专利名称：人工髋关节模拟试验机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种人工髋关节试验机，尤其是一种模拟人体髋关节髋白的运动状态和受力情况的人工髋关节试验机。
背景技术：
髋关节是人体受力最复杂的关节，同时也是关节疾病的易发部位，常见的有外伤性疾病、缺血坏死性疾病、退行性病变、炎症性及肿瘤性疾病。全世界每年接受髋关节置换手术的病人数已超过了 60万。由于随着现代医疗技术的发展，施行人工髋关节置换手术的情况越来越多。人工关节的磨损不仅能造成关节假体本身的破坏而引起机械性失效，还会产生大量磨损颗粒诱导假体周围骨溶解。研究表明，人工髋关节的晚期松动与磨损颗粒 (磨屑)不断增多及其引起的异物反应有关。国内外研究者针对人工髋关节材料设计以及表面涂层进行了大量研究，期望通过改变配副材料来减轻磨损、减少磨屑，但收效不佳。因此对人工髋关节的强度、蠕变和磨损必需进行系统研究。国内有关髋关节模拟试验机研制方面的报道很少，相比国外的模拟试验机的研究还有一定的差距。目前，一种人工髋关节模拟试验机能够在实验室环境中尽可能准确的模拟人体髋关节的实际运动状态和工作环境，可以使被测关节在试验过程中产生的摩擦机理、磨损形式与实际使用条件下相一致，从而可以准确、可靠地研究测试人工关节材料的生物力学性能参数。
发明内容本实用新型是要提供一种人工髋关节模拟试验机，该试验机通过五个机构实现仿生状态下人体髋关节的伸展\屈曲(FE)或内收\外展(AA)、内旋\外旋(IER)运动，该试验机具有开发简单、实用、可拓展性强、性价比高等特点。本实用新型的技术方案为一种人工髋关节模拟试验机，包括机架、摆动机构、柔性加载机构、转动机构、髋关节夹具机构，其特点是机架下底面上安装有用于摆动髋臼试件的摆动机构，摆动机构上面安装有髋关节夹具机构，且髋关节夹具机构固定在机架台面上，并与转动机构传动连接，髋关节夹具机构上端连接柔性加载机构，柔性加载机构通过杠杆支架固定在机架台面上。柔性加载机构包括模具弹簧，压力电机及丝杆轴，支点支架，杠杆，模具弹簧套在压力电机的丝杆轴上，下端与活动轴套连接，上端与固定轴套连接，固定轴套上端连接杠杆，杠杆与杠杆支架活动连接。杠杆与固定轴套连接端到杠杆支架回转中心距离和杠杆与髋关节夹具机构连接端到杠杆支架回转中心距离之比为2.5:1。摆动机构中设有髋白杯座，髋白杯座上端设有倾斜面，倾斜面的倾斜角度为23°。本实用新型的有益效果在于本实用新型的试验机能实现仿生状态下人体髋关节的伸展\屈曲(FE)或内收\外展(AA)、内旋\外旋(IER)运动。同时实现以下两种不同的运动形式(1)多向复合方式由摆动机构和旋转转动机构进行复合，可实现三个方向上的运动(FE，AA，IER)。(2)单向方式即单一方向上的摆动机构或者转动机构的旋转，这种运动状态主要由单个机构的运动完成。本实用新型采用三轴试验机模拟的运动比两轴的更加贴近真实，得到的实验结果与临床数据更一致。本试验机具有开发简单、实用、可拓展性强、性价比高等特点。
图1是本实用梯形结构示意图；图2是髋臼试件座安装立体示意图；图3是模具弹簧安装示意图；图4是压力电机及丝杆轴立体示意图；图5是柔性加载机构的杠杆部分结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本实用新型作进一步的说明。如图1所示，本实用新型的人工髋关节模拟试验机，包括机架1、摆动机构2、柔性加载机构3、转动机构4、髋关节夹具机构5。机架1下底面上安装有用于摆动髋臼试件的摆动机构2，摆动机构2上面安装有髋关节夹具机构5，且髋关节夹具机构5固定在机架1台面上，并与转动机构4传动连接， 髋关节夹具机构5上端连接柔性加载机构3，柔性加载机构3通过杠杆支架9固定在机架1 台面上。如图4所示，柔性加载机构3包括模具弹簧7，压力电机8及丝杆轴，支点支架9， 杠杆10，模具弹簧7套在压力电机8的丝杆轴上(图3)，下端与活动轴套连接，上端与固定轴套连接。固定轴套上端连接杠杆10，杠杆10与杠杆支架9活动连接9 (图5)。