一种膝关节生物力学性能测试与评估装置的制作方法

本发明涉及一种生物力学性能测试的实验装置，特别是涉及一种膝关节生物力学性能测试与评估装置。

背景技术：

骨关节病在中老年人中有很高的发病率，其主要表现为软骨退变磨损，同时关节边缘韧带附着处和软骨下骨质反应性增生形成骨赘，并由此引起关节疼痛、僵直畸形和功能障碍。膝关节置换术是治疗严重膝关节病变的骨科手术，进行胫骨和股骨病变部位的截骨操作并用人工假体替换，实现缓解膝关节病人疼痛和恢复患者膝关节功能。然而，膝关节置换手术并发症困扰着部分患者，出现术后下肢伸展困难或膝前驱疼痛。

为了从根本上减少术后并发症，应搞清楚关节置换骨组织假体界面的生物力学特性。现有的关节生物力学研究方法，一种是采用数字化模型的有限元数值分析，获得骨组织假体的生物力学特性；但是由于难以建立精确数字化模型，且膝关节运动约束、边界条件、载荷条件等难以精确确定，数值分析结果存在一定误差。另一种是采用机械模型的生物力学实验研究，采用机械模型的实验研究是用机械结构模拟腿或关节运动，假体被植入在仿生关节，采用合成类似物代替关节软组织，通过施加载荷，模拟下肢关节运动状态，并测试分析仿生关节骨组织-假体界面的应力状态，更为接近关节真实情况。

目前，采用机械模型测试法仍面临许多问题，如：如何能够使得膝关节比较牢固的保持在某一屈曲状态下、如何能够比较直观的读出作用在膝关节股骨上的加载载荷、如何实现不同患者关节结构和假体作用的模拟。

为此，本发明涉及一种膝关节生物力学性能测试与评估装置，膝关节采用模块化设计，可根据不同患者关节结构和假体方便更换；由压力传感器实时检测所加载的外力；应变片测量仿生骨组织与假体界面的应力分布情况。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种膝关节生物力学性能测试与评估装置，可用于模拟膝关节在不同屈曲角度下仿生“骨-假体”界面的应力分布情况，用于研究膝关节在正常步态行走时特定载荷作用下生物力学的评估。模拟关节运动，调整膝关节屈曲角度，并能模拟关节的受力状态。本发明具有固定可靠、运动灵活、加载方便等优点，可保证测试的准确性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种膝关节生物力学性能测试与评估装置，包括框架模块、关节固定模块、膝关节模块、关节屈曲驱动模块、加载模块；所述关节固定模块固定于框架模块的框架底板上，所述膝关节模块底部与关节固定模块连接，顶部与关节屈曲驱动模块固定连接，所述关节屈曲驱动模块固定在框架模块的顶端，所述加载模块安装在框架模块上，实现对膝关节模块的加载。

所述框架模块包括框架底板、三根支撑柱、三个支撑连接块、两块侧板、加强板、框架顶板、两个刻度盘、两个推杆固定座、两个推杆固定块；所述三根支撑柱底端通过螺栓固定在框架底板上，三个支撑连接块分别通过螺栓固定在三根支撑柱的顶端；所述加强板固定在两块侧板底端之间，两块侧板与加强板分别通过三个支撑连接块和三根支撑柱连接；所述框架顶板通过螺栓固定于两块侧板的顶端，两个刻度盘通过螺纹固定于两块侧板的内侧；所述两个推杆固定座通过螺栓固定于框架顶板上；两个推杆固定块内侧面切齿形槽，分别分布于关节屈曲驱动模块中推杆滑块两侧面并与推杆固定座内侧面形成移动副，推杆固定块与推杆滑块齿形啮合，通过长螺栓固定锁紧。

所述关节固定模块包括脚踝、止转销、胫骨固定杆；所述脚踝通过螺栓固定于框架模块中的框架底板上；胫骨固定杆与脚踝通过止销轴固定且止转，胫骨固定杆与膝关节模块中胫骨通过螺纹配合连接固定。

