PL220303B1 - Stanowisko do badania modeli stawu biodrowego człowieka - Google Patents

Abstract

Stanowisko do badania modeli stawu biodrowego człowieka składa się ze sztywnego statywu (1) ze wspornikiem (10), do którego jest mocowany model biomechaniczny stawu biodrowego zawierający układ kości miednicznej (KM) wraz z kością krzyżową (KK) i kością udową (KU) oraz mechanizmu obrotu w stawie biodrowym (4) z czujnikami pomiarowymi połączonymi z komputerem z programem przetwarzającym wyniki pomiarów. Model układu kostnego, w obszarze kości krzyżowej (KK), jest mocowany do wspornika (10) za pośrednictwem podwójnego mechanizmu przegubowego (5) złożonego z dwóch przegubów nastawnych z elementami konstrukcyjnymi do nastawiania położeń kątowych kości miednicznej (KM), zaś wolny koniec kości udowej (KU) jest zamocowany do podstawy (2) za pośrednictwem mechanizmu nastawnego (7) ograniczającego jej przemieszczenia, przy czym model anatomiczny jest wyposażony w układ linek odwzorowujących aktony mięśniowe, korzystnie dwadzieścia siedem aktonów, połączonych z czujnikami linkowymi (9) do pomiaru zmian długości linek, zwłaszcza potencjometrycznymi, zamocowanymi do statywu (1). Linki są poprowadzone przez przelotki zamocowane w punktach przyczepów mięśniowych wyznaczonych na powierzchniach kości miednicznej (KM) oraz kości udowej (KU). Mechanizm obrotu w stawie biodrowym (4) jest złożony z połączonych przegubowo członów tworzących przegub trójosiowy o trzech osiach kolejno wzajemnie prostopadłych i przecinających się w jednym punkcie, przy czym kąt obrotu względnego członów tworzących przegub trójosiowy jest mierzony w każdej z trzech osi za pomocą oddzielnych miniaturowych czujników potencjometrycznych.

Description

Przedmiotem wynalazku jest stanowisko do badania modeli stawu biodrowego człowieka, zwłaszcza do prowadzenia badań w zakresie biomechaniki i inżynierii biomedycznej stawu biodrowego. Na stanowisku wyznaczane są parametry i charakterystyki kinematyczne modelu połączenia stawowego wraz z układem mięśni szkieletowych. Na potrzeby badań tworzony jest, metodą szybkiego prototypowania, model materialny układu kostnego stawu pacjenta na podstawie danych z tomografii komputerowej. Przetworzone dane pomiarowe uzyskane na stanowisku mogą być przydatne do przedoperacyjnej oceny stanu stawu biodrowego, jak również w planowaniu pooperacyjnych procedur rehabilitacji i projektowaniu endoprotez - zwłaszcza endoprotez indywidualnych dopasowanych dla konkretnego pacjenta.

Wraz z rozwojem implantologii stawu biodrowego człowieka, zaczęły rozwijać się również odpowiednio ukierunkowane badania naukowe w zakresie biomechaniki i inżynierii biomedycznej. W tej kategorii mieszczą się badania na modelach stawu wraz z działającym w tym stawie układem mięśniowym. Wpływ oddziaływań układu mięśniowego na układ kostny stawu i samo połączenie stawowe w warunkach ruchu, a także w warunkach statycznych i quasi-statycznych jest potwierdzony w literaturze fachowej. Potrzebę badania oddziaływań aktonów mięśniowych na staw i komponenty kostne stawu wygenerował rozwój badań dotyczących analizy przyczyn obluzowywania endoprotez, jak również zjawisk przebudowy tkanek kostnych, w tym także na styku endoprotezy z tkanką kostną. Parametry i charakterystyki kinematyczne stanowią dane do wyznaczania sił wewnętrznych oddziałujących na staw.

