一种脊柱骨骼肌的体外仿生力学测试系统及其应用方法

摘要

本发明公开了一种脊柱骨骼肌的体外仿生力学测试系统及其应用方法，包括：仿生力学加载装置对脊柱样本产生预紧力，还原脊柱样本的在体力学环境；机械臂驱动装置驱动脊柱样本进行六自由度仿生功能动作；力学测量装置用于测量功能动作或平衡位姿下肌腱上的反馈力；工控机控制装置驱动仿生力学加载装置对脊柱样本产生预紧力；控制机械臂驱动装置驱动脊柱样本进行各种仿生动作，接收力学测量装置测量的反馈力值，并利用动作捕捉装置获取脊柱样本的运动学数据。本实验平台适用于各种脊柱离体实验的手术规划和相关医疗器械的力学测试。

说明书

技术领域

本发明涉及离体脊柱生物力学实验领域，尤其涉及一种脊柱骨骼肌的体外仿生力学测试系统及其应用方法。

背景技术

脊柱(spine)是连接头骨(skull)和四肢(extremities)的重要支撑部分，用于保护头部以下的所有中枢神经(Central Nervous System)，在生物学和生物力学中都有重要的意义和地位。脊柱主要由椎体(vertebrae)、椎间盘(intervertebral disc)及周围肌肉(muscles)和韧带(ligaments)组成，结构复杂功能完备。脊柱尤其是颈椎(cervicalspine)和腰椎(lumbar)的部分，由于其活动度高使用频率大负载较重，再加上全球老龄化的加重，全球每年约有2.66亿的人口面临椎间盘退化或下腰痛的困扰。外科手术作为治疗脊柱相关疾病的最后战斗堡垒，手术术式仍有很大的完善空间，脊柱内植物仍需要持续不断的改进和提高。对于脊柱外科手术术式发展和新的脊柱内植物的研发，离体力学试验都是一个重要手段。由于脊柱复杂的解剖结构和力学环境，对于离体脊柱样本的离体仿生力学测试都是一个极具挑战的课题。

发明一款灵活的全脊柱节段的仿生测试系统具有非常广阔的临床和工程应用前景。

现有技术中，申请号为201810661368.0，公开了一种膝关节力加载及生物力学特性检测实验平台，申请号为201710867402.5，公开了一种体外肩关节仿生力加载及其功能检测实验平台，均利用PC控制运动装置产生肌腱/肌腱在体时产生的力，实现在体外样本上构建骨关节的仿生力学平台；即通过搭建体外的试验平台还原离体样本的在体力学环境，从而为后续的试验提供更为可靠的实验数据。

申请号201610880042.8，公开了脊柱生物力学测量加载装置，用于脊柱的离体力学实验，其中，加载装置用于脊柱样本的固定和几种加载方式包括压缩加载、屈曲加载、侧屈加载或三者的混合加载，加载装置使用电机作为压缩测试、屈曲测试、侧屈测试等测试的动力来源。

由于脊柱复杂的解剖结构和力学环境，对于离体脊柱样本的离体仿生力学测试，目前体外测试环境存在以下问题：

(1)基于脊柱功能单元节段(functional spinal unit,FSU)测试，即测试样本只包含两个椎体和一个椎间盘组成的测试单元，不能反映脊柱多节段之间的协同作用；

(2)对脊柱肌腱和肌腱未作力学还原或为非仿生力学还原；目前的测试系统只能针对一种或几种测试要求，例如基于机械臂系统的活动度测试(range of motion test)，系统灵活性差。

(3)无法对活动或静态的脊柱韧带或肌腱进行力的输出，即目前没有很好的办法直接检测韧带/肌腱上的力的值。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本申请提供了一种脊柱骨骼肌的体外仿生力学测试系统及其应用方法，通过构建仿生离体脊柱样本的骨骼肌测试系统，使其可以适用于多节段脊柱样本测试，并提高力学仿生能力，满足脊柱外科手术术式的发展和脊柱内植物的研发需求。

第一方面，本申请实施例提供了一种脊柱骨骼肌的体外仿生力学测试系统，包括：试验台、仿生力学加载装置、机械臂驱动装置、力学测量装置、工控机控制装置、动作捕捉装置、脊柱样本以及若干人工肌腱。

