一种离体髋关节动态加载平台的制作方法

1.本实用新型涉及关节生物力学领域，具体涉及一种离体髋关节动态加载平台。


背景技术：

2.髋关节作为人体第二大负重关节，支撑整个上肢躯干重量，在日常生活中起到调整步态、维持平衡、防止跌倒的作用。但是由于长期负重过大，易引发关节疾病，例如，股骨头坏死、髋关节碰撞综合症等，需要通过手术治疗缓解症状。其中，全髋关节置换术是治疗终末期髋关节疾病的可靠治疗手段。据世卫组织(who)在2017年的统计研究表明，目前髋关节置换率达到了每10万人口182位，在2007年至2017年之间，髋关节置换率平均提高了30％。
3.此外，医学研究报道指出全球每年有6％约12万的初次接受髋关节置换手术的病人需在5年内接受翻修手术。髋关节置换手术后有24％的患者对术后行走功能不满意，这表明髋关节置换手术后仍然存在很大提升空间。
4.为了提高髋关节手术效果，减少髋关节疾病和手术后的并发症，需要针对不同的髋关节疾病或手术方案进行离体生物力学分析。现有离体实验平台主要通过机械臂系统模拟髋关节临床在体的运动情况，评估不同的髋关节疾病或手术方式的生物力学影响。比如专利：人工髋关节模拟试验机(专利号：201120102798.2)，可进行多自由度对髋关节情况的模拟，但不适用于机械臂系统，且研究对象针对髋关节假体而非髋关节。一种髋关节的体外定位夹具(专利号：201920970628.2)以及一种髋关节固定支具(专利号：202020025690.7)，主要通过体外固定以辅助或保证运动，不适用基于体外标本进行的实验研究。
5.基于此，有必要设计一款用于离体髋关节生物力学分析的离体髋关节动态加载平台。


技术实现要素：

6.本技术提供一种离体髋关节动态加载平台，用于解决针对不同的髋关节疾病或手术方案进行离体生物力学分析实验加载。
7.本技术实施例提供了一种离体髋关节动态加载平台，包括：第一加载单元、第二加载单元，
8.所述第一加载单元连接机械臂末端，用于夹紧股骨样本支撑件；
9.所述第二加载单元设于实验平台上，连接髂前上棘支撑件和髂后上棘支撑件，用于夹紧不同尺寸的骨盆样本；
10.所述第一加载单元受机械臂的驱动力，控制股骨样本相对骨盆样本进行多自由度运动，复现髋关节在体功能姿态。
11.进一步地，所述第一加载单元包括股骨夹具组件和法兰盘，所述股骨夹具组件通过所述法兰盘固设于所述机械臂末端。
12.进一步地，所述股骨夹具组件包括固定夹持块、活动夹持块以及若干第一锁紧件，
13.所述固定夹持块包括一体成型的第一连接基座和第一夹持体，所述第一连接基座的一端垂直安装于所述法兰盘端面，另一端与所述第一夹持体的端部垂直固定；
14.所述第一夹持体朝外的第一侧面设有第一夹持槽；
15.所述活动夹持块设置于所述第一侧面的一侧，并可相对所述第一侧面运动，所述活动夹持块为第二夹持体，所述第二夹持体与所述第一侧面相对的侧面上设置有第二夹持槽；所述第一夹持槽和所述第二夹持槽共同形成夹持所述股骨样本支撑件的夹持通槽；
16.各所述第一锁紧件设于所述第一夹持体与所述第二夹持体之间，用于锁紧所述活动夹持块。
17.进一步地，所述股骨夹具组件包括第二连接基座、套筒夹具本体以及若干第二锁紧件；
18.所述第二连接基座的一端部垂直安装于所述法兰盘端面；
19.所述套筒夹具本体包括一端开口的柱形腔体，用于夹持所述股骨样本支撑件；另一端垂直安装于所述第二连接基座的端面上；
20.各所述第二锁紧件穿设所述柱形腔体的侧壁，用于锁紧夹持的所述股骨样本支撑件。
21.进一步地，所述第二加载单元包括底座、第一固定组件、第二活动组件；
22.所述底座设于实验平台上；
