专利名称：用于关节运动模拟的系统和方法
用于关节运动模拟的系统和方法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，聚こ烯磨损、防腐剂松动、感染和不良对准。聚こ烯磨损组成当今植入故障的最大唯一可识别原因。此外，聚こ烯磨损可由于经改造组织的増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。其它机器使用カ控制系统，所述カ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カ的自然約束。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I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I所示的实施例中，模拟器10包括三个台lla、llb、llc，每ー者具有ー个或ー个以上致动器，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I到2中说明的膝关节模拟器)的カ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)肌肉系统的主动カ；2)韧带和被膜结构的被动カ；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的控制下的ー个或ー个以上伺服-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) 下方的多轴カ/扭矩变换器19，使得可监视股骨-胫骨接触力(和カ矩)的三个分量。变换器19可为六通道应变仪变换器。模拟器还可包含ー个或ー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。虚拟软组织控制系统300包含嵌套回路设计。所述嵌套回路设计包含内回路7和外回路。内回路7获得来自多轴力/扭矩变换器19的反馈，且经由离散数值算法提供传统比例、积分、微分控制(PED)。内回路7提供对伺服-液压致动器15的カ控制。到内回路7的输入表示カ设定点或随时间变化的力波形。单单在カ控制下，闭合回路伺服-液压系统试图驱动机器的致动器，直到力变换器的输出等于カ设定点为止。在嵌套回路设计的外回路9中实施虚拟软组织算法。外回路9从位置变换器21或(在内/外(IE)旋转的情况下)角位置变换器得出其反馈。此位置反馈将输入提供到逐段三次样条插值(piecewise cubic spline interpolation)算法8,所述算法8通过适当的系数选择而可经编程以表示在人体内遭遇到的多种软组织カ位移关系。逐段三次样条系数可基于所要的软组织模型而离线计算，且随后下载到控制器。三次样条算法可使用转移函数8，F=S(X)来展示。样条插值算法建立模拟器装置的当前配置(其中配置表示假体组件的相对位置和定向)与模仿膝关节的软组织的弾性回复カ的约束カ之间的关系。从參考力或扭矩波形6减去所计算的约束カ，且将残差传递到内回路7的输入，在该处其变为到控制方案的カ控制部分的參考输入。每ー受控的自由度均装备有其自身的独立控制回路，所述控制回路的单个通道在图3中示意性地描绘。在某些实施例中，单个控制变量驱动样条近似算法的每ー者。在其它实施例中，可使用多个输入来适应膝关节的关节复杂性。数字信号处理器代码可实施用于提供针对模拟器的致动器15的驱动信号的八个经同步任意波形产生器(未图示)。每ー波形产生器可经由从计算机下载的数据的256点阵列来编程。此数据提供用于对相关联数/模转换器(DAC)和连接的致动器的重复控制的模板。24位相位产生器方案提供从几小时到0，33秒的波形周期。波形产生器可利用一阶插值方案来确定模板阵列点之间的中间值。波形产生器输出可映射到数字比例积分微分(PID)计算块输入。在一个实例中，实施并行形式PID控制算法的八个PID计算块可用于提供对机器的致动器的闭合回路控制。PID计算块输入可映射到波形产生器块或另一 PID计算块。类似地，PID计算输出可映射到另ー PID块输入，或直接映射到系统输出DAC。如以下等式(a)中所展示而实施PID计算。% = kf8(t)+— f e(t)dt + td-^-e(f)(a)
