一种体外肩关节仿生力加载及其功能检测实验平台制造技术

本实用新型专利技术提供了一种体外肩关节仿生力加载及其功能检测实验平台，包括支架单元、基座单元、肩胛骨固定及肌肉加载单元、肱骨夹持及旋转测量单元、肱骨运动引导弧架和肱骨头位移检测单元。本实验平台可根据实验要求提供不同的肩关节标本静态空间姿态固定，与夹具配合，能够进行盂肱关节三自由度和肩胛骨一个自由度的静态相位调整。肌肉加载单元由多根传力绳索和对应的气动伺服系统组成，提供了体外肩关节各肌肉群的仿生肌力。在微机控制下对肩关节标本施加仿生肌力，可实现肩关节多自由度的运动，同时对肩关节的功能参数进行检测。本实验平台所测量的生物力学数据可作为肩关节功能评价的重要指标。

An experimental platform for biomimetic loading of shoulder joint and its function detection

The utility model provides a shoulder joint loading and in vitro biomimetic function detection experiment platform, comprising a support unit, base unit, scapula and humerus muscle fixed loading unit, clamping and rotation measurement unit, guide frame and arc motion of the humeral head displacement detecting unit. The experimental platform can provide different shoulder joint specimens with static spatial posture fixed according to the experimental requirements. It can cooperate with the fixture to carry out the static phase adjustment of the three degree of freedom of the glenohumeral joint and the freedom of the scapula. The muscle loading unit is composed of multiple force transmission lines and the corresponding pneumatic servo system, which provides the bionic muscle strength of each muscle group in the shoulder joint in vitro. The biomimetic muscle force is applied to the shoulder joint under the control of microcomputers, which can realize the movement of the shoulder joint with multiple degrees of freedom and detect the functional parameters of the shoulder joint. The biomechanical data measured by this experimental platform can be used as an important index for the evaluation of shoulder joint function.

