CN107569304A - 一种人体膝关节生物力学特性测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人体膝关节生物力学特性测试装置，其包括股骨角度调节模块、胫骨角度调节模块、胫骨拉/压力加载模块、胫骨内外旋/内外翻力矩加载模块、视觉测量装置和用于视觉追踪的参考架。本发明通过测量膝关节处于不同屈曲角度状态下，外部定量加载力/力矩，通过视觉测量装置精确测量股骨、胫骨的微小位移，达到对人体膝关节生物力学特性测试的目的。本发明具有结构简单、操作方便、测量精度高、适用人群广等特点。

Description

一种人体膝关节生物力学特性测试装置

技术领域

本发明涉及生物医学领域，特别是涉及一种人体膝关节生物力学特性测试装置。

背景技术

膝关节的稳定性与膝关节的生物力学特性紧密相关，目前，临床上普遍采用一系列体格检查试验如前抽屉试验、Lachman试验等对膝关节的生物力学特性进行测试，进而评估膝关节的稳定状态。但体格检查试验实施时，医生凭借手对膝关节施加力/力矩，膝关节的微小位移也是凭借手感觉得到，这种方式受主观因素影响较大，严重依赖医生经验，无法进行量化对比，年轻的医生无法实施。

目前在市面上，存在一种膝关节测量仪，主要有Kneelax3， KT1000/KT2000等，其原理是对膝关节胫骨定量加载拉、压力，测量胫骨前移、后移的距离，从而达到定量测试膝关节生物力学特性的目的。但是这种仪器只能对胫骨施加拉压力，无法施加扭矩，同时只能测量垂直于胫骨方向的位移。然而膝关节位移是一个复合运动，不止包括平移运动，还包括内外旋、内外翻运动，这些运动膝关节测量仪都无法精确测量。CN201611058599公开了一种膝关节生物力学性能测试与评估装置，该装置可以调节、固定膝关节仿生假体的屈曲角度，通过应变片测量仿生假体在定量外载外力下的应力分布情况。但是，限于体积和构型问题，该装置只能用于测量膝关节仿生假体的生物力学特性，无法应用于临床。

发明内容

针对相关技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可以准确测量膝关节生物力学特性的装置，可以在真实的临床环境中安全的测量膝关节的生物力学特性。

为实现上述目的，本发明提供一种人体膝关节生物力学特性测试装置，包括：股骨角度调节模块、胫骨角度调节模块、胫骨拉/压力加载模块、胫骨内外旋/内外翻力矩加载模块、视觉测量装置和用于视觉追踪的参考架。

其中，股骨角度调节模块用于人体股骨屈曲角度的调节，胫骨角度调节模块用于人体胫骨屈曲角度的调节，胫骨拉/压力加载模块用于实现对人体胫骨垂直方向拉压力定量加载，胫骨内外旋/ 内外翻力矩加载模块用于对人体胫骨内外旋/内外翻方向定量力矩加载，用于视觉追踪的参考架能够植入人体股骨端和胫骨端，并保持稳定固定，视觉测量装置用于实时追踪参考架的三维空间位置和姿态，从而精确测量膝关节在定量力/力矩加载下的位移和转角。

股骨角度调节模块包括股骨纵向支撑(左右各一个)、股骨横向U型支撑(上下各一个)、驱动推杆(左右各一个)、可锁紧导轨滑块(左右各一个)、滚珠丝杠螺母直线模组、固定箱体。其中股骨纵向支撑一端通过滚珠轴承与可锁紧导轨滑块实现转动连接，另一端通过滚珠轴承与驱动推杆一端转动连接；驱动推杆另一端通过滚珠轴承与滚珠丝杠螺母直线模组的螺母机构转动连接；滚珠丝杠螺母直线模组通过螺钉与固定箱体固连；可锁紧导轨滑块通过螺钉与固定箱体固连；股骨纵向支撑、驱动推杆、可锁紧导轨滑块和滚珠丝杠螺母直线模组组成三角形构形,可锁紧导轨滑块和滚珠丝杠螺母直线模组串联作为三角形的一条边，通过其长度的改变，可调节股骨纵向支撑与可锁紧导轨滑块的夹角，从而调节股骨的屈曲角度。