所述试验台，用于固定实验用的脊柱样本；其中，脊柱样本包括若干椎体，脊柱样本表面设有若干人工肌腱；

所述仿生力学加载装置，穿设于各人工肌腱，并固定连接到脊柱样本上的肌腱附着点或椎体矢状面旋转中心；在接收到控制指令后，对脊柱样本产生预紧力，通过产生的预紧力还原脊柱样本的在体力学环境；

所述机械臂驱动装置，连接脊柱样本顶端，驱动脊柱样本进行六自由度仿生功能动作；

所述力学测量装置，测量脊柱样本进行功能动作或平衡位姿时，肌腱上的反馈力值；

所述工控机控制装置分别与所述仿生力学加载装置、所述机械臂驱动装置、所述力学测量装置以及所述动作捕捉装置信号连接；所述工控机控制装置内置运动控制卡，基于LabVIEW驱动所述仿生力学加载装置对脊柱样本产生预紧力，基于MATLAB控制所述机械臂驱动装置驱动脊柱样本进行各种仿生功能动作，利用所述力学测量装置获取各连接各肌腱附着点受到的仿生力学数据，利用所述动作捕捉装置获取脊柱样本进行仿生功能动作时的运动学数据。

进一步地，所述仿生力学加载装置包括多组驱动装置和牵引线；所述牵引线的两端分别连接所述驱动装置以及脊柱样本；所述驱动装置在接收到控制指令后，通过调节各所述驱动装置驱动所述牵引线对脊柱样本产生预紧力，还原脊柱样本的在体力学环境。

进一步地，所述力学测量装置用于测量所述牵引线对脊柱样本上的肌腱附着点产生的预紧力值；其中，当所述机械臂驱动装置驱动脊柱样本处于中立位平衡状态时，将测量的预紧力值定义为初始预紧力值；当所述机械臂驱动装置驱动脊柱样本处于预期的仿生功能动作时，将测量的预紧力值定义为动态预紧力值；后根据初始预紧力值以及动态预紧力值，获取人工肌腱对脊柱样本的仿生力学数据。

进一步地，所述牵引线包括8根；其中2根所述牵引线的一端在穿设对应的人工肌腱后，通过脊柱样本的各个椎体，连接矢状面旋转中心，另一端连接所述驱动装置；另外6根所述牵引线的一端在穿设对应人工肌腱后，连接脊柱样本上的肌腱附着点，另一端连接所述驱动装置；其中，人工肌腱采用与各生物肌腱力学性质相同的肌腱材料，包括仿生腹直肌和仿生竖脊肌。

进一步地，所述驱动装置包括步进电机和电机驱动器，所述电机驱动器与所述步进电机、所述工控机控制装置信号连接；所述步进电机连接所述牵引线。

进一步地，所述力学测量装置包括力传感器、信号调理器以及信号采集卡；

所述信号调理器与所述力传感器以及所述信号采集卡信号连接；所述力传感器的数量与所述牵引线匹配，设于所述牵引线上；所述力传感器采集所述牵引线上产生的预紧力值，经过所述信号调理器处理后，利用所述信号采集卡，传输给所述工控机控制装置。

进一步地，所述试验台至少包括基座以及安装在所述基座上的支撑装置；所述支撑装置由下至上依次包括底板、托台支柱、托台以及支撑夹具。

进一步地，所述机械臂驱动装置包括机械臂本体、力规以及机械臂夹具，所述力规通过螺栓分别与所述机械臂本体以及所述机械臂夹具刚性连接。

第二方面，本实施例提供了一种脊柱骨骼肌的体外仿生力学测量方法，其特征在于，采用如第一方面所述的脊柱骨骼肌的体外仿生力学测试系统，所述方法包括：

S11，将脊柱样本固定到试验台上；

S12，将仿生力学加载装置在穿设人工肌腱后，固定到脊柱样本的肌腱附着点以及各椎体的矢状面旋转中心；

S13，将机械臂驱动装置的末端固定到脊柱样本顶端；

S14，基于LabVIEW向仿生力学加载装置发送控制指令，控制仿生力学加载装置对脊柱样本产生预紧力，配合机械臂驱动装置输出的力规数据，使脊柱样本处于中立位平衡状态；