Rozwój technik komputerowych umożliwił prowadzenie badań symulacyjnych na modelach wirtualnych stawów naturalnych i z endoprotezą. Na modelach tego typu możliwe jest prowadzenie eksperymentów numerycznych poprzez zmiany warunków brzegowych; w tym konfiguracji geometrycznej oraz warunków obciążenia. Dostępne oprogramowanie stwarza ogromne możliwości, jednak wyniki doświadczeń w wielu dziedzinach wykazują, że wnioskowanie o badanym zjawisku na podstawie tylko modelu wirtualnego może być zawodne. Potrzebne są wiarygodne badania doświadczalne. Prowadzenie badań doświadczalnych w stawie w warunkach „in vivo” - pomiar i rejestracja zmian parametrów geometrycznych i kinematycznych w układzie kostno-mięśniowych w zakresach ruchu w stawie, podlega ograniczeniom ze względu na inwazyjność metod pomiarowych.

W badaniach stawu z endoprotezą w warunkach „in vivo”, stosowane były zmodyfikowane, komercyjne endoprotezy wyposażone w czujniki pomiarowe. Urządzenia takie umożliwiają rejestrację w systemie telemetrycznym chwilowych wartości sił kontaktu w stawie. Metody tego typu mogą być stosowane w pracach badawczych dla ograniczonej liczby pacjentów. Ponadto wyniki pomiarów nie odzwierciedlają układu sił od poszczególnych aktonów mięśniowych oddziałujących na staw.

Podobnie ograniczony zakres możliwości dotyczy konstrukcji symulatorów i urządzeń do badania endoprotez stawu biodrowego opartych na mechanizmach zadawania nacisków na endoprotezę oraz pomiarze momentu skręcającego i sił poosiowych obciążających przegub i mierzonych za pomocą czujników tensometrycznych. Przykładem takiego urządzenia jest rozwiązanie przedstawione w opisie patentowym PL 193952.

Urządzenia do badań doświadczalnych na modelach stawów przystosowane są najczęściej do badania modeli uproszczonych lub tylko samych endoprotez, przez co ich przydatność do weryfikacji wyników badań modeli wirtualnych jest ograniczona.

Stanowisko do badania modeli stawu biodrowego człowieka, złożone ze sztywnego statywu ze wspornikiem, do którego jest mocowany model biomechaniczny stawu biodrowego zawierający układ kości miednicznej wraz z kością krzyżową i kością udową, oraz mechanizmu obrotu w stawie biodrowym z czujnikami pomiarowymi połączonymi z komputerem z programem przetwarzającym wyniki pomiarów, według wynalazku charakteryzuje się tym, że model układu kostnego, w obszarze kości krzyżowej, jest mocowany do wspornika za pośrednictwem podwójnego mechanizmu przegubowego złożonego z dwóch przegubów nastawnych z elementami konstrukcyjnymi do nastawiania położeń kątowych kości miednicznej, zaś wolny koniec kości udowej jest zamocowany do podstawy za pośrednictwem mechanizmu nastawnego ograniczającego jej przemieszczenia, przy czym model anatomiczny jest wyposażony w układ linek odwzorowujących aktony mięśniowe, korzystnie dwadzieścia siedem aktonów, połączonych z czujnikami linkowymi do pomiaru zmian długości linek, zwłaszcza potencjometrycznymi, zamocowanymi do statywu. Linki są poprowadzone przez przelotki zamocowane w punktach przyczepów mięśniowych wyznaczonych na powierzchniach kości miednicznej oraz

PL 220 303 B1 kości udowej. Mechanizm obrotu w stawie biodrowym jest złożony z połączonych przegubowo członów tworzących przegub trójosiowy o trzech osiach kolejno wzajemnie prostopadłych i przecinających się w jednym punkcie, przy czym kąt obrotu względnego członów tworzących przegub trójosiowy jest mierzony w każdej z trzech osi za pomocą oddzielnych miniaturowych czujników potencjometrycznych.

