人工膝关节假体模拟运动试验机制造技术

本发明专利技术涉及一种人工膝关节假体模拟运动试验机，包括股骨假体、胫骨平台、ＡＰ从动杆、ＡＰ同步带轮系、电机、ＩＥ凸轮，股骨假体设置在胫骨平台上，胫骨平台设置在ＩＥ同步带轮系从动轮上，ＡＰ从动杆穿过胫骨平台与ＡＰ凸轮连接，ＡＰ凸轮与ＡＰ同步带轮系从动轮连接，电机与ＡＰ同步带轮系主动轮同轴连接，ＡＰ同步带轮系主动轮与ＦＥ凸轮连接，ＦＥ凸轮再与ＩＥ凸轮同轴连接，ＦＥ凸轮另与ＦＥ从动杆系连接，ＦＥ从动杆系连接ＦＥ转盘，ＦＥ转盘连接锥齿轮副，锥齿轮副与股骨假体连接，ＩＥ凸轮上另连接ＩＥ从动杆系，ＩＥ从动杆系连接ＩＥ转盘，ＩＥ转盘与ＩＥ同步带轮系的主动轮同轴连接。模拟膝关节运动过程中的三种运动随时间的变化，同时进行纵向挤压加载，结构简单，造价低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种医疗器械
的设备，具体是一种人工膝关节假体模拟 运动试验机。
技术介绍
人的关节摩擦性能优良，摩擦系数极小且几乎无磨损，但骨关节炎或事故等 原因，严重影响关节的正常使用，目前我国骨关节炎患者达到3600万 4000万， 其中100 150万患者需要进行人工关节置换。常用的人工关节材料主要有高分 子聚乙烯、钴铬钼合金、陶瓷等。用这些材料制成的人工关节假体用于替代病变 关节，实现重建关节功能、解除关节疼痛、矫正关节畸形、保持关节稳定性和修 复肢体长度等多方面作用，提高了各种骨关节疾病的病人的生活质量。技术最成 熟而且应用最多的是人工髋关节和人工膝关节，大约占全部人工关节置换病例的 90%。人膝关节按照三维空间三个轴，共有六种运动方式，其中3种是旋转(内 外旋，屈曲伸直，内外翻)，3种是移位(前后移位，内外侧移位，纵向分离和 挤压)。这些运动方式不是单独出现，而是合并出现的，即膝关节运动模式是兼 有屈曲、滚动、滑动、侧移和轴位旋转的复杂多自由度的运动模式。进行关节置换后，人工膝关节就要实现天然人膝关节的多种运动模式，运动 中存在多组摩擦接触面，如股骨髁与人工半月板界面、人工半月板与人工胫骨界 面、股骨髁与上股骨界面以及人工胫骨与下胫骨等。在人工关节的日常使用中这 些界面上存在的摩擦作用就会产生不同程度的磨损，人工膝关节假体中UHMWPE 的磨损会产生许多磨损颗粒，使得植入人工膝关节的患者发生骨质溶解现象，造 成人工关节破坏、松脱等严重问题，并最终导致关节置换术置换晚期失败。人工 关节的生物摩擦学行为直接影响置换关节手术后的疗效，在临床应用前就需要对 人工关节进行模拟运动试验研究。为了使人工膝关节模拟试验条件统一，以便于 不同类型人工膝关节的对比和评价，ISO组织提出了针对人工膝关节的模拟运动 的标准，分别是IS014243-1:2002和IS014243-3:2004，目前出现的模拟试验机大都采用上述两个标准之一 。经对现有技术的文献检索发现，Oonishi H等在《The Journal of Arthroplasty》(关节置换杂志，2008)上发表的"Ceramic Versus Cobalt-Chrome Femoral Components: Wear of Polyethylene Insert in Total Knee Prosthesis"(陶瓷与钴铬钼股骨假体比较全膝关节中聚乙烯平台的磨损)，该 试验采用AMTI公司的膝关节模拟试验机，该实验机有6个工作位，可按照 IS014243-1对膝运动进行模拟。Ellison P等在《Journal of Biomechanics》 (生物力学杂志，2008， 41(7): 1407-1416)上发表"In vitro simulation and quantification of wear within the patellofemoral joint replacement"(骸 股关节置换的体外模拟和磨损量化)，材料试验机厂商MTS有两种针对膝关节模 拟试验的试验机，分别是MTS Bionix单站和多站膝盖模拟器，它可以模拟膝关 节受力和运动。单站膝盖模拟器只能进行一个关节试样的测试，它是在MTS的拉 扭试验机的基础上加装电机实现多个运动和力学加载，其中内外旋转、运动采用 电机伺服加载，前后移位和纵向挤压采用液压加载；多站膝盖模拟器一次能进行 多个关节试样的测试，它无需拉扭试验机的配合，采用与单站膝盖模拟器相同的 加载方式。已有的膝关节模拟试验机是采用电机伺服控制和液压加载技术实现对 膝关节试样运动的模拟，需要多个电机、传感器和电路，结构复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种人工膝关节假体模拟运动 试验机人工膝关节假体运动试验机，模拟膝关节运动过程中的屈曲伸直、内外旋 转和前后移位三种运动随时间的变化，同时进行纵向挤压加载，无需要多个电机、 传感器和电路，结构简单，造价低。