用于人体平卧位时膝关节核磁共振成像的力学加压设备的制作方法

本发明属于临床医学的影像学、骨科学及运动医学的设备技术领域，具体涉及一种用于人体平卧位时膝关节核磁共振成像的力学加压设备。

背景技术：

人体膝关节的核磁共振成像(MRI)扫描是诊断膝关节各类损伤及疾病的重要手段，特别是对于半月板、关节软骨以及韧带均有着重要意义。随着近年来MRI设备的分辨率以及磁场强度的不断改进，对于膝关节相关疾病诊断的准确率也在逐步提高。对于骨科学以及运动医学专业的医生来讲，良好的膝关节MRI影像更是对相关疾病的治疗有着重要的指导意义。然而，对于人体膝关节内的一些重要结构，特别是半月板及关节软骨来说，通常的平卧位扫描会使得其形态及结构与生理功能性受力状态下相比有着较大差异。这是因为这类组织普遍有着较低的弹性模量，而在受力下拥有着较大的形变表现。膝关节是人体中最复杂的大关节，存在着六个活动度，并且其在人体正常运动过程中瞬时受力最大可达人体体重的六倍，而在这样的复杂受力环境下，膝关节关节软骨与半月板在不同的力学模式中就存在着不同的形态学变化。特别是半月板在损伤及病理状态下，在不同受力状态下与非受力情况相比，其表面形态、脱垂程度、损伤的表现以及关节间隙均会有着不同程度的变化。因此，单纯的依赖非受力下的MRI影像对膝关节半月板及软骨相关疾病损伤进行诊断，可能会在某种程度上低估病情实际情况，从而影响医生的判断以及最终的治疗效果。

目前，世面上现有的MRI设备绝大多数均是令患者在平卧、关节非受力状态下进行扫描的，而少部分坐位半开放式的MRI设备仅可实现对人体脊柱等部分器官的加压，而对膝关节的意义有限，并且因该类设备的半开放设计，其场强及分辨率均很难达到膝关节相关疾病的诊断要求。因此，设计可应用于MRI的相关独立膝关节加压设备便势在必行。

技术实现要素：

本发明的目的是基于对人体膝关节功能性受力模式的深入研究，提供一种用于人体平卧位时膝关节核磁共振成像的力学加压设备，解决了患者的膝关节相关疾病诊断的准确率低的问题，获得膝关节在不同力学加压条件下各组织的影像学表现。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种用于人体平卧位时膝关节核磁共振成像的力学加压设备，由足底力学加压装置1和膝关节固定装置2组成；所述的足底力学加压装置1包括基板3和加压单元4，所述的基板3上开设有相互平行的两个第一滑槽5，所述的基板3上开设有绑带固定孔12，所述的加压单元4包括滑动底板6，滑动底板6下表面设置有与第一滑槽5滑动连接的滑块，滑动底板6上表面固定有与其垂直的背板7；所述的背板7的一面固定有平行与滑动底板6的两个第二滑槽8，两个第二滑槽8之间有滑动板9与第二滑槽8滑动连接，滑动板9上固定有圆形的固定盘16，固定盘16的圆心处固定有压力传感器10；所述的背板7的另一面固定有螺旋传动机构11；所述的滑动板9上开设有以垂直于基板3固定盘的直径对称的两对绑带固定孔12，中间的两个绑带固定孔12所在的直径均与垂直于基板3的直径的角度为7°，两边的两个绑带固定孔12所在的直径与垂直于基板3的直径的角度为20°，所述的膝关节固定装置2包括圆管型的膝关节套筒13和两对固定臂14，所述的固定臂14上开设有绑带固定孔12，通过膝关节套筒13固定有两侧相对的旋转轴15，每个旋转轴15上连接有一对固定臂14。

作为本发明更优的技术方案：所述的固定臂14与旋转轴15之间安装有限位装置，所述的每条固定臂14可绕旋转轴15与膝关节套筒13轴线在角度为0-15°范围内旋转。

作为本发明优选的技术方案：所述的基板3上设有螺旋传动槽17，所述的传动槽17与螺旋传动机构11内部的螺杆传动连接。

作为本发明更优的技术方案：所述的用于人体平卧位时膝关节核磁共振成像的力学加压设备的材质为聚甲醛树脂，通过钛合金或铝合金等顺磁性合金材料的铆钉连接，足底力学传感器的材质为铝合金。

有益效果如下：

本发明通过在对人体膝关节进行MRI扫描过程中通过对膝关节不同屈曲及旋转状态下的力学加压，通过膝关节半月板及关节软骨在力学加压状态下的生理及病理影像学表现，获取半月板及关节软骨在各种受力状态下的形变情况，也获得更完整的膝关节在功能性受力下的运行模式，提高膝关节疾病的准确率，从而更好的应用于临床及科研方面。

附图说明

图1为本发明的足底力学加压装置的轴测图；

图2为本发明的膝关节固定器的轴测图；

图3为本发明的足底力学加压装置的侧视图；

图4为本发明的足底力学加压装置的俯视图；

图5为本发明的足底力学加压装置的主视图；

图6为本发明的膝关节固定器的侧视图；

其中：1、足底力学加压装置；2膝关节固定装置；3基板；4加压单元；5、第一滑槽；6、滑动底板；7、背板；8、第二滑槽；9、滑动板；10、压力传感器；11、螺旋传动机构；12、绑带固定孔；13、膝关节套筒；14、固定臂；15、旋转轴；16、固定盘；17、传动槽。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种用于人体平卧位时膝关节核磁共振成像的力学加压设备，由足底力学加压装置1和膝关节固定装置2组成；所述的足底力学加压装置1包括基板3和加压单元4。

