人工膝关节假体模拟运动试验机转让专利
申请号 : CN200910051171.6
文献号 : CN101561358B
文献日 : 2010-09-29
发明人 : 李元超 , 李锋 , 韦建和 , 王建平 , 王成焘
申请人 : 上海交通大学
摘要 :
本发明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。
权利要求 :
1.一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，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。
2.根据权利要求1所述的人工膝关节假体模拟运动试验机，其特征是，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。
3.根据权利要求1所述的人工膝关节假体模拟运动试验机，其特征是，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。
4.根据权利要求1所述的人工膝关节假体模拟运动试验机，其特征是，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。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种医疗器械技术领域的设备，具体是一种人工膝关节假体模拟运动试验机。
背景技术
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ISO14243-1：2002和ISO14243-3：2004，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 ofArthroplasty》(关节置换杂志，2008)上发表的“Ceramic Versus Cobalt-Chrome Femoral Components：Wear of Polyethylene Insert in Total KneeProsthesis”(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ISO14243-1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 andquantification of wear within the patellofemoral joint replacement”(髌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。
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ISO14243-1：2002和ISO14243-3：2004，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 ofArthroplasty》(关节置换杂志，2008)上发表的“Ceramic Versus Cobalt-Chrome Femoral Components：Wear of Polyethylene Insert in Total KneeProsthesis”(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ISO14243-1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 andquantification of wear within the patellofemoral joint replacement”(髌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。
发明内容
本发明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。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：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。
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，本发明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。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：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。
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，本发明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。
图2膝关节假体安装部分示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明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，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1、2所示，本实施例包括：股骨假体1、胫骨平台2、AP从动杆3、AP同步带轮系、电机7、IE凸轮11、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1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10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连接。