所述膝关节模块采用模块化设计，便于根据不同患者的关节结构尺寸和假体，进行更换并进行个性化关节特性测试；包括胫骨、胫骨假体、衬垫、股骨假体、应变片、股骨；所述胫骨与胫骨固定杆通过螺纹副连接固定；胫骨假体插入胫骨的开槽内；衬垫与胫骨假体通过装配关系固定；股骨假体插入截骨完全的股骨的开孔内，应变片位于股骨假体和股骨的接触面间，通过应变片实现“骨-假体”结合面应力分布情况测量。

所述关节屈曲驱动模块包括股骨固定杆、转角插销、转动连杆、推杆插销、推杆滑块、滑槽；所述股骨固定杆一端与膝关节模块中的股骨通过螺纹配合连接固定；股骨固定杆另一端与转动连杆的一端通过转角插销实现转动连接，转动连杆能够绕转角插销转动，所述转角插销与框架模块中的刻度盘形成滚动副，转角插销能够在刻度盘凹槽内滚动；所述转动连杆的另一端与推杆滑块通过推杆插销转动连接；所述推杆滑块与滑槽形成滑动副，所述滑槽通过螺栓固定于框架模块中的框架顶板上，推杆滑块上端穿过框架顶板上槽孔并能够沿着滑槽上下移动，推杆滑块两侧面切齿形槽，通过手动调节推杆滑块直到股骨及股骨固定杆到达指定角度，从而实现膝关节模块的屈曲动作，并通过推杆滑块与推杆固定块的齿形啮合实现推杆滑块的锁紧。

所述加载模块包括加载轴、两根气缸输出轴、两个压力传感器、两个加载气缸，左右两个加载气缸分别通过螺纹固定于框架模块中两块侧板的外侧；所述加载轴穿过两块侧板上槽孔且与两根气缸输出轴形成轴孔配合，加载轴将载荷传递给股骨；两个压力传感器分别固定于两根气缸输出轴上，通过压力传感器实现气缸输出载荷的控制。

与现有技术相比，本发明具有以下明显优势：

1.本发明一种膝关节生物力学性能测试与评估装置，通过在假体和膝关节股骨间隙间放置应变片，通过应变片来间接测量屈曲活动下“骨-假体”界面的应力分布。

2.本发明一种膝关节生物力学性能测试与评估装置，使用气缸来提供动力源，整个动力装置占用空间小。并且在气缸输出轴上装有压力传感器，能够实时检测气缸输出载荷。

3.本发明一种膝关节生物力学性能测试与评估装置，通过调节推杆滑块竖直方向上的位置，转动连杆绕转角插销和连杆插销转动同时向下移动实现股骨及股骨固定杆的转动，模拟膝关节的屈曲动作。

4.本发明一种膝关节生物力学性能测试与评估装置，通过调节推杆滑块的位置可以实现弯曲角度的逐渐增大，通过刻度盘能够直接读出转动角度并且整个膝关节能够比较稳固的维持在调节好的角度。

附图说明

图1是本发明一种膝关节生物力学性能测试与评估装置的初始状态示意图。

图2是本发明一种膝关节生物力学性能测试与评估装置的框架模块示意图。

图3是本发明一种膝关节生物力学性能测试与评估装置的关节固定模块示意图。

图4是本发明一种膝关节生物力学性能测试与评估装置的膝关节模块示意图。

图5是本发明一种膝关节生物力学性能测试与评估装置的关节屈曲驱动模块示意图。

图6是本发明一种膝关节生物力学性能测试与评估装置的加载模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种膝关节生物力学性能测试与评估装置，包括框架模块Ⅰ、关节固定模块Ⅱ、膝关节模块Ⅲ、关节屈曲驱动模块Ⅳ、加载模块Ⅴ；所述关节固定模块Ⅱ固定于框架模块Ⅰ的框架底板1上，所述膝关节模块Ⅲ底部与关节固定模块Ⅱ连接，顶部与关节屈曲驱动模块Ⅳ固定连接，所述关节屈曲驱动模块Ⅳ固定在框架模块Ⅰ的顶端，所述加载模块Ⅴ安装在框架模块Ⅰ上，实现对膝关节模块Ⅲ的加载。

