專利名稱:對(duì)角球鉸空間七連桿人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)的制作方法
本發(fā)明涉及一種用于演示具有真實(shí)尺寸的醫(yī)用裝置及用于髖部關(guān)節(jié)的假肢體。
眾所周知，由股骨頭和髖臼構(gòu)成的人體髖關(guān)節(jié)是一種自動(dòng)定心關(guān)節(jié)，它具有三個(gè)互成正交的旋轉(zhuǎn)自由度，人在水平行走時(shí)，髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡為一個(gè)空間不規(guī)則的橢圓，屈曲-伸展全振幅的最大角度為45°，外展-內(nèi)收全振幅最大角度為13°，外旋-內(nèi)旋全振幅的最大角度為14°。在一個(gè)步行周期內(nèi)，髖關(guān)節(jié)承受的力呈脈沖式變化，它有兩個(gè)峰值，其中最大的峰值力為自身體重的3～4倍。每個(gè)髖關(guān)節(jié)每年運(yùn)動(dòng)的次數(shù)一般為1～3百萬次，運(yùn)動(dòng)頻率為0.5～1HZ。髖關(guān)節(jié)常年泡浸在生理液中，在通常情況下，該生理液的PH值為7.4，呈弱堿性，溫度為36.7～37.2℃。
目前能全面模擬人體髖關(guān)節(jié)的人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)，主要有行星齒輪式模擬試驗(yàn)機(jī)，萬向節(jié)式模擬試驗(yàn)機(jī)和連桿式模擬試驗(yàn)機(jī)等三種。行星齒輪式模擬試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，萬向節(jié)式模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)生理運(yùn)動(dòng)軌跡模擬結(jié)果不理想。相對(duì)而言，連桿式模擬試驗(yàn)機(jī)較為實(shí)用，如Evaluation of Biomaterials 1980年報(bào)導(dǎo)的S·Sandrolini等人設(shè)計(jì)的連桿式模擬試驗(yàn)機(jī)，該機(jī)由曲柄連桿機(jī)構(gòu)、加載機(jī)構(gòu)、生理液槽和測(cè)試系統(tǒng)組成。其曲柄連桿機(jī)構(gòu)由曲柄、轉(zhuǎn)動(dòng)副Ⅰ、剛性矩形四連桿、轉(zhuǎn)動(dòng)副Ⅱ、帶球頭的關(guān)節(jié)連桿、關(guān)節(jié)連桿與球窩組成的人工髖關(guān)節(jié)、施力連桿、轉(zhuǎn)動(dòng)副Ⅲ、頂部連桿以及布置在機(jī)架上的轉(zhuǎn)動(dòng)副Ⅳ組成。矩形四連桿中的一對(duì)平行連桿的中部各布置一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副Ⅰ和Ⅱ，轉(zhuǎn)動(dòng)副Ⅰ同曲柄相連接，轉(zhuǎn)動(dòng)副Ⅱ同關(guān)節(jié)連桿和施力連桿相連接，轉(zhuǎn)動(dòng)副Ⅲ用于施力連桿和頂部連桿，頂部連桿的另一端同轉(zhuǎn)動(dòng)副Ⅳ相連接。
加載機(jī)構(gòu)為一個(gè)施加壓力于轉(zhuǎn)動(dòng)副Ⅲ上的液壓加載系統(tǒng)。
當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄時(shí)，帶球頭的關(guān)節(jié)連桿以球窩為支點(diǎn)作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
上述連桿式模擬試驗(yàn)存在下列缺點(diǎn)1、關(guān)節(jié)連桿只能作以球窩為支點(diǎn)的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，不能真實(shí)地模擬出人體髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡空間不規(guī)則的橢圓，模擬精度差。
2、負(fù)載曲線為單峰值，不能模擬出雙峰值。
3、為預(yù)測(cè)人工髖關(guān)節(jié)的使用壽命而作假肢體材料磨蝕量測(cè)定，需要試驗(yàn)20～30天，工作效率低。
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種采用對(duì)角球鉸、以彈簧加載、工作效率高、模擬精度高的對(duì)角球鉸空間七連桿人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)。