所述的FE从动杆系10包括FE连杆和FE摆杆，FE连杆一端连接FE凸轮9，另一端连接FE摆杆，FE摆杆再与FE转盘13连接。
所述的锥齿轮副14包括主动锥齿轮、从动锥齿轮，主动锥齿轮与FE转盘13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1连接。
在电机7带动下，AP同步带轮系主动轮8通过皮带带动AP同步带轮系从动轮6转动，AP同步带轮系从动轮6与AP凸轮18同轴，AP同步带轮系从动轮6的转动转换为AP凸轮18转动，AP凸轮18转动推动AP从动杆3做往复移动，AP从动杆3上安装有胫骨假体2，因此胫骨假体2就随AP从动杆3做前后移位运动。
在电机7带动下，FE凸轮9做旋转运动，FE凸轮9推动FE从动杆系10的FE连杆做上下移动；FE连杆与FE摆杆连接，FE连杆的上下移动转换为FE摆杆的往复摆动；FE摆杆与FE转盘13连接，FE转盘13跟随FE摆杆一起做往复摆动；FE转盘13与锥齿轮副14的主动锥齿轮下端紧固联结，FE转盘13的往复摆动转换为主动锥齿轮的往复旋转运动，主动锥齿轮又带动从动锥齿轮往复旋转，从动锥齿轮带动股骨假体1做往复旋转运动，实现股骨假体1的屈曲-伸直运动。
在电机7带动下，IE凸轮11做旋转运动，IE凸轮11推动IE从动杆系12的IE连杆做上下移动；IE连杆与IE摆杆连接，IE连杆的上下移动转换为IE摆杆的往复摆动；IE摆杆与IE转盘16连接，IE转盘16跟随IE摆杆一起做往复摆动；由于IE转盘16与IE同步带轮系主动轮17紧固联结的，结果IE转盘16的摆动转换为IE同步带轮系主动轮17的往复旋转运动，IE同步带轮系主动轮17通过皮带带动IE同步带轮系从动轮4往复旋转；IE同步带从动轮4与胫骨假体2紧固联结，因此IE同步带从动轮4带动胫骨假体2做往复旋转运动，实现胫骨假体2内外旋转运动。
所述的IE同步带轮系从动轮4设置在胫骨假体支架19上，胫骨假体支架19与电动缸施力杆15连接，电动缸施力杆15与电动缸5连接。IE同步带从动轮4由电动缸施力杆15通过轴承20支撑，支撑圆筒21对IE同步带从动轮4进行定位。胫骨假体2通过胫骨假体支架19与IE同步带从动轮4固定。
纵向挤压加载时，电动缸5连接电动缸施力杆15使之移动，电动缸施力杆15移动过程中经过轴承20向胫骨假体支架19施加载荷；胫骨假体2安装在胫骨假体支架19上，胫骨假体支架19承受的载荷转化为股骨假体1和胫骨假体2的纵向挤压加载。
根据ISO14243-3：2004标准中随时间变化的屈曲伸直、内外旋转和前后移位三种运动和纵向挤压加载曲线，设计三组运动机构和伺服电动缸的控制参数，本试验机可以实现该标准的模拟试验要求。
如图1、2所示，本实施例包括：股骨假体1、胫骨平台2、AP从动杆3、AP同步带轮系、电机7、IE凸轮11、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1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10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连接。
所述的FE从动杆系10包括FE连杆和FE摆杆，FE连杆一端连接FE凸轮9，另一端连接FE摆杆，FE摆杆再与FE转盘13连接。
所述的锥齿轮副14包括主动锥齿轮、从动锥齿轮，主动锥齿轮与FE转盘13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1连接。
在电机7带动下，AP同步带轮系主动轮8通过皮带带动AP同步带轮系从动轮6转动，AP同步带轮系从动轮6与AP凸轮18同轴，AP同步带轮系从动轮6的转动转换为AP凸轮18转动，AP凸轮18转动推动AP从动杆3做往复移动，AP从动杆3上安装有胫骨假体2，因此胫骨假体2就随AP从动杆3做前后移位运动。
在电机7带动下，FE凸轮9做旋转运动，FE凸轮9推动FE从动杆系10的FE连杆做上下移动；FE连杆与FE摆杆连接，FE连杆的上下移动转换为FE摆杆的往复摆动；FE摆杆与FE转盘13连接，FE转盘13跟随FE摆杆一起做往复摆动；FE转盘13与锥齿轮副14的主动锥齿轮下端紧固联结，FE转盘13的往复摆动转换为主动锥齿轮的往复旋转运动，主动锥齿轮又带动从动锥齿轮往复旋转，从动锥齿轮带动股骨假体1做往复旋转运动，实现股骨假体1的屈曲-伸直运动。
在电机7带动下，IE凸轮11做旋转运动，IE凸轮11推动IE从动杆系12的IE连杆做上下移动；IE连杆与IE摆杆连接，IE连杆的上下移动转换为IE摆杆的往复摆动；IE摆杆与IE转盘16连接，IE转盘16跟随IE摆杆一起做往复摆动；由于IE转盘16与IE同步带轮系主动轮17紧固联结的，结果IE转盘16的摆动转换为IE同步带轮系主动轮17的往复旋转运动，IE同步带轮系主动轮17通过皮带带动IE同步带轮系从动轮4往复旋转；IE同步带从动轮4与胫骨假体2紧固联结，因此IE同步带从动轮4带动胫骨假体2做往复旋转运动，实现胫骨假体2内外旋转运动。
所述的IE同步带轮系从动轮4设置在胫骨假体支架19上，胫骨假体支架19与电动缸施力杆15连接，电动缸施力杆15与电动缸5连接。IE同步带从动轮4由电动缸施力杆15通过轴承20支撑，支撑圆筒21对IE同步带从动轮4进行定位。胫骨假体2通过胫骨假体支架19与IE同步带从动轮4固定。
纵向挤压加载时，电动缸5连接电动缸施力杆15使之移动，电动缸施力杆15移动过程中经过轴承20向胫骨假体支架19施加载荷；胫骨假体2安装在胫骨假体支架19上，胫骨假体支架19承受的载荷转化为股骨假体1和胫骨假体2的纵向挤压加载。
根据ISO14243-3：2004标准中随时间变化的屈曲伸直、内外旋转和前后移位三种运动和纵向挤压加载曲线，设计三组运动机构和伺服电动缸的控制参数，本试验机可以实现该标准的模拟试验要求。