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括股骨假体、胫骨平台、AP 从动杆、AP同步带轮系、电机、IE凸轮、FE凸轮、IE从动杆系、IE转盘、FE 从动杆系、FE转盘、锥齿轮副、IE同步带轮系和AP凸轮，股骨假体设置在胫骨 平台上，胫骨平台设置在IE同步带轮系从动轮上，AP从动杆穿过胫骨平台与AP 凸轮连接，AP凸轮与AP同步带轮系从动轮连接，电机与AP同步带轮系主动轮 同轴连接，AP同步带轮系主动轮与FE凸轮连接，FE凸轮再与IE凸轮同轴连接， FE凸轮另与FE从动杆系连接，FE从动杆系连接FE转盘，FE转盘连接锥齿轮副， 锥齿轮副与股骨假体连接，IE凸轮上另连接IE从动杆系，IE从动杆系连接IE4转盘，IE转盘与IE同步带轮系的主动轮同轴连接。所述的IE从动杆系包括IE连杆和IE摆杆，IE连杆一端连接IE凸轮，另 一端连接IE摆杆，IE摆杆再与IE转盘连接。所述的FE从动杆系包括FE连杆和FE摆杆，FE连杆一端连接FE凸轮，另 一端连接FE摆杆，FE摆杆再与FE转盘连接。所述的锥齿轮副包括主动锥齿轮、从动锥齿轮，主动锥齿轮与FE转盘同轴 连接，主动锥齿轮与从动锥齿轮啮合，从动锥齿轮与股骨假体连接。所述的IE同步带轮系从动轮设置在胫骨假体支架上，胫骨假体支架与电动 缸施力杆连接，电动缸施力杆与电动缸连接。纵向挤压加载采用伺服电动缸对胫 骨假体施加。通过控制凸轮、同步带轮系和连杆机构等的形状或运动参数，可以模拟膝关 节的不同运动形式。与现有技术相比，本专利技术具有以下的有益效果采用凸轮、杆系、锥齿轮机 构和同步带机构组合而成的三组机构实现膝关节运动过程中随时间变化的屈曲 伸直、内外旋转和前后移位三种运动，采用伺服电动缸进行纵向挤压加载，该技 术方案使的试验机结构更加简单和造价更低。附图说明图1试验机机构原理图。图2膝关节假体安装部分示意图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明本实施例在以本专利技术技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护 范围不限于下述的实施例。如图l、 2所示，本实施例包括股骨假体l、胫骨平台2、 AP从动杆3、 AP 同步带轮系、电机7、 IE凸轮ll、 FE凸轮9、 IE从动杆系12、 IE转盘16、 FE 从动杆系10、 FE转盘13、锥齿轮副14、 IE同步带轮系和AP凸轮18，股骨假体 l设置在胫骨平台2上，胫骨平台2设置在IE同步带轮系从动轮4上，AP从动 杆3穿过胫骨平台2与AP凸轮18连接，AP凸轮18与AP同步带轮系从动轮6 连接，电机7与AP同步带轮系主动轮8同轴连接，AP同步带轮系主动轮8与FE 凸轮9连接，FE凸轮9再与IE凸轮11同轴连接，FE凸轮9另与FE从动杆系IO连接，FE从动杆系10连接FE转盘13， FE转盘13连接锥齿轮副14，锥齿轮 副14与股骨假体1连接，IE凸轮11上另连接IE从动杆系12， IE从动杆系12 连接IE转盘16， IE转盘16与IE同步带轮系的主动轮17同轴连接。所述的IE从动杆系12包括IE连杆和IE摆杆，IE连杆一端连接IE凸轮11， 另一端连接IE摆杆，IE摆杆再与IE转盘16连本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种人工膝关节假体模拟运动试验机，其特征在于，包括：股骨假体、胫骨平台、ＡＰ从动杆、ＡＰ同步带轮系、电机、ＩＥ凸轮、ＦＥ凸轮、ＩＥ从动杆系、ＩＥ转盘、ＦＥ从动杆系、ＦＥ转盘、锥齿轮副、ＩＥ同步带轮系和ＡＰ凸轮，股骨假体设置在胫骨平台上，胫骨平台设置在ＩＥ同步带轮系从动轮上，ＡＰ从动杆穿过胫骨平台与ＡＰ凸轮连接，ＡＰ凸轮与ＡＰ同步带轮系从动轮连接，电机与ＡＰ同步带轮系主动轮同轴连接，ＡＰ同步带轮系主动轮与ＦＥ凸轮连接，ＦＥ凸轮再与ＩＥ凸轮同轴连接，ＦＥ凸轮另与ＦＥ从动杆系连接，ＦＥ从动杆系连接ＦＥ转盘，ＦＥ转盘连接锥齿轮副，锥齿轮副与股骨假体连接，ＩＥ凸轮上另连接ＩＥ从动杆系，ＩＥ从动杆系连接ＩＥ转盘，ＩＥ转盘与ＩＥ同步带轮系的主动轮同轴连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李元超，李锋，韦建和，王建平，王成焘，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]