膝关节力加载及生物力学特性检测实验平台制造技术

本发明专利技术提供了一种膝关节力加载及其生物力学检测实验平台。主要由框架单元，股骨姿态调整单元，股骨反应力和韧带应变测量及力加载单元，膝关节关节屈曲驱动单元，胫骨位姿从动单元，胫骨内外旋测量单元，髌骨姿态检测单元七个部分组成。本发明专利技术装置通过对全膝关节置换术、前交叉韧带重建术、后交叉韧带重建术等手术后的膝关节的生物力学特性检测，比较不同手术技巧下离体膝关节的生物力学特性。

Experimental platform for loading and biomechanical properties of knee joint

The invention provides an experimental platform for knee joint force loading and biomechanical detection. It consists of seven parts: frame unit, femoral posture adjustment unit, femoral response force and ligament strain measurement and force loading unit, knee joint flexion driving unit, tibial posture follower unit, tibial rotation measurement unit and patellar posture detection unit. The device detects the biomechanical characteristics of knee joint after total knee arthroplasty, anterior cruciate ligament reconstruction and posterior cruciate ligament reconstruction, and compares the biomechanical characteristics of isolated knee joint under different surgical techniques.

【技术实现步骤摘要】
膝关节力加载及生物力学特性检测实验平台
本专利技术属于离体膝关节生物力学实验领域，特别是涉及一种离体膝关节仿生力加载及膝关节生物力学特性的综合检测实验平台。
技术介绍
膝关节是人体下肢的主要关节，它负重多且运动量大，是下肢活动的枢纽。膝关节的结构和功能都是人体关节中最复杂的关节。人体膝关节主要由股骨、胫骨、腓骨及其周围的肌肉、韧带组成，属于结构十分完备的滑膜关节。当前我国人口老年化日益严重，同时城市中产阶级群体愈加重视身体锻炼，国内以马拉松，长跑为爱好的年轻人群日益增多，由于不正确的锻炼方式，膝关节的长时间磨损导致的膝关节手术需求量增加显著。中国专利技术专利专利号201611058599.X的专利公开了一种膝关节生物力学性能测试与评估装置。该专利技术涉及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。该装置通过调整膝关节的屈曲角度，模拟人体下肢关节的运动状态，通过加载外力并测试膝关节不同屈曲角度下，仿生骨组织与假体界面的应力状态。然而该装置所测试的为假体关节，加载方式的仿生程度不够高，所能测量的生物力学参数有限，综合性不够强。实际上，到目前为止，国内还没有能够实现高度仿生力加载，同时能够检测体外膝关节的多种生物力学特性的实验平台。离体膝关节仿生力加载及其生物力学特性综合检测实验平台能够进一步提高人们对于膝关节生物力学的认识。