圖面說明圖1為本設(shè)計(jì)的對(duì)角球鉸空間七連桿人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中ω-原動(dòng)件，1-曲柄，2、3、4、5-連桿，A、C、D-球面副，B、E-轉(zhuǎn)動(dòng)副，6-加載桿，7、8-彈簧。
圖2為本試驗(yàn)機(jī)的原動(dòng)件〔ω〕轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，人工髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡圖。
圖3為本試驗(yàn)機(jī)工作時(shí)，人工髖關(guān)節(jié)受力狀況圖。圖中T-步行周期，P-人工髖關(guān)節(jié)負(fù)荷。P1-自重負(fù)荷線，P2-有彈簧負(fù)載時(shí)，人工髖關(guān)節(jié)負(fù)荷變化曲線。
圖4為體現(xiàn)人工假肢體材料磨蝕速度磨蝕電量變化曲線圖，圖中i表示生理液槽中離子電流密度，單位為μA/cm2，lgi-i的對(duì)數(shù)值，V-極間電位，CoCr-鈷鉻合金磨蝕電量變化曲線，Ti6Al4V-鈦合金磨蝕電量變化曲線。
以下結(jié)合本設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容整機(jī)由曲柄連桿機(jī)構(gòu)、加載機(jī)構(gòu)、生理液槽以及檢測(cè)系統(tǒng)組成。
如圖1所示，曲柄連桿機(jī)構(gòu)是一種由一個(gè)原動(dòng)件〔ω〕、一個(gè)曲柄〔1〕、一個(gè)球面副〔A〕、一個(gè)連桿〔2〕、一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副〔B〕、一個(gè)連桿〔3〕、一個(gè)球面副〔C〕、一個(gè)連桿〔4〕、一個(gè)球面副〔D〕、一個(gè)連桿〔5〕以及一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副〔E〕組成的對(duì)角球鉸空間七連桿機(jī)構(gòu)。連桿〔3〕和球面副〔C〕構(gòu)成人工髖關(guān)節(jié)，連桿〔3〕代表股骨桿，球面副〔C〕的球頭代表股骨頭，球面副〔C〕的球窩代表髖臼。所有連桿的具體尺寸采用數(shù)學(xué)解析法並通過實(shí)驗(yàn)確定，原動(dòng)件〔ω〕轉(zhuǎn)速為0.5～1轉(zhuǎn)/秒。
加載機(jī)構(gòu)為一個(gè)彈簧加載機(jī)構(gòu)，如圖1所示，該機(jī)構(gòu)由加載桿〔6〕和彈簧〔7〕、〔8〕構(gòu)成，球面副〔D〕的球窩布置在加載桿〔6〕的中部，並同連桿〔5〕固定連接，彈簧〔7〕的一端同加載桿〔6〕的一端相連，另一端固定在機(jī)座上，彈簧〔8〕的布置方式與彈簧〔7〕相同，要求彈簧〔7〕和彈簧〔8〕必須布置成相互對(duì)稱的，兩者的規(guī)格型號(hào)必須是一致的，布置在機(jī)座上的球面副〔C〕必須位于彈簧〔7〕和〔8〕所在的平面內(nèi)。
生理液槽內(nèi)盛有Hank′s生理液，外部布置一個(gè)帶控溫電加熱的保溫水套，為有利于實(shí)現(xiàn)生理液的工作溫度穩(wěn)定在37±0.5℃，生理液槽同外加保溫水套的最佳容積比為1∶7。代表人工髖關(guān)節(jié)的球面副〔C〕置于生理液槽中進(jìn)行模擬試驗(yàn)。
快速腐蝕磨損檢測(cè)球面副〔C〕的球頭在生理液槽中組成測(cè)量電極偶。然后聯(lián)接電位給定和測(cè)量的Y系統(tǒng)，聯(lián)接電流測(cè)量和放大記錄的X系統(tǒng)。
本設(shè)計(jì)的人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)，當(dāng)原動(dòng)件〔ω〕轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，人工髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡為一個(gè)具有三維自由度的空間不規(guī)則的橢圓，示于圖2，它的最大振幅;屈曲一伸展全振幅為42°，外展一內(nèi)收全振幅為18°，外旋一內(nèi)旋全振幅為22°，而人體髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)相應(yīng)的參數(shù)為45°、13°、14°，兩者運(yùn)動(dòng)的形態(tài)相似，模擬精度較高。
本模擬試驗(yàn)機(jī)在一定規(guī)格彈簧〔7〕、〔8〕加載下運(yùn)行，通過帶有布置在連桿〔3〕的球頭處測(cè)力傳感器的儀器測(cè)定，可以重復(fù)地得到如圖3所示的股骨頭壓力變化圖，圖中T-運(yùn)動(dòng)周期，P-壓力，P1-自重負(fù)荷壓力曲線，P2-加載時(shí)壓力曲線，P2有兩個(gè)波峰值，並集中在60%的步行周期內(nèi)，當(dāng)采用50kg規(guī)格的彈簧時(shí)，最大峰值力為180公斤，約為人體體重的3倍。如需加速試驗(yàn)，可以增大彈簧力。
