专利名称：膝关节生物力学试验仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于人体膝关节生物力学实验的试验仪。尤其是一种可供医院、研究所、医科院校等研究人员对膝关节的前、后交叉韧带各束纤维的运动学特性作精确的生物力学实验的试验仪。
背景技术：
众所周知，膝关节是人体中最为复杂而重要的关节，它对人体的承重及运动起着极其主要的作用，如一旦出现病变或受到损伤，都将引发与膝关节相关的功能和行动的障碍。长期以来，国内缺少一种能对膝关节生物力学进行实验的仪器，故对膝关节韧带组织的认识只停留在解剖结构的基础上、阻碍了用于临床治疗膝关节病的指导理论的发展，从而影响膝关节病的治疗及其功能与行动的恢复；为此，人们一直在努力寻找一种能对膝关节韧带组织进行生物力学实验的试验仪。近年出现的一种弹簧式检测器，它能测得膝关节屈曲过程中韧带前内侧束与后外侧束的位移，并以数字显示出来；但该检测器有测量误差大、精度较差的缺点，其原因是1)在试验过程中，检测器的一端需贴靠骨头的软组织、作为测量基点，但在测试过程中因骨头软组织表面柔软、贴靠点容易滑移，故导致所测数据失实；2)现有检测器不是膝关节生物力学实验的专用器具，其精确度不能符合实验要求，并且其自身的误差也比较大；3)检测到的数据要靠目测读得，其准确度要受到视觉效果的限制；4)它在测试过程中因没有一套能模拟受力和模拟韧带变形的装置，因此不能很好地反映出韧带受力与变形之间的关系。总之，现有的检测器只能供人们宏观了解膝关节前内侧束与后外侧束在运动中的力和变形的关系，因此还不能以其测得的数据去分析并建立相关理论，更不能以该理论去指导膝关节病的临床治疗。
发明内容
本实用新型是要克服上述现有技术中所存在的缺点，提供一种能对膝关节的前、后交叉韧带各束纤维的运动学特性作精确的生物力学实验的膝关节生物力学试验仪，并使它具有结构科学合理、调节和使用方便，且经久耐用等特点。
本实用新型膝关节生物力学试验仪，其特征是它含有支架，在支架上安装的膝关节屈曲度显示装置、胫骨承力测定装置和韧带变形测量装置；其中膝关节屈曲度显示装置含有在支架上固定的且带有圆弧槽的刻度盘、一个通过其上的锁紧螺钉活套在刻度盘的圆弧槽内的带夹紧螺钉的股骨夹套，以及固定在股骨夹套上以显示其所在角度的指针；胫骨承力测定装置含有在支架上固定的带转轮和锁定螺母的加力螺杆、连接在加力螺杆上的力传感器、一个与力传感器同轴安装的胫骨夹套；韧带变形测量装置含有一个以铰链连接在胫骨夹套外侧壁上的加长杆、一个通过滑块活套连接在加长杆上的变形传感器；一根其一端穿过胫骨置入韧带连接变形传感器并固定在股骨上，而另端通过滑轮连接平衡锤的金属丝。
本实用新型金属丝是钼丝；并且滑轮安装在一个可调其所在位置高度的升降杆上。
本实用新型的有益效果1)膝关节生物力学试验仪能模拟膝关节的生理状态、模拟并显示膝关节在不同屈曲度下的力与韧带的变形量，其中力的精确度为十分之一牛顿、变形量的精确度为千分之二毫米，从而正确地反映出膝关节内各韧带在生理情况下的受力和变形之关系，可供人们准确分析和研究膝关节韧带组织结构的生物力学性能和运动学特性，例如膝关节伸直到屈曲过程中，前内侧束从紧张到松驰；在膝关节伸直到屈曲70度时，后外侧束是从紧张到松弛，在膝关节屈曲70度到110度时后外侧束长度没有明显变化，在膝关节屈曲超过110度后外侧束从松驰到紧张等，可用于建立临床膝关节病治疗的理论依据；2)本实用新型结构科学合理、调节和使用方便，且因其没有易损的零部件故经久耐用。