胫骨角度调节模块包括胫骨纵向支撑(左右各一个)、滚珠丝杠、滚珠螺母、联轴器、驱动电机、电机壳；其中胫骨纵向支撑一端通过滚珠轴承与驱动杆连接，另一端通过快速装卡机构与胫骨内外旋/内外翻力矩加载模块实现可伸缩连接；滚珠螺母通过滚珠轴承与胫骨内外旋/内外翻力矩加载模块转动连接；滚珠螺母与滚珠丝杠以丝杠螺母副配合连接；滚珠丝杠通过联轴器与驱动电机固定连接；驱动电机通过螺钉固定在电机壳内；电机壳通过滚珠轴承与驱动推杆另一端实现转动连接；胫骨纵向支撑、滚珠丝杠、驱动推杆组成三角形构型；通过电机驱动改变滚珠螺母的位置，从而改变三角形的一边长，达到胫骨屈曲角度的调节。

胫骨拉/压力加载模块包括快速装卡机构、支撑立柱(左右各一个)、执行手抓、拉压力传感器、齿轮副、驱动电机、螺母机构、丝杠机构、固定横梁；其中支撑立柱通过快速装卡机构与胫骨纵向支撑依靠摩擦力夹紧；固定横梁通过螺钉与支撑立柱固定连接；丝杠机构通过螺钉与固定横梁固定连接；驱动电机通过齿轮副将驱动力传递到丝杠机构；螺母机构由丝杠机构驱动实现直线运动；拉压力传感器通过螺钉将螺母机构与执行手抓固连，从而实现对膝关节胫骨定量的拉/压力加载。

胫骨内外旋/内外翻力矩加载模块包括延长支撑杆(左右各一个)、齿轮副、驱动电机、丝杠、螺母机构、驱动电机、齿轮副、横梁、六维力传感器、脚部固定器；其中延长支撑杆通过快速装卡机构与胫骨纵向支撑固定，驱动电机通过齿轮副将驱动力传递到丝杠，丝杠通过丝杠螺母传动副将驱动力传递给螺母机构，带动脚部固定器横向运动，实现内外翻力矩加载。驱动电机通过螺钉与螺母机构固定，通过齿轮副将运动传递给六维力传感器,六维力传感器通过螺钉与脚部固定器固定，将驱动力矩传递给脚部固定器，实现对膝关节胫骨定量内外旋/内外翻力矩加载。

视觉测量装置利用图像处理技术，可以实时追踪固定在股骨端和胫骨端的参考架的空间位置和姿态，从而精确测量出膝关节在定量力/力矩加载情况下，股骨、胫骨之间的微小相对运动。

与现有技术相比，本发明具有以下明显优势：

1.本发明一种人体膝关节生物力学特性测试装置，使用直流电机作为动力源，使用齿轮副和滚珠丝杠螺母机构作为传动副，并在执行机构上装有力传感器，能够保证对膝关节精确的力/力矩加载。

2.本发明一种人体膝关节生物力学特性测试装置，将视觉参考架植入到股骨端和胫骨端，使用视觉测量装置精确测量股骨和胫骨的相对运动，误差在0.8mm以内。

3.本发明一种人体膝关节生物力学特性测试装置，通过双三角形构型保证膝关节固定的稳固性，通过丝杠螺母机构使双三角形边长改变，实现膝关节屈曲角度的调节。

附图说明

图1是人体膝关节生物力学特性测试装置结构图；

图2是图1中的股骨角度调节模块的结构图；

图3是图1中的胫骨角度调节模块的结构图；

图4是图1中的胫骨拉/压力加载模块的结构图；

图5是图1中的胫骨内外旋/内外翻力矩加载模块的结构图；

图6是图1中的视觉测量装置的结构图；

图7是图1中的用于视觉追踪的参考架的结构图；

图8是本发明具体实施环境布局图

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式进行描述。

如图1所示，一种人体膝关节生物力学特性测试装置，包括股骨角度调节模块(1)、胫骨角度调节模块(2)、胫骨拉/压力加载模块(3)、胫骨内外旋/内外翻力矩加载模块(4)、视觉测量装置(5)和用于视觉追踪的参考架(6)。

