基于机械设计的软组织平衡测量系统改进方法的研究.pdf

《基于机械设计的软组织平衡测量系统改进方法的研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于机械设计的软组织平衡测量系统改进方法的研究.pdf（4页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、第2 7 卷第5 期北京生物医学工程 V 0 1 2 7 N o 5 2 0 0 8 年1 0 月 B c i j i n gB i o m e d i c a lE n g i n e e r i n g O c t o b e r2 0 0 8 基于机械设计的软组织平衡测量系统改进 方法的研究 杨瑞东吴剑 摘要在膝关节软组织平衡测量中。会遇到膝关节内有较大的软组织张力，以及需要大间距调节的问题，但 现有测量仪器无法正常满足这种测量需求。作者在原有的软组织平衡测量系统的基础上，提出了采用杠杆原理来 增加对软组织张力的测量，在调节结构的底部增加一个垫片来扩大间距调节范围的方法，从而改善全膝关节

2、置换 手术中的软组织平衡测量。初步实验结果证明，本测量系统能够满足应用。 关键词全膝关节置换；杠杆原理；软组织平衡；间距调节 中图分类号R 3 1 8 0 1文献标识码A文章编号1 0 0 2 3 2 0 8 ( 2 0 0 8 ) 0 5 0 4 8 6 一0 4 Am e t h o db a s e do nm e c h a n i c sd e s i g nf o ri m p r o v i n gt h es o f tt i s s u eb a l a n c em e a s u r e m e n ts y s t e mY A N GR u i d o n g ， W

3、 UJ i a n G r a d u a 把S c h o o la tS h e n z h e n ，T s i n g h u aU n i v e r s i t y ，S h e n z h e n ，G u a n g d o n gP r o v i n c e ，518 0 5 5 【A b s t r a c t 】 I ns o f tt i s s u eb a l a n c em e a s u r e m e n t ，t h em e a s u r ed e v i c ec a nn o tf u l l ys a t i s f yt h er a n g

4、 eo ft h es o f tt i s s u e Sf o r c em e a s u r e m e n ta n dg a pa d j u s t m e n t I nt h i sp a p e r ，w ep r o p o s e dam e t h o db a s e do nt h ep r e v i o u sw o r kt ow i d e nt h e r a n g eo ft h ef o r c em e a s u r e m e n tb a s e do nt h el e v e lp r i n c i p l e ，a n dg a p

5、a d j u s t m e n tb yc o m b i n i n gt h ea d j u s t a b l em e c h a n i c a l s t r u c t u r ew i t hf i x e dt h i c k n e s sb l o c k T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a tt h em e a s u r e m e n ts y s t e mc a ne v i d e n t l yi m p r o v et h e f o r c em e a s u r e m

6、 e n ta n dg a pa d j u s t m e n tr a n g e si nt h ek n e ej o i n t ，a n dl a r g e l yr e d u c et h ed e s i g n i n gd i f f i c u l t yo ft h e m e c h a n i c a lm a c h i n i n g 【K e yw o r d s 】t o t a lk n e er e p l a c e m e n t ；l e v e lp r i n c i p l e ；s o f tt i s s u eb a l a n

7、c e ；g a pa d j u s t m e n t 目前，人工关节置换手术已成为关节严重病变 的主要治疗手段之一- 。“。在人工膝关节置换术 中，软组织平衡的调节效果直接关系到手术后人工 膝关节寿命长短以及病人在膝关节置换术后生活质 量的好坏，其中软组织平衡还是影响膝关节动力学 方面的个重要因素。由于软组织平衡时f 膝关节 置换的重要性，临床医生一直关注着软组织平衡测 量问题，并一直希望能够找到一种有效、便捷的测量 手段来解决这个问题。本文作者已提出一种基于力 传感器技术、计算机图形学技术和精密机械结构设 计用于测量软组织平衡测量的方法，并制作了样机 进行了样本实验，实验结果表明软组织