对于骨外科大夫，本专利技术能够在一定程度上指导外科手术的开展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于满足国内离体膝关节生物力学研究的需要，设计提供一种仿生的、多参数测量的生物力学综合实验平台。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种离体膝关节仿生力加载及其生物力学特性综合检测实验平台，主要由框架单元，股骨姿态调整单元，股骨反应力和韧带应变测量及力加载单元，膝关节关节屈曲驱动单元，胫骨位姿从动单元，胫骨内外旋测量单元，髌骨姿态检测单元七个部分组成。其中框架用于支撑整个检测平台，股骨状态调整单元和股骨反应力检测及力加载单元销轴连接，股骨反应力检测及力加载单元和胫骨位姿从动单元之间通过离体膝关节连接，胫骨位姿从动单元与膝关节关节屈曲驱动单元之间螺纹紧固连接，膝关节关节屈曲驱动单元与框架单元螺纹紧固连接。膝关节关节屈曲驱动单元可以使体外膝关节屈伸角度在0-120°之间，通过股骨状态调整单元可以将屈伸角度扩展到135°，同时胫骨位姿从动单元能根据膝关节标本的个体差异随动，不至于离体膝关节在力加载前出现应力残留。膝关节位姿调整完成后，股骨反应力和韧带应变测量及力加载单元通过7个气缸对对应的肌腱上加载对应的力牵拉膝关节。股骨反应力和韧带应变测量及力加载单元能够测得此时的股骨远端反应力、交叉韧带应变、关节间室分布压力。此时胫骨内外旋测量单元可以测量离体膝关节在力加载情况下胫骨的内外旋角度。髌骨姿态检测单元能够检测髌骨上标记点的位移，得到髌骨姿态的变化。胫骨位姿从动单元中的角度编码器读数的变化值能够评估膝关节内外侧方向的稳定性。优选地，所述框架单元由60x60铝型材、90°角件、45°角件、135°角件组成。框架上方的3根铝型材通过螺栓和股骨姿态调整单元紧固连接，框架下方的2根铝型材通过螺栓和膝关节关节屈曲驱动单元紧固连接，框架中部和膝关节关节屈曲驱动单元中的直线轴承光杆固定。优选地，所述的股骨姿态调整单元主要由天花板，上滑台，上旋转座、限位挡块、锁紧挡块组成。天花板通过螺栓与框架单元上部的3根铝型材紧固连接，上滑台通过螺栓与天花板连接，上旋转座通过螺钉与上滑台紧固连接，限位挡块通过螺钉固定在上滑台的导轨两端防止上滑台的行程超出导轨的长度，锁紧挡块与上滑台T型槽中的T型螺母通过螺钉连接，当股骨通过上滑台调整到合适的位置时通过螺钉锁紧实现股骨位置的固定。优选地，所述的股骨反应力和韧带应变测量及力加载单元由上旋转体、气缸固定圆盘、六维力传感器、股骨套筒、气缸、气缸-拉力传感器连接套、拉力传感器，气缸轴向拉力导向板，肌肉拉力方向导板、气缸轴向导向板固定杆，肌肉拉力方向导板固定杆、十字夹座、信号调理器、信号调理器固定夹组成。气缸固定圆盘与上旋转体螺钉紧固连接，六维力传感器与气缸固定圆盘螺钉紧固连接，股骨固定套筒与六维力传感器螺钉紧固连接，气缸与气缸固定圆盘螺纹紧固连接，气缸推杆末端与气缸-拉力传感器连接套螺纹紧固连接，气缸-拉力传感器连接套与拉力传感器螺纹紧固连接，拉力传感器通过线绳与离体膝关节肌腱连接，气缸轴向导向板固定杆与气缸固定圆盘螺纹紧固连接，肌肉拉力方向导板固定杆与气缸固定圆盘螺纹紧固连接，气缸轴向拉力导向板固定杆与气缸轴向拉力导向板螺纹紧固连接，肌肉拉力方向导板固定杆与肌肉拉力方向导板螺纹紧固连接，信号调理器固定夹与某一根气缸轴向导向板固定杆螺纹紧固连接，信号调理器被信号调理器固定夹夹住，差分可变磁阻传感器测得的韧带应变信号通过信号调理器后实现韧带应变的测量。力加载时，气缸推杆牵拉肌腱提供拉力，气缸推杆末端的拉力传感器测量拉力，将实际测量的拉力值反馈，实现精确的拉力控制。力加载后，通过六维力传感器可以测得股骨远端的反应力情况，通过感压纸或薄膜压力分布传感器可以分别测量膝关节3个重要间室的压力分布。优选地，膝关节关节屈曲驱动单元由电动升降柱、升降柱下固定板、升降柱上固定板、下托盘、下托盘附件、直线轴承、光杆、下滑台组成。升降柱下固定板与框架单元下方的2根铝型材螺纹紧固连接，电动升降柱与升降柱上固定板螺纹紧固连接，升降柱上固定板与下托盘螺纹紧固连接，下托盘与下托盘附件螺纹紧固连接，下托盘附件与直线轴承螺纹紧固连接，直线轴承在竖直放置的光杆上能做垂直方向上下运动，下滑台与下托盘螺纹紧固连接，下滑台能够实现前后左右方向的滑动。将离体膝关节装配在本专利技术上后，在工控机上控制电动升降柱的上下运动，由下托板带动下滑台实现上下运动，同时下滑台自身能够实现前后左右的移动，配合胫骨位姿从动单元中的左右轴转动关节可以实现由电动升降柱驱动的0-120°的关节屈伸角度变化。此单元中电动升降柱为驱动模块，直线轴承与光杆为导向模块，下滑台的前后位移与胫骨位姿从动单元中的转动关节实现将上下的直线运动转化为离体膝关节的屈伸运动。优选地，胫骨位姿从动单元由上下轴交叉滚子轴承、上下轴移动箱体、直线轴承，第二角度编码器、第一角度编码器支架、第一角度编码器、第一角度编码器联轴器、箱体-角度编码器连接座、直线轴承安装板、前后轴交叉滚子轴承、第三角度编码器支架、第三角度编码器、第三角度编码器联轴器、胫骨内外旋测量单元支架、左右轴旋转体、左右轴旋转轴、左右轴旋转关节菱形带座轴承、前后轴旋转体、直线导轨、压簧、上下轴直线导轨固定菱形带座轴承组成。所有零件构成3个旋转副，一个移动副。其中上下轴转动副1个，前后轴转动副1个，左右轴转动副1个，3个转动副配合下滑台的2个移动副和1个上下轴移动副构成6个自由度能够实现胫骨远端在从动力作用下达到空间中的任何位姿。其中上下轴移动箱体、前后轴旋转体上各有20°的圆弧槽可以在胫骨达到任意位置后螺钉锁死固定。同时在第一角度编码器、第二角度编码器、第三角度编码器能够记录各转动关节的转动角度。优选地，胫骨内外旋测量单元主要由第四角度编码器、第四角度编码器支架、立柱、内外旋联本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种膝关节力加载及生物力学检测实验平台，其特征在于，包括框架单元，股骨姿态调整单元，股骨反应力和韧带应变测量及力加载单元，膝关节关节屈曲驱动单元，胫骨位姿从动单元，胫骨内外旋测量单元，髌骨姿态检测单元，其中，所述的框架单元包括多根通过互相紧固连接构成外框架的铝型材，及设于所述的铝型材交接处的角件；所述的股骨姿态调整单元包括固定在所述的框架单元上部的天花板、固定在所述天花板上的上滑台组件及固定在所述的上滑台组件上的上旋转座，所述的上滑台组件包括直线导轨及在所述直线导轨中滑动的铝板，所述的上滑台组件两端均设有限位挡块，所述的上滑台组件侧边设有锁紧挡块，所述的上旋转座与所述的铝板紧固连接；所述的股骨反应力和韧带应变测量及力加载单元包括与所述的上旋转座销轴连接的上旋转体，所述的上旋转体另一端固定在气缸固定圆盘的上平面，所述气缸固定圆盘平面上还紧固穿设有多根气缸，所述的气缸的推杆末端设有气缸拉力传感器连接套，所述的气缸拉力传感器连接套与拉力传感器紧固连接，拉力传感器通过固定在所述的气缸固定圆盘的下平面上的气缸轴向导向板和肌肉拉力方向导板调整线绳方向与离体膝关节肌腱连接，所述的气缸轴向导向板上紧固连接有气缸轴向拉力导向板固定杆，所述的气缸轴向拉力导向板固定杆上通过信号调理器固定夹与信号调理器连接，所述的肌肉拉力方向导板与所述的肌肉拉力方向导板固定板紧固连接，所述的气缸固定圆盘的下平面上还固定有六维力传感器，六维力传感器端部设有股骨固定套筒；膝关节关节屈曲驱动单元包括与所述的框架单元下部连接的升降柱下固定板，与所述的升降柱下固定板上表面固定连接的电动升降柱，连接在电动升降柱另一端的升降柱上固定板，升降板上固定板的上表面与下托盘紧固连接，下托盘上设有下托盘附件，所述的下托盘附件上设有直线轴承安装孔，所述的直线轴承穿过光杆，在光杆上上下运动，所述的光杆两端分别通过卧式支撑座固定在所述的框架单元上部和下部，所述的下托盘上设有下滑台组件；所述的胫骨位姿从动单元包括与所述的下滑台组件固定连接的上下轴交叉滚子轴承。