膝关节韧带生物力学试验仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种膝关节韧带生物力学试验仪，包括刻度盘、刻度指针、具有套筒的基座、扭矩施加部件、胫骨支撑架、股骨固定架和两根支撑条，扭矩施加部件包括胫骨套、滑轮、连接杆、第一、第二砝码盘、金属丝和砝码，胫骨套位于基座的套筒内且能相对转动，胫骨套的一端固定连接刻度盘、另一端固定连接滑轮，金属丝缠绕在滑轮上，其两端分别连接第一、第二砝码盘，刻度指针固定在基座上；连接杆穿过并固定在胫骨上，其上、下部与滑轮固定连接，第一、第二砝码盘上分别放置不同重量的砝码，滑轮转动带动连接杆、胫骨、胫骨套、刻度盘转动，刻度指针与刻度盘配合，测量胫骨在扭矩作用下的转动角度。该试验仪能提高测量结果的准确度且操作方便。
【专利说明】
膝关节韧带生物力学试验仪
技术领域
[0001]本实用新型属于人体生物力学实验技术领域，具体涉及一种膝关节韧带生物力学试验仪。【背景技术】
[0002]膝关节是人体最大最复杂的关节，对人体的承重及运动起着极其重要的作用，膝关节由髌骨、股骨远端、胫骨近端和腓骨上端组成。由于股骨和胫骨是人体最长的长骨，杠杆作用导致创伤时膝关节更容易受到损伤，并将受力传导至膝关节周围韧带等组织。因此， 膝关节是最常发生创伤的关节之一。重要结构的损伤将引起膝关节疼痛、肿胀及功能障碍。 膝关节损伤伴关节韧带损伤是临床外科的常见问题，对于运动员、特别是足球运动员来说， 更为常见。因此，研究膝关节韧带的生物力学特性是正确地诊断和治疗膝关节韧带损伤的基础。
[0003]CN204971224U公开了一种膝关节韧带生物力学试验仪，该试验仪能在扭矩作用下测量膝关节相应韧带切断前后的旋转角度差，但是其通过螺杆、第一、第二金属丝、第一、第二定滑轮和第一、第二质量块配合的方式来施加扭矩，通过量角器和指针配合的方式进行转角测量。在膝关节转动时，所施加的扭矩(即扭转力矩)的力臂长短和力的大小、方向都会随胫骨的转动而发生变化，导致其施加的扭矩大小发生改变，最终影响测量结果的准确度； 并且该试验仪在对右侧膝关节测量后，再对左侧膝关节进行测量时，需要进行支架部件的拆卸、组装，操作不方便。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的是提供一种膝关节韧带生物力学试验仪，以提高测量结果的准确度，并且使试验操作更方便。
[0005]本实用新型所述的膝关节韧带生物力学试验仪，包括中心开设有通孔的刻度盘、 刻度指针、具有套筒的基座、扭矩施加部件、胫骨支撑架、股骨固定架和两根支撑条，股骨固定架为斜面框架且与胫骨支撑架铰接，支撑条的一端可转动地连接在股骨固定架上、另一端滑动连接在胫骨支撑架上且能锁止，胫骨支撑架上连接有基座横梁，所述基座固定连接在基座横梁上;所述扭矩施加部件包括胫骨套、中心开设有通孔的滑轮、连接杆、第一砝码盘、第二砝码盘、金属丝(变形很小)和若干枚砝码，所述胫骨套位于基座的套筒内且能相对该套筒转动，胫骨套的一端固定连接刻度盘、另一端固定连接滑轮，滑轮能带动胫骨套、刻度盘一起转动，金属丝缠绕在滑轮上，金属丝的一端连接第一砝码盘、另一端连接第二砝码盘，所述刻度指针固定连接在基座的套筒上且尖端部指向刻度盘上的刻度。
[0006]股骨固定在股骨固定架上，胫骨依次穿过滑轮上的通孔、胫骨套以及刻度盘上的通孔，所述连接杆竖直穿过并固定在滑轮与膝关节之间的胫骨上，连接杆的上部、下部都与滑轮固定连接，第一砝码盘上放置有A重量的砝码，第二砝码盘上放置有B重量的砝码，A辛B (即第一、第二砝码盘上放置的砝码重量不相等)，从而产生一个扭矩，使滑轮转动，第一、第二砝码盘上都放置砝码可以平衡两侧金属丝与滑轮之间的摩擦力，滑轮转动带动连接杆、 胫骨、胫骨套、刻度盘转动，从而对胫骨施加扭矩，间接对膝关节韧带施加一个大小可以计算的扭矩，刻度指针与刻度盘配合，测量胫骨在扭矩作用下的转动角度(也即膝关节韧带在扭矩作用下的旋转角度)。