【技术实现步骤摘要】
一种体外肩关节仿生力加载及其功能检测实验平台
本技术属于体外关节生物力学实验领域，特别是涉及一种体外肩关节仿生力加载及其功能检测实验平台。
技术介绍
肩关节是人体最灵活的、运动学最为复杂的关节，可作屈、伸、外展、内收、外旋、内旋和环转多轴性运动。研究表明，同下肢髋关节比较，肩关节的运动幅度较大，但稳定性差。肩关节包裹有大量肌肉，这些肌肉对维护肩关节的稳定性有重要意义。肩袖撕裂是肩关节的一种较为严重的损伤，将造成关节囊在前后方向的失稳。肩袖修复手术有助于改善受损肩关节的功能。不同的修复手段对手术效果的影响差别可以通过体外肩关节的功能检测进行量化评估。功能参数变量包括盂肱关节面压力、肩峰接触压力、肱骨头囊内位移、关节运动范围等。体外的肩关节在符合生理学状态的条件下被装配在模拟检测平台上，并施加仿生的肌肉力牵引肱骨运动，与此同时，关节囊功能评价参数被相应的传感器测量。中国技术专利公开号：CN205262846U，名称：一种并联仿生肩关节力学测试实验平台，主要由动平台、定平台、三条力感应旁支链、一条力感应中间支链和一台便携式超级应变仪组成。该技术为基于并联机构的仿生肩关节机构，虽然其可完成仿生肩关节机构的静力学和动力学模拟，但由于机械结构的仿生肩关节与实际人体的肩关节结构相差巨大，是极大简化的肩关节，无法进行生物力学的实验。而且该实验平台所做的功能模拟仅可做应力应变的测量，检测功能单一。实际上，到目前为止，国内还没有能够多参数检测人体标本体外肩关节功能的实验平台。体外肩关节运动模拟器的应用能够进一步提高人们对肩关节生物力学的认识。肩关节生物力学知识对于理解肩关节的病理是必要的，这也有利于开发手术修复策略。
技术实现思路
本技术的目的在于满足国内人体体外肩关节生物力学研究的需求，克服上述现有技术的不足，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，本技术采用以下技术方案：一种体外肩关节仿生力加载及其功能检测实验平台，主要由支架单元、基座单元、肩胛骨固定及肌肉加载单元、肱骨夹持及旋转测量单元、肱骨运动引导弧架和肱骨头位移检测单元六个部分组成。其中，支架单元用于支撑整个实验平台，基座单元和肱骨运动引导弧架直接与支架单元装配连接；基座单元与肩胛骨固定及肌肉加载单元以铰链方式连接，用于调节肩胛骨固定及肌肉加载单元的相位姿态；肩胛骨固定及肌肉加载单元兼具固定体外肩胛骨和布置仿生肌力系统的功能；肱骨夹持及旋转测量单元用于检测肱骨在仿生肌力加载条件下施以一定的扭矩能达到的极限位置；肱骨运动引导弧架的滑槽与肱骨夹具末端的滑块配合，用于引导肱骨末端的运动；肱骨头位移检测单元用于检测肱骨头在加载提升力后在关节盂内的移动轨迹。优选地，所述支架单元主要由框架、竖直支撑件、上滑轨安装板、平台安装板和下滑轨安装板组成。框架分为前后两层，竖直支撑件左右对称地栓接在框架塥断处的横梁上。框架前层空间大，方便实验人员在其中操作；框架后层用于放置驱动系统。上滑轨安装板、平台安装板和下滑轨安装板从上往下依次栓接在竖直支撑件上。优选地，所述基座单元主要由平台、方形立柱、静T型座、带座轴承、T座转轴和动T型座组成。平台通过螺栓连接在支架的平台安装角铁上，方形立柱以螺纹连接于平台，静T型座通过螺纹连接于方形立柱，带座轴承安装在静T型座上，T座转轴穿过带座轴承并被带座轴承的锁紧螺钉锁紧，动T型座通过平键与T座转轴连接。肩胛骨的相位由静T型座、T座转轴和动T型座构成的转动副来调节。另外，动T型座上加工有若干个用于定位的通孔，静T型座上加工有一个能与动T型座上定位孔对应的通孔，即可用一根销轴同时穿过分别位于静T型座和动T型座的孔，用于固定动T型座的相位。优选地，所述肩胛骨固定及肌肉加载单元主要由过渡圆盘、带槽圆盘、推杆杆端承载杆、推杆杆端承载板、肌肉承载杆、肌肉导杆、十字夹座、人体体外肩关节标本(包括肩胛骨、锁骨和从中下部横切截断的肱骨)、绳索、肩胛骨夹板、拉力传感器、螺纹连接套、直线推杆、锁骨夹具、锁骨固定承载杆、多维力传感器组成。过渡圆盘与动T型座相连，带槽圆盘与过渡圆盘相连，多维力传感器安装在带槽圆盘上。肩胛骨夹板用螺钉连接于多维力传感器的安装面板上，肩胛骨被三个螺栓配合特大号垫片固定在肩胛骨夹板上。锁骨被插入锁骨夹具，并在夹具外圈拧上螺钉将锁骨锁紧。锁骨固定承载杆的一端与锁骨夹具相连，另一端与带槽圆盘连接。线性推杆被安装在带槽圆盘上，拉力传感器通过螺纹连接套与线性推杆杆端相连。推杆杆端承载杆一端固定在带槽圆盘上，另一端装有推杆杆端承载板，板上加工有若干导向孔，导向孔与线性推杆一一对应。各个肌肉承载杆的一端连接在带槽圆盘上，可在带槽圆盘的环型槽内改变装配位置，承载杆的另一端通过十字夹座与肌肉导杆正交相连。因此，导杆相对于承载杆可作四自由度的位置调节，同时，承载杆可在带槽圆盘的环型槽中移动，故导杆共有五个自由度(三个移动副，两个转动副)的位置调节。肌肉承载板分别与肌肉导杆相连，故承载板与导杆的可调节自由度一致。绳索一端与线性推杆杆端的拉力传感器相连，穿过推杆杆端承载板和各个肌肉群的承载板上的导向孔，另一端与肱骨上各个肌肉群或肌腱对应的生理位置相连。线性推杆提供仿生肌肉拉力，拉力传感器反馈实际拉力，形成力闭环，准确实现仿生力加载过程。力加载后，通过多维力传感器测得盂肱关节面压力，同时利用放置在肩峰下关节间隙的薄膜压力感测片测量受压面积和最大压强。优选地，所述肱骨夹持及旋转测量单元主要由肱二头肌承载板、肱骨夹具、线性推杆安装环、螺杆、加长螺母、轴承内套、轴承端盖、轴承、轴承外套、联轴器、编码器安装架、角度编码器、弧上滑块(包括滑块滚子、滑块组成板、滑块组成块)、调整套、迷你线性推杆、迷你螺纹连接套、绳索和拉力传感器组成。滑块滚子通过螺钉连接在滑块组成板上，滑块滚子与滑块组成板之间有垫片隔开，两片滑块组成板通过螺钉分别连接在滑块组成块的两侧。肱骨夹具通过锁紧螺钉与肱骨固连且两者轴线近似重合。肱二头肌承载板装在肱骨夹具大端端面上。拉力传感器通过迷你螺纹连接套与迷你线性推杆相连。迷你线性推杆装在线性推杆安装环上，线性推杆安装环与肱骨夹具的环状面通过螺钉连接。两只迷你线性推杆配合绳索分别模拟肱二头肌的长头和短头，其实际拉力由拉力传感器反馈至计算机，形成力闭环的加载系统。螺杆从肱骨夹具的小端螺纹孔拧入，并插入肱骨内侧，强化肱骨与肱骨夹具的连接。同时，肱骨夹具小端拧有锁紧螺钉防止螺杆工作时发生相对于肱骨夹具的转动。加长螺母拧在螺杆上，并用螺钉锁紧，避免加长螺母与螺杆发生相对转动。轴承内套通过锁紧螺钉固定在螺杆上，轴承内圈过盈配合地安装在轴承内套柱面上，轴承外圈与轴承外套过盈配合安装，端盖装在轴承外套端面上，并压住轴承外圈防止其轴向窜动。轴承外套同时通过螺栓与弧上滑块连接，螺栓上装有调整套使得轴承外套与滑块保持一定的间距，以适应角度编码器与弧上滑块的装配位置关系。编码器安装架通过螺栓连接于弧上滑块，角度编码器安装在编码器安装架上。角度编码器的轴端通过联轴器与螺杆尾端相连。测量肱骨内、外旋角度时，在加长螺母处施加一定大小的扭矩使得肱骨旋转至极限位置，同时，角度编码器测得肱骨的内、外旋角度。优选地，所述肱骨运动引导弧架主要本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种体外肩关节仿生力加载及其功能检测实验平台，其特征在于：包括支架单元、基座单元、肩胛骨固定及肌肉加载单元、肱骨夹持及旋转测量单元、肱骨运动引导弧架单元和肱骨头位移检测单元，其中，所述的基座单元和所述的肱骨运动引导弧架单元直接与所述的支架单元装配连接，所述的基座单元与所述的肩胛骨固定及肌肉加载单元以铰链方式连接，所述的肱骨运动引导弧架单元与所述的肩胛骨固定及肌肉加载单元连接，所述的肱骨夹持及旋转测量单元与所述的肩胛骨及肌肉加载单元相连，所述的肱骨头位移检测单元固定在所述的基座单元上。