人工髖關(guān)節(jié)假體的磨損，經(jīng)過研究，實(shí)際上同時(shí)存在著磨損和腐蝕，本模擬試驗(yàn)機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)通過測(cè)定生理液槽中的離子電荷遷移率來快速地確定人工髖關(guān)節(jié)的實(shí)際磨蝕率，借此預(yù)測(cè)特定材料制作的人工髖關(guān)節(jié)假體的使用壽命，這對(duì)于開展長(zhǎng)壽命的人工假肢體材料研究具有重要意義。
本設(shè)計(jì)的連桿式人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)同已有的試驗(yàn)機(jī)比較，具有如下突出優(yōu)點(diǎn)1、所用的連桿機(jī)構(gòu)為一個(gè)含有三個(gè)球面副的對(duì)角球鉸空間七連桿機(jī)構(gòu)，保證人工髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡具有3維轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，同人體髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡形態(tài)相似，模擬精確度高。
2、采用彈簧加載機(jī)構(gòu)，施加載荷的變化規(guī)律同人體髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的承受力相一致，因人體運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉韌帶等收縮松弛過程富有彈性，采用彈簧加載可較好地模擬人體生物力的加載特點(diǎn)，這是本模擬試驗(yàn)機(jī)的模擬精度較高的主要原因之一。而這是已有的液壓加載或機(jī)械方式加載的模擬試驗(yàn)機(jī)所不具備的。
3、本設(shè)計(jì)進(jìn)一步考慮了人工髖關(guān)節(jié)同時(shí)存在的機(jī)械磨損和腐蝕耗損兩種因素。生理液中的離子電荷遷移率的大小同人工髖關(guān)節(jié)的機(jī)械磨損速度和腐蝕耗損速度密切相關(guān)，通過測(cè)定離子電荷遷移率可以正確地反映人工髖關(guān)節(jié)的磨蝕率，以此預(yù)測(cè)的人工假肢體使用壽命具有較高的可靠性。比只考慮機(jī)械磨損的測(cè)試結(jié)果優(yōu)越。
4、通過測(cè)定生理液內(nèi)離子電荷遷移率，確定人工髖關(guān)節(jié)的磨蝕速率，測(cè)試時(shí)間只需一天，為已有測(cè)試方法的3～5%，便可對(duì)人工髖關(guān)節(jié)的使用壽命作出預(yù)測(cè)，對(duì)于使用壽命長(zhǎng)達(dá)幾十年的也同樣適用。而已有的模擬試驗(yàn)機(jī)測(cè)試時(shí)間為20～30天。
實(shí)施例如圖1所示的對(duì)角球鉸空間七連桿人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)，原動(dòng)件〔ω〕轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/分，曲柄〔1〕高70mm，迴轉(zhuǎn)半徑70mm，連桿〔2〕、〔3〕、〔4〕、〔5〕長(zhǎng)度分別為250mm、180mm、400mm、180mm，球面副〔A〕、〔D〕的球頭直徑為40mm，球窩直徑為40mm，球面副〔C〕的球頭直徑為32mm，球窩直徑為32mm，其位置座標(biāo)為(0，400，0)，轉(zhuǎn)動(dòng)副〔E〕位置座標(biāo)為(0，0，500)。
如圖1所示的加載裝置，加載桿〔6〕長(zhǎng)度為400mm，彈簧〔7〕、〔8〕與水平面間的夾角60～75°，每根彈簧規(guī)格為50kg。
按上述布置試驗(yàn)機(jī)，當(dāng)原動(dòng)件〔ω〕以每分60轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，球面副〔C〕的運(yùn)動(dòng)軌跡同人體正常行走時(shí)髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡相一致，球面副〔C〕的受力狀況同人體髖關(guān)節(jié)受力狀況吻合得較好，測(cè)定結(jié)果示于圖2和圖3，圖3中最大峰值力為180kg。