所述的基板3上开设有相互平行的两个第一滑槽5。基板3上开设有绑带固定孔12，用来固定不同身高收拾者的髂脊、髋部及大腿。所述的加压单元4包括滑动底板6，滑动底板6下表面设置有与第一滑槽5滑动连接的滑块，加压单元4在基板3上在水平方向上自由滑动。滑动底板6上表面固定有与其垂直的背板7。

所述的背板7的一面固定有平行与滑动底板6的两个第二滑槽8，两个第二滑槽8之间有滑动板9与第二滑槽8滑动连接，实现滑动板9的左右自由滑动，以适应受试者的左/右侧肢体。滑动板9上固定有圆形的固定盘16，固定盘16的圆心处固定有压力传感器10，压力传感器10通过外接线缆显示给测试者，用于探测受试者足底施加的力学载荷是否符合测试标准。

所述的背板7的另一面固定有螺旋传动机构11，螺旋传动机构11推动背板7前后移动，向受试者足底施加压力载荷，实现足底加压功能。

所述的滑动板9上开设有以垂直于基板3固定盘的直径对称的两对绑带固定孔12，中间的两个绑带固定孔12所在的直径均与垂直于基板3的直径的角度为7°，两边的两个绑带固定孔12所在的直径与垂直于基板3的直径的角度为20°，用以将受试者足部分别固定于中立、外旋15°与内旋15°三个位置上。所述的基板3上设有螺旋传动槽17，所述的传动槽17与螺旋传动机构11内部的螺杆传动连接。

所述的膝关节固定装置2包括圆管型的膝关节套筒13和两对固定臂14，所述的固定臂14上开设有绑带固定孔12，用以固定受试者大腿与小腿。通过膝关节套筒13固定有两侧相对的旋转轴15，每个旋转轴15上连接有一对固定臂14。所述的固定臂14与旋转轴15之间安装有限位装置，所述的每条固定臂14可绕旋转轴15与膝关节套筒13轴线在角度为0-15°范围内旋转。旋转轴15可允许每条固定臂以0-15°自由旋转，最终使得膝关节屈曲角度可进行0-30°调整，并进行角度锁定。因市面上大部分MRI设备线圈空间有限，0-30°的屈伸范围是通过市面上主流品牌型号的MRI设备使用经验获得，以使本设备适应大部分的扫描设备，而0-30°的关节活动范围也足以验证人正常站立及步态过程中时膝关节的运动情况。

所述的用于人体平卧位时膝关节核磁共振成像的力学加压设备的材质为聚甲醛树脂，因为聚甲醛树脂的MRI无磁性且不产生伪影，通过钛合金或铝合金等顺磁性合金材料的铆钉连接，足底力学传感器的材质为铝合金。

本发明提供的力学加压设备的工作过程如下：

首先将膝关节固定器穿戴于受试者的待测试膝关节部位，通过固定臂与绑带配合分别固定受试者的大腿与小腿，根据实际需要调整膝关节屈曲角度并固定以测试受试者站立及不同步态过程下膝关节软骨及半月板的受力下改变。之后受试者平卧于MRI床上，足底放置力学加压板，髂脊、髋部及大腿分别使用绑带进行固定。根据待测试左右侧不同移动加压器上滑动板，并根据受试者身高不同将加压单元通过螺旋传动与待测试下肢的足底贴合，足底部踩踏至力学传感器之上，通过固定盘上的绑带固定足部，以根据要求调整足成中立、内旋15°或外旋15°位置，目的是获取不同小腿旋转情况下膝关节软骨及半月板的压力下变化。之后确认受试者下肢固定牢靠后，激活压力传感器，通过旋转螺旋传动装置对足底进行缓慢加压，并观察传感器读数，可根据加压力量不同测试膝关节站立、跳跃、行走或上下台阶等受力情况时膝关节的MRI影像学改变，注意在加压过程中与受试者确认舒适度。待加压满意后即可对膝关节进行MRI扫描。如需进行其他加压量或关键屈伸、旋转条件的扫描时，可嘱受试者卧位或坐位休息30分钟，以使膝关节软组织恢复原始形态。

本发明的原型设备通过初步应用于5名健康志愿者MRI扫描后证实，在设备加压至50％与100％体重压力的情况下，受试者可在整个扫描过程中完全耐受设备所施加压力，并无相关不适症状，并且在扫描结束之后可即刻恢复站立、走动等日常活动。通过比对非加压条件与力学加压下获得的半月板及关节软骨三维重建模型，可明确观察到相应的模型形态变化，并且不同受力条件下所获得的半月板及关节软骨的三维重建模型也有着相应的不同形变模式。以上初步使用结果证实，结合应用本设备可获取力学加压条件下膝关节半月板与软骨等组织的MRI扫描影像，该类影像可广泛应用在临床诊断与基础科研等相关领域，且设备应用安全可靠。