23.所述第一固定组件固定安装于所述底座上，连接所述骨盆样本的一侧；
24.所述第二活动组件活动安装于所述底座上，连接所述骨盆样本的另一侧；
25.通过调节所述第二活动组件与所述第二固定组件之间的距离，适配夹紧不同尺寸的所述骨盆样本。
26.进一步地，所述第一固定组件包括第一固定基座、第一支撑件安装座；所述第一固定基座固设安装于所述底座上，用于活动安装所述第一支撑件安装座，所述第一支撑件安装座上设有用于夹持固定所述骨盆样本的髂前上棘支撑件的第一固定槽；
27.所述第二活动组件包括第二活动基座、第二支撑件安装座，所述第二活动基座活动安装于所述底座上，用于活动安装所述第二支撑件安装座，所述第二支撑件安装座上设有用于夹持固定所述骨盆样本的髂后上棘支撑件的第二固定槽；
28.且所述第一固定槽与所述第二固定槽相向设置。
29.进一步地，所述第一固定基座包括第一安装槽，所述第一安装槽内侧壁上设有第一内导槽，所述第一支撑件安装座上设有第一凸起块，所述第一支撑件安装座安装于所述第一安装槽内时，所述第一凸起块限位滑动于所述第一内导槽上；
30.所述第二活动基座包括第二安装槽，所述第二安装槽内侧壁上设有第二内导槽，所述第二支撑件安装座上设有第二凸起块，所述第二支撑件安装座安装于所述第二安装槽内时，所述第二凸起块限位滑动于所述第二内导槽上；
31.且所述第一安装槽与所述第二安装槽相向设置。
32.进一步地，所述底座上设有滑轨，所述第二活动基座的底部设有滑块，所述第二活动基座活动安装于所述底座上时，所述滑块滑动于所述滑轨上。
33.进一步地，所述第二加载单元还包括限位杆和若干第三锁紧件，
34.所述第一固定基座包括第一限位块，所述第一限位块上设有第一限位孔和第一锁
紧孔；
35.所述第二活动基座包括第二限位块，所述第二限位块上设有第二限位孔和第二锁紧孔，
36.所述限位杆穿设于所述第一限位通孔、所述第二限位通孔，并通过所述第三锁紧件限位固定所述第二活动基座相对所述第一固定基座的相向运动。
37.依据上述实施例的离体髋关节动态加载平台，本技术具有如下有益效果：
38.(1)由于采用第一加载单元夹紧股骨样本支撑件，采用第二加载单元夹紧不同尺寸的骨盆样本，操作简单，实验成本低，有利于可持续性循环利用。
39.(2)由于在股骨样本以及骨盆样本上设置支撑件，解决股骨样本以及骨盆样本自身表面材质问题，从而方便实验操作的可持续性。
40.(3)由于第二活动基座相对第一固定基座之间的距离可调节，适配不同尺寸的骨盆样本，便于设备的重复利用，以及适配不同尺寸的骨盆样本。
41.(4)由于采用限位杆连接第一固定基座和第二活动基座，确保第一固定基座和第二活动基座的相互平行，也保证了将第一固定基座锁定在底座上后，可通过调节第二活动基座相对第一固定基座的距离，起到改变相对位置的效果。
附图说明
42.图1为本技术实施例的一种离体髋关节动态加载平台的结构示意图；
43.图2为本技术实施例二中的一种第一加载单元的结构示意图；
44.图3为本技术实施例二中图3的局部放大图；
45.图4为本技术实施例二中的另一种第一加载单元的结构示意图；
46.图5为本技术实施例三中的一种第二加载单元的结构示意图。
47.附图标号：
48.第一加载单元10，第二加载单元20，机械臂末端30，股骨样本40，骨盆样本50，股骨样本支撑件60，髂前上棘支撑件70，髂后上棘支撑件80，法兰盘2000，固定夹持块1100，第一连接基座1110，第一夹持体1120，第一夹持槽1121，活动夹持块1200，第二夹持体1220，第二夹持槽1221，第二连接基座1300，套筒夹具本体1400，第一固定基座3100，第一支撑件安装座3200，第一固定槽3210，第一凸起块3211，第一限位块3120，第一限位孔3121，第一锁紧孔3122，第二活动基座4100，第二内导槽4111，第二支撑件安装座4200，第二凸起块4211，第二限位块4120，第二限位孔4121，第二锁紧孔4122，底座5100，滑轨5110，限位杆6100。