irat其中Vtl为输出电压，kp为比例增益常数，ti为积分时间常数，td为微分时间常数，且e(t)为误差信号(參考输入与反馈信号之间的差异)。 如图3中示意性地展示，通过级联两个PID控制块来实施软组织模型。内回路PID 计算块经设置以通过选择用于反馈的适当的力或扭矩通道而提供对伺服-液压致动器的传统カ控制。外回路反馈源通过三次函数操作，如下F = ao+a^+aaX^agX3 (b)以此方式，将位置输入变换为类似于软组织的预期约束的约束力。将软组织模型实施为八段三次样条算法。到所述算法的输入是用户选择的位移输入。通常，这将为AP位置信号或IE角位置信号。如等式(c)中所展示而实施样条计算。可在将经编程软组织模型下载到控制处理器时，通过计算机上的虚拟软组织软件而离线确定系数ajk和结点tk。系数的查找表由从选定位移变换器传回的当前值X编索引。一旦确定系数，就经由仅需要DSP中的三个相乘和累积循环的计算上高效的形式来评估三次等式。以下等式可用于指定三次样条算法
d + UmX + QviX1 + ClnXwt 'K fiF = 'am + a>iX+其中.ti<,x<h (c) >r>
发明内容
一种用于驱动假体元件的模拟器包含驱动假体元件的假体驱动机构、測量施加到假体元件的力(包含扭矩)的传感器，以及控制系统。控制系统响应于传感器和模拟输入而驱动假体驱动机构。控制系统包含并入有韧带的表示的计算模型。韧带的表示可包含韧带的三维几何结构、韧带的机械特性，以及韧带的不同纤维的特性。可通过韧带的适当末端处的插入部位来界定韧带的几何结构。每ー纤维可包含不同插入部位。模拟器可包含测量假体元件的位移的位移传感器。位移传感器可包含位置与角位移传感器。计算模型可响应于位移传感器而确定减轻控制系统的作用的韧带的约束カ或扭矩。控制系统可包含嵌套回路设计。本发明的另一方面涉及ー种用于驱动假体元件的控制系统。所述控制系统可包含并入有韧带的表示的计算模型。韧带的表示可包含韧带的三维插入部位和机械特性。计算模型可为并入有韧带和纤维的模型的软组织结构的软件模型，所述韧带和纤维各自具有其自身的弾性和/或黏弹性特性。
从如附图中 说明的实例实施例的以下更具体描述中将了解以上内容，附图中相同參考符号在不同视图中始終表示相同部分。图式不一定按比例绘制，而是强调说明本发明的实施例。图I说明假体模拟机；图2是用于假体装置的模拟器级的示意性说明；图3是以采取三次样条算法的形式的虚拟软组织模型为特征的假体模拟器的控制系统的不意图；图4A是作用于膝关节上的カ的说明，其中每ー韧带表示为单根纤维；图4B说明由某些实施例用来描述膝关节运动的坐标系和变换；图4C包含说明用实验方法测得的韧带カ与韧带的应变百分比连同此应变百分比的近似的曲线图，如可告知多纤维韧带模型；图4D_a是多纤维韧带的说明；图4D_b是图4D_a所示的多纤维韧带的数学近似的说明；图4E是根据某些实施例的用于假体模拟器的控制系统的示意图；图4F是确定カ约束的说明；图5A、5B和5C说明并入在膝关节处的多纤维韧带结构的实例表示； 图6A说明自然膝关节；图6B说明安装在模拟器台中的假体膝关节；图7是采用反馈控制系统来执行软组织控制的本发明的某些实施例的说明。
具体实施例方式以下是对本发明的优选实施例的描述。实例实施例涉及假体模拟器，且特定来说涉及用于控制和测试假体模拟器的方法和系统。假体模拟器可用于接近地近似表示人体内的条件，尤其是相对于人类和动物关节的条件，且可用于测试且评估用于人体或动物身体的各个部分中的假体。在以下描述中，描述ー种用于测试假体膝关节的模拟器，但将理解，本文描述的原理和实施例容易应用于用于臀、臂、肩、肘、腰、脊、踝、颞颌关节，或人体或动物身体的任何其它关节组件的假体模拟器装置。本发明的实施例涉及ー种测试平台，其复制有用的机械条件，在所述机械条件下，可植入矫形假体装置必须执行以便提供令人满意的长期手术后结果。所述测试平台将能够驱动假体装置以模拟关节运动的机械系统与能够确定关节的结构响应的计算算法以及控制系统进行组合，所述控制系统能够提供必需的控制信号，同时接受表示日常生活的ー个或ー个以上活动的数学模型作为输入。某些实施例可采用计算模型，所述计算模型是关节的软组织结构的数学表示。活动模型是执行生理活动所需的负载(和/或运动)的数学模型。总模型包括材料(或物理)植入组件、计算软组织模型和活动模型。