C 52压紧前轴端挡板51锁死，可调曲柄49通过弹簧挡圈53连接在电机54的主轴上。曲柄摇杆机构由电机54驱动，带动V型载荷梁39及股骨假体做正弦摆动，实现假体关节面间的屈伸运动，屈伸范围为±30°，最大屈伸范围为±60°，频率为1±0.1Hz；电机54由内六角螺栓M12X25-C 55固定在电机底座57上，电机尾部由电机支撑块56托起，电机支撑块56放置在电机底座57的凹槽内，电机底座57通过六角头螺栓M20X55-C 58固定在基座 1上。

本实用新型的可控参数有循环次数500万次，即5×10⁶次；屈伸角度±30°，最大屈伸角度范围±60°；负载400N，调节范围为0～1000N。以记录摩擦扭矩、胫骨平台摩擦面积及磨损程度来评估膝关节假体的摩擦特性。

Claims

1.一种两转两移运动合成膝置换假体胫股关节磨损试验机，其特征在于：它是由右部件和左部件两部分组成，右部件在本试验机右侧；左部件在本试验机左侧；右部件里四杆机构中的摇杆与左部件里股骨系统中的主轴相连接；

所述右部件，包含电机部分和四杆机构，四杆机构里的可调曲柄固连在电机部分的主轴上；该电机部分中的电机由十字槽螺钉固定在电机底座上，电机尾部由电机支撑块托起，电机支撑块放置在电机底座的凹槽内，电机底座通过螺栓固定在基座上；电机主轴通过键连接与四杆机构中的可调曲柄固连，由弹簧挡圈锁紧；该电机是YCJ-120-170底脚安装型齿轮减速三相异步电动机；该电机底座是由型材制成的金属支架结构；该四杆机构是由可调曲柄、连杆、摇杆、后连杆轴、后轴端挡板、深沟球轴承、连杆轴套筒、前连杆轴、前轴端挡板和锁紧螺母组成，前连杆轴穿过可调曲柄的直槽口及连杆一端的通孔，深沟球轴承由连杆轴套筒限位，轴端由锁紧螺母压紧前轴端挡板；后连杆轴穿过连杆另一端的通孔及摇杆尾部的通孔，深沟球轴承由连杆轴套筒限位，后轴端挡板通过十字槽螺钉固定在连杆的侧面上；该可调曲柄是由两个大、小圆柱状件构成，其中部设置有通孔，大圆柱状件距中心60mm处设置有直槽口；该连杆两头是圆柱杆件，中部通过矩形断面件相连；该摇杆是圆弧形件，其上设置有两个通孔；该后连杆轴是芯部为圆轴、头部为圆盘状的结合件；该后轴端挡板是圆盘状件；该连杆轴套筒是圆筒形件，数量是两件；该前连杆轴是芯部为圆轴、头部为圆盘状的结合件；该前轴端挡板是圆盘状件；

所述左部件，包含基座、无杆气缸、连接板、气动摆台、连接平台、转台、支撑杆、胫骨系统和股骨系统，支撑杆固连在底板基座上，无杆气缸放置在基座上面，其上再分别放置连接板、气动摆台、连接平台及转台，胫骨系统放置在转台上面，两两之间均由相应的螺纹连接，股骨系统通过其主轴固定在支撑杆内；该基座是矩形板料；该无杆气缸是SMC公司生产的MY1M40-G-15-C-S-Z73；该连接板是矩形板料；该气动摆台是SMC公司生产的MSQA70-A93；该连接平台是圆柱形结构；该转台是圆盘及圆锥台结合件；该支撑杆是头部设置有圆孔的金属结构支撑架，并在侧板设有加强筋板；该胫骨系统是由燕尾槽导轨、燕尾槽滑块、胫骨平台锅、夹紧钳、薄螺母和密封圈组成，其间关系是燕尾槽导轨由螺钉固连在转台上，燕尾槽滑块安装在燕尾槽导轨内，胫骨平台锅通过螺钉固连在燕尾槽滑块上，夹紧钳从锅体侧面可调孔插入并夹紧胫骨假体，用双螺母锁死；该燕尾槽导轨是燕尾槽形导轨；该燕尾槽滑块是燕尾槽形滑块；该胫骨平台锅内设有凹槽，其内壁设计了椭圆弧装配面；该夹紧钳是柄端带有螺纹的金属结构件，工作面为平面；该股骨系统是由股骨假体、股骨假体楔块、v形载荷梁、主轴、连接杆、主轴侧键、主轴中键、圆锥滚子轴承、圆螺母、止动垫圈、主轴左、右套筒、轴肩挡圈、双头螺柱、螺母、调整垫片和六角头螺栓组成，主轴穿过连接杆上的通孔及股骨假体楔块的通孔，连接杆通过两组六角头螺栓与v形载荷梁固连，股骨假体与股骨假体楔块通过过盈配合固为一体后，再用双头螺柱及螺母将其固结在载荷梁上，加入调整垫片调整其相对位置，主轴两端穿过支撑杆上的通孔，由圆锥滚子轴承确保其相对转动，由轴肩挡圈和主轴左、右套筒进行限位，并由圆螺母加止动垫圈锁死，主轴与摆杆、连接杆、股骨假体楔块均由键连接；该股骨假体是后挡稳定型假体；该股骨假体楔块为木质材料，与股骨假体为过盈配合；该载荷梁是一边开有V型的矩形板料；该主轴是普通台阶轴；该连接杆是矩形金属结构连接件；该主轴左、右套筒是心部设置有圆孔的圆柱形件；该调整垫片是薄片状环形金属件。