Korzystnym jest, jeżeli podwójny mechanizm przegubowy jest złożony z pierwszego przegubu nastawnego do regulacji pochylenia miednicy w płaszczyźnie strzałkowej w zakresie kątów inklinacji, wyposażonego w podziałkę położeń kątowych, oraz drugiego przegubu nastawnego do regulacji pochylenia miednicy w płaszczyźnie czołowej z możliwością ustawiania asymetrii położenia stawów biodrowych względem płaszczyzny strzałkowej.

Korzystnym jest także, jeżeli mechanizm obrotu w stawie biodrowym składa się z członu bazowego zamocowanego do kości miednicznej, połączonego obrotowo w osi pierwszej z członem pierwszym, wewnątrz którego jest osadzony obrotowo w osi drugiej człon drugi, który jest połączony obrotowo w osi trzeciej z członem trzecim mocowanym do kości udowej.

Rozwiązanie według wynalazku służy do badania modeli stawu biodrowego pacjenta wykonanego metodami szybkiego prototypowania na podstawie wyników obrazowania medycznego - tomografii komputerowej CT - i opracowanego modelu wirtualnego. Stanowisko według wynalazku umożliwia prowadzenie badań doświadczalnych na wykonanym metodą szybkiego prototypowania modelu materialnym rzeczywistego stawu pacjenta, równolegle z badaniami na odpowiadającym mu modelu wirtualnym. Badania na modelach materialnych mogą być stosowane bez ograniczeń wspomnianych wcześniej w odniesieniu do badań doświadczalnych w warunkach „in vivo”. Może być stosowane do badania różnych modeli stawów biodrowych, w tym struktur zmienionych patologicznie oraz stawów z endoprotezą. Na stanowisku dokonuje się pomiaru i rejestracji sygnałów pomiarowych służących do wyznaczania charakterystyk geometrycznych i kinematycznych w modelu układu kostno-mięśniowego stawu. Wyznaczone charakterystyki mogą być wykorzystane wprost do oceny stawu pacjenta lub jako dane do symulacji komputerowej charakterystyk biomechanicznych aktonów mięśniowych, a następnie obciążeń wewnętrznych w stawie.

Konstrukcja stanowiska, poprzez zastosowanie specjalnych mechanizmów nastawiania, zapewnia możliwość odtworzenia różnych położeń kości miednicznej i kości udowej w zakresach anatomicznych i w patologii, w tym zmianę kąta inklinacji oraz ustawienie asymetrii stawów biodrowych względem płaszczyzny strzałkowej. Mechanizm obrotu w stawie biodrowym pozwala na odwzorowanie cech funkcjonalnych anatomicznego stawu biodrowego oraz pomiar i rejestrację trzech składowych przemieszczeń kątowych w trakcie realizacji zadanego ruchu w stawie. Na stanowisku możliwe jest odtworzenie indywidualnych cech geometrycznych przebiegu aktonów mięśniowych poprzez zastosowanie układu linek oraz poprowadzenie linek przez przelotki określające dokładne położenie punktów przyczepów mięśniowych. Układ linek modelujących aktony mięśniowe, połączonych z linkowymi czujnikami obrotowymi, wraz z układem pomiarowym pozwala na jednoczesny pomiar zmian odległości pomiędzy przyczepami aktonów mięśniowych wywołanych zadanym ruchem kości udowej. Możliwa jest dowolna modyfikacja prowadzenia linek aktonów w zależności od ustawienia miednicy dla stawu prawidłowego i ze zmianami patologicznymi, a także badanie ruchu w stawie z udziałem wybranych grup aktonów mięśniowych. Zarejestrowane wyniki pomiarów są przetwarzane w celu ich graficznej prezentacji oraz wyznaczenia w funkcji czasu, lub w funkcji przemieszczeń kątowych w stawie, charakterystyk geometrycznych i kinematycznych aktonów mięśniowych podczas ruchu. Stanowisko według wynalazku umożliwia prowadzenie badań doświadczalnych mających na celu ocenę, które mięśnie i w jaki sposób zmieniają swoją długość w trakcie ruchu w stawie przez co można wnioskować o koordynacji mięśniowej w trakcie realizacji zadanego ruchu. Otrzymane charakterystyki mogą być wykorzystane w pracach badawczych do weryfikacji poprawności modelu wirtualnego badanego stawu oraz uzyskanych wyników symulacji komputerowej, w tym wyników badania współdziałania mięśni w czasie ruchu w stawie poprzez wyznaczenie sił rozwijanych przez poszczególne aktony mięśniowe.

