CN87103964A - 对角球铰空间七连杆人工髋关节模拟试验机 - Google Patents
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Abstract
一种对角球铰空间七连杆人工髋关节模拟试验机，采用含有对角球铰空间连杆机构和弹簧加载机构，设有一个可快速测定生理液槽中离子电荷迁移率的检测系统。
这种模拟试验机能较准确地模拟人工髋关节的运动规律、生物力学和生物环境，能快速地提供人工髋关节的磨蚀速度，预测其使用寿命.具有结构简单、操作方便、模拟精度高、造价低等优点。
Description
本发明涉及一种用于演示具有真实尺寸的医用装置及用于髋部关节的假肢体。
众所周知，由股骨头和髋臼构成的人体髋关节是一种自动定心关节，它具有三个互成正交的旋转自由度，人在水平行走时，髋关节的运动轨迹为一个空间不规则的椭圆，屈曲-伸展全振幅的最大角度为45°，外展-内收全振幅最大角度为13°，外旋-内旋全振幅的最大角度为14°。在一个步行周期内，髋关节承受的力呈脉冲式变化，它有两个峰值，其中最大的峰值力为自身体重的3～4倍。每个髋关节每年运动的次数一般为1～3百万次，运动频率为0.5～1HZ。髋关节常年泡浸在生理液中，在通常情况下，该生理液的PH值为7.4，呈弱碱性，温度为36.7～37.2℃。
目前能全面模拟人体髋关节的人工髋关节模拟试验机，主要有行星齿轮式模拟试验机，万向节式模拟试验机和连杆式模拟试验机等三种。行星齿轮式模拟试验机结构较为复杂，万向节式模拟试验机对生理运动轨迹模拟结果不理想。相对而言，连杆式模拟试验机较为实用，如Evaluation of Biomaterials 1980年报导的S·Sandrolini等人设计的连杆式模拟试验机，该机由曲柄连杆机构、加载机构、生理液槽和测试系统组成。其曲柄连杆机构由曲柄、转动副Ⅰ、刚性矩形四连杆、转动副Ⅱ、带球头的关节连杆、关节连杆与球窝组成的人工髋关节、施力连杆、转动副Ⅲ、顶部连杆以及布置在机架上的转动副Ⅳ组成。矩形四连杆中的一对平行连杆的中部各布置一个转动副Ⅰ和Ⅱ，转动副Ⅰ同曲柄相连接，转动副Ⅱ同关节连杆和施力连杆相连接，转动副Ⅲ用于施力连杆和顶部连杆，顶部连杆的另一端同转动副Ⅳ相连接。
加载机构为一个施加压力于转动副Ⅲ上的液压加载系统。
当转动曲柄时，带球头的关节连杆以球窝为支点作摆动运动。
上述连杆式模拟试验存在下列缺点：
1、关节连杆只能作以球窝为支点的摆动运动，不能真实地模拟出人体髋关节运动轨迹空间不规则的椭圆，模拟精度差。
2、负载曲线为单峰值，不能模拟出双峰值。
3、为预测人工髋关节的使用寿命而作假肢体材料磨蚀量测定，需要试验20～30天，工作效率低。
本发明的目的在于设计一种采用对角球铰、以弹簧加载、工作效率高、模拟精度高的对角球铰空间七连杆人工髋关节模拟试验机。
图面说明：
图1为本设计的对角球铰空间七连杆人工髋关节模拟试验机结构示意图。图中ω-原动件，1-曲柄，2、3、4、5-连杆，A、C、D-球面副，B、E-转动副，6-加载杆，7、8-弹簧。
图2为本试验机的原动件〔ω〕转动一周时，人工髋关节运动轨迹图。
图3为本试验机工作时，人工髋关节受力状况图。图中T-步行周期，P-人工髋关节负荷。P1-自重负荷线，P2-有弹簧负载时，人工髋关节负荷变化曲线。
图4为体现人工假肢体材料磨蚀速度磨蚀电量变化曲线图，图中i表示生理液槽中离子电流密度，单位为μA/cm2，lgi-i的对数值，V-极间电位，CoCr-钴铬合金磨蚀电量变化曲线，Ti6Al4V-钛合金磨蚀电量变化曲线。