[0007]所述股骨固定架包括两根股骨固定条、两根纵向连接条和一根横向连接条，两根纵向连接条与一根横向连接条垂直焊接，形成门框形，纵向连接条上开设有长条形的股骨固定条调节孔，并且在股骨固定条调节孔的一侧边缘设置有刻度线，股骨固定条与横向连接条平行，且通过螺栓、螺母与股骨固定条调节孔的配合而固定连接在纵向连接条上，股骨通过螺杆固定在股骨固定条上，所述支撑条的一端通过螺栓、螺母转动连接在纵向连接条的侧面。股骨固定条调节孔用于调节股骨固定条在纵向连接条上的连接位置，刻度线用于调节时进行对照，以使调节更方便、快捷。
[0008]所述胫骨支撑架由四根支撑脚和呈“口”字形的水平框架垂直焊接构成，所述水平框架由两根相互平行的横向钢条和两根相互平行的纵向钢条垂直焊接形成，纵向钢条上开设有长条形的基座横梁调节孔，并且在基座横梁调节孔的一侧边缘设置有刻度线，纵向钢条的侧面开设有长条形的支撑条调节孔，并且在支撑条调节孔的一侧边缘设置有刻度线， 所述基座横梁的两端通过螺栓、螺母与基座横梁调节孔的配合而与纵向钢条垂直连接，所述支撑条的另一端通过螺栓、螺母与支撑条调节孔的配合而连接在纵向钢条的侧面。基座横梁调节孔用于调节基座横梁在纵向钢条上的连接位置。支撑条调节孔用于调节支撑条在纵向钢条侧面的连接位置，进而调节股骨固定架与胫骨支撑架之间的夹角(即调整股骨与胫骨之间的夹角)使实验开始时人体标本的膝关节保持自然的生理弯曲度，并且可以根据实验的目的和要求对膝关节弯曲的角度做适当的调整，刻度线用于调节时进行对照，以使调节更方便、快捷。
[0009]本实用新型采用胫骨支撑架、股骨固定架和支撑条对膝关节进行固定支撑，采用胫骨套、滑轮、连接杆、第一、第二砝码盘、金属丝和砝码对膝关节施加扭矩，该扭矩的力臂长短以及力的大小和方向是恒定的，其不会随着胫骨的转动而发生变化，利用刻度指针与刻度盘测量膝关节韧带在切断前后，在扭矩作用下的旋转角度之差，提高了测量结果的准确度，通过加减第一、第二砝码盘上的砝码重量就可改变扭矩的大小，从而使试验操作更方便，具有帮助判断相应韧带是否有防止关节过旋的作用，以及根据不同韧带切断前后转动角度的差值的大小推测不同韧带防过旋作用的大小，从而说明膝关节不同韧带的生物力学特性，为关节外科以及运动医学研究韧带的生物力学特性以及膝关节韧带损伤的修复重建提供了参考依据。另外，该试验仪上开设的各种调节孔能对膝关节的固定位置、施加扭矩的位置进行相应的调节，以适应存在形态差异的膝关节，通用性良好。【附图说明】
[0010]图1为本实用新型进行实验时未施加扭矩的轴测图。
[0011]图2为本实用新型进行实验时未施加扭矩的右视图。
[0012]图3为本实用新型进行实验时未施加扭矩的俯视图。
[0013]图4为本实用新型进行实验时未施加扭矩的主视图。
[0014]图5为本实用新型进行实验时施加扭矩后的主视图。【具体实施方式】
[0015]下面结合附图对本实用新型作详细说明。
[0016]如图1至图5所示的膝关节韧带生物力学试验仪，包括中心开设有通孔的刻度盘1 (精度为0.1°)、刻度指针2、具有套筒的基座3(套筒内光滑无摩擦)、扭矩施加部件、胫骨支撑架4、股骨固定架5、基座横梁7和两根支撑条6，股骨固定架5为斜面框架且与胫骨支撑架4 铰接。
[0017]胫骨支撑架4由四根支撑脚41和呈“口”字形的水平框架垂直焊接构成，该水平框架由两根相互平行的横向钢条42和两根相互平行的纵向钢条43垂直焊接形成，纵向钢条43 上开设有长条形的基座横梁调节孔431，并且在基座横梁调节孔431的一侧边缘设置有刻度线，纵向钢条43的侧面开设有长条形的支撑条调节孔432,并且在支撑条调节孔432的一侧边缘设置有刻度线，基座横梁7的两端通过螺栓、螺母与基座横梁调节孔431的配合而与纵向钢条43垂直连接，基座3通过螺栓、螺母固定连接在基座横梁7上，支撑条6的一端通过螺栓、螺母与支撑条调节孔432的配合而连接在纵向钢条43的侧面且能锁止。