图1～图3分别是本实用新型膝关节生物力学试验仪的主视图、左视图和俯视图。
图中的标号说明1-支架；1a-底板；1b-撑脚；1c-立柱；1d-上固定块；1e-下固定块；2-刻度盘；2a-指针；2b-股骨夹套盖；2c-圆弧槽；2d-锁紧螺钉；3-股骨夹套；3’-股骨；4-加力螺杆；4a-转轮；4b-锁定螺母；5-力传感器；6-胫骨夹套；6’-胫骨；7-铰链；8-加长杆；9-滑块；10-变形传感器；11-金属丝；12-滑轮；13-升降杆；14-平衡锤；15-夹紧螺钉。
具体实施方式
实施例1 本实施例膝关节生物力学试验仪，它的结构可从图1～图3中看到，它含有一个由底板1a和撑脚1b以螺纹连接而成的支架1，在支架的底板上安装的膝关节屈曲度显示装置、胫骨承力测定装置和韧带变形测量装置；其中膝关节屈曲度显示装置含有一个在底板1a的立柱1c上通过上固定块1d和下固定块1e固定的带有圆弧槽2c的刻度盘2、一个通过活套在圆弧槽2b内的四个锁紧螺钉2d连接在刻度盘2上的带夹紧螺钉15的股骨夹套3，以及固定在股骨夹套上以显示其所在角度的指针2a，并且刻度盘2上的圆弧形的刻度的圆心与圆弧槽2c同心，以使股骨夹套在圆弧槽2b转过的角度能准确表示出膝关节的屈曲度；胫骨承力测定装置含有在支架1上固定的带转轮4a和锁定螺母4b的加力螺杆4、连接在加力螺杆上的力传感器5、一个与力传感器同轴安装的胫骨夹套6；韧带变形测量装置含有一个以铰链7连接在胫骨夹套外侧壁上的加长杆8、一个通过滑块9活套连接在加长杆上的变形传感器10、一根其一端穿过胫骨6’、连接变形传感器10并固定在股骨3’上而另端通过滑轮12连接平衡锤14的金属丝11(胫骨6’和股骨3’在图中分别以双点划线表示)，该金属丝作为置入韧带内的测定位移的传导材料。
使用本实施例膝关节生物力学试验仪时，取一个新鲜的尸体膝关节，并将其胫骨和股骨分别插入胫骨夹套6和股骨夹套3内，并用两夹套上所带的夹紧螺钉15将它们分别固定在胫骨夹套、股骨夹套内，再旋上股骨夹套盖2b；与此同时，将金属丝11的一端通过不锈钢针分别穿过变形传感器10、胫骨6’固定在股骨3’上，金属丝11的另端则通过滑轮12固接在平衡锤14上；这时即可模拟生理情况下该膝关节的屈曲受力状态。实验时，先松开锁紧螺钉2d使股骨夹套3在刻度盘的圆弧槽2c转动，直到股骨夹套3上的指针2a指到所设定的刻度时再紧固锁紧螺钉2d；接着旋转转轮4a、加力螺杆4上的力传感器5向上以改变胫骨上的承载力，并再旋紧锁定螺母4b，以稳定该力在测定时的大小，这时即可通过力传感器上的应变片(图1中以粗黑线表示)及其上的导线输出承力大小的信息并在外接的静态电阻应变仪(静态电阻应变仪在图中未予以表示)上以十分之一牛顿的精确度显示该力的数值；与此同时，韧带变形的信息通过连接在其上的金属丝的传递，引起变形传感器10上的应变片的变形(图1中以粗黑线表示)，其上带有的韧带变形的信息在外接的静态电阻应变仪(静态电阻应变仪在图中未予以表示)上以千分之二毫米的精度显示该变形量的数值。