8、平衡测量系 统能在调节膝关节间距的过程中测量软组织张力的 实际大小值一。0 。 目前，由于测量张力大小的微型传感器受当前 工业设计和加工的限制，小体积的传感器测量量程 相对较小，尤其是在遇到膝关节内软组织张力较大 时，导致软组织张力大小超过了软组织平衡测量系 统种的压力传感器的张力测量量程。同时，考虑到 在膝关节这样的小空间范日内，间距调节高度受间 距调节装置的机械结构部分厚度的影响，导致在小 空间内面临大间距调节高度时，系统无法正常满足 膝关节间距调节要求。因此本文在原有的工作基础 上，应用杠杆原理，在测量点和压力传感器接触点之 间增加一个杠杆，通过改变测量点和传感器接触点 的几何位置来调节

9、膝关节周围软组织张力的测量范 围。此外，本文通过机械装配上来解决间隙调节量程 的问题，在调节结构的底部增加一个垫片来提高间距 调节的大小，从而减少设计和加工上的难度。通过对 软组织张力测量前端的机械结构调整，可以扩大软组 织张力大小测量范围和膝关节间隙调节量程。 基金项目：国家8 6 3 计划( 2 0 0 6 A A 0 2 Z A E 7 ) 、广东省自然科学基金 竺髦竺竺鎏譬。，+ + 、 l 应用杠杆原理调节张力测量范围的方法 作者单位：清华大学深圳研究生院( 广东深圳5 1 8 0 5 5 ) 一”一 作者简介：杨瑞东( 1 9 6 7 一) ，男，副教授博士研究生 基于杠杆原理调节

10、小空间内的两受力体之间张 万方数据 第5 期基于机械设计的软组织平衡测量系统改进方法的研究 4 8 7 力大小的方法原理如图1 所示。根据力矩平衡原 理，受力体产生的压力和传感器所产生的力矩在静 态时平衡。图1 中，O 为支点，O 。为张力施加于测 量部位的着力点，O ：为压力传感器的压力测量点。 1 是张力测量点到支点的距离，Z ：是压力传感器测 量点到支点的距离，：是传感器对杠杆的支撑力， F 是受力体对杠杆的压力。根据力矩平衡条件，它 们的关系满足为： EZ 。= R Z ： ( 1 ) 其中Z 。和f ：在设计过程中都是已知的，F ：可 以通过对压力传感器的力一电压关系的测量来获 取。

11、从式( 1 ) 中，可以看出，通过调节f ：和Z 的比例 可调节压力F 的测量范围，即在传感器的测量范围 一定的情况下，能够调节膝关节中软组织张力大小 的测量范围。一般情况下，设计Z ， f ：，从而提高了 膝关节中软组织张力大小的测量范围。 图1 杠杆原理 F i g1 L e v e lp r i n c i p l e D 2 R 在实际测量中，膝关节中股、胫骨端面被切除 后，被测的端面是其周围软组织张力的总体表现，因 此软组织平衡测量仪的测量前端装置得到的是一个 区域的总的压力的大小。而且股、胫骨切割后的端 面在受力后会凹陷，不能用单点测量，因此需要在杠 杆的测量点上增加一个刚性垫片。

12、一方面可以增加 测量面积，另一方面也有利于找到一个合适位置点 去测量软组织张力的大小，其测量方法如图2 所示。 股( 胫) 骨端面通过刚性垫片形成局部的集中压力 F ，并通过刚性垫片的接触点作用于杠杆，杠杆的一 端由支点支撑，杠杆的另一端由压力传感器的测量 点支撑，软组织张力大小通过杠杆传递到压力传感 器上，根据式( 1 ) ，可以反向推导出膝关节中被测位 置周围软组织张力的大小。 2 膝关节间距调节和扩大测量范围方法 在手术过程中，为了能达到比较合理的软组织 平衡，经常需要通过改变膝关节的间隙大小来达到 比较合理的软组织张力大小。本文作者在先前的工 支点 图2 增加刚性垫片进行测力的方法 F