Konstrukcja stanowiska i zastosowane mechanizmy: zamocowania i pozycjonowania miednicy, ruchu obrotowego w stawie oraz układu odwzorowującego przebiegi aktonów mięśniowych wraz z systemem rejestracji i przetwarzania danych pomiarowych, stanowią nowy układ w tego rodzaju badaniach i urządzeniach pomiarowych. Pozwalają na uzyskanie danych wejściowych do modeli numerycznych służących do przedoperacyjnego symulowania skutków zabiegu alloplastyki z uwzględnieniem oddziaływań ze strony układu mięśniowego. Wyniki symulacji mogą być wykorzystane do wskazania najlepszego typu endoprotezy lub do zaprojektowania endoprotezy indywidualnej oraz

PL 220 303 B1 prognozowania trwałości zamocowania endoprotezy. Na stanowisku może być badany zarówno lewy jak i prawy staw biodrowy.

Konstrukcja stanowiska pozwala na dowolne przezbrojenie układu, to jest zamocowanie i badanie innych połączeń stawowych, przy założeniu, że jeden element kostny stawu jest unieruchomiony, natomiast ruch drugiego elementu połączenia stawowego zależy od zastosowanego rozwiązania konstrukcyjnego mechanizmu obrotu w stawie.

Wynalazek jest objaśniony w przykładzie wykonania uwidocznionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia model układu kostnego stawu biodrowego z przyjętymi układami odniesienia, fig. 2 przedstawia model stanowiska pomiarowego w perspektywie, z zaznaczonymi układami i mechanizmami zamocowania modelu materialnego układu kostnego stawu, oraz prowadzenia linek, fig. 3 przedstawia w perspektywie i w szczegółach układy: zamocowania modelu kości miednicznej do wspornika przez przegub podwójny, zawieszenia kości udowej w stawie biodrowym z zastosowaniem przegubu trójosiowego oraz zamocowania i prowadzenia linkowych modeli aktonów mięśniowych, fig. 4 przedstawia schemat zastępczy przegubu trójosiowego o trzech osiach obrotu przecinających się w jednym punkcie, a fig. 5 przedstawia mechanizm prowadzący końcówkę kości udowej w perspektywie.

