一种足踝生物力学加载装置的制作方法

本发明属于医学实验装置的技术领域，具体涉及一种足踝生物力学加载装置。

背景技术：

踝关节是人体重要的负重关节，随着社会人群对体育运动参与度的提升，包括踝关节骨折在内的各类踝关节及其周围稳定结构的损伤机制及治疗选择至今存在较大的争议。生物力学实验是现阶段探索各类踝关节损伤机制及对比不同手术方法的可靠手段。踝关节匹配度较高且运动方向及应力负载变化复杂，踝关节在正常活动过程中存在跖屈、背伸、内外翻、内外旋、旋前及旋后等姿势，更长见于多种姿势的复合状态，每种特定的姿势所承担的应力也不同。现有力学加载装置多数仅能实现轴向的应力加载。因此既往生物力学实验因无法精确模拟踝关节病理生理学状态；所以其结果可靠性不高。更有个别研究对踝关节损伤的诊断及治疗造成误导，出现误诊、漏诊、治疗不当、过度治疗等情况出现。

鉴于以上情况，当前迫切需要一种切实可靠的足踝部加载器械来实现运动过程中踝关节不同的姿势。更加真实地模拟踝关节的病理生理学过程；更好的研究踝关节损伤的机制及选择更好的手术治疗方法。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种足踝生物力学加载装置，能有效的模拟踝关节在真实运动过程中的受力状况。

为实现上述目的，本发明提一种足踝生物力学加载装置，包括脚板、纵轴支架、横轴支架、底托支架、底部连接头、顶部连接头及竖轴滑杆；纵轴支架与横轴支架固定连接；脚板的前后两端与纵轴支架端头活动连接，沿横轴方向移动和绕纵轴转动；横轴支架两端与底托支架活动连接，沿纵轴方向摆动；底托支架与底部连接头活动连接，绕横轴转动，底座连接头绕竖轴转动；顶部连接头沿竖轴滑杆上下移动，用于固定足部标本并调节竖向的压力。

进一步地，纵轴支架端头设置有横向夹头，横向夹头一端与纵轴支架端头活动连接，另一端固定夹在脚板的不同位置。

进一步地，横向夹头设置有若干个螺钉孔，螺钉孔与螺钉的配合使横向夹头固定夹紧脚板。

进一步地，纵轴支架的端头设置有若干个纵轴转动刻度孔，纵轴转动刻度孔排列形成若干个圆弧形，脚板的连接头插入在纵轴转动刻度孔内，以调整脚板绕纵轴转动的角度。

进一步地，纵轴支架与横轴支架垂直相交，相交部位通过金属螺钉固定连接。

进一步地，脚板设有多个均匀分布的足部固定孔，足部固定孔与螺钉的配合使足部标本固定在脚板上。

进一步地，横轴支架两端设置有多个均匀分布呈圆弧状的纵向移动刻度孔，与底托支架上的纵向移动刻度孔对应，以调整脚板绕横轴转动的角度。

进一步地，底部连接头和顶部连接头均为圆锥面，底部连接头设有纵向凹槽。

进一步地，还包括底托连接件，底托连接件上部与底托支架固定连接，下部活动连接于纵向凹槽内，进行来回摆动。

进一步地，还包括基座，底部连接头与竖轴滑杆固定在基座上。

与现有技术相比，本发明提供的足踝生物力学加载装置能更有效的模拟踝关节在真实运动过程中的受力状况。将足踝部标本的足底与脚板固定连接，脚板与纵轴支架活动连接，通过纵轴支架的调整使脚板沿横轴方向移动和绕纵轴转动，实现脚板两个自由度的调整，可以模拟足踝的内翻和外翻。横轴支架在底托支架上摆动，底托支架在底座连接头上绕横轴转动，使脚板实现横轴转动的自由度调整，可以模拟足踝的跖屈和背伸。底部连接头绕竖轴转动，使脚板实现竖轴转动的自由度调整，可以模拟足踝的外旋和内旋。顶部连接头与足部标本的上部连接，顶部连接头在竖轴滑杆上移动调整位置，实现对足部标本脚踝的生物力学加载，模拟了足踝在运动状况中的受力的状况。本发明可以对足部标本进行三维六自由度的力学作用，实现足踝的复合姿势。通过本发明可以模拟足踝的各种受力状况，使检测观察的结果更接近脚踝在运动过程中的真实生理状况。

附图说明

图1是本发明实施例中足踝生物力学加载装置的正视图；

图2是本发明实施例中足踝生物力学加载装置的局部放大图；

图3是本发明实施例中纵轴支架和脚板的俯视图；

图4是本发明实施例中纵轴支架和横轴支架的俯视图；

图5是本发明实施例中底托支架和横轴支架的侧视图；

图6是本发明实施例中底部连接头的俯视图；

图7是本发明实施例中底托支架的仰视图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种足踝生物力学加载装置，如图1和2所示，包括脚板1、纵轴支架2、横轴支架3、底托支架4、底部连接头5、顶部连接头6及竖轴滑杆7；纵轴支架2与横轴支架3固定连接；脚板1的前后两端与纵轴支架端头21活动连接，沿横轴方向移动和绕纵轴转动；横轴支架3两端与底托支架4活动连接，沿纵轴方向摆动；底托支架4与底部连接头5活动连接，绕横轴转动，底座连接头5绕竖轴转动；顶部连接头6沿竖轴滑杆7上下移动，用于固定足部标本并调节竖向的压力。