以下结合附图说明本设计的具体内容：
整机由曲柄连杆机构、加载机构、生理液槽以及检测系统组成。
如图1所示，曲柄连杆机构是一种由一个原动件〔ω〕、一个曲柄〔1〕、一个球面副〔A〕、一个连杆〔2〕、一个转动副〔B〕、一个连杆〔3〕、一个球面副〔C〕、一个连杆〔4〕、一个球面副〔D〕、一个连杆〔5〕以及一个转动副〔E〕组成的对角球铰空间七连杆机构。连杆〔3〕和球面副〔C〕构成人工髋关节，连杆〔3〕代表股骨杆，球面副〔C〕的球头代表股骨头，球面副〔C〕的球窝代表髋臼。所有连杆的具体尺寸采用数学解析法並通过实验确定，原动件〔ω〕转速为0.5～1转/秒。
加载机构为一个弹簧加载机构，如图1所示，该机构由加载杆〔6〕和弹簧〔7〕、〔8〕构成，球面副〔D〕的球窝布置在加载杆〔6〕的中部，並同连杆〔5〕固定连接，弹簧〔7〕的一端同加载杆〔6〕的一端相连，另一端固定在机座上，弹簧〔8〕的布置方式与弹簧〔7〕相同，要求弹簧〔7〕和弹簧〔8〕必须布置成相互对称的，两者的规格型号必须是一致的，布置在机座上的球面副〔C〕必须位于弹簧〔7〕和〔8〕所在的平面内。
生理液槽内盛有Hank′s生理液，外部布置一个带控温电加热的保温水套，为有利于实现生理液的工作温度稳定在37±0.5℃，生理液槽同外加保温水套的最佳容积比为1∶7。代表人工髋关节的球面副〔C〕置于生理液槽中进行模拟试验。
快速腐蚀磨损检测：球面副〔C〕的球头在生理液槽中组成测量电极偶。然后联接电位给定和测量的Y系统，联接电流测量和放大记录的X系统。
本设计的人工髋关节模拟试验机，当原动件〔ω〕转动一周时，人工髋关节的运动轨迹为一个具有三维自由度的空间不规则的椭圆，示于图2，它的最大振幅;屈曲一伸展全振幅为42°，外展一内收全振幅为18°，外旋一内旋全振幅为22°，而人体髋关节运动相应的参数为45°、13°、14°，两者运动的形态相似，模拟精度较高。
本模拟试验机在一定规格弹簧〔7〕、〔8〕加载下运行，通过带有布置在连杆〔3〕的球头处测力传感器的仪器测定，可以重复地得到如图3所示的股骨头压力变化图，图中T-运动周期，P-压力，P1-自重负荷压力曲线，P2-加载时压力曲线，P2有两个波峰值，並集中在60%的步行周期内，当采用50kg规格的弹簧时，最大峰值力为180公斤，约为人体体重的3倍。如需加速试验，可以增大弹簧力。
人工髋关节假体的磨损，经过研究，实际上同时存在着磨损和腐蚀，本模拟试验机的检测系统通过测定生理液槽中的离子电荷迁移率来快速地确定人工髋关节的实际磨蚀率，借此预测特定材料制作的人工髋关节假体的使用寿命，这对于开展长寿命的人工假肢体材料研究具有重要意义。
本设计的连杆式人工髋关节模拟试验机同已有的试验机比较，具有如下突出优点：
1、所用的连杆机构为一个含有三个球面副的对角球铰空间七连杆机构，保证人工髋关节运动轨迹具有3维转动自由度，同人体髋关节运动轨迹形态相似，模拟精确度高。
2、采用弹簧加载机构，施加载荷的变化规律同人体髋关节运动的承受力相一致，因人体运动时肌肉韧带等收缩松弛过程富有弹性，采用弹簧加载可较好地模拟人体生物力的加载特点，这是本模拟试验机的模拟精度较高的主要原因之一。而这是已有的液压加载或机械方式加载的模拟试验机所不具备的。
3、本设计进一步考虑了人工髋关节同时存在的机械磨损和腐蚀耗损两种因素。生理液中的离子电荷迁移率的大小同人工髋关节的机械磨损速度和腐蚀耗损速度密切相关，通过测定离子电荷迁移率可以正确地反映人工髋关节的磨蚀率，以此预测的人工假肢体使用寿命具有较高的可靠性。比只考虑机械磨损的测试结果优越。