Staw biodrowy człowieka ma budowę podobną do typowego przegubu kulistego o trzech stopniach swobody. Na fig. 1, przedstawiającej układ kostny stawu biodrowego człowieka, zostały zdefiniowane trzy układy współrzędnych: układ stały - prostokątny układ współrzędnych X_p, Y_p, Z_p, związany z kością krzyżową KK połączoną na stałe z kością miedniczną KM, układ Xf, Yf, Zf, związany z kością udową KU oraz układ Xh, Yh, Zh, zaczepiony w środku stawu biodrowego Ch. Początek Cp układu stałego leży w środku odcinka wyznaczonego przez anatomiczne punkty ASIS określające położenie osi Zp o zwrocie w kierunku prawego punktu ASIS dla prawego stawu biodrowego i w kierunku lewego punktu ASIS dla lewego stawu biodrowego. Oś Xp jest wyznaczona przez punkt Cp oraz środek odcinka łączącego anatomiczne punkty PSIS prawy i lewy. Oś Yp, jest prostopadła do obydwu osi i skierowana do góry odpowiadając wyprostowanej pozycji stojącej. Osie Xp, Yp, Zp wyznaczają płaszczyzny anatomiczne przecinające się w punkcie Cp: strzałkową XpYp, czołową Zp, Yp i poprzeczną Xp, Zp. Układy współrzędnych zostały zdefiniowane na podstawie standardów dla stawu biodrowego (JCS - joint coordinates system) rekomendowanych przez Komitet ds. Standaryzacji (ISB - International Society of Biomechanics). Zgodnie z tymi standardami założono stałe położenie środka obrotu w stawie biodrowym Ch oraz układ osi obrotu w stawie Zh, Xh, Yh, przy czym Zh jest równoległa do Zp, a Yh pokrywa się z Yf. Opis kinematyki ruchu w stawie jest zgodny z konwencją kątów Eulera w następującym porządku: zginanie - prostowanie względem osi Zh, przywodzenie - odwodzenie względem osi Xh, oraz wewnętrzna - zewnętrzna rotacja względem osi Yh.

Jak przedstawiono na fig. 2, stanowisko do badania modeli stawu biodrowego człowieka składa z części mechanicznej - podporowej, na której zamocowany jest model biomechaniczny stawu, oraz części pomiarowej.

Część podporowa składa się ze sztywnego statywu 1 przymocowanego sztywno do podstawy 2, do której są przymocowane kółka 12, zapewniające mobilność stanowiska, z możliwością blokady ruchu. Do statywu 1 przymocowany jest wspornik 10 do zamocowania modelu układu kostnego, ramy 11, do których przymocowane są czujniki linkowe 9, elementy podtrzymujące listwy z krążkami prowadzącymi linki oraz skrzynka zasilająco przyłączeniowa 8. W części podporowej stanowiska wyróżnione zostały układy i mechanizmy zamocowania:

• układ zamocowania 3 połączonych kości KM-KK w obszarze kości krzyżowej KK, w punkcie odpowiadającym początkowi układu współrzędnych Cp (fig. 1), • podwójny mechanizm przegubowy 5 do pozycjonowania położenia kości miednicznej (fig. 3), • mechanizm nastawny 7 służący do prowadzenia końcówki kości udowej podczas ruchu w stawie z ograniczeniami (fig. 5).

Układ kostny w modelu biomechanicznym stawu jest modelem materialnym wykonywanym metodą szybkiego prototypowania na podstawie danych z tomografii komputerowej dla danego pacjenta. Składa się on z kości miednicznej KM wraz z kością krzyżową KK i kości udowej KU. Kości miedniczna KM i kość krzyżowa KK są połączone na stałe. W modelu biomechanicznym stawu biodrowego oprócz elementów kostnych zostały wyróżnione mechanizmy i układy:

• mechanizm obrotu w stawie biodrowym 4, • układ 6 zamocowania i prowadzenia linkowych modeli aktonów mięśniowych.

W skład części pomiarowej wchodzi układ czujników i połączeń oraz skrzynka zasilająco-przyłączeniowa 8. Skrzynka zasilająco-przyłączeniowa 8 zawiera zasilacz, zabezpieczenie przeciwzwarPL 220 303 B1 ciowe, moduł przyłączeniowy do komputera z kartą pomiarową, wyłącznik główny zasilania, żarówki sygnalizacyjne, listwy przyłączeniowe, kable i odpowiednie zaciski. Za pośrednictwem skrzynki zasilająco-przyłączeniowej 8 wszystkie czujniki pomiarowe są połączone z kartą pomiarową komputera PC. Na stanowisku możliwy jest pomiar, rejestracja i przetwarzanie jednocześnie trzydziestu sygnałów pomiarowych.

Mechanizmy i układy 3, 4, 5, 6, 7, wyróżnione na fig. 2, są pokazane w bliższej perspektywie na fig. 3, fig. 4 i fig. 5.

