一种用于脊柱植入物的疲劳试验装置的制作方法

1.本发明属于人体植入物力学测试技术领域，具体的说，是涉及一种用于脊柱植入物的疲劳试验装置。


背景技术：

2.人口老龄化、政府支持以及收入水平的提高都是骨科植入物发展的潜在因素。脊柱植入物临床应用已成为现代脊柱病治疗的一大主流方向。目前脊柱植入物有融合器固定和钉棒固定两种方式，其中临床上以钉棒固定为主。现有的钉棒固定系统由椎弓根螺钉、连接杆、防松螺塞组成，其作用包括解除脊髓压迫，重建脊柱和骨性融合。通常通过向脊柱中相同椎体空间植入钉棒固定系统的方式来支撑椎骨，保证两椎体之间的高度。
3.可见，钉棒固定系统作为长期植入体的人工构件，不仅要考虑到生物相容性，还要考虑到力学相容性，也就是说人体能够长期适应脊柱植入物。
4.为确保脊柱植入物植入人体后的安全性和稳定性，需针对脊柱植入物进行一系列的理化测试。根据yy/t 0857(椎体切除模型中脊柱植入物试验)规定，试验过程中由钉棒固定系统植入两个超高分子量聚乙烯块来进行模拟试验，试验机上的两组夹具对植入物组件(包括钉棒固定系统和所连接的超高分子聚乙烯块)进行夹持，以模拟植入物组件在人体受力情况下的疲劳寿命。
5.但是，现有技术中的夹具安装较为复杂，高分子聚乙烯块通过螺栓螺母与夹具连接，其螺栓螺杆位于聚乙烯块内，螺杆与通孔之间没有间隙采用基孔制过度配合,能精准固定被联结位置,并能承受横向载荷,但加工精度要求高。并且，现有螺栓螺杆分为9.6mm直径和12.8mm直径两种，分别对应不同的植入物组件，其中脊椎结构使用9.6mm的螺栓螺杆，腰胸椎、腰椎和腰骶椎结构使用12.8mm的螺栓螺杆。因此，进行不同脊柱植入物疲劳试验需要对试验装置进行整体替换。同时，现有夹具采用螺母对螺栓进行紧固，螺母在连接时也须保持适当的预紧力，如果螺母预紧力过大可能拧断螺栓，预紧力不足则导致松动。大多数螺栓因疲劳而失效。减小预紧力虽然能使螺栓上循环变化的总载荷平均值减小，但却使载荷变幅增大，因此，总的效果大多数是使螺栓经过长时间的工作疲劳寿命下降，容易引起断裂。