[0018]股骨固定架5包括两根股骨固定条51、两根纵向连接条52和一根横向连接条53,两根纵向连接条52与一根横向连接条53垂直焊接，形成门框形，纵向连接条52上开设有长条形的股骨固定条调节孔521，并且在股骨固定条调节孔521的一侧边缘设置有刻度线，股骨固定条51与横向连接条53平行，且通过螺栓、螺母与股骨固定条调节孔521的配合而固定连接在纵向连接条52上，支撑条6的另一端通过螺栓、螺母转动连接在纵向连接条52的侧面。
[0019]扭矩施加部件包括胫骨套8、中心开设有通孔的滑轮9、连接杆10、第一砝码盘11、 第二砝码盘12、金属丝13和若干枚砝码17,滑轮9为轻质镂空大直径滑轮，其直径为30cm，胫骨套8位于基座3的套筒内且能相对该套筒转动，胫骨套8的一端固定连接刻度盘1、另一端固定连接滑轮9，滑轮9能带动胫骨套8、刻度盘1 一起转动，金属丝13在滑轮9上缠绕数圈，金属丝13的一端连接第一砝码盘11、另一端连接第二砝码盘12,刻度指针2固定连接在基座3 的套筒上且尖端部指向刻度盘1上的刻度。
[0020]试验时，股骨14通过螺杆16固定在股骨固定条51上，胫骨15依次穿过滑轮9上的通孔、胫骨套8以及刻度盘1上的通孔，连接杆10竖直穿过并固定在滑轮9与膝关节之间的胫骨 15上，连接杆10的上部、下部都与滑轮9固定连接，第一砝码盘11上放置有A重量的砝码17， 第二砝码盘12上放置有B重量的砝码17，A辛B，从而产生一个扭矩，使滑轮9转动，滑轮9转动带动连接杆10、胫骨15、胫骨套8、刻度盘1转动，刻度指针2与刻度盘1配合，测量胫骨15在扭矩作用下的转动角度。
[0021]以右侧膝关节为例，比较胭斜韧带、前交叉韧带、外侧副韧带、内侧副韧带在防止膝关节过度向外旋转方面所发挥的作用的大小。其步骤如下:
[0022]第一步，取一根右侧膝关节标本，用电钻在该右侧膝关节的股骨14上打两个大小适宜的孔，用两根螺杆16将其牢固地固定在两根股骨固定条51上，右侧膝关节的胫骨15依次穿过滑轮9上的通孔、胫骨套8以及刻度盘1上的通孔，并保证胫骨15可以自由转动，右侧膝关节的腓骨(图中未示出)保持自由悬空状态。
[0023]第二步，在右侧膝关节的胫骨15上(位于滑轮9与膝关节之间的部分)打另一大小适宜的孔，将长为30cm、直径为5mm的高强度的连接杆10穿过其间，并在连接杆10中部将其在竖直方向上牢牢固定于胫骨15上，然后再将连接杆10的上部、下部与滑轮9固定连接。 [〇〇24] 第三步，在第一砝码盘11上放置A重量的砝码17,在第二砝码盘12上放置B重量的砝码17，其中，A>B，滑轮9转动带动连接杆10转动，从而对胫骨15施加一个向外旋转的扭矩。[〇〇25]第四步，记录胫骨15的旋转角度。
[0026]第五步，取下第一、第二砝码盘上的砝码，去除施加的扭矩，切断胭斜韧带。
[0027]第六步，重复第三步，再次施加相同大小的扭矩，记录切断胭斜韧带后胫骨的旋转角度。
[0028]第七步，计算第四步和第六步中胫骨的旋转角度之差，记录为a。
[0029]第八步，然后再切断前交叉韧带，重复第三步，再次施加相同大小的扭矩，记录切断前交叉韧带后胫骨的旋转角度。
[0030]第九步，计算第六步和第八步中胫骨的旋转角度之差，记录为b。
[0031]第十步，然后再切断外侧副韧带，重复第三步，再次施加相同大小的扭矩，记录切断外侧副韧带后胫骨的旋转角度。
[0032]第十一步，计算第八步和第十步中胫骨的旋转角度之差，记录为c。
[0033]第十二步，然后再切断内侧副韧带，重复第三步，再次施加相同大小的扭矩，记录切断内侧副韧带后胫骨的旋转角度。[〇〇34]第十三步，计算第十步和第十二步中胫骨的旋转角度之差，记录为d。[〇〇35]第十四步，比较四个角度差a、b、c、d的大小，其大小顺序即可视为相应韧带在防止膝关节过度向外旋转方面所发挥的作用的大小。[〇〇36]第十五步，取另一根右侧膝关节标本，重复上述操作并改变韧带的切断顺序，再次进行验证，以探究结论的稳定性。
