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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201611058599.X (22)申请日 2016.11.28 (71)申请人 上海大学 地址 200444 上海市宝山区上大路99号 (72)发明人 雷静桃 唐明瑶 袁标 张恒 (74)专利代理机构 上海上大专利事务所(普通 合伙) 31205 代理人 陆聪明 (51)Int.Cl. A61F 2/46(2006.01) (54)发明名称 一种膝关节生物力学性能测试与评估装置 (57)摘要 本发明涉及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、 。
2、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。 本发明装 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。 具有结构简单、 关节模块更换方便、 运动灵 活、 测试方便、 测试精准等特点。 权利要求书2页 说明书4页 附图3页 CN 106510907 A 2017.03.22。
3、 CN 106510907 A 1.一种膝关节生物力学性能测试与评估装置， 其特征在于， 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 （1） 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。 2.根据权利要求1所述的膝关节生物力学性能测试与评估装置， 其特征在。
4、于， 所述框架 模块 （ ） 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。
5、） 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 （） 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。 3.根据权利要求1所述的膝关节生物力学性能测试与评估装置， 其特征在于， 所述关节 固定模块 （） 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 （ ） 中的。
6、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 （） 中胫骨 （13） 通过螺纹配合连接固定。 4.根据权利要求1所述的膝关节生物力学性能测试与评估装置， 其特征在于， 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 （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） 。
7、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。 5.根据权利要求1所述的膝关节生物力学性能测试与评估装置， 其特征在于， 所述关节 屈曲驱动模块 （） 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 （）。
8、 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 （ ） 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 （ ） 中的框架顶板 （6） 上， 推杆滑块 （23） 上端穿 过框架。
9、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 （） 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。 6.根据权利要求1所述的膝关节生物力学性能测试与评估装置， 其特征在于， 所述加载 权 利 要 求 书 1/2 页 2 CN 106510907 A 2 模块 （） 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） 。
10、， 左右两个加载气缸 （28） 分别通过螺纹固定于框架模块 （ ） 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。 权 利 要 求 书 2/2 页 3 CN 106510907 A 3 一种膝关节生物力学性能测试与评估装置 技术领域 0001 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。
11、。 背景技术 0002 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。 0003 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。
12、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。 0004 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。
13、构和假体作用的模拟。 0005 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。 发明内容 0006 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。
14、， 可保证测试的准确性。 0007 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。 说 明 书 1/4 页 4 CN 106510907 A 4 0008 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。
15、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。 0009 所述关节固定模块包括脚踝、 止转销、 胫骨固定杆。
16、； 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。 0010 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。 0011 所述关节屈曲驱动模。
17、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。
18、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。 0012 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。 0013 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。
19、体” 界面的应力分布。 0014 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。 0015 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。 0016 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 说 明 书 2/4 页 5 CN 106510907 A 5 以实现弯曲角度的逐渐增大， 通过刻度盘能够直接读出转。
20、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 0017 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。 0018 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。 0019 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。 0020 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。 0021 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。 0022 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 0023 下面结合附图和优选实施例。
21、对本发明作进一步详细说明。 0024 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 、 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1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。 0025 如图2所示， 所述框架模块 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； 。
22、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。 0026 如图3所示， 所述关节固定模块包括脚踝10、。
23、 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 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与膝关节模块中胫骨13通过螺纹配合连接固定。 0027 如图4所示， 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。
24、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。 0028 如图5所示， 所述关节屈曲驱动模块包括股骨固定杆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中的股骨18 说 明 书 3/4 页 6 CN 106510907 A 6 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 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。
25、； 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 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。 0029 如图6所示， 所述加载模块包括加载轴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。
26、架模块 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。 0030 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。
27、， 通过长螺栓固定锁紧， 并且整 个膝关节模块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。 说 明 书 4/4 页 7 CN 106510907 A 7 图 1 说 明 书 附 图 1/3 页 8 CN 106510907 A 8 图 2 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 2/3 页 9 CN 106510907 A 9 图 6 说 明 书 附 图 3/3 页 10 CN 106510907 A 10 。