應(yīng)用本試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行人工假體髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)，當(dāng)采用Tc4鈦合金和CoCr合金制作的球頭，分別置于PH值為7.4，溫度為37±0.5℃的Hank′s生理液中，腐蝕磨損的電量測(cè)試結(jié)果如圖4所示。
通過本試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，可以判斷目前制作假肢體的材料是否符合生理要求，預(yù)測(cè)其使用壽命。本試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，目前不少單位以鈦合金Ti6Al4V作為人工髖關(guān)節(jié)假肢材料是不可取的，應(yīng)當(dāng)尋求能令人滿意的假肢體材料。
權(quán)利要求
1.一種含有空間連桿機(jī)構(gòu)、加載機(jī)構(gòu)、生理液槽和檢測(cè)系統(tǒng)組成的對(duì)角球鉸空間七連桿人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)，其特征在于它的空間連桿機(jī)構(gòu)為一組由一個(gè)原動(dòng)件[ω]、一個(gè)曲柄[1]、一個(gè)球面副[A]、一個(gè)連桿[2]、一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副[B]、一個(gè)連桿[3]、一個(gè)球面副[C]、一個(gè)連桿[4]、一個(gè)球面副[D]、一個(gè)連桿[5]和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副[E]構(gòu)成的對(duì)角球鉸空間七連桿機(jī)構(gòu)，一個(gè)由加載桿[6]和彈簧[7]、[8]構(gòu)成的彈簧加載機(jī)構(gòu)，一個(gè)可測(cè)定生理液中同人工髖關(guān)節(jié)的機(jī)械磨損速度和腐蝕速度密切相關(guān)的離子電荷遷移率的快速測(cè)試系統(tǒng)以及一個(gè)外加保溫水套的生理液槽。
2.按照權(quán)利要求
1所述的模擬試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所述的彈簧加載機(jī)構(gòu)的加載桿〔6〕位于水平位置，其中部同球面副〔D〕的球窩固定連接。
3.按照權(quán)利要求
1所述的模擬試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所述的彈簧加載機(jī)構(gòu)中的彈簧〔7〕和〔8〕的一端同加載桿〔6〕的一端相連，另一端固定在機(jī)座上。
4.按照權(quán)利要求
1和3所述的模擬試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所述的彈簧〔7〕和彈簧〔8〕必須布置成相互對(duì)稱的。
5.按照權(quán)利要求
1和3所述的模擬試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所述的彈簧〔7〕和彈簧〔8〕的規(guī)格必須是一致的。
6.按權(quán)利要求
1和3所述的模擬試驗(yàn)機(jī)，其特征在于布置在機(jī)座上的球面副〔C〕必須位于彈簧〔7〕和〔8〕所在的平面內(nèi)。
7.按照權(quán)利要求
1所述的模擬試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所述的生理液槽帶有一個(gè)外加保溫水套，生理液槽同保溫水套最佳的容積比為1∶7～1∶7.2。
8.按照權(quán)利要求
1所述的模擬試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所述的檢測(cè)系統(tǒng)含有一個(gè)快速測(cè)定生理液槽中離子電荷遷移率的裝置。
專利摘要
一種對(duì)角球鉸空間七連桿人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)，采用含有對(duì)角球鉸空間連桿機(jī)構(gòu)和彈簧加載機(jī)構(gòu)，設(shè)有一個(gè)可快速測(cè)定生理液槽中離子電荷遷移率的檢測(cè)系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G09B23/28GK87103964SQ87103964
公開日1988年2月10日 申請(qǐng)日期1987年5月30日
發(fā)明者張美康, 毛志遠(yuǎn), 曹征旺 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan