[发明专利]一种膝关节稳定性与运动学特性测试装置

说明书

本发明公开一种膝关节稳定性与运动学特性测试装置，在力学材料试验机的上夹头上夹紧分度盘；分度盘上安装有与水平面夹角可调的摆杆。力学材料试验机的平台上安装有扭转机构；扭转机构上安装有由十字交叉设置的滑轨构成的滑动机构；滑动机构上安装有旋转机构；旋转机构的旋转轴末端与摆杆前端间安装膝关节标本；由此使膝关节在测量中保留2个旋转自由度与3个平移自由度，共5个自由度。通过向膝关节胫骨进行前后向加载，实现胫骨前后向稳定性及运动学特性的多自由度测试；通过向旋转机构加载扭矩，实现胫骨内外旋稳定性及运动学特性的多自由度测试；通过向扭转机构加载扭矩，实现胫骨内外翻稳定性及运动学特性的多自由度测试。

技术领域

本发明属于生物力学领域，具体来说，是一种膝关节稳定性与运动学特性测试装置,主要应用于膝关节前、后交叉韧带的功能测试与损伤后韧带重建技术的评估。

背景技术

膝关节是人体最大、最复杂的关节，也是韧带损伤发病率最高的关节。膝关节韧带是维持膝关节稳定性与运动学特性的主要结构，膝关节韧带损伤的治疗已经成为目前运动创伤领域的主要内容。

测量膝关节稳定性与运动学特性，可以明确膝关节韧带的功能，对于膝关节韧带损伤的诊断、治疗与康复具有重要意义。测量膝关节韧带损伤重建后膝关节的稳定性与运动学特性可以对该手术方法进行客观评估，以往在术式创立与改进过程中仅有解剖学依据，在解剖学方面合理即可，解剖学研究属于形态学研究，不能代表功能学，因此仅靠解剖学依据进行手术的创立与改进必然有很大的盲目性，该类手术的效果只能依靠临床研究来验证，给患者带来不必要的高风险。因此，建立一套测量膝关节稳定性与运动学特性的测量设备可以为手术方法的创立与改进提供科学的研究平台与客观依据，避免手术的盲目性，具有巨大的科研与临床价值。

膝关节结构复杂，运动学上具有6个自由度(3个平移平面与3个旋转轴)，造成其运动学测量十分困难。目前国际上测量膝关节稳定性与运动学特性的设备均为自制设备，其中绝大多数设备仅能测量膝关节的稳定性，不能同时测量膝关节的运动学特征。即该类设备在测量某个自由度上的平移或旋转时，限制了其他平面或轴上的运动，造成测量结果不准确。目前较为理想的测试设备是美国匹斯堡大学肌肉骨骼研究中心开发的机器人/万用载荷力矩传感器测试系统，但该系统价格昂贵，软件程序复杂，需要专业人员进行操作，不利于普及。如何在现有条件下，建立一种膝关节稳定性与运动学特性测试装置具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种膝关节稳定性与运动学特性测试装置，可实现膝关节稳定性及多自由度运动学测量。本发明可测量正常膝关节韧带在维持膝关节稳定性与运动学特性中的作用，即明确该韧带的功能；测量膝关节韧带损伤治疗后膝关节的稳定性与运动学情况，即明确该手术方法在治疗膝关节韧带损伤中的作用，完成术式评估。

本发明膝关节稳定性与运动学特性测试装置，包括力学材料试验机、分度盘、摆杆、旋转机构、滑动机构与扭转机构。

所述分度盘由力学材料试验机夹头夹持，摆杆末端安装于分度盘上，使摆杆与水平面夹角在有0～90度间可调；摆杆前端固定安装膝关节股骨。

所述扭转机构安装于材料试验机的平台上，可实现膝关节在竖直方z轴上的旋转；扭转机构的上方是滑动机构，包括十字交叉设置的两条滑轨及连结两条滑轨的转接板，下面一条滑轨沿y轴安装于扭转机构上，上面一条滑轨沿x轴安装于上方的旋转机构下面，通过滑动机构可以实现膝关节在x轴与y轴上的平移；旋转机构安装于滑动机构上，旋转机构的末端固定安装膝关节胫骨，可实现膝关节在x轴上的旋转；材料试验机的卡具通过分度盘、摆杆及膝关节上连接件与股骨形成刚性相连，通过力学材料试验机夹头的上下移动，带动股骨上下移动，从而实现胫骨相对于股骨在z轴上的平移。

由此，膝关节胫骨具2个旋转自由度(x轴与z轴)与3个平移自由度(x 轴、y轴与z轴)，在测量膝关节稳定性与运动学特性时，可以得到全面的、无附加限制(测量本身需要的限制除外)的测量结果。