此计算/材料混合建模方法提供用于关节运动的机械模拟的测试台，以评估假体装置的长期耐久性、磨损、疲劳和其它破坏模式。一般来说，假体元件上的力可划分为两个群组主动的カ和反作用的力。主动カ界定为由于肌肉系统、人体动力学和重力的作用引起的力。这些カ是任务特定的，且特征为进行中的生理活动的本质。此外，膝关节的主动カ是实行特定生理任务所必需的力。反作用力是膝关节的机械结构对所施加负载的反作用。这些响应通常通过弹性、摩擦和黏弹性定律支配，且表示当关节由于主动力而变形时关节的响应。反作用力据称达成平衡或建立与主动カ的均衡。反作用力还可称为被动力，因为其是由于被动结构而产生。反作用力可划分为a)作用于结缔组织中的张力，以及b)作用于关节的关节表面之间的固体接触点处的压缩カ和剪力。作用于环绕假体元件的结缔组织上的力称为“被动”软组织力，且材料接触カ称为“接触”力。 某些实施例将作用于假体元件上的力分割为主动、被动和接触力，且要求这些カ保持均衡。特定来说，均衡等式可表达为 f主动+f被动+f接触=0(d)其中f 表示作用于假体元件上的主动カ，f被a表示假体元件的被动カ，且f接触表示假体元件的接触力。如本文使用的术语“力”可为轴向压缩或张力、剪切、扭转カ矩(扭矩)以及弯曲力矩中的至少ー者。图4A是作用于膝关节的カ的说明400A。特定来说，图4A说明出于形象化目的具有两个韧带和两个肌肉的简化的膝关节的矢状平面图。用下标“m”标记的元件(例如，fmy、fmz)表示作用于肌腱附接部位的肌力。用下标“c”标记的元件(例如，fcy> fra)表示处于测试中的假体系统的实际接触力。用下标“s”标记的元件(例如，fsy、fsz)表示软组织(例如，韧带)力。作用于软组织上的被动カ是依赖于配置或位姿的(其中配置暗示关节的邻近区段的相对位置和定向)。术语“位姿”是指在三维空间中刚体相对于某一參考系(或參考位姿)的当前位置和定向。在任何给定位姿下，附接结构元件(韧带)均发生弹性变形，使得在所述元件的ー些或全部中引起张力。此张カ可分解为表示被动(f a)力的正交力分量。被动カ仅由关节的位姿确定，且可使用适当的结构模型来计算。等式(d)可重新排列以展示主动カ等于约束力之和且与约束力之和相対。f 主动=-( 动+f 接触)(e)考虑等式(e)中的力的绝对值，等式(d)可重写为f主动ィ被劫=f接触 (f)在某些实施例中，模拟机(稍后关于图4D和7展示)包含用以测量(由于接触而产生的真实身体关节反作用力)的仪表，而控制系统(例如，图3所示的控制系统300)能够使用软组织模型以及假体组件的当前位置和定向的測量来计算又从主动力f主_减去所计算的被动カftta以确定必须施加到假体组件以实现均衡的力的量值。等式(f)充当均衡关系，且可视为虚拟软组织控制的核心。软组织约束模型是关节软组织的计算结构模型。所述模型包含用于计算模型的结缔组织元件中的张カ的计算算法。在一个实施例中，当假体组件在模拟机中进行体格操练时，依据所述组件的当前位置和定向的測量确定模型的几何结构。所述模型还可包含表示自然膝关节软组织的解剖学和物理特性的几何和机械信息的数据库。图4B说明由某些实施例用来描述用于虚拟软组织控制系统中的膝关节运动的坐标系和变换400B。界定两个坐标系Ot和Of，其中Ot附贴到胫骨491且与之一起移动，且Of附贴到股骨492且与之一起移动。两个坐标原点重合，且x、y和z轴初始对准。股骨相对于胫骨的定向由角ex、ey和θζ确定，所述角分别对应于弯曲-扩展的旋转(θχ)、内翻-外翻旋转(ey)以及内-外旋转(ΘΖ)。经旋转股骨的轴由X'、ず和Z'说明。围绕轴x、y和ζ经由角Θ X、0y和θ Z进行的旋转的序列对应于卡登角(Cardanangle)序列(也称为泰特-布赖恩(Tait-Bryan)角)。股骨相对于胚骨的旋转可以矩阵形式描述为旋转变换R
权利要求
1.一种用于驱动假体元件的模拟器，其特征在于，其包括 假体驱动机构，其驱动所述假体元件； 传感器，其測量施加到所述假体元件的力；以及 控制系统，其响应于所述传感器和模拟输入而驱动所述假体驱动机构，所述控制系统包含并入有韧带的表示的计算模型。
2.根据权利要求I所述的模拟器，其特征在于，其中所述表示包含所述韧带的三维几何结构。
3.根据权利要求2所述的模拟器，其特征在于，其中所述韧带的所述几何结构由所述韧带的相对末端处的插入部位来界定。