如图2所示，所述的股骨角度调节模块包括股骨纵向支撑(101) (左右各一个)、股骨横向U型支撑(102)(上下各一个)、驱动推杆(103)(左右各一个)、可锁紧导轨滑块(104)(左右各一个)、滚珠丝杠螺母直线模组(105)、固定箱体(106)；所述的股骨纵向支撑(101)一端通过滚珠轴承与可锁紧导轨滑块(104)转动连接，另一端通过滚轴轴承与驱动推杆(103)的一端转动连接；驱动推杆(103)的另一端通过滚珠轴承与滚珠丝杠螺母直线模组(105)的螺母机构转动连接；滚珠丝杠螺母直线模组(105)通过螺钉与固定箱体(106)固定连接；可锁紧导轨滑块(104)通过螺钉与固定箱体(106)固定连接；股骨纵向支撑 (101)、驱动推杆(103)、可锁紧导轨滑块(104)和滚珠丝杠螺母直线模组(105)组成三角形构形,可锁紧导轨滑块(104)和滚珠丝杠螺母直线模组(105)串联作为三角形的一条边，通过其长度的改变，可调节股骨纵向支撑(101)与可锁紧导轨滑块(104) 的夹角，从而调节股骨的屈曲角度。

如图3所示，所述的胫骨角度调节模块包括胫骨纵向支撑(201) (左右各一个)、滚珠丝杠(202)、滚珠螺母(203)、联轴器 (204)、驱动电机(205)、电机壳(206)；所述的胫骨纵向支撑(201)一端通过滚珠轴承与驱动杆(103)转动连接，另一端通过快速装卡机构与胫骨内外旋/内外翻力矩加载模块(4)实现可伸缩连接；所述的滚珠螺母(203)通过滚珠轴承与胫骨内外旋/ 内外翻力矩加载模块(4)转动连接；所述的滚珠螺母(203)与滚珠丝杠(202)以丝杠螺母副配合连接；所述的滚珠丝杠通过联轴器(204)与驱动电机(205)连接；所述的驱动电机(205)通过螺钉固定在电机壳(206)内；所述的电机壳(206)通过滚珠轴承与驱动推杆(103)另一端实现转动连接；所述的胫骨纵向支撑(201)、滚珠丝杠(202)、驱动推杆(103)组成三角形构型。通过电机驱动改变滚珠螺母(203)的位置，从而改变三角形的一条边长，达到胫骨屈曲角度的调节。

如图4所示，所述的胫骨拉/压力加载模块包括快速装卡机构 (301)、支撑立柱(302)(左右各一个)、执行手抓(303)、拉压力传感器(304)、齿轮副(305)、驱动电机(306)、螺母机构(307)、丝杠机构(308)、固定横梁(309)；所述的支撑立柱(302)通过快速装卡机构(301)与胫骨纵向支撑(201)靠摩擦力夹紧；所述的固定横梁(309)通过螺钉与支撑立柱(302) 固定连接；所述的丝杠机构(308)通过螺钉与固定横梁(309) 固定连接；所述的驱动电机(306)通过齿轮副(305)将驱动力传递到丝杠机构(308)；所述的螺母机构(307)由丝杠机构(308) 驱动实现拉压运动；所述的拉压力传感器(304)通过螺钉将螺母机构(307)与执行手抓(303)固连。