上述的测量过程中，因加力螺杆4的旋转可带动胫骨夹套6及变形传感器10的旋转，故能测量膝关节各个方向的韧带纤维束。如果使股骨夹套3在刻度盘2的圆弧槽2c转动，并在刻度0°～140°内的任一角度相对应的圆弧槽位置上停留，即可测得膝关节在该角度下的屈曲度与股骨3’承力相对应的韧带变形量；倘若再改变股骨3’的承力，即可得到被测膝关节在不同屈曲度、不同承力情况下的一系列韧带变形量。由于膝关节生物力学试验仪是按预定的精度要求设计制造，且测得的数值通过显示器显示或打印，故能客观、准确地反映出膝关节的前、后交叉韧带各束纤维的运动学特性。
实施例2 本实施例膝关节生物力学试验仪与实施例1所不同的是它的金属丝11是直径为0.05～0.3mm的钼丝，以减少因材料的变形而在测量过程中产生系统误差。
实施例3本实施例膝关节生物力学试验仪与实施例1或者所不同的是它的滑轮12安装在一个可调其所在位置高度的升降杆13上；该升降杆包含插套式连接的内杆和外杆，且用于使内、外两杆紧固成一体的螺钉。
权利要求1.一种膝关节生物力学试验仪，其特征是它含有支架(1)，在支架上安装的膝关节屈曲度显示装置、胫骨承力测定装置和韧带变形测量装置；其中膝关节屈曲度显示装置含有在支架(1)上固定的且带有圆弧槽(2c)的刻度盘(2)、一个通过其上的锁紧螺钉(2d)活套在刻度盘的圆弧槽(2b)内的带夹紧螺钉(15)的股骨夹套(3)，以及固定在股骨夹套上以显示其所在角度的指针2a；胫骨承力测定装置含有在支架(1)上固定的带转轮(4a)和锁定螺母(4b)的加力螺杆(4)、连接在加力螺杆上的力传感器(5)、一个与力传感器同轴安装的胫骨夹套(6)；韧带变形测量装置含有一个以铰链(7)连接在胫骨夹套外侧壁上的加长杆(8)、一个通过滑块(9)活套连接在加长杆(8)上的变形传感器(10)；一根其一端穿过胫骨(6’)置入韧带、连接变形传感器(10)并固定在股骨(3’)上，而另端通过滑轮(12)连接平衡锤(14)的金属丝(11)。
2.根据权利要求1所述的膝关节生物力学试验仪，其特征是所说的金属丝(11)是钼丝。
3.根据权利要求2所述的膝关节生物力学试验仪，其特征是所说的钼丝，其直径为0.05～0.3mm。
4.根据权利要求1或2或3所述的膝关节生物力学试验仪，其特征是所说的滑轮(12)安装在一个可调其所在位置高度的升降杆(13)上。
专利摘要膝关节生物力学试验仪。用于膝关节生物力学实验的试验仪。其特点是含有膝关节屈曲度显示、胫骨承力和韧带变形测量的装置，其中屈曲度显示装置含有带圆弧槽的刻度盘、以其锁紧螺钉活套在刻度盘的圆弧槽内的股骨夹套及指针；承力测定装置含有带转轮和锁定螺母的加力螺杆、在该螺杆上的力传感器与胫骨夹套；变形测量装置含有在胫骨夹套外侧壁上的加长杆及其上的变形传感器、一根其一端穿过胫骨置入韧带、连接变形传感器并固定在股骨上而另端通过滑轮连接平衡锤的金属丝。从而解决模拟膝关节生理状态并显示不同屈曲度膝关节的力与韧带变形量、供人们精确分析和研究膝关节韧带组织结构的生物力学性能和运动学特性，以建立临床膝关节病治疗的指导理论。
文档编号G09B23/00GK2759385SQ20042011019
公开日2006年2月22日 申请日期2004年11月19日 优先权日2004年11月19日
发明者陈栋, 吕荣坤 申请人:陈栋