13、 i g2 Am e t h o dt om e a s u r ef o r c eb ya d d i n gas o l i db l o c k 作中已经实现了在软组织平衡测量前端的间距调 节，测量前端装有一可调节支撑装置，可调节支撑装 置用于支撑测量前端的上下端面板、使其间保持一 定间距，同时用于调节测量前端上下端面板之间的 间距。本系统为实现膝关节中的间隙间距大小采用 了双螺杆结构，如图3 所示，即其中测量部和下底板 之间的间距调节机构包括了四组摆杆，每组摆杆均 由第一摆杆和第二摆杆组成，第一摆杆一端通过第 一销轴安装于测量部下端，第二摆杆一端通过第二 销轴安装于下底板上端。每一组

14、摆杆中的第一摆杆 的另一端和第二摆杆的另一端通过支撑件上的一个 铰轴铰链。该支撑件套在装有手柄的丝杆上，丝杆 上的螺纹能够使支撑件在该丝杆旋转时沿该丝杆轴 向移动。共有两个支撑件套于丝杆上，每个支撑件 上设置两个方向相反的铰轴，四组摆杆呈矩形分布 于测量部和下底板之间。测量部下端设有四个柱 体，柱体内设导向槽，下底板上设有用于与测量部上 的导向槽配合的导杆，从而保证上下平板之间在调 节过程中保持平行状态。 为保证在调节过程中间距在一定的范围内调 节，测量装置前端在丝杆中部设置一个定位环，从而 保证通过旋转丝杆能够驱动丝杆上的支撑件沿丝杆 的轴向移动而不超出调节范围。丝杆上装有两个支 撑件，每个

15、支撑件上设置两个铰轴用于支撑两组摆 杆。使用时，通过旋转丝杆端部的手柄驱动丝杆上 的支撑件沿该丝杆轴向移动，进而驱动四组摆杆向 同一方向同步摆动，使每组摆杆中的第一摆杆和第 二摆杆之间的夹角发生变化，从而达到调节测量部 和下底板之间距离的目的。通过间距调节机构能够 在一定的调节范围调节测量部和下底板之间距离， 以完成测量。 考虑到在膝关节这个小空间范围内，间距调节 高度受间距调节装置的机械结构部分厚度的影响， 万方数据 4 8 8 北京生物医学工程 第2 7 卷 导致在小空间内面临大间距调节高度时，系统无法测量一般形状的两个受力体上下、左右的压力大小。 正常满足膝关节间距调节要求，因此，可以在

16、调节结 构的底部增加一个垫片来提高间距调节的大小。其 方法示意如图3 所示。 图3 扩展间距调节范围的方法示意 F i g3 T h eb l o c kd i a g r a mo fw i d e n i n gt h eg a pa d j u s t m e n tr a n g e 其方法如下： H = 风+ 矾 ( 2 ) 式中，日是整个调节结构上底面的上端面到下 底面下端面之间的距离；露是间距调节装置的上下 底面的距离；风是垫片的厚度。 3 前端测量装置机械设计结果 图4 和图5 是采用了上述方法的软组织张力测 量装置。图4 所示了软组织平衡测量装置前端包括 测量装置的下底板和测

17、量装置部的壳体，以及测量 部和下底板之间用于调节测量部和下底板之间距离 的间距调节机构。测量部包括壳体和设置于壳体上 口部的顶板，顶板上面设置4 个用于承载受测软组 织的刚性矩形垫片。 图5 是图4 机械结构部分的爆炸图。为了能够 测量软组织张力的大小，测量前端装置中的壳体内 装有与刚性矩形垫片相同数量的压力传感器，每个 压力传感器和与其对应的刚性矩形垫片之间均设置 一个杠杆，每个杠杆的杆身上均设置测量突点，杠杆 的一端和与该杠杆对应的压力传感器的接触点接 触，杠杆的另一端支撑于壳体的侧壁，杠杆上的测量 突点和与该杠杆对应的刚性矩形垫片相接触。根据 不同的测量范围的需求，在设计过程中，通过改变