Jak pokazano na fig. 3, mocowanie modelu układu kostnego KM, KK, KU odbywa się poprzez kość krzyżową KK w sposób umożliwiający łatwy demontaż i zastąpienie go innym układem. Zamocowanie 3 stanowi zakończenie podwójnego mechanizmu przegubowego 5 połączonego ze wspornikiem 10. Podwójny mechanizm przegubowy 5, służy do pozycjonowania położenia modelu kości miednicznej KM, w tym ustawiania kąta inklinacji i zadawania asymetrii w położeniu obydwu stawów względem płaszczyzny strzałkowej. Pierwszy przegub nastawny 13 podwójnego mechanizmu przegubowego 5, wyposażony w podziałkę położeń kątowych 14, służy do regulacji pochylenia miednicy w płaszczyźnie strzałkowej, czyli do ustawiania i zmiany kąta inklinacji. Drugi przegub nastawny 15, zaopatrzony w zaciski śrubowe z podziałką kątową, służy do regulacji pochylenia miednicy w płaszczyźnie czołowej z możliwością ustawiania asymetrii położenia stawów biodrowych względem płaszczyzny strzałkowej.

W modelu stawu biodrowego na stanowisku, modele elementów kostnych KM i KU są połączone ze sobą za pośrednictwem mechanizmu obrotu w stawie biodrowym 4. Głowa w modelu kości udowej KU została odcięta i zastąpiona przez mechanizm obrotu w stawie przymocowany z jednej strony do kości udowej KU a z drugiej strony do panewki kości miednicznej KM. Mechanizm obrotu w stawie jest wyposażony w czujniki potencjometryczne do pomiaru trzech składowych przemieszczeń kątowych. Poprzez odwzorowanie cech funkcjonalnych stawu, mechanizm obrotu w stawie biodrowym 4 umożliwia realizację ruchów obrotowych względem zdefiniowanego układu osi: Zh, Xh, Yh, z początkiem w punkcie Ch oraz pomiar bieżących wartości przemieszczeń kątowych za pomocą miniaturowych czujników potencjometrycznych. Model zastępczy mechanizmu obrotu w stawie biodrowym 4 pokazano na fig. 4.

W układzie 6 zamocowania i prowadzenia linkowych modeli aktonów mięśniowych linki 18 poprowadzone zostały przez przelotki 19 na kości udowej KU oraz układ bloczków 20 przymocowanych na poprzecznych listwach 17. Poprzeczne listwy 17 wraz z belkami 16 tworzą konstrukcję ramową przymocowaną do wspornika 10. Linka 18 reprezentuje pojedynczy akton mięśniowy. Przelotki 19, widoczne na powiększonym fragmencie modelu, są zamocowane w punktach środkowych powierzchni przyczepów mięśniowych wyznaczonych na kości miednicznej KM oraz kości udowej KU. Linki te odwzorowują na stanowisku przebieg aktonów mięśniowych. Są one połączone poprzez złączki 21 z potencjometrycznymi czujnikami linkowymi 9 do pomiaru zmian odległości pomiędzy przyczepami mięśniowymi w czasie ruchu w stawie.

Jak pokazano na fig. 4 model zastępczy mechanizmu obrotu w stawie biodrowym 4 jest złożony z połączonych szeregowo członów tworzących przegub trójosiowy o trzech osiach wzajemnie kolejno prostopadłych i przecinających się w jednym punkcie, który po zamontowaniu na stanowisku, odpowiada środkowi obrotu w stawie biodrowym Ch. Człon bazowy 0 mechanizmu zamocowany w panewce kości miednicznej KM jest połączony obrotowo w osi pierwszej e1 z członem pierwszym I, wewnątrz członu pierwszego I jest osadzony obrotowo w osi drugiej e₂ człon drugi II, który jest połączony obrotowo w osi trzeciej e3 z członem trzecim III mocowanym do kości udowej KU. Kąty obrotów względnych członów tworzących przegub trójosiowy są mierzone w każdej z trzech osi za pomocą oddzielnych miniaturowych czujników potencjometrycznych.