具体实施方式
49.下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
50.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定
的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
51.实施例一
52.如图1所示，本技术实施例提供了一种离体髋关节动态加载平台，包括：第一加载单元10、第二加载单元20。
53.本实施例中的第一加载单元10连接机械臂末端30，用于夹紧股骨样本支撑件60。第二加载单元20设于实验平台上，连接髂前上棘支撑件70和髂后上棘支撑件80，用于夹紧不同尺寸的骨盆样本50。第一加载单元10受机械臂的驱动力，控制股骨样本40相对骨盆样本50进行多自由度运动，复现髋关节在体功能姿态。
54.本实施例中，股骨样本40相对骨盆样本50进行多自由度运动，进一步地，臀部两侧的髋关节支撑人体运动的关键关节部位，可以理解为髋关节主导每个人的生活，比如，下肢运动取决于近段股骨，因此掌控股骨的髋关节控制人体跑、跳、蹲等基本动作，同样由于连接骨盆，髋关节决定上半身的支撑稳定。进一步地，由于髋关节作为人体最大的球窝关节，实现较多动作，比如以解剖学角度描述，经典动作有：屈髋、伸髋、外旋、内旋、外展、内收。而支撑这些动作能力的，也是髋关节的两个主要部分——股骨头、髋臼。
55.本实施例中的第二加载单元20可以根据骨盆样本50的尺寸自由调节夹持盆骨样本的相对距离，从而合理适配不同尺寸的骨盆样本50。
56.为方便实验操作的可持续性和连贯性，本实施例在髋关节的两端，即股骨样本40、骨盆样本50与加载平台连接处设置支撑件，接于样本表面质地，本实施例将在样本上设置便于固定夹设的支撑件，即本实施例中的股骨样本40、骨盆样本50上的支撑件可以理解为坚硬的石膏介质。
57.进一步地，本实施例中的股骨样本支撑件60可以理解为连接股骨样本40远端的支撑件，支撑件的实现可以体现为将石灰和水按比例倒入标准几何容纳腔中凝固，形成石膏介质，并与股骨样本40远端进行黏合固定，黏合固定的方式中进一步可以包括但不限于利用夹具间距缩短、置入紧固螺钉等，当然均在本实施方式的可实现范围内，对此不做限定。本实施例中的股骨样本支撑件60采用圆柱体，即标准几何容纳腔为圆柱形腔体。
58.进一步地，本实施例中骨盆样本50的髂前上棘支撑件70和髂后上棘支撑件80，可以理解为分别设置于髂前上棘和髂后上棘的支撑件，实现方式可以体现为，预备两个结构相同的几何容纳腔，容纳腔内按比例调配石灰和水制成石膏固定于凝固于容纳腔内，并与髂前上棘或髂后上棘黏合形成支撑件。
59.实施例二
60.参考图2
‑
4所示，基于实施例一中提供的一种离体髋关节动态加载平台，包括第一加载单元10，第一加载单元10连接机械臂末端30，用于夹紧股骨样本支撑件60。
61.本实施例中的第一加载单元10包括股骨夹具组件和法兰盘2000，股骨夹具组件通过法兰盘2000固设于机械臂末端30。进一步地，法兰盘2000中轴与机械臂末端30中轴对应，