4.根据权利要求1、2或3所述的模拟器，其特征在于，其中所述表示包含所述韧带的机械特性。
5.根据权利要求4所述的模拟器，其特征在干，其中所述韧带的所述机械特性包含所述韧带的弾性或黏弹性特性中的至少ー者。
6.根据任何前述权利要求所述的模拟器，其特征在于，其中所述表示包含所述韧带的不同纤维的特性。
7.根据权利要求6所述的模拟器，其特征在于，其中每ー纤维包含不同插入部位。
8.根据任何前述权利要求所述的模拟器，其特征在于，其进ー步包括測量所述假体元件的位移的位移传感器。
9.根据权利要求8所述的模拟器，其特征在于，其中所述位移传感器包含位置与角位移传感器。
10.根据权利要求7或8所述的模拟器，其特征在于，其中所述模型响应于所述位移传感器而确定减轻所述控制系统的作用的韧带的约束カ或扭矩。
11.根据任何前述权利要求所述的模拟器，其特征在于，其中所述控制系统包括嵌套回路设计。
12.一种用于驱动假体元件的控制系统，其特征在于，所述控制系统包含并入有韧带的表示的计算模型。
13.根据权利要求12所述的控制系统，其特征在于，其中韧带的所述表示包含所述韧带的三维插入部位和机械特性。
14.一种用于驱动假体元件的模拟器，其特征在于，其包括 假体驱动机构，其经配置以在所述假体元件的加速磨损测试期间驱动所述假体元件； 传感器机构，其測量施加到所述假体元件的力； 位置与角位移传感器，其測量所述假体元件的位移； 模拟输入，其表示所述模拟器的动作；以及 闭合回路反馈控制系统，其响应于所述传感器而确定用于所述驱动机构的驱动信号，所述控制系统包含并入有韧带纤维的机械表示的计算模型，所述机械表示包含韧带纤维的插入部位的三维几何结构和机械特性，所述模型响应于所述位置与角位移传感器而确定韧带的约束力，所述控制系统将所述所确定的约束力和测得的力与所述模拟输入组合。
15.一种在模拟器中驱动假体元件的方法，其特征在于，其包括 将驱动所述假体元件的模拟输入施加到控制系统；感测施加到所述假体元件的力； 感测所述假体元件的位移； 在并入有韧带的表示的计算模型中，响应于所述感测到的位移而确定所述韧带的约束力； 在驱动所述假体元件的过程中将所述模拟输入与所述所确定的约束力和所述测得的カ组合。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，其中所述表示包含所述韧带的三维几何结构。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，其进ー步包含通过所述韧带的适当末端处的插入部位来界定所述韧带的所述几何结构。
18.根据权利要求15、16或17所述的方法，其特征在于，其中所述表示包含所述韧带的机械特性。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，其中所述韧带的所述机械特性包含所述韧带的弾性或黏弹性特性中的至少ー者。
20.根据权利要求15到19中任ー权利要求所述的方法，其特征在于，其中所述表示包含所述韧带的不同纤维的特性。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，其中每ー纤维包含不同插入部位。
22.根据权利要求15到21中任ー权利要求所述的方法，其特征在于，其中感测位移包含感测位置与角位移。
全文摘要
一种用于驱动假体元件的模拟器包含假体驱动机构，其在所述假体元件的加速磨损测试期间驱动所述假体元件。模拟输入表示所述模拟器的作用，且使用传感器机构来测量施加到所述假体元件的力和扭矩。进一步使用位置与定向控制传感器来测量所述假体元件的位移。使用响应于所述传感器的闭合回路反馈控制系统来确定用于所述驱动机构的驱动信号。所述控制系统有利地添加并入有韧带纤维的机械表示的计算模型。所述计算模型是对人体内的假体将会遭遇到的情况的非人类近似，且包含韧带纤维的插入部位的维度几何结构和机械特性。所述计算模型响应于位置与角位移传感器来确定减轻所述控制系统的作用的韧带的约束力和扭矩。可进一步通过所述测得的力和扭矩来减轻所述控制系统的所述作用。
文档编号G09B23/32GK102687183SQ201080050779
公开日2012年9月19日 申请日期2010年11月9日 优先权日2009年11月9日
发明者布鲁斯·F·怀特 申请人:先进机械技术公司