[发明专利]膝关节生物力学和运动学模拟机

说明书

膝关节生物力学和运动学模拟机，包括框架、踝关节模拟装置、胫骨固定装置、髌骨肌腱固定装置、髋关节模拟装置、股四头肌固定装置和股骨固定装置；踝关节模拟装置设置在框架底部，踝关节模拟装置连接胫骨固定装置，胫骨固定装置连接股骨固定装置，股骨固定装置连接髋关节模拟装置，髋关节模拟装置设置在框架上；胫骨固定装置和股骨固定装置的连接处设置有髌骨肌腱固定装置；髋关节模拟装置和股骨固定装置连接处设置有股四头肌固定装置。发明提供一种膝关节生物力学和运动学模拟机，以模拟人体下肢在走路、下蹲等生理活动条件下的工况，测试和研究自然膝关节和人工膝关节的生物力学和运动学。

技术领域

本发明属于膝关节实验测试装备领域，特别涉及膝关节生物力学和运动学模拟机。

背景技术

自然膝关节是人体最大、最复杂的运动承载关节。但是，膝关节炎、骨折、韧带损伤、半月板撕裂等疾病严重影响了患者的日常生理活动。因此研究自然膝关节的损伤机理非常重要。对于患有膝关节炎疾病的患者，采用人工膝关节进行关节置换有效的帮助患者恢复了膝关节的运动功能。但是，人工膝关节置换后的磨损、松动以及断裂等失效问题严重制约了人工膝关节置换的发展。因此研究人工膝关节置换的失效机制也非常重要。

目前，市场上存在的生物力学试验机和磨损测试模拟机不能满足研究自然膝关节和人工膝关节功能和性能的所有需求。生物力学试验机主要实现静载荷或疲劳载荷条件下的关节力

学测试，磨损测试模拟机仅在规定标准条件下对关节进行运动模拟和磨损测试。生物力学试验机和磨损测试模拟机无法模拟人体走路、下蹲等生理活动条件下不同情况的生物力学和关节运动变化。

发明内容

本发明的目的在于提供膝关节生物力学和运动学模拟机，以解决生物力学试验机和磨损测试模拟机无法模拟人体走路、下蹲等生理活动条件下不同情况的生物力学和关节运动变化的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

膝关节生物力学和运动学模拟机，包括框架、踝关节模拟装置、胫骨固定装置、髌骨肌腱固定装置、髋关节模拟装置、股四头肌固定装置和股骨固定装置；踝关节模拟装置设置在框架底部，踝关节模拟装置连接胫骨固定装置，胫骨固定装置连接股骨固定装置，股骨固定装置连接髋关节模拟装置，髋关节模拟装置设置在框架上；胫骨固定装置和股骨固定装置的连接处设置有髌骨肌腱固定装置；髋关节模拟装置和股骨固定装置连接处设置有股四头肌固定装置。

进一步的，踝关节模拟装置包括固定架、丝杠、滑块、旋转台、丝杠电机和踝关节旋转电机；固定架与框架焊接在一起，固定架左右设置有侧面立板，侧面立板开有固定孔，丝杠穿过固定孔与滑块连接，丝杠一侧外部延伸杆上装有丝杠电机；旋转台安装在滑块中间，旋转台下方设置有踝关节旋转电机。

进一步的，胫骨固定装置包括踝关节屈伸铰接块、胫骨固定筒、液压推拉装置、环形套、圆柱形连接杆和铰接轴；踝关节屈伸铰接块与胫骨固定筒通过支撑柱焊接在一块，踝关节屈伸铰接块下方通过铰接轴与踝关节模拟装置的旋转台连接，踝关节屈伸铰接块前侧安装有圆柱形连接杆，圆柱形连接杆中部与环形套连接，环形套下方连接有液压推拉装置提供动力实现小腿屈伸；胫骨固定筒四周开有螺钉孔联合骨水泥来固定自然胫骨或人工胫骨。

进一步的，股骨固定装置包括框内固定板、股骨固定筒和连接杆；框内固定板与股骨固定筒通过连接杆焊接在一起，股骨固定筒四周开有螺钉孔联合骨水泥来密封固定自然股骨或人工股骨。

进一步的，髌骨肌腱固定装置包括固定装置、第一肌腱力调节装置、固定架、髌骨肌腱和肌腱夹具；固定装置通过固定架用螺栓螺母固定于踝关节屈伸铰接块和胫骨固定筒之间的支撑柱上；第一肌腱力调节装置为螺杆，螺杆一端穿过固定装置通过六角螺母连接限位，旋转螺母调节连接杆长度变化实现肌腱拉力的松紧调节；第一肌腱力调节装置另一端与肌腱夹具连接；肌腱夹具由两个带有齿形槽的上下夹板组成，夹板上设计有多个螺钉孔阵列；髌骨肌腱通过上下两个夹板夹紧，然后通过螺钉固定，髌骨肌腱连接到髌骨。