如图5所示，所述的胫骨内外旋/内外翻力矩加载模块包括延长支撑杆(401)(左右各一个)、齿轮副(402)、驱动电机(403)、丝杠(404)、螺母机构(405)、驱动电机(406)、齿轮副(407)、横梁(408)、六维力传感器(409)、脚部固定器(410)；所述的延长支撑杆(401)通过快速装卡机构与胫骨纵向支撑(201) 固定，驱动电机(403)通过齿轮副(402)将驱动力传递到丝杠 (404)，丝杠(404)通过丝杠螺母副将驱动力传递给螺母机构 (405)，带动脚部固定器(410)做横向运动，实现内外翻力矩加载；驱动电机(406)通过螺钉与螺母机构(405)固定，通过齿轮副(407)将运动传递给六维力传感器(409),六维力传感器 (409)通过螺钉与脚部固定器(410)固定，将驱动力矩传递给脚部固定器(410)，实现对膝关节胫骨定量内外旋/内外翻力矩加载。

如图6所示，所述的视觉测量装置是一种模拟人类视觉原理，利用图像处理技术实现对特定标记实时追踪和精确测量的系统，可以实时追踪参考架(6)的空间位置和姿态。

如图7所示，所述的用于视觉追踪的参考架可以安全的植入股骨和胫骨内，并保持紧密固定，在其上部有不同的标记图案，供视觉测量装置(5)识别和追踪。

如图8所示，该装置使用时，人平躺于手术床之上，该装置固定于手术床一端，将需要进行测试的一条腿固定于该装置之上。在膝关节股骨端和胫骨端植入参考架，将视觉测量装置固定于手术床一侧，并保证视觉测量装置能同时追踪到两个参考架的位姿。进行测试时，首先通过控制器调节膝关节到达将要测试的屈曲角度，并记录当前两个参考架的位姿。接下来，通过控制程序对膝关节实施精确的力/力矩加载，加载完毕后，再次记录两个参考架的位姿。最后通过计算机对两次记录的位姿进行处理分析，获取膝关节力/力矩加载前后股骨和胫骨精确的位移和转角。

Claims (7)

1.一种人体膝关节生物力学特性测试装置，其特征在于，包括：

股骨角度调节模块(1)、胫骨角度调节模块(2)、胫骨拉/压力加载模块(3)、胫骨内外旋/内外翻力矩加载模块(4)、视觉测量装置(5)和用于视觉追踪的参考架(6)。

2.根据权利要求1所述的一种人体膝关节生物力学特性测试装置，其特征在于，

所述的股骨角度调节模块(1)包括股骨纵向支撑(101)、股骨横向U型支撑(102)、驱动推杆(103)、可锁紧导轨滑块(104)、滚珠丝杠螺母直线模组(105)、固定箱体(106)；所述的股骨纵向支撑(101)左右各一个，对称分布；所述的股骨横向U型支撑(102)共有两个，上下各一个；所述的驱动推杆(103)左右各一个，对称分布；所述的股骨纵向支撑(101)一端通过滚珠轴承与可锁紧导轨滑块(104)转动连接，另一端通过滚珠轴承与驱动推杆(103)的一端转动连接；驱动推杆(103)的另一端通过滚珠轴承与滚珠丝杠螺母直线模组(105)的螺母机构转动连接；滚珠丝杠螺母直线模组(105)通过螺钉与固定箱体(106)固定连接；可锁紧导轨滑块(104)通过螺钉与固定箱体(106)固定连接；股骨纵向支撑(101)、驱动推杆(103)、可锁紧导轨滑块(104)和滚珠丝杠螺母直线模组(105)组成三角形构形,可锁紧导轨滑块(104)和滚珠丝杠螺母直线模组(105)串联作为三角形的一条边，通过其长度的改变，调节股骨纵向支撑(101)与可锁紧导轨滑块(104)的夹角。

