膝關(guān)節(jié)多自由度動態(tài)應力測試系統(tǒng)研制.pdf

1、背景和目的： 前交叉韌帶(anteriorcruciateligament，ACL)是膝關(guān)節(jié)內(nèi)的重要結(jié)構(gòu)，既限制膝關(guān)節(jié)的活動范圍又制導膝規(guī)律運動。ACL結(jié)構(gòu)和功能復雜，新近研究表明，ACL是由很多不等長的纖維束交織而成，在膝關(guān)節(jié)屈伸過程中各纖維束的應力呈動態(tài)連續(xù)變化，從而精準地完成其制導功能，并且在屈伸膝過程中各纖維束應力不同。越來越多的學者開始認為ACL是由多個功能束構(gòu)成。目前，有學者對ACL進行了雙束、扭轉(zhuǎn)雙束、三束重建，結(jié)

2、果上述重建方法均不能完全重現(xiàn)ACL功能，也證實了ACL不是由簡單的功能束構(gòu)成。因此應我們提出ACL“多功能束”的理念并對ACL四分束的生物力學特性進行測試。 為證實ACL的多功能束構(gòu)成，進行生物力學測試是其手段之一，要研究ACL，多功能束力學特點，必須建立一套膝關(guān)節(jié)多自由度動態(tài)應力測試測試系統(tǒng)。目前用于人體膝關(guān)節(jié)標本的生物力學測試系統(tǒng)主要有Oxfordkneetestsysterm和6-DOFRoboticmanipulator

3、等，上述設備能夠模擬并加載膝關(guān)節(jié)的多自由度狀態(tài)，并進行膝關(guān)節(jié)生物力學測試。但都不能對ACL進行多分束力學測試。因此，針對ACL多分束的生物力學測試還需要制作專用的生物力學測試系統(tǒng)。 因此，本研究基于“ACL多功能束”的理念，擬研制包括專用的夾具，力學測試部分，數(shù)據(jù)測試、采集、調(diào)理部分，系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)整理四部分的“膝關(guān)節(jié)多自由度動態(tài)應力測試系統(tǒng)”。從而建立膝關(guān)節(jié)相關(guān)生物力學研究技術(shù)平臺，在加載膝關(guān)節(jié)屈、伸、內(nèi)翻、外翻等運動狀態(tài)(自

4、由度)下，測量和對比ACL四分束間生物力學特性，初步驗證ACL的多功能束構(gòu)成特點。 實驗方法： 1、膝關(guān)節(jié)自由度動態(tài)應力加載系統(tǒng)的研制和驗證 (1)設計制造的專用夾具：根據(jù)脛骨和股骨解剖特點，股骨側(cè)采用筒形夾具固定，脛骨側(cè)設計為多角度夾具。 (2)設計制造測試、采集和控制裝置；根據(jù)試驗要求分別設計傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集器、信號放大和轉(zhuǎn)換模塊及使用VisualC++語言進行編寫系統(tǒng)配套的動態(tài)采集采集軟件。

5、 (3)系統(tǒng)完成后，通過對系統(tǒng)摩擦、系統(tǒng)松弛等方面的檢測驗證國人膝關(guān)節(jié)自由度動態(tài)應力加載系統(tǒng)的有效性。 2.膝關(guān)節(jié)多自由度下ACL動態(tài)應力測試以矢狀和冠狀軸線將ACL脛骨側(cè)止點分為后內(nèi)(1區(qū))、后外(2區(qū))、前外(3區(qū))、前內(nèi)(4區(qū))四區(qū)，各區(qū)對應的韌帶纖維相應分為4束，分別連接該系統(tǒng)的各傳感器后以測量： (1)膝關(guān)節(jié)屈伸過程中ACL各分束受力； (2)使用內(nèi)外翻加載器加載最大內(nèi)外翻角度下測量ACL，各分束受

6、力； (3)使用內(nèi)外旋加載器加載最大內(nèi)外旋角度下測量ACL各分束受力； (4)設定拉力分別為50N、80N、100N、120N、150N，模擬前抽屜實驗時ACL各分束受力變化。 結(jié)果： 1.膝關(guān)節(jié)多自由度動態(tài)應力測試系統(tǒng)； (1)可定量加載和模擬膝關(guān)節(jié)多自由度狀態(tài)； (2)量程0.01～100N； (3)采集精度優(yōu)于0:02％(滿量程)； (4)采集分辨率達16bit；

7、 (5)通道數(shù)≥5通道； (6)(可完成多通道(≥5)同步采集； (7)動態(tài)數(shù)據(jù)采集頻率達2000Hz； (8)自行編程的配套軟件運行穩(wěn)定； (9)系統(tǒng)松弛評價，在10N外力作用下，未裝載粘彈性軟組織材料的系統(tǒng)在0-20秒內(nèi)沒有發(fā)生明顯的應力松弛； (10)系統(tǒng)摩擦評價，四個傳感器位置在最大和最小工作角度的系統(tǒng)摩擦系數(shù)在0.023-0.054，其中4通道最大摩擦系數(shù)為0.054。 2.

8、ACL四分束動態(tài)受力測試結(jié)果 (1)系膝關(guān)節(jié)屈伸過程中，2區(qū)纖維束在屈膝30°時受力最大(22.52±8.60N)；4區(qū)纖維束在屈曲90°時受力最大(14.68±5.29N)；3區(qū)纖維束在屈伸位時張力變化較前二者小。1區(qū)纖維束張力變化不大； (2)膝關(guān)節(jié)內(nèi)外旋過程中，外旋時2區(qū)纖維束受力最大(16.97±1.45N，屈膝30°)。內(nèi)旋時4區(qū)纖維束受力變化最大(11.67±2.25N，屈膝90°)。1區(qū)和3區(qū)纖維束在膝關(guān)節(jié)

9、內(nèi)外旋轉(zhuǎn)時受力變化??； (3)膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻過程中，外翻時，4區(qū)纖維束受力最大(3.23±1.45N，屈膝90°)，內(nèi)翻時外側(cè)束(2，3區(qū))受力均比內(nèi)側(cè)束(1，4區(qū))大，并以前外側(cè)束(3區(qū))受力最大(2.93±3.33N，屈膝30°)； (4)在做前抽屜實驗時，各分束纖維受力隨膝關(guān)節(jié)屈曲角度的增大而增大。在拉力為150N時，受力達最大纖維束出現(xiàn)在4區(qū)(19.7±2.78N屈膝90°)。 結(jié)論： 1.依據(jù)“A