技术实现要素：

6.本发明旨在解决脊柱植入物疲劳试验装置中聚乙烯块安装的相关技术问题，提供了一种用于脊柱植入物的疲劳试验装置，便于加工制造，在不要求预紧力的前提下也能够定位精准，并且可以适用于各种不同尺寸的试样，安装拆卸操作简单，替换试样更为方便，从而实现提高疲劳试验工作效率。
7.为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
8.本发明提供了一种用于脊柱植入物的疲劳试验装置，包括上夹具和下夹具，所述上夹具和所述下夹具内均安装有聚乙烯块，所述上夹具和所述下夹具内的聚乙烯块之间连接针棒固定系统；所述聚乙烯块通过销轴、套筒、r型销固定于上夹具和下夹具；
9.所述上夹具和所述下夹具均由底板和连接在底板两端的侧板构成，两块侧板分别设置有第一销孔和第二销孔；所述聚乙烯块设置有通孔；所述第一销孔、所述第二销孔和所述通孔均用于穿过所述销轴；
10.所述销轴包括直径依次减小的第一区段、第二区段和第三区段，所述第一区段的直径大于所述第一销孔和所述第二销孔，所述第二区段和所述第三区段的直径小于所述第一销孔和所述第二销孔；所述销轴穿过所述第一销孔、所述聚乙烯块的通孔以及所述第二销孔，并且所述第一区段和所述第三区段分别位于两块所述侧板外部，所述第二区段位于两块所述侧板之间；
11.所述套筒沿其轴向设置有轴孔，通过所述轴孔套装在所述销轴的第三区段外部；所述套筒和所述销轴的第三区段均沿径向设置有连接孔，所述套筒和所述销轴的第三区段的连接孔对齐后，用于安装所述r型销；
12.所述r型销包括插入杆和夹紧杆，所述插入杆插入所述套筒和所述销轴的第三区段的连接孔，并使所述夹紧杆夹紧于所述套筒外部，从而将所述套筒与所述销轴固定，由此实现将所述聚乙烯块固定在所述上夹具和所述下夹具内部。
13.进一步地，所述第一区段的端部设置有手持部并在手持部外侧加工有防滑纹。
14.进一步地，所述第二区段的直径小于所述聚乙烯块的通孔，使得所述销轴适用于不同尺寸的所述聚乙烯块。
15.进一步地，所述钉棒固定系统连接在所述上夹具的所述聚乙烯块和所述下夹具的所述聚乙烯块之间，每套所述钉棒固定系统包括连接杆，所述连接杆两端通过椎弓根螺钉和防松螺塞与所述聚乙烯块固定连接。
16.更进一步地，所述椎弓根螺钉一端设置有u型槽，u型槽加工有内螺纹；椎弓根螺钉另一端设置有外螺纹，用于与所述聚乙烯块螺纹连接；所述连接杆端部插入所述椎弓根螺钉的u型槽，并通过拧入防松螺塞对连接杆端部进行锁定。
17.本发明的有益效果是：
18.本发明提供的一种用于脊柱植入物的疲劳试验装置，采用直径分区段依次减小的销轴，销轴一端通过自身限位、另一端通过加装套筒限位，以此实现与夹具和聚乙烯块的连接，这样对脊椎结构、腰胸椎结构、腰椎结构和腰骶椎结构都可以适用，达到了销轴通用效果，解决了更换不同椎体时过程繁琐且不易拆卸的难题；并且采用r型销将套筒与销轴锁定，能够达到轴向定位和防止转动的目的，在不要求预紧力的前提下也能够定位精准，安装拆卸快捷方便，提高了疲劳试验的工作效率。
附图说明
19.图1是本发明实施例所提供的疲劳试验装置的第一角度结构示意图；
20.图2是本发明实施例所提供的疲劳试验装置的第一角度结构示意图；
21.图3是本发明实施例所提供的疲劳试验装置中上夹具的结构示意图；
22.图4是本发明实施例所提供的疲劳试验装置中销轴的结构示意图；
23.图5是本发明实施例所提供的疲劳试验装置中套筒的结构示意图；
24.图6是本发明实施例所提供的疲劳试验装置中r型销的结构示意图；
25.图7是本发明实施例所提供的疲劳试验装置中针棒固定系统的结构示意图。
26.上述图中：1：上夹具；2：下夹具；3：销轴；4：r型销；5：套筒；6：聚乙烯块；7：针棒固定系统；701：椎弓根螺钉；702：连接杆；703：防松螺塞；a：第一销孔；b：第二销孔；c：第一连接孔；d：第二连接孔；e：轴孔。
具体实施方式
27.为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
28.如图1和图2所示，本实施例提供了一种用于脊柱植入物的疲劳试验装置，用于对植入物组件进行疲劳测试，植入物组件包括钉棒固定系统7及其所连接的聚乙烯块6；疲劳试验装置包括用于连接作动器的上夹具1和用于连接传感器的下夹具2，上夹具1和下夹具2结构相同且上下对称设置，并且销轴3、r型销4、套筒5、聚乙烯块6均在上夹具1和下夹具2分别配置。
29.结合图3所示，上夹具1和下夹具2均由底板和连接在底板两端的侧板构成，聚乙烯块6安装在底板和两侧板围成的空间中，即安装在上夹具1和下夹具2的内部。聚乙烯块6通过销轴3、r型销4和套筒5与上夹具1/下夹具2进行固定连接。
30.上夹具1/下夹具2的两块侧板对应设置有第一销孔a和第二销孔b，第一销孔a和第二销孔b孔径相同，均用于穿过销轴3。两个聚乙烯块6也分别设置有通孔，用于穿过销轴3。
31.如图4所示，销轴3包括直径依次减小的第一区段、第二区段和第三区段。第一区段的直径大于第一销孔a和第二销孔b，通常与套筒5直径相同，因此能够卡在上夹具1/下夹具2的侧板外部进行限位，第一区段的端部设置有手持部并在手持部外侧加工有防滑纹。第二区段和第三区段的直径小于第一销孔a和第二销孔b，以使第二区段和第三区段能够依次穿过第一销孔a、聚乙烯块6的通孔以及第二销孔b，并且第三区段位于上夹具1/下夹具2的侧板外部，用于安装r型销4和套筒5。第二区段位于聚乙烯块6内部，并且其直径小于聚乙烯块6的通孔，以此能够适用不同尺寸的聚乙烯块6，省去对不同尺寸的聚乙烯块6进行试验时更换销轴3。销轴3的第三区段沿其径向设置有第一连接孔c，第一连接孔c用于与套筒5的第二连接孔d对齐，并穿过r型销4的插入杆。
32.如图5所示，套筒5沿其轴向设置有轴孔e，该轴孔e与销轴3的第三区段相匹配，从而使套筒5能够套装于销轴3的第三区段外部。套筒5沿其径向设置有贯通的第二连接孔d，并且第二连接孔d与销轴3的第一连接孔c相匹配，用以对齐后穿过r型销4的插入杆。
33.如图6所示，r型销4包括直线形的插入杆和曲线形的夹紧杆，夹紧杆上有两个弯折点，使位于两个弯折点的夹紧杆与插入杆之间形成卡口。r型销4用于轴孔类的快速插拔定位锁固，还具有结构简单、便于加工、定位精准等优点，比螺母更适用于疲劳试验。套筒5套在销轴3的第三区段外部之后，销轴3的第一连接孔c与套筒5的第二连接孔d对齐，r型销4的插入杆穿过第一连接孔c和第二连接孔d后，r型销4的夹紧杆将套筒5夹紧在销轴3的第三区段，从而使套筒5与销轴3固定，防止销轴3工作时转动脱开，可以顺利实现安装和拆卸。
34.由此，完成销轴3将聚乙烯块6在上夹具1/下夹具2内的固定安装，无需螺钉螺母进行固定，安装拆卸时也不需要扳手，具有连接稳定、安装方便等特点。
35.上夹具1和下夹具2的聚乙烯块6之间安装有两套钉棒固定系统7，起到固定和支撑聚乙烯块6的作用，模拟对治疗部位进行矫正。如图7所示，每套钉棒固定系统7包括两个椎
弓根螺钉701、一个连接杆702、两个防松螺塞703，连接杆702两端通过椎弓根螺钉701和防松螺塞703与聚乙烯块6进行固定连接。
36.椎弓根螺钉701一端设置有u型槽，u型槽加工有内螺纹；椎弓根螺钉701另一端设置有外螺纹。椎弓根螺钉701通过其设置的外螺纹，螺纹连接在聚乙烯块6上。连接杆702为光滑直杆结构。防松螺塞703为螺柱结构，螺柱设置有内六角腔体，螺柱外设置有外螺纹，该外螺纹与椎弓根螺钉701的u型槽内螺纹相匹配。连接杆702两端分别与上夹具1和下夹具2对应安装的两个椎弓根螺钉701连接，具体为连接杆702端部插入到椎弓根螺钉701的u型槽中，通过持螺塞器将防松螺塞703拧入椎弓根螺钉701的u型槽中，对连接杆702端部进行锁定。
37.疲劳试验时，将聚乙烯块6通过销轴3、r型销4、套筒5与上夹具1和下夹具2连接完成，调整上夹具1和下夹具2进行对中，在电脑端将疲劳试验机调整为静态压缩试验程序，设定好力的加载速度及加载终止条件，通过恒定的正弦载荷振幅控制来施加正弦载荷，载荷比r＝最大载荷/最小载荷，r应大于或等于10。疲劳试验的结果会提供一条循环压缩载荷相对于失效时循环次数的曲线。试验中确定了植入物组件经受5000000次循环未出现失效的最大疲劳载荷，则应认为植入物组件能够通过试验。其中，5000000循环代表了一个样品在两年内基于中等运动强度的承载次数。
38.尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。