18、测 量突点在杠杆上的位置不同来实现不同的测量量 程。由于采用的压力传感器是表贴芯片，因此压力 传感器焊接在一块电路板上，并放置于测量装置前 端的壳体内。需要特别说明的是，顶板上分布的四 个矩形剐性垫片是一种专门设计的垫片形状，用来 图4 软组织张力溺量装置前端 F i g4 S o f tt i s s u ef o r c em e a s u r e m e n tf r o n t e n d 图5 给出了本系统扩大间距调节范围的一种方 法。下底板下面设有一个可拆卸的固定高度蛰片， 固定高度垫片上端装有安装柱，该安装柱与底座上 相应的安装孔配合将该垫片装配于下底板下面。当 通过间距调节机

19、构自身无法达到需要的间距时，通 过方便的装卸装置( 如上述固定高度垫片上的安装 柱和下底板下端对应的安装孔) 将该固定高度垫片 安装于下底板下面，以达到需要的距离。当通过间 距调节机构自身就能达到需要的间距时，可将该固 定高度垫片拆下不安装。 图5 软组织张力测量装置前端爆炸图 F i g5 T h ee x p l o s i o nd i a g r a mo ft h es o f tt i s s u e m e a s u r e m e n tf r o n t - e n d 在实际使用过程中，考虑到人体软组织张力的 实际测量范围在1 2 k g f ( 1 k g f = 9

20、8 N ) 以内，而每一个 压力传感器的有效测量范围在1 5 k g f 以内，因此设 计两倍的放大率可以满足临床上的需求。垫片的厚 度设计根据不同的需要分别设计2 r a m 、3 m m 厚度的 万方数据 第5 期基于机械设计的软组织平衡测量系统改进方法的研究 4 8 9 垫片，并通过这些垫片的组合可以扩大间距的调节 高度。实际软组织测量装置前端如图6 所示。 图6 实际测量装置前端 F i g6 T h es o f tt i s s u em e a s u r e m e n tf r o n t e n d 本系统方法选用正常成人新鲜尸体膝关节标本 5 具，均为颅脑急性外伤致死者，

21、男4 具、女1 具，无 膝关节损伤或疾病史。去除周围皮肤、筋膜、肌肉、 髌骨及髌腱组织后，固定于台式支架上。切除内、外 半月板及前、后十字韧带，完整保存内、外侧副韧带 和后方关节囊。按人工全膝关节置换手术方法，应 用L C S 胫骨、股骨截骨导块分别行胫骨近端、股骨 后方及股骨远端截骨，获得矩形的屈膝和伸膝间隙。 结果表明，本测量系统满足应用的要求。 4 讨论 通过杠杆原理扩大软组织平衡测量装置的方 法，在一定程度上扩大了装置对软组织张力大小测 量的范围，同时，这种方法还可以降低整个装置的加 工难度，尤其是在选择测量区域位置时，杠杆支撑端 有较大的选择空间，而且通过刚性垫片触点位置的 改变还可

22、以改变测量的量程，因此在实际使用中，这 种设计是一种比较理想的方法。此外，顶板上的刚 性垫片还可设计成其它形状和布局，以适合测量不 同形状的两个受力体之间的张力。如可以设计成月 牙形刚性垫片，两个月牙形刚性垫片对称设置于顶 板上，该种设计还可用来测量特定形状的两个受力 体左右两侧的压力大小。刚性垫片的数量和布局发 生变化时，测量装置内部的压力传感器和杠杆的数 量和布局也要做相应的调整。 本文只论述了软组织平衡测量装置的机械设计 部分。在实际操作过程中，还涉及到了测量精度的 问题，因为压力传感器输出的是模拟信号，通过模 数转换电路得到数字信号，在模数转换芯片的数据 位数不变的情况下，其数据分辨率