以减少微动引起的误差。进一步地，法兰盘2000上设有若干螺孔，通过螺栓类紧固件将股骨夹具组件固定在法兰盘2000上，从而使得机械臂末端30运动时，带动股骨夹具组件一起运动。对于股骨夹具组件的具体结构，可以但不局限于本实施例给出的两种实施方案。
62.在一种实施例中，参考图2
‑
3所示，股骨夹具组件包括固定夹持块1100、活动夹持块1200以及若干第一锁紧件，固定夹持块1100包括一体成型的第一连接基座1110和第一夹持体1120，第一连接基座1110的一端垂直安装于法兰盘2000端面，另一端与第一夹持体1120的端部垂直固定。第一夹持体1120朝外的第一侧面设有第一夹持槽1121；活动夹持块1200设置于第一侧面的一侧，并可相对第一侧面运动，活动夹持块1200为第二夹持体1220，第二夹持体1220与第一侧面相对的侧面上设置有第二夹持槽1221；第一夹持槽1121和第二夹持槽1221共同形成夹持股骨样本支撑件60的夹持通槽；各第一锁紧件设于第一夹持体1120与第二夹持体1220之间，用于锁紧活动夹持块1200。
63.进一步地，法兰盘2000上设有若干第一螺孔，通过第一螺栓穿设第一螺孔连接机械臂末端30，以实现法兰盘2000与机械臂末端30的固定。法兰盘2000上设有若干第二螺孔，第二螺孔沿第一连接基座1110一末端结构排列。具体实施安装时，可以先将法兰盘2000安装于第一连接基座1110上，然后再将法兰盘2000安装于机械臂末端30，可以看出，法兰盘2000通过第一螺孔、第二螺孔将第一连接基座1110固设连接机械臂末端30，实现固定夹持块1100的固定。
64.本实施例中的第一夹持体1120和第二夹持体1220上设有若干第三螺孔，且第一夹持体1120和第二夹持体1220上的第三螺孔相互对应。本实施例中的第一锁紧件可以但不局限于螺栓，第一锁紧件穿设一一对应的第三螺孔，将第一夹持体1120与第二夹持体1220固定安装。本实施例中安装股骨样本支撑件60时，需要如实施例一中，将股骨样本40的支撑件固定在股骨样本40远端，然后再将股骨样本支撑件60设置在第一夹持体1120和第二夹持体1220之间的夹持通槽中，通过拧紧第一锁紧件，缩短第一夹持体1120与第二夹持体1220之间的距离，实现夹持通槽对股骨样本支撑件60的夹持作用。
65.为了加固夹持通槽对股骨样本支撑件60的固定，本实施例中，第一夹持体1120和/或第二夹持体1220的侧壁上设有第一通孔，通过螺钉类紧固件穿设第一通孔，并穿进股骨样本支撑件60中实现对夹持通槽对股骨样本支撑件60的进一步加强固定。当然，第一通孔可以采用螺纹孔设计，随着螺钉类紧固件加深拧如，实现对股骨样本支撑件60的加固安装。
66.在另一种实施例中，参考图4所示，股骨夹具组件包括第二连接基座1300、套筒夹具本体1400以及若干第二锁紧件；第二连接基座1300的一端部垂直安装于法兰盘2000端面；套筒夹具本体1400包括一端开口的柱形腔体，用于夹持股骨样本支撑件60；另一端垂直安装于第二连接基座1300的端面上；各第二锁紧件穿设柱形腔体的侧壁，用于锁紧夹持的股骨样本支撑件60。
67.本实施例中的第二连接基座1300可以理解为刚性连接板，本实施例的刚性连接板包括但不局限于两种设计，给出的两种设计中，一种是第二连接基座1300与法兰盘2000一体成型，即第二连接基座1300与法兰盘2000刚性连接，不需要考虑第二连接基座1300与法兰盘2000的中轴对齐问题；另一种是第二连基座与法兰盘2000的安装部上设有若干第四螺孔，对应法兰盘2000上也设有相应的第四螺孔，通过螺钉穿设法兰盘2000以及第二连接基座1300上的第四螺孔，将第二连接基座1300固定在法兰盘2000上。