与所述的上下轴交叉滚子轴承内圈连接的上下轴移动箱体，所述的第一角度编码器通过所述的箱体‑角度编码器连接座与上下轴移动箱体连接。所述的直线导轨通过所述的上下轴直线导轨固定菱形带座轴承与上下轴移动箱体连接，所述的压簧套在直线导轨上。所述的直线轴承和所述的直线轴承安装板连接，直线轴承在直线导轨上能够上下移动。所述的前后轴交叉滚子轴承通过螺钉与直线轴承安装板连接。所述的前后轴旋转体通过螺钉与前后轴交叉滚子轴承连接。所述的左右轴旋转关节菱形带座轴承通过螺钉固定在前后轴旋转体上。所述的左右轴旋转轴通过左右轴旋转关节菱形带座轴承上的顶丝固定在左右轴旋转关节菱形带座轴承的内圈上。所述的第三角度编码器通过所述的第三角度编码器支架和所述的第三角度编码器联轴器与左右轴旋转轴连接。所述的左右轴旋转体通过键与左右轴旋转轴连接。所述的胫骨内外旋测量单元支架通过螺钉与左右轴旋转体连接。所述的胫骨内外旋测量单元由所述的第四角度编码器支架与所述的第四角度编码器连接。第四角度编码器与所述的内外旋联轴器通过顶丝连接。所述的立柱通过螺钉与所述的内外旋平台连接。所述的深沟球轴承内圈与内外旋平台过盈配合连接。所述的胫骨套筒过渡板通过螺钉与内外旋联轴器连接。所述的胫骨套筒通过螺钉与胫骨套筒过渡板连接；所述的髌骨姿态检测单元包括与所述框架单元下部连接的三脚架，与所述的三脚架螺纹紧固连接的三维数字化仪安装托盘，与所述的三维数字化仪安装托盘连接的三维数字化仪。...

【技术特征摘要】
1.一种膝关节力加载及生物力学检测实验平台，其特征在于，包括框架单元，股骨姿态调整单元，股骨反应力和韧带应变测量及力加载单元，膝关节关节屈曲驱动单元，胫骨位姿从动单元，胫骨内外旋测量单元，髌骨姿态检测单元，其中，所述的框架单元包括多根通过互相紧固连接构成外框架的铝型材，及设于所述的铝型材交接处的角件；所述的股骨姿态调整单元包括固定在所述的框架单元上部的天花板、固定在所述天花板上的上滑台组件及固定在所述的上滑台组件上的上旋转座，所述的上滑台组件包括直线导轨及在所述直线导轨中滑动的铝板，所述的上滑台组件两端均设有限位挡块，所述的上滑台组件侧边设有锁紧挡块，所述的上旋转座与所述的铝板紧固连接；所述的股骨反应力和韧带应变测量及力加载单元包括与所述的上旋转座销轴连接的上旋转体，所述的上旋转体另一端固定在气缸固定圆盘的上平面，所述气缸固定圆盘平面上还紧固穿设有多根气缸，所述的气缸的推杆末端设有气缸拉力传感器连接套，所述的气缸拉力传感器连接套与拉力传感器紧固连接，拉力传感器通过固定在所述的气缸固定圆盘的下平面上的气缸轴向导向板和肌肉拉力方向导板调整线绳方向与离体膝关节肌腱连接，所述的气缸轴向导向板上紧固连接有气缸轴向拉力导向板固定杆，所述的气缸轴向拉力导向板固定杆上通过信号调理器固定夹与信号调理器连接，所述的肌肉拉力方向导板与所述的肌肉拉力方向导板固定板紧固连接，所述的气缸固定圆盘的下平面上还固定有六维力传感器，六维力传感器端部设有股骨固定套筒；膝关节关节屈曲驱动单元包括与所述的框架单元下部连接的升降柱下固定板，与所述的升降柱下固定板上表面固定连接的电动升降柱，连接在电动升降柱另一端的升降柱上固定板，升降板上固定板的上表面与下托盘紧固连接，下托盘上设有下托盘附件，所述的下托盘附件上设有直线轴承安装孔，所述的直线轴承穿过光杆，在光杆上上下运动，所述的光杆两端分别通过卧式支撑座固定在所述的框架单元上部和下部，所述的下托盘上设有下滑台组件；所述的胫骨位姿从动单元包括与所述的下滑台组件固定连接的上下轴交叉滚子轴承。与所述的上下轴交叉滚子轴承内圈连接的上下轴移动箱体，所述的第一角度编码器通过所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵金忠，于随然，方亮，蒋佳，
申请(专利权)人：上海市第六人民医院，
类型：发明
国别省市：上海,31