23、要降低到原分辨 率的l ( 量程放大倍数) ，因此为了提高压力测量的 分辨率，还需要提高模数转换芯片的转换位数。 参考文献 M a r m i g n o nC ，L e i m n e iA ，C i n q u i nP R o b o t i z e dd i s t r a c t i o n d e v i c ef o rk n e er e p l a c e m e n ts u r g e r y ，I n t e m a t i o n a JC o n e s s S e r i e s ，2 0 0 4 。1 2 6 8 ：6 3 8 6 4 3 K u m a rA

24、，F i d d i a nN J ，B l a k e w a yC A s i m p l ei n s t r u m e n tf o r b a l a n c i n gf l e x i o na n de x t e n s i o ng a p s i nt o t a lk n e ea r t h m p l a s t y J T h eK n e e ，1 9 9 8 ，5 ：9 3 9 4 M a r m i g n o nC L e i m n e iA ，C i n q u i nP ，e ta 1 AC o m p u m r a s s i s t e dc

25、 o n t r o l l e dd i s t r a c t i o nd e v i c et og u i d el i g a m e n tb a I a 叫n g d u r i n gk n e ea r t h r o p l a s t y J C A n S ，2 0 0 4 ：6 5 6 6 吴剑。叶大田膝关节置换术中软组织平衡测量技术的发 展生物医学工程学杂志，2 0 0 7 ，2 4 ( 8 ) ：9 3 7 9 4 0 吴剑，王友，戴冠戎等一种动态膝关节软组织平衡测量仪 的研制医用生物力学。2 0 0 6 ，2 1 ( 3 ) ：2 1 7 2 2 1 W uJ

26、 。W a n gY ，D e i K R ，e t1 1 Am e t h o df o rd y n a m i c a l l y m e a s u r i n g t h eS o f tT i s s u eB a l a n c ei nt h eT o t a lK n e e R e p l a c e m e n t ，W o r l dC o n g r e s sOHM e d i c a lP h y s i c sa n dB i o m e d i c a l E n g i n e e r i n g2 0 0 6 ，S o o u l ，2 0 0 6 ( 2

27、 0 0 7 一1 2 1 1 收稿) ( 上接第4 7 4 页) 7 杨福生，洪波编著独立分量分析的原理及应用北京：清华 大学出版社。2 0 0 6 8 】 V i 印e r o nV ，P a r a s c h i v - I o n e s c uA A z a n c o tA ，e l 丑1 F e t 丑I E l e c t r o c a r d i o g r a mE x t r a c t i o nB a s e dO nN o n - S t a t i o n a r yI C AA n d W a v e l e tD e n n i s i n g P r o

28、 c e e d i n g so fI S S P A ，2 0 0 3 9 吴水才，林家瑞，白燕萍子渡变换在心事晚电位分析中的应 用 J 国外医学牛物医学工程分册1 9 9 9 ，2 2 ( 1 ) ：2 5 3 0 1 0 朱常芳，胡广书诱发电位快速提取算法的新进展 J 国 外医学生物医学工程分册，2 0 0 0 ，2 3 ( 4 ) ：2 1 l 一2 1 6 【l1 V e t t e rR ，V e s i nJ M C e l k nP O b s e r v e ro ft h eA u t o n o m i cC a r d i a c O u t f l o wi nH

29、u m a n su s i n gN o n - c a u s a l B l i n dS o u s eS e p a r a t i o n ， P r o c e e d i n g so ft h eF i r s tI n t e r n a t i o n a lW o r k s h o po nB l i n ds e u r c e S e p a r a t i o na n dI n d e p e n d e n tC o m p o n e n t 8A n a l y s i s ( I C A 9 9 ) C a r d o s oJ F 。J u t e nC P h L o u b a t o n ，e d s 1 9 9 9 ：1 6 1 1 6 6 ( 2 0 0 7 0 3 0 7 收稿) 1 J ，J 1 l 2 3 4 5 6 r L r L r L r L r L r ， 万方数据