采用上述结构，将足部标本的足底与脚板1固定连接，脚板1与纵轴支架2活动连接，通过纵轴支架2的调整使脚板1沿横轴方向移动和绕纵轴转动，实现脚板1两个自由度的调整，可以模拟足踝内翻和外翻的状态。横轴支架3在底托支架4上摆动，底托支架4在底座连接头5上绕横轴转动，使脚板1实现绕横轴转动的自由度调整，可以模拟足踝的跖屈和背伸的状态。底部连接头5绕竖轴转动，使脚板1实现竖轴转动的自由度调整，可以模拟足踝的外旋和内旋的状态。顶部连接头6与足部标本的上部连接，顶部连接头6在竖轴滑杆7上移动调整位置，实现对足部标本脚踝的生物力学加载，模拟了足踝在运动状况中的受力的状况。这样可以对足部标本进行三维六自由度的力学作用，实现足踝的复合姿势，使检测观察的结果更接近脚踝在运动过程中的真实生理状况。

本实施例中脚板1、纵轴支架2、横轴支架3、底托支架4、底部连接头5、顶部连接头6及竖轴滑杆7均采用高强度钢做成，以保证其足够的刚度，最大限度减少其在使用过程中装置产生的形变，减少应力损失，提高试验精度和结果的可信度。

如图3和4所示，纵轴支架端头21设置有横向夹头22，横向夹头22一端与纵轴支架端头21活动连接，另一端固定夹在脚板1上。横向夹头22设置有若干个螺钉孔221，螺钉孔221与螺钉的配合使横向夹头22固定夹紧脚板1。横向夹头22夹在脚板1的不同位置，使脚板1产生横轴位移。如图2所示，纵轴支架端头21设置有若干个纵轴转动刻度孔211，排列形成若干个圆弧形。脚板1的连接头11插入在纵轴转动刻度孔211内，以调整脚板1绕纵轴转动的角度。这样就可以模拟足踝内翻和外翻的状态。

本实施例中，纵轴支架2与横轴支架3垂直相交，连接部位使用金属螺丝固定，对脚板1形成稳定牢固的支撑。

如图3所示，脚板1设有多个均匀分布的足部固定孔12，本实施例中足部固定孔12一共有十五排，每排五个。使用螺钉可依据需要固定足部标本的跟骨、第一、第五跖骨头来固定足部标本于脚板1上。通过不将螺钉固定在不同位置的足部固定孔1，可以适配不同大小的足部标本，还可防止使用过程中足部标本的移位及滑脱，提高实验安全性。

如图5所示，横轴支架3两端设置有多个均匀分布的纵向移动刻度孔31，纵向移动刻度孔31组成圆弧状，与底托支架的纵向移动刻度孔41对应，将插件插入到横轴支架3的纵向移动刻度孔31和底托支架的纵向移动刻度孔41中，可以固定横轴支架3的转动角度，从而调整脚板1绕横轴转动的角度，模拟足踝的跖屈和背伸状态。

如图2和6所示，底部连接头5和顶部连接头6均为圆锥面，底部连接头5设有纵向凹槽51。如图1和7所示，还包括底托连接件9，底托连接件9上部与底托支架4固定连接，下部活动连接于纵向凹槽51内的插孔52中，在凹槽51内进行来回摆动，使脚板1可以绕横轴转动，模拟足踝的跖屈和背伸状态。

如图1所示，本实施例还包括基座8，底部连接头5与竖轴滑杆7固定在基座上，使底部连接头5与顶部连接头6配合更稳定。顶部连接头6沿着竖轴滑杆7向下移动，可以增加足部标本的受力。

本发明的使用方法：

1、首先将新鲜冰冻尸体标本自膝关节以下15cm截断；去除标本踝关节水平以上表面皮肤、皮下及其他软组织，保留踝关节及足部完整的韧带组织；通过截骨制作踝关节骨折模型后使用复位内固定的方法固定标本模型；使用牙托粉包埋固定胫腓骨骨端，连接固定顶端接口备用。

2、将标本固定在脚板1上，上端与顶部连接头6连接固定；周期性调节脚板1的自由度，实现标本踝关节正常步态周期中特定的姿势，调节顶部连接头6在竖轴滑杆7上位置，从而调整特定姿势踝关节所承受的应力大小。

如此对标本进行特定周期及频率的生物力学循环加载，可对骨折内固定的强度进行生物力学测试。同样原理可以模拟其它足踝部损伤的损伤机制及手术方式的检测。本发明进行足踝部损伤病理生理机制的探索与手术方式的力学测试获得可靠的数据；为足踝部损伤的治疗选择提供了高质量的参考依据。

本发明实施例操作简单，安全可靠，是基于对踝关节正常生物力学机制的模拟，来可以实现步态周期不同时相踝关节的姿势，以及体育运动中踝关节特殊姿势。本实施例可以实现踝关节不同步态周期时相中的力学测试，更加真实的反映踝关节损伤的发病机制及更加客观准确的对比不同治疗方法的优劣。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。