S15，基于MATLAB向机械臂驱动装置发送控制指令，控制所述机械臂驱动装置驱动脊柱样本进行各种仿生功能动作；

S16，接收所述力学测量装置测量的反馈力值；

S17，根据变化的反馈力值，获取各连接各肌腱附着点受到的仿生力学数据。

第三方面，本实施例提供了一种脊柱骨骼肌的体外仿生运动学测量方法，其特征在于，采用如第一方面所述的脊柱骨骼肌的体外仿生力学测试系统，所述方法包括：

S21，将脊柱样本固定到试验台上；

S22，将仿生力学加载装置在穿设人工肌腱后，固定到脊柱样本的肌腱附着点以及各椎体的矢状面旋转中心；

S23，将机械臂驱动装置的末端固定到脊柱样本顶端；

S24，基于LabVIEW向仿生力学加载装置发送控制指令，控制仿生力学加载装置对脊柱样本产生预紧力，使脊柱样本处于中立位平衡状；并对每个节段的椎体固定3个红外反光球，以便进行椎体的运动捕捉；

S25，基于MATLAB向机械臂驱动装置发送控制指令，控制所述机械臂驱动装置驱动脊柱样本进行某一仿生屈曲姿态；

S26，基于LabVIEW向所述仿生力学加载装置发送控制指令，调整所述仿生力学加载装置产生的预紧力，直到所述机械臂驱动装置上的力规返回值为纯力矩，进行下一个仿生功能动作，并循环操作；

S28，利用动作捕捉装置记录脊柱样本中各椎体运动的位置参数，根据各椎体的位置参数获取脊柱样本进行仿生功能动作时的运动学数据。

本申请实施例中提供的脊柱骨骼肌的体外仿生力学测试系统及其应用方法，至少具有如下技术效果：

1、本发明利用仿生力学加载装置、机械臂驱动装置、力学测量装置、工控机控制装置、脊柱样本以及若干人工肌腱，从硬件构造以及软件程序上构建简便易用的脊柱骨骼肌的体外仿生力学测试系统，以便进行脊柱骨骼肌的生物力学测试，从而满足离体脊柱骨骼肌的力学测试和运动学测试的要求，通过清晰的硬件搭建，呈现完整的闭环控制回路以及工作方式，并以此降低实验时间成本和学习成本，以提高实验效率，满足脊柱骨骼肌手术术式测试和内植物功能测评需求。同时可扩展到其他仿生实验，提高系统测试的灵活性以及系统的实用性。

2、本发明利用仿生力学加载装置对脊柱样本产生预紧力，从而通过预紧力还原脊柱样本的在体力学环境。进一步地，通过多个驱动装置连接到脊柱样本上的多个部位，包括肌腱附着点以及椎体矢状面旋转中心，以便进行仿生屈曲姿态时，获取肌腱对肌腱附着点的预紧力值或者椎体的位置参数，实现脊柱样本的仿生力学数据的测量或者仿生运动学数据的测量。

3、本发明利用力学测量装置测量牵引线对脊柱样本产生的预紧力值，以获取对各人工肌腱所受的仿生力学数据，以解决现有技术中无法对活动或静态的脊柱肌腱或肌腱进行力的输出，即目前没有很好的办法直接检测肌腱/肌腱上的力的值的问题。

4、本发明在工控机控制装置中内置运动控制卡，以对仿生力学加载装置及机械臂驱动装置发送控制指令，驱使脊柱样本产生相应的动作。通过内置运动控制卡的工控机控制装置使得仿生力学加载装置及机械臂驱动装置对脊柱样本的驱动力度可调控，实现对人工肌腱及脊柱样本的驱动力精度，并且及时获取的反馈信号，使其产生更为准确、柔性的驱动力。