3.根据权利要求1所述的一种人体膝关节生物力学特性测试装置，其特征在于，

所述的胫骨角度调节模块(2)包括胫骨纵向支撑(201)、滚珠丝杠(202)、滚珠螺母(203)、联轴器(204)、驱动电机(205)、电机壳(206)；所述的胫骨纵向支撑(201)左右各一个，对称分布；所述的胫骨纵向支撑(201)一端通过滚珠轴承与驱动杆(103)转动连接，另一端通过快速装卡机构与胫骨内外旋/内外翻力矩加载模块(4)实现可伸缩连接；所述的滚珠螺母(203)通过滚珠轴承与胫骨内外旋/内外翻力矩加载模块(4)转动连接；所述的滚珠螺母(203)与滚珠丝杠(202)以丝杠螺母副配合连接；所述的滚珠丝杠通过联轴器(204)与驱动电机(205)连接；所述的驱动电机(205)通过螺钉固定在电机壳(206)内；所述的电机壳(206)通过滚珠轴承与驱动推杆(103)另一端实现转动连接；所述的胫骨纵向支撑(201)、滚珠丝杠(202)、驱动推杆(103)组成三角形构型；通过电机驱动改变滚珠螺母(203)的位置，从而改变三角形的一条边长，调节胫骨屈曲角度。

4.根据权利要求1所述的一种人体膝关节生物力学特性测试装置，其特征在于，

所述的胫骨拉/压力加载模块(3)包括快速装卡机构(301)、支撑立柱(302)、执行手抓(303)、拉压力传感器(304)、齿轮副(305)、驱动电机(306)、螺母机构(307)、丝杠机构(308)、固定横梁(309)；所述的快速装卡机构(301)左右各一个，对称分布；所述的支撑立柱(302)左右各一个，对称分布；所述的支撑立柱(302)通过快速装卡机构(301)与胫骨纵向支撑(201)靠摩擦力夹紧；所述的固定横梁(309)通过螺钉与支撑立柱(302)固定连接；所述的丝杠机构(308)通过螺钉与固定横梁(309)固定连接；所述的驱动电机(306)通过齿轮副(305)将驱动力传递到丝杠机构(308)；所述的螺母机构(307)由丝杠机构(308)驱动实现直线运动；所述的拉压力传感器(304)通过螺钉将螺母机构(307)与执行手抓(303)固连。

5.根据权利要求1所述的一种人体膝关节生物力学特性测试装置，其特征在于，

所述的胫骨内外旋/内外翻力矩加载模块(4)包括延长支撑杆(401)、齿轮副(402)、驱动电机(403)、丝杠(404)、螺母机构(405)、驱动电机(406)、齿轮副(407)、横梁(408)、六维力传感器(409)、脚部固定器(410)；所述的延长支撑杆(401)左右各一个，对称分布；所述的延长支撑杆(401)通过快速装卡机构与胫骨纵向支撑(201)固定，驱动电机(403)通过齿轮副(402)将驱动力传递到丝杠(404)，丝杠(404)通过丝杠螺母副将驱动力传递给螺母机构(405)，带动脚部固定器(410)做横向运动，实现内外翻力矩加载；驱动电机(406)通过螺钉与螺母机构(405)固定，通过齿轮副(407)将运动传递给六维力传感器(409),六维力传感器(409)通过螺钉与脚部固定器(410)固定，将驱动力矩传递给脚部固定器(410)，可以对膝关节胫骨定量内外旋/内外翻力矩加载。

6.根据权利要求1所述的一种人体膝关节生物力学特性测试装置，其特征在于，

所述的视觉测量装置(5)是一种模拟人类视觉原理，利用图像处理技术实现对特定标记实时追踪和精确测量的装置，可以实时追踪参考架(6)的空间位置和姿态。

7.根据权利要求1所述的一种人体膝关节生物力学特性测试装置，其特征在于，

所述的用于视觉追踪的参考架(6)共有两个，可以植入股骨和胫骨内，并保持紧密固定。