68.本实施例中，第二连接基座1300下端面上设有多个第五螺孔，对应的套筒夹具本体1400的上端面上也设有一一对应的第五螺孔，进而利用螺栓类紧固件穿设一一对应的第五螺孔，将套筒夹具本体1400的上端面紧密固定在第二连接基座1300的下端面上。
69.本实施例中的股骨样本支撑件60采用实施例一中的方法固定成型，套筒夹具本体1400采用开口朝下的柱形腔体，套筒夹具本体1400套接在股骨样本支撑件60上，此时，为避免股骨样本支撑件60在实验过程中滑落，本实施例中，在套筒夹具本体1400的侧壁上开设有若干第六螺孔，然后利用螺栓类紧固件或者克氏针穿设多个第六螺孔，将股骨样本支撑件60进一步固定于套筒夹具本体1400的腔体内，从而确保实验过程的可持续性。
70.实施例三
71.参考图5所示，本技术实施例提供了一种离体髋关节动态加载平台，包括：第二加载单元20，第二加载单元20设于实验平台上，连接髂前上棘支撑件70和髂后上棘支撑件80，用于夹紧不同尺寸的骨盆样本50。可以看出，本实施例中基于实施例一关于第二加载单元20进行的展开描述，目的在于假设任意尺寸的骨盆样本50，因此本实施例可实现对不同尺寸的骨盆样本50进行夹紧固定。
72.本实施例中的第二加载单元包括底座5100、第一固定组件、第二活动组件；底座设于实验平台上；第一固定组件固定安装于底座上，连接骨盆样本50的一侧；第二活动组件活动安装于底座5100上，连接骨盆样本50的另一侧；通过调节第二活动组件与第二固定组件之间的距离，适配夹紧不同尺寸的骨盆样本50。
73.本实施例的底座5100设于实验平台上。安装时，可以先将底座5100固定在实验平台的特定位置上，然后再安装底座5100上方的其他零部件。本实施例中的底座5100上设有螺孔/通孔，通过螺栓/螺钉类紧固件，将底座5100与外部设备，比如实验平台进行更加稳定的刚性连接。
74.进一步地，本实施例中第一固定组件包括第一固定基座3100、第一支撑件安装座3200；第一固定基座3100固设安装于底座5100上，用于活动安装第一支撑件安装座3200，第一支撑件安装座3200上设有用于夹持固定骨盆样本50的髂前上棘支撑件70的第一固定槽3210。
75.第二活动组件包括第二活动基座4100、第二支撑件安装座4200；第二活动基座4100活动安装于底座5100上，用于活动安装第二支撑件安装座4200，第二支撑件安装座4200上设有用于夹持固定骨盆样本50的髂后上棘支撑件80的第二固定槽；且第一固定槽3210与第二固定槽相向设置。
76.由图5可以看出，本实施例中由于第一固定基座3100固定在底座5100上，而第二活动基座4100活动设于底座5100上，并且分别夹持固定同一个骨盆样本50的髂前上棘支撑件70、髂后上棘支撑件80，因此可以理解为，通过第二活动基座4100活动安装来适配不同尺寸的骨盆样本50，即第二活动基座4100根据骨盆样本50的尺寸自由调节与第一固定基座3100的相对距离，并合理适配第二活动基座4100的安装位置。
77.本实施例中，第一固定基座3100包括第一安装槽，第一安装槽内侧壁上设有第一内导槽，第一支撑件安装座3200上设有第一凸起块3211，第一支撑件安装座3200安装于第一安装槽内时，第一凸起块3211限位滑动于第一内导槽上；第二活动基座4100包括第二安装槽，第二安装槽内侧壁上设有第二内导槽4111，第二支撑件安装座4200上设有第二凸起
块4211，第二支撑件安装座4200安装于第二安装槽内时，第二凸起块4211限位滑动于第二内导槽4111上；且第一安装槽与第二安装槽相向设置。