如图2所示，所述框架模块Ⅰ包括框架底板1、三根支撑柱2、三个支撑连接块3、两块侧板4、加强板5、框架顶板6、两个刻度盘7、两个推杆固定座8、两个推杆固定块9；所述三根支撑柱2底端通过螺栓固定在框架底板1上，三个支撑连接块3分别通过螺栓固定在三根支撑柱2的顶端；所述加强板5固定在两块侧板4底端之间，两块侧板4与加强板5分别通过三个支撑连接块3和三根支撑柱2连接；所述框架顶板6通过螺栓固定于两块侧板4的顶端，两个刻度盘7通过螺纹固定于两块侧板4的内侧；所述两个推杆固定座8通过螺栓固定于框架顶板6上；两个推杆固定块9内侧面切齿形槽，分别分布于关节屈曲驱动模块Ⅳ中推杆滑块23两侧面并与推杆固定座8内侧面形成移动副，推杆固定块9与推杆滑块23齿形啮合，通过长螺栓固定锁紧。

如图3所示，所述关节固定模块Ⅱ包括脚踝10、止转销11、胫骨固定杆12；所述脚踝10通过螺栓固定于框架模块Ⅰ中的框架底板1上；胫骨固定杆12与脚踝10通过止销轴11固定且止转，胫骨固定杆12与膝关节模块Ⅲ中胫骨13通过螺纹配合连接固定。

如图4所示，所述膝关节模块Ⅲ采用模块化设计，便于根据不同患者的关节结构尺寸和假体，进行更换并进行个性化关节特性测试；包括胫骨13、胫骨假体14、衬垫15、股骨假体16、应变片17、股骨18；所述胫骨13与胫骨固定杆12通过螺纹副连接固定；胫骨假体14插入胫骨13的开槽内；衬垫15与胫骨假体14通过装配关系固定；股骨假体16插入截骨完全的股骨18的开孔内，应变片17位于股骨假体16和股骨18的接触面间，通过应变片17实现“骨-假体”结合面应力分布情况测量。

如图5所示，所述关节屈曲驱动模块Ⅳ包括股骨固定杆19、转角插销20、转动连杆21、推杆插销22、推杆滑块23、滑槽24；所述股骨固定杆19一端与膝关节模块Ⅲ中的股骨18通过螺纹配合连接固定；股骨固定杆19另一端与转动连杆21的一端通过转角插销20实现转动连接，转动连杆21能够绕转角插销20转动，所述转角插销20与框架模块Ⅰ中的刻度盘7形成滚动副，转角插销20能够在刻度盘7凹槽内滚动；所述转动连杆21的另一端与推杆滑块23通过推杆插销22转动连接；所述推杆滑块23与滑槽24形成滑动副，所述滑槽24通过螺栓固定于框架模块Ⅰ中的框架顶板6上，推杆滑块23上端穿过框架顶板6上槽孔并能够沿着滑槽24上下移动，推杆滑块23两侧面切齿形槽，通过手动调节推杆滑块23直到股骨18及股骨固定杆19到达指定角度，从而实现膝关节模块Ⅲ的屈曲动作，并通过推杆滑块23与推杆固定块9的齿形啮合实现推杆滑块23的锁紧。

如图6所示，所述加载模块Ⅴ包括加载轴25、两根气缸输出轴26、两个压力传感器27、两个加载气缸28，左右两个加载气缸28分别通过螺纹固定于框架模块Ⅰ中两块侧板4的外侧；所述加载轴25穿过两块侧板4上槽孔且与两根气缸输出轴26形成轴孔配合，加载轴25将载荷传递给股骨18；两个压力传感器27分别固定于两根气缸输出轴26上，通过压力传感器27实现气缸28输出载荷的控制。

本发明装置的使用过程如下：

通过手动调节推杆滑块23在竖直方向上的位置，转动连杆21绕推杆插销22和转角插销20转动同时向下移动实现股骨及股骨固定杆19的转动，模拟膝关节的屈曲动作。循序渐进的调节推杆滑块23的位置，可以实现弯曲角度的逐渐增大，通过刻度盘7能够直接读出转动角度，到达指定角度时，推杆固定块9与推杆滑块23齿形啮合，通过长螺栓固定锁紧，并且整个膝关节模块Ⅲ能够比较稳固的维持在调节好的角度。然后两个加载气缸28通气对加载轴25施加压力，通过压力传感器27对加载力进行检查，起到实时调节作用，加载轴25将载荷传递给股骨18，此时通过应变片17便得到“骨-假体”界面的应力分布情况。