如图5所示，杠杆10与固定轴套连接端到杠杆支架9回转中心距离和杠杆10与髋关节夹具机构5连接端到杠杆支架9回转中心距离之比为2. 5:1。摆动机构中设有髋白杯座6，髋白杯座6上端设有倾斜面，倾斜面的倾斜角度为 23° (图 2)。摆动机构2主要是模拟人体髋关节髋白的运动状态，带动倾斜安装在组块上的髋臼试件6 (包括固定在其中的白杯试件)围绕股骨头试件作交叉状复合滑动摩擦运动，可较好的模拟内旋/外旋、伸展/屈曲运动。柔性加载机构3通过模具弹簧7模拟人体髋关节在人体中的受力情况，考虑了载荷的大小和方向以及加载方式的实现形式，通过对人体正常步态下的髋关节受力状态的分析，可以得出正常步行时股骨头所受应力为周期性的循环应力，其加载方向与竖直方向约成23°夹角，髋关节的承受的载荷为周期性的双峰载荷。 通过上述载荷分析，试验机采用竖直向下的载荷加载方式进行加载，同时髋白杯座6的倾斜角度设置为23°，即模拟合力方向和竖直方向的夹角。对试件的载荷加载是通过模具弹簧7来来实现的，模具弹簧7套在压力电机8轴上并与轴套固定，步进电机的旋转带动轴套的上升与下降，使模具弹簧7发生形变，对弹簧产生相应的压力或拉力。根据髋关节受力曲线可以得出髋关节股骨头承受的载荷峰值为3000N，而弹簧所能提供的最大压力为1200N， 这样就无法满足试验机所需要提供的载荷要求。为了解决这个难题，使用了杠杆结构9，通过杠杆1 :2. 5的放大比例，使得弹簧7所产生的压力能够通过杠杆结构9的放大，达到试验机所要求的载荷峰值3000N。使用模具弹簧7使得整个载荷加载系统具有一定的柔性，从而更好的模拟人工髋关节运动时髋白试件6和股骨头间的微动摩擦磨损。转动机构4主要是模拟人体髋关节中髋关节股骨头的运动状态，能够带动髋关节夹具机构5上人工髋关节的股骨头围绕髋白试件6复合滑动摩擦运动，可较好的模拟内收\外展运动。髋关节夹具机构5主要是起到固定髋关节股骨头的作用，使之与髋臼接触，在实验的过程中，髋臼和股骨头相互摩擦，同时接受柔性加载机构产生的载荷。
权利要求1.一种人工髋关节模拟试验机，包括机架(1)、摆动机构(2)、柔性加载机构(3)、转动机构(4)、髋关节夹具机构(5)，其特征在于所述机架(1)下底面上安装有用于摆动髋臼试件的摆动机构(2)，摆动机构(2)上面安装有髋关节夹具机构(5)，且髋关节夹具机构(5)固定在机架台(1)面上，并与转动机构(4)传动连接，髋关节夹具机构(5)上端连接柔性加载机构(3 )，柔性加载机构(3 )通过杠杆支架(9 )固定在机架(1)台面上。
2.根据权利要求1所述的人工髋关节模拟试验机，其特征在于所述柔性加载机构(3) 包括模具弹簧(7)，压力电机(8)及丝杆轴，支点支架(9)，杠杆(10)，模具弹簧(7)套在压力电机(8)的丝杆轴上，下端与活动轴套连接，上端与固定轴套连接，固定轴套上端连接杠杆 (10)，杠杆(10)与杠杆支架(9)活动连接。
3.根据权利要求1所述的人工髋关节模拟试验机，其特征在于所述摆动机构(2)中设有髋白杯座(6)，髋白杯座(6)上端设有倾斜面，倾斜面的倾斜角度为23°。
4.根据权利要求2所述的人工髋关节模拟试验机，其特征在于所述杠杆(10)与固定轴套连接端到杠杆支架(9)回转中心距离和杠杆(10)与髋关节夹具机构(5)连接端到杠杆支架(9)回转中心距离之比为2. 5:1。
专利摘要本实用新型涉及一种人工髋关节模拟试验机，包括机架、摆动机构、柔性加载机构、转动机构、髋关节夹具机构。机架下底面上安装有用于摆动髋臼试件的摆动机构，摆动机构上面安装有髋关节夹具机构，且髋关节夹具机构固定在机架台面上，并与转动机构传动连接，髋关节夹具机构上端连接柔性加载机构，柔性加载机构通过杠杆支架固定在机架台面上。本实用新型用于实验室环境中准确的模拟人体髋关节的实际运动状态和工作环境，可以使被测关节在试验过程中产生的摩擦机理、磨损形式与实际使用条件相一致，从而可以准确、可靠地研究测试人工关节材料的生物力学性能参数。
文档编号A61F2/76GK202060920SQ201120102798
公开日2011年12月7日 申请日期2011年4月11日 优先权日2011年4月11日
发明者袁小兵, 郑玉涛, 陈岚, 项华中 申请人:上海理工大学