78.如图5所示，第一固定基座3100与第二活动基座4100的结构尺寸均相同，但第一安装槽和第二安装槽的位置相对设置。本实施例中的第一支撑件安装座3200与第二支撑件安装座4200的结构尺寸均相同，但第一固定槽3210和第二固定槽的位置也相对设置。
79.本实施例中的第一固定槽3210用于夹持固定骨盆样本50的髂前上棘支撑件70，第二固定槽用于夹持骨盆样本50的髂后上棘支撑件80。进一步地，第一固定槽3210和第二固定槽均为一侧开口的类似长方体结构的容纳腔，在一种实施例中，为凝固形成髂前上棘支撑件70/髂后上棘支撑件80，可以直接将石灰粉与水按石膏介质形成比例混合在支撑件固定槽中与髂前上棘/髂后上棘凝结。本实施例中的第一固定槽3210和第二固定槽的侧壁上均开设有第七螺孔，髂前上棘支撑件70设于第一固定槽3210内，以及髂后上棘支撑件80设于第二固定槽内时，利用螺栓类紧固件或者克氏针穿设第七螺孔，插入到髂前上棘支撑件70或者髂后上棘支撑件80内，以此对髂前上棘支撑件70或者髂后上棘支撑件80做进一步固定。
80.进一步地，本实施例中第一安装槽和第二安装槽均采用立体式开口腔体设计，比如立方体，且开口位于相邻两侧面，如图5所示，开口位于上端面以及一侧端面，并且第一安装槽和第二安装槽的侧端面开口相向设计。
81.进一步地，第一支撑件安装座3200安装于第一固定基座3100的第一安装槽内时，直接将第一支撑件安装座3200插入第一安装槽中。第二支撑件安装座4200安装于第二活动基座4100的第二安装槽内时，直接将第二支撑件安装座4200插入第二安装槽中。并且，第一安装槽与第二安装槽相向设置。优选地，本实施例中第一安装槽内侧壁上设有第一内导槽，第一支撑件安装座3200上设有第一凸起块3211，第一支撑件安装座3200安装于第一安装槽内时，第一凸起块3211限位滑动于第一内导槽上；第二安装槽内侧壁上设有第二内导槽4111，第二支撑件安装座4200上设有第二凸起块4211，第二支撑件安装座4200安装于第二安装槽内时，第二凸起块4211限位滑动于第二内导槽4111上。
82.在一种实施例中，底座5100上设有滑轨5110，第二活动基座4100的底部设有滑块，第二活动基座4100活动安装于底座5100上时，滑块滑动于滑轨5110上。本实施例中采用滑轨5110式活动连接，以便调节不同尺寸的骨盆样本50，当然对于活动连接方式，本实施例不局限于此。比如，第二活动基座4100的底部设有螺栓，底座5100上设有滑槽，第二活动基座4100通过螺栓滑动固定于滑槽中。
83.为固定第二活动基座4100的安装位置，本实施例中的第二加载单元20还包括限位杆6100和若干第三锁紧件，第一固定基座3100包括第一限位块3120，第一限位块3120上设有第一限位孔3121和第一锁紧孔3122；第二活动基座4100包括第二限位块4120，第二限位块4120上设有第二限位孔4121和第二锁紧孔4122，限位杆6100穿设于第一限位通孔、第二限位通孔，并通过第三锁紧件限位固定第二活动基座4100相对第一固定基座3100的相向运动。参考附图5，可以看出，本实施例中的限位杆6100设有2个，与之相应的，第一固定基座3100以及第二活动基座4100对称位置分别设有两个第一限位块3120，对第二活动基座4100的滑动进行限位的同时，确保限位后第二活动基座4100的稳定性。进而利用限位杆6100可以使得第一固定基座3100和第二活动基座4100之间保持相对平行且稳定。
84.以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。