[发明专利]用于关节运动模拟的系统和方法

说明书

相关申请案

本申请案主张2009年11月9日申请的第61/259,360号美国临时申请案以及2009年12月15日申请的第61/286,672号美国临时申请案的权益，所述临时申请案的全部教示以引用的方式并入本文中。

背景技术

假体植入故障机构众多。最普遍的故障原因是，聚乙烯磨损、防腐剂松动、感染和不良对准。聚乙烯磨损组成当今植入故障的最大唯一可识别原因。此外，聚乙烯磨损可由于经改造组织的增加的负载而使植入物容易松动。随着植入技术的发展，正识别出新的且更复杂的磨损、破坏和故障模式。由于这些事实，非常需要能够复制人类运动的细微之处的模拟机中的严密植入物生命周期测试。

模拟机通过提供非人类环境来解决植入物寿命问题，使用加速生命测试在所述非人类环境中评估新的现有假体装置。这些机器允许研究人员隔离且研究设计缺陷，识别且校正材料问题，且最终为医生和患者提供较长生命的假体系统。模拟机近似人类关节运动。显然，人类关节运动的近似越接近，结果就越可靠。

至今，模拟机充其量仅已提供人类关节运动（例如，膝关节运动）的复杂性的非常粗略的近似。可用位移控制的系统依赖于相关人体部位的运动学的先验描述，从而极少或不允许假体设计的变化，且使植入装置在生命周期测试的持续时间内经受这些规定的运动。其它机器使用力控制系统，所述力控制系统使假体装置经受表示生理运动期间人体部位（例如，膝关节）中遭受到的力和扭矩的力和扭矩的系综（ensemble）。然而，一旦植入在患者体内，假体就受人体的软组织支撑和约束。因此，为了改进准确性，力控制的机器应以某种方式模拟这些软组织力的自然约束。一些模拟机已尝试以机械弹簧的复杂系统来提供此类约束。然而，这些弹簧已证明操作起来较麻烦，且仅具有有限的模拟人体（例如，膝关节的软组织）的复杂特性的能力。

图1说明可与本发明的实施例一起使用的假体模拟测试机10的实例。如第7,823,460号美国专利（其教示以全文引用的方式并入本文中）中所描述，假体模拟器10是用于以近似人体内的条件的方式测试假体装置（特定来说，植入装置，例如假体膝关节）的非人类环境。模拟器10优选能够执行“加速磨损”测试，其中使假体经历很可能在人体内遭遇到的大量预定运动循环（例如，2千万次循环）。在图1所示的实施例中，模拟器10包括三个台11a、11b、11c，每一者具有一个或一个以上致动器，例如伺服-液压致动器，用于驱动假体以模拟各种类型的人体运动。将了解，根据的模拟器可具有任何数目的台。

图2说明用于假体膝关节植入的模拟器台11的实例的示意图200。此示意图200说明膝关节模拟器的典型受控和不受控自由度。膝关节模拟器（例如图1到2中说明的膝关节模拟器）的力控制依赖于均衡原理来将作用于膝关节上的复合力系减小到与机器的机械致动器的作用相符的正交力系。膝关节上的力可集合成三个群组：1）肌肉系统的主动力；2）韧带和被膜结构的被动力；以及3）作用于关节表面上的接触力。

在典型的模拟装置中，机器的致动器已用于模拟主动力，硬件约束系统（例如，机械弹簧布置）用于模拟被动力，且接触力直接由胫骨-股骨接触产生。

虚拟软组织控制系统可利用力的类似分割，但采用基于柔性模型的软件系统而非简单的机械弹簧布置用于软组织约束。经建模的软组织约束提供并入有软组织力的非线性不对称特征的现实软组织近似的机会。

图3是用于假体模拟器的控制系统300的示意图。假体模拟器级11由处于数字控制系统101的控制下的一个或一个以上伺服-液压致动器15驱动。如下文更详细描述，根据此实施例的控制系统包含虚拟软组织模型系统和反复学习控制系统两者。

模拟器包含安装在模拟器级的胫骨托件（tibial tray）下方的多轴力/扭矩变换器19，使得可监视股骨-胫骨接触力（和力矩）的三个分量。变换器19可为六通道应变仪变换器。

模拟器还可包含一个或一个以上位置传感器或变换器21，以测量模拟器的股骨22和胫骨23组件的相对平移和旋转位置。位置传感器21优选监视假体（图2中展示）的弯曲/扩展角31、内/外（IE）旋转角33、前/后（AP）平移35，以及垂直（压缩/撑开）位置37。还可监视中-侧（ML）膝关节平移39和旋转41。

力变换器19和位置传感器21提供关于模拟器级11处假体的力和运动的反馈数据。