【技术特征摘要】
1.一种体外肩关节仿生力加载及其功能检测实验平台，其特征在于：包括支架单元、基座单元、肩胛骨固定及肌肉加载单元、肱骨夹持及旋转测量单元、肱骨运动引导弧架单元和肱骨头位移检测单元，其中，所述的基座单元和所述的肱骨运动引导弧架单元直接与所述的支架单元装配连接，所述的基座单元与所述的肩胛骨固定及肌肉加载单元以铰链方式连接，所述的肱骨运动引导弧架单元与所述的肩胛骨固定及肌肉加载单元连接，所述的肱骨夹持及旋转测量单元与所述的肩胛骨及肌肉加载单元相连，所述的肱骨头位移检测单元固定在所述的基座单元上。2.根据权利要求1所述的体外肩关节仿生力加载及其功能检测实验平台，其特征在于，所述支架单元包括框架、两个竖直支撑件、上滑轨安装板、平台安装板和下滑轨安装板组成，所述的框架被塥断处的横梁分为前后两层，两个竖直支撑件左右对称地栓接在的所述的横梁上，所述的上滑轨安装板、平台安装板和下滑轨安装板从上往下依次栓接在两个竖直支撑件上。3.根据权利要求2所述的体外肩关节仿生力加载及其功能检测实验平台，其特征在于，所述基座单元包括平台、方形立柱、静T型座、带座轴承、T座转轴和动T型座，所述的平台连接在支架单元的所述的平台安装板上，所述的方形立柱连接于平台上，所述的静T型座连接于所述的方形立柱上，所述的带座轴承安装于所述的静T型座上，所述的T座转轴穿过所述的带座轴承并被所述的带座轴承上的锁紧螺钉锁紧，所述的动T型座通过平键与所述的T座转轴连接，所述的动T型座上加工设有多个用于定位的通孔，所述的静T型座上设有一个能与所述的动T型座上定位孔通过销轴固定的对应的通孔。4.根据权利要求3所述的体外肩关节仿生力加载及其功能检测实验平台，其特征在于，所述肩胛骨固定及肌肉加载单元包括过渡圆盘、带槽圆盘、推杆杆端承载杆、推杆杆端承载板、多个肌肉承载杆、肌肉导杆、十字夹座、绳索、肩胛骨夹板、拉力传感器、螺纹连接套、线性推杆、锁骨夹具、锁骨固定承载杆、多维力传感器，所述的过渡圆盘与所述的动T型座相连，所述的带槽圆盘与所述的过渡圆盘相连，所述的多维力传感器安装在所述的带槽圆盘上，所述的肩胛骨夹板用螺钉连接于所述的多维力传感器的安装面板上，人体体外肩关节标本的肩胛骨部分被固定在所述的肩胛骨夹板上，锁骨部分被插入所述的锁骨夹具，所述的锁骨固定承载杆的一端与所述的锁骨夹具相连，另一端与所述的带槽圆盘连接，所述的线性推杆被安装在所述的带槽圆盘上，所述的拉力传感器与所述的线性推杆杆端相连，所述的推杆杆端承载杆一端固定在所述的带槽圆盘上，所述的推杆杆端承载杆另一端装有所述的推杆杆端承载板，所述的推杆杆端承载板上加工有多个导向孔，所述的导向孔与线性推杆一一对应，多个肌肉承载杆的一端连接在所述的带槽圆盘上，所述的多个肌肉承载杆的另一端通过十字夹座与肌肉导杆正交相连，所述的肌肉承载杆在所述的带槽圆盘的环型槽中移动。5.根据权利要求4所述的体外肩关节仿...

【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：赵金忠，于随然，方亮，蒋佳，
类型：新型
国别省市：上海,31