5、本发明部分牵引线的一端贯穿对应人工肌腱，并从对应肌腱附着点出发，后连接到对应的驱动装置，由于采用的人工肌腱与生物肌腱的力学性质相同的肌腱材料，其解剖结构(横截面大小和长度)与所附着的解剖点的原生物肌腱结构相同，从而实现各人工肌腱的个性化处理，以此减小加载瞬间的刚性冲击，避免牵引线在肌腱附着点脱落，以便输出在屈曲姿态中各人工肌腱上的预紧力值，以此解决现有无法实现直接测量肌腱产生的力值的问题，进而实现通过力的加载及运动过程中力的测量与记录。

6、本发明由于采用的仿生力学加载装置包括多组驱动装置和牵引线，分别连接到脊柱样本上，其中根据各牵引线方向，调控驱动装置对牵引线的预紧力，通过各个牵引线不同的动态预紧力，提高脊柱样本所受预紧力的精度。

附图说明

图1为本申请实施例中的一种脊柱骨骼肌的体外仿生力学测试系统结构框图；

图2为本申请实施例中的一种脊柱骨骼肌的体外仿生力学测试系统整体装配结构示意图；

图3为本申请实施例中的一种实验台的装配结构示意图；

图4为本申请实施例中的仿生力学加载装置运动载荷控制结构示意图；

图5为本申请实施例中的仿生力学加载装置的牵引结构示意图；

图6为本申请实施例中的机械臂控制脊柱样本结构示意图；

图7为本申请实施例中的力学测量装置的力反馈回路结构示意图；

图8为本申请实施例中的脊柱样本表面反光球安装示意图；

图9为本申请实施例中的一种脊柱骨骼肌的体外仿生力学测试方法流程图；

图10为本申请实施例中的一种脊柱骨骼肌的体外仿生运动学测量方法流程图。

附图标号：

工控机控制装置100，仿生力学加载装置200，步进电机211，电机驱动器212，牵引线220，机械臂驱动装置300，机械臂本体310，力规320，机械臂夹具330，力学测量装置400，力传感器410，信号调理器420，信号采集卡430，试验台500，基座510，支撑装置520，底板521，托台522，托台支柱523，支撑夹具524，供电装置600，脊柱样本1a，人工肌腱2b，动作捕捉装置700，反光球710。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例一

参考图1-2所示，本实施例提供了一种脊柱骨骼肌的体外仿生力学测试系统，包括：试验台500、仿生力学加载装置200、机械臂驱动装置300、力学测量装置400、工控机控制装置100、动作捕捉装置700、脊柱样本1a以及若干人工肌腱2b。

本实施例中，还包括供电装置600，用于给仿生力学加载装置200、机械臂驱动装置300、力学测量装置400、工控机控制装置100以及动作捕捉装置700提供电源。

本实施例中的试验台500用于固定实验的脊柱样本1a。脊柱样本1a包括若干椎体，脊柱样本1a表面设有若干人工肌腱。进一步地，在一种实施例中，参考图3所示，本实施例中的试验台500至少包括基座510以及安装在基座510上的支撑装置520。基座510设置在地面或平台上，且基座510尺寸大于支撑装置520，以便提高实验在硬件结构上的稳定性。其中，本实施例中的基座510上表面设有若干纵横交错的安装槽，通过纵横交错的安装槽设计，方便安装支撑装置520，以便设备循环利用到不同实验场合，从而降低实验设备的成本。本实施例中的支撑装置520由下至上依次包括底板521、托台支柱523、托台522以及支撑夹具524。其中，底板521通过螺栓刚性连接到基座510上，底板521安装有多个托台支柱523，本实施例中，根据托台522形状为矩形，安装有4根托台支柱523，分别设于托台522的四角，托台522上端固定安装有支撑夹具524，通过支撑夹具524固定脊柱样本1a的底端。

参考附图4-5所示，本实施例中的仿生力学加载装置200，穿设各人工肌腱2b，并固定连接到脊柱样本1a上的肌腱附着点或椎体矢状面旋转中心。仿生力学加载装置200接收到控制指令后，对脊柱样本1a产生预紧力，通过产生的预紧力还原脊柱样本1a的在体力学环境。

进一步地，仿生力学加载装置200包括多组驱动装置和牵引线220；驱动装置与牵引线220配对设置，本实施例中每个驱动装置驱动一根牵引线220。牵引线220的两端分别连接驱动装置以及脊柱样本1a，从而实现驱动装置在接收到控制指令后，通过调节各驱动装置驱动牵引线220对脊柱样本1a产生预紧力，还原脊柱样本1a的在体力学环境。

本实施例中的牵引线220包括8根；其中2根牵引线220的一端在穿设对应的人工肌腱2b后，通过脊柱样本1a的各个椎体，连接矢状面旋转中心，另一端连接驱动装置；进一步地，2根牵引线220从脊柱样本1a的左右两边穿过，连接各个椎体的矢状面旋转中心。另外6根牵引线220的一端在穿设对应人工肌腱2b后，连接脊柱样本1a上的肌腱附着点，另一端连接驱动装置。本实施例中，人工肌腱2b采用与各生物肌腱力学性质相同的肌腱材料，包括仿生腹直肌和仿生竖脊肌，进一步地，人工肌腱2b包括1条仿生腹直肌和5条仿生竖脊肌。

本实施例中的驱动装置包括步进电机211和电机驱动器212，电机驱动器212与步进电机211、工控机控制装置100信号连接；步进电机211连接牵引线220。

参考图6所示，本实施例中的机械臂驱动装置300连接脊柱样本1a顶端，驱动脊柱样本1a进行多种仿生屈曲姿态。进一步地，机械臂驱动装置300包括机械臂本体310、力规320以及机械臂夹具330，力规320通过螺栓分别与机械臂本体310以及机械臂夹具330刚性连接。本实施例中的机械臂本体310采用KUKA机械臂。

参考图7所示，本实施例中的力学测量装置400，测量功能动作或平衡位姿下肌腱上的反馈力。即，牵引线对脊柱样本上的肌腱附着点产生的预紧力值。本实施例中，由于仿生力学加载装置200驱动脊柱样本1a进行六自由度仿生功能动作，以形成多种仿生屈曲姿态，从而对脊柱样本1a产生的预紧力值。力学测量装置400测量牵引线220对脊柱样本1a上的肌腱附着点产生的预紧力值，以获取肌腱上的反馈力值。进一步地，脊柱样本1a在各仿生屈曲姿态下，肌腱附着点上的的力值，也可称之为肌肉力的大小。其中，当机械臂驱动装置300驱动脊柱样本1a处于中立位平衡状态时，将测量的预紧力值定义为初始预紧力值；当机械臂驱动装置300驱动脊柱样本1a处于预期的仿生屈曲姿态时，将测量的预紧力值定义为动态预紧力值；后根据初始预紧力值以及动态预紧力值，获取人工肌腱2b对脊柱样本1a的仿生力学数据。进一步地，本实施例中的力学测量装置400包括力传感器410、信号调理器420以及信号采集卡430；信号调理器420与力传感器410以及信号采集卡430信号连接；力传感器410的数量与牵引线220匹配，设于牵引线220上；力传感器410采集牵引线220上产生的预紧力值，经过信号调理器420处理后，利用信号采集卡430，传输给工控机控制装置100。

本实施例中的工控机控制装置100分别与仿生力学加载装置200、机械臂驱动装置300、力学测量装置400以及动作捕捉装置700信号连接。

工控机控制装置100内置运动控制卡，基于LabVIEW驱动仿生力学加载装置200对脊柱样本1a产生预紧力，基于MATLAB控制机械臂驱动装置300驱动脊柱样本1a进行各种仿生功能动作，接收力学测量装置400测量的反馈力值，利用动作捕捉装置700获取脊柱样本1a进行仿生功能动作时的运动学数据。

本实施例中的工控机控制装置100内置运动控制卡，通过LabVIEW向仿生力学加载装置200发送控制指令，控制仿生力学加载装置200对脊柱样本1a产生预紧力，使脊柱样本1a处于中立位平衡状态(neutral position)。

工控机控制装置100利用MATLAB软件中的运动控制程序控制所述机械臂驱动装置驱动脊柱样本进行各种仿生功能动作，使仿生力学加载装置产生的预紧力动态变化后，接收力学测量装置测量的预紧力值。进一步地，工控机控制装置100控制机械臂驱动装置300驱动脊柱样本1a进行各种仿生功能动作，使其形成多种屈曲姿态，使仿生力学加载装置200产生的预紧力动态变化后，接收力学测量装置400测量的预紧力值。基于MATLAB软件中的数据处理程序，根据变化的预紧力值，获取各人工肌腱2b受到的仿生力学数据。或者控制机械臂驱动装置300驱动脊柱样本1a进行某一仿生功能动作时，向仿生力学加载装置200发送控制指令，调整仿生力学加载装置200产生的预紧力，直到机械臂驱动装置300上的力规320返回值为纯力矩后，进行下一个仿生功能动作；或者，控制所述机械臂驱动装置驱动脊柱样本进行某一仿生功能动作时，向所述仿生力学加载装置发送控制指令，调整所述仿生力学加载装置产生的预紧力，直到所述机械臂驱动装置上的力规返回值为纯力矩后，进行下一个仿生屈曲姿态；利用所述动作捕捉装置记录脊柱样本中各椎体运动的位置参数，通过各椎体的位置参数获取脊柱样本的仿生运动学数据。

本实施例中利用动作捕捉装置获取仿生运动学数据，进一步地，参考图8所示，脊柱样本上布置有若干反光球，比如，红外反光球，反光球刚性连接到每节椎体上，如图所示，每节椎体刚性连接3个红外反光球，以便被红外捕捉设备进行运动捕捉。进一步地，进行动作捕捉实验前，还通过取点器(Pointer)提取脊柱样本解剖特征点建立脊柱样本三维空间坐标系，进而实现动作捕捉装置进行脊柱运动实验中，可连续追踪刚性连接于膝关节股骨、胫骨和髌骨的反光标记簇(Marker cluster)获取膝关节的运动学数据。

实施例二

参考图9所示，本实施例提供了一种脊柱骨骼肌的体外仿生力学测试方法，采用实施例一种的脊柱骨骼肌的体外仿生力学测试系统，该方法包括如下步骤。

S11：将脊柱样本1a固定到试验台500上；

S12：将仿生力学加载装置200在穿设人工肌腱2b后，固定到脊柱样本1a的肌腱附着点以及各椎体的矢状面旋转中心；

S13：将机械臂驱动装置300的末端固定到脊柱样本1a顶端；

S14：基于LabVIEW向仿生力学加载装置200发送控制指令，控制仿生力学加载装置200对脊柱样本1a产生预紧力，使脊柱样本1a处于中立位平衡状；

S15：基于MATLAB向机械臂驱动装置300发送控制指令，控制机械臂驱动装置300驱动脊柱样本1a进行各种仿生功能动作；

S16：接收力学测量装置400测量的反馈力值；

S17：根据变化的反馈力值，获取连接各肌腱附着点受到的仿生力学数据。

实施例三

参考图10所示，本实施例提供了一种脊柱骨骼肌的体外仿生运动学测量方法，采用实施例一种的脊柱骨骼肌的体外仿生力学测试系统，该方法包括如下步骤。

S21：将脊柱样本1a固定到试验台500上；

S22：将仿生力学加载装置200在穿设人工肌腱2b后，固定到脊柱样本1a的肌腱附着点以及各椎体的矢状面旋转中心；

S23：将机械臂驱动装置300的末端固定到脊柱样本1a顶端；

S24：基于LabVIEW向仿生力学加载装置200发送控制指令，控制仿生力学加载装置200对脊柱样本1a产生预紧力，使脊柱样本1a处于中立位平衡状；并对每个节段的椎体固定3个红外反光球710，以便进行椎体的运动捕捉；

S25：基于MATLAB向机械臂驱动装置300发送控制指令，控制机械臂驱动装置300驱动脊柱样本1a进行某一仿生功能动作；

S26：基于LabVIEW向仿生力学加载装置200发送控制指令，调整仿生力学加载装置200产生的预紧力，直到机械臂驱动装置300上的力规320沿已知轴返回值为纯力矩，以固定角度为步进角，进行下一个仿生功能动作，并循环操作；

S27：利用动作捕捉装置记录脊柱样本1a中各椎体运动的位置参数，根据各椎体的位置参数，获取脊柱样本进行仿生功能动作时的运动学数据。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。