[0037]由于左、右侧膝关节施加的扭矩方向相反，所以在对右侧膝关节进行试验时，在第一砝码盘11上放置的砝码重量A必须大于在第二砝码盘12上放置的砝码重量B;在对左侧膝关节进行试验时，在第一砝码盘11上放置的砝码重量A必须小于在第二砝码盘12上放置的砝码重量B，以改变滑轮9的转动方向，进而改变施加的扭矩方向。[〇〇38]上述实验仪也可以用于探究、验证膝关节的其它韧带是否具有防止膝关节过度向外旋转的作用，此外还可以用于探究、验证膝关节的其它韧带是否具有防止膝关节过度伸展的作用。
【主权项】
1.一种膝关节韧带生物力学试验仪，包括中心开设有通孔的刻度盘(1)、刻度指针(2)、 具有套筒的基座(3)、扭矩施加部件、胫骨支撑架(4)、股骨固定架(5)和两根支撑条(6)，股 骨固定架(5)为斜面框架且与胫骨支撑架(4)铰接，支撑条(6)的一端可转动地连接在股骨 固定架(5)上、另一端滑动连接在胫骨支撑架(4)上且能锁止，胫骨支撑架(4)上连接有基座 横梁(7)，所述基座(3)固定连接在基座横梁(7)上;其特征在于:所述扭矩施加部件包括胫骨套(8)、中心开设有通孔的滑轮(9)、连接杆(10)、第一、第 二砝码盘(11、12)、金属丝(13)和若干枚砝码(17)，所述胫骨套(8)位于基座(3)的套筒内且 能相对该套筒转动，胫骨套(8)的一端固定连接刻度盘(1)、另一端固定连接滑轮(9)，滑轮 (9)能带动胫骨套(8)、刻度盘(1) 一起转动，金属丝(13)缠绕在滑轮(9)上，金属丝的一端连 接第一砝码盘(11)、另一端连接第二砝码盘(12)，所述刻度指针(2)固定连接在基座(3)的 套筒上且尖端部指向刻度盘(1)上的刻度；股骨(14)固定在股骨固定架(5)上，胫骨(15)依次穿过滑轮(9)上的通孔、胫骨套(8)以 及刻度盘(1)上的通孔，所述连接杆(10)竖直穿过并固定在滑轮与膝关节之间的胫骨(15) 上，连接杆的上部、下部都与滑轮(9)固定连接，第一砝码盘(11)上放置有A重量的砝码 (17)，第二砝码盘(12)上放置有B重量的砝码(17)，A辛B，滑轮(9)转动带动连接杆(10)、胫 骨(15)、胫骨套(8)、刻度盘(1)转动，刻度指针(2)与刻度盘(1)配合，测量胫骨在扭矩作用 下的转动角度。2.根据权利要求1所述的膝关节韧带生物力学试验仪，其特征在于:所述股骨固定架 (5)包括两根股骨固定条(51)、两根纵向连接条(52)和一根横向连接条(53)，两根纵向连接 条(52)与一根横向连接条(53)垂直焊接，形成门框形，纵向连接条(52)上开设有长条形的 股骨固定条调节孔(521)，并且在股骨固定条调节孔(521)的一侧边缘设置有刻度线，股骨 固定条(51)与横向连接条(53)平行，且通过螺栓、螺母与股骨固定条调节孔(521)的配合而 固定连接在纵向连接条(52)上，股骨(14)通过螺杆(16)固定在股骨固定条(51)上，所述支 撑条(6)的一端通过螺栓、螺母转动连接在纵向连接条(52)的侧面。3.根据权利要求2所述的膝关节韧带生物力学试验仪，其特征在于:所述胫骨支撑架 (4)由四根支撑脚(41)和呈“口”字形的水平框架垂直焊接构成，所述水平框架由两根相互 平行的横向钢条(42)和两根相互平行的纵向钢条(43)垂直焊接形成，纵向钢条(43)上开设 有长条形的基座横梁调节孔(431)，并且在基座横梁调节孔(431)的一侧边缘设置有刻度 线，纵向钢条(43)的侧面开设有长条形的支撑条调节孔(432)，并且在支撑条调节孔(432) 的一侧边缘设置有刻度线，所述基座横梁(7)的两端通过螺栓、螺母与基座横梁调节孔 (431)的配合而与纵向钢条(43)垂直连接，所述支撑条(6)的另一端通过螺栓、螺母与支撑 条调节孔(432)的配合而连接在纵向钢条(43)的侧面。
【文档编号】A61B5/103GK205568950SQ201620222320
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】黄伟, 吴向东, 赵辰, 孙亚英, 李亮, 余金辉, 邹涛, 王伟
【申请人】黄伟, 吴向东, 赵辰, 孙亚英, 李亮, 余金辉, 邹涛, 王伟