4、通过测定生理液内离子电荷迁移率，确定人工髋关节的磨蚀速率，测试时间只需一天，为已有测试方法的3～5%，便可对人工髋关节的使用寿命作出预测，对于使用寿命长达几十年的也同样适用。而已有的模拟试验机测试时间为20～30天。
实施例：
如图1所示的对角球铰空间七连杆人工髋关节模拟试验机，原动件〔ω〕转速为60转/分，曲柄〔1〕高70mm，迴转半径70mm，连杆〔2〕、〔3〕、〔4〕、〔5〕长度分别为250mm、180mm、400mm、180mm，球面副〔A〕、〔D〕的球头直径为40mm，球窝直径为40mm，球面副〔C〕的球头直径为32mm，球窝直径为32mm，其位置座标为（0，400，0），转动副〔E〕位置座标为（0，0，500）。
如图1所示的加载装置，加载杆〔6〕长度为400mm，弹簧〔7〕、〔8〕与水平面间的夹角60～75°，每根弹簧规格为50kg。
按上述布置试验机，当原动件〔ω〕以每分60转的转速转动时，球面副〔C〕的运动轨迹同人体正常行走时髋关节的运动轨迹相一致，球面副〔C〕的受力状况同人体髋关节受力状况吻合得较好，测定结果示于图2和图3，图3中最大峰值力为180kg。
应用本试验机进行人工假体髋关节试验，当采用Tc4钛合金和CoCr合金制作的球头，分别置于PH值为7.4，温度为37±0.5℃的Hank′s生理液中，腐蚀磨损的电量测试结果如图4所示。
通过本试验机试验结果，可以判断目前制作假肢体的材料是否符合生理要求，预测其使用寿命。本试验结果认为，目前不少单位以钛合金Ti6Al4V作为人工髋关节假肢材料是不可取的，应当寻求能令人满意的假肢体材料。
Claims (8)
1、一种含有空间连杆机构、加载机构、生理液槽和检测系统组成的对角球铰空间七连杆人工髋关节模拟试验机，其特征在于它的空间连杆机构为一组由一个原动件[ω]、一个曲柄[1]、一个球面副[A]、一个连杆[2]、一个转动副[B]、一个连杆[3]、一个球面副[C]、一个连杆[4]、一个球面副[D]、一个连杆[5]和一个转动副[E]构成的对角球铰空间七连杆机构，一个由加载杆[6]和弹簧[7]、[8]构成的弹簧加载机构，一个可测定生理液中同人工髋关节的机械磨损速度和腐蚀速度密切相关的离子电荷迁移率的快速测试系统以及一个外加保温水套的生理液槽。
2、按照权利要求1所述的模拟试验机，其特征在于所述的弹簧加载机构的加载杆〔6〕位于水平位置，其中部同球面副〔D〕的球窝固定连接。
3、按照权利要求1所述的模拟试验机，其特征在于所述的弹簧加载机构中的弹簧〔7〕和〔8〕的一端同加载杆〔6〕的一端相连，另一端固定在机座上。
4、按照权利要求1和3所述的模拟试验机，其特征在于所述的弹簧〔7〕和弹簧〔8〕必须布置成相互对称的。
5、按照权利要求1和3所述的模拟试验机，其特征在于所述的弹簧〔7〕和弹簧〔8〕的规格必须是一致的。
6、按权利要求1和3所述的模拟试验机，其特征在于布置在机座上的球面副〔C〕必须位于弹簧〔7〕和〔8〕所在的平面内。
7、按照权利要求1所述的模拟试验机，其特征在于所述的生理液槽带有一个外加保温水套，生理液槽同保温水套最佳的容积比为1∶7～1∶7.2。
8、按照权利要求1所述的模拟试验机，其特征在于所述的检测系统含有一个快速测定生理液槽中离子电荷迁移率的装置。
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1987
- 1987-05-30 CN CN 87103964 patent/CN87103964A/zh active Pending
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