Jak pokazano na fig. 5 do górnej powierzchni płyty 2 jest przymocowany mechanizm nastawny 7 prowadzący i ograniczający ruch kości udowej do płaszczyzn anatomicznych, połączony z końcem kości udowej KU. Po zablokowaniu uchwytu 22, względem podstawy, w konfiguracji pokazanej na fig. 5, możliwy jest ruch obrotowy kości udowej w płaszczyźnie strzałkowej, odpowiadający ruchom zginania i prostowania w stawie biodrowym. Po obrocie uchwytu 22 o kąt 90 stopni i zablokowaniu go w tym położeniu oraz połączeniu pręta 24 z końcówką 23, ruch kości udowej KU odbywa się w płaszczyźnie czołowej (przywodzenie - odwodzenie). Możliwy jest także obrót kości udowej KU względem osi własnej.

W rozwiązaniu według wynalazku wyniki pomiarów bieżących wartości trzech składowych przemieszczeń kątowych w stawie oraz zmian długości linek za pomocą odpowiednich czujników, podczas zadanego ruchu obrotowego kości udowej KU, są zapisywane w postaci cyfrowej. Zareje6

PL 220 303 B1 strowane sygnały pomiarowe są następnie przetwarzane za pomocą specjalnego programu do akwizycji i przetwarzania danych, a uzyskane zbiory danych są zapisywane i wykorzystywane następnie do wyznaczenia charakterystyk geometrycznych i kinematycznych dla modelu układu kostno-mięśniowego stawu biodrowego pacjenta odwzorowanego na podstawie wyników obrazowania medycznego. Wyznaczone parametry i charakterystyki w następnym etapie mogą być wykorzystane jako dane do symulacji komputerowej wartości sił mięśniowych (obciążeń wewnętrznych) oddziałujących na układ kostny w trakcie realizacji zadanego ruchu obrotowego kości udowej w stawie.

Badanie modelu stawu biodrowego na stanowisku według wynalazku można ująć w następujących punktach metodyki:

• zamontowanie modelu układu kostnego pacjenta na stanowisku pomiarowym z uwzględnieniem kątów pozycjonowania kości miednicznej KM oraz położenia punktów przyczepów linkowych modeli aktonów mięśniowych, • pomiar i rejestracja zmian odległości pomiędzy punktami przyczepów aktonów mięśniowych na kości miednicznej KM i kości udowej KU przy jednoczesnym pomiarze przemieszczeń kątowych w czasie ruchu obrotowego kości udowej w stawie, • analiza zarejestrowanych sygnałów i obliczenia, wyznaczenie charakterystyk geometrycznych, kinematycznych i biomechanicznych, • badanie wpływu zmian położenia kości miednicznej KM na charakterystyki geometryczne, kinematyczne i biomechaniczne, • symulacja sił aktonów mięśniowych z wykorzystaniem danych uzyskanych na stanowisku oraz innych danych biomechanicznych.

Badania na stanowisku pozwalają na weryfikację wyników obliczeń wykonanych na odpowiadającym modelu numerycznym, w odniesieniu do:

• przebiegu aktonów mięśniowych w obrębie badanego stawu i przypisanej im funkcji, • kierunków sił przypisanych każdemu aktonowi, przyjętych układach współrzędnych, dla założonej stojącej postawy ciała, • współdziałania aktonów mięśniowych w czasie realizacji ruchu, • oceny zmian kierunków sił mięśniowych w funkcji przemieszczeń kątowych w stawie, wyznaczonych na drodze obliczeń.

Wartości sił generowanych przez aktony mięśniowe w czasie ruchu w stawie zależą od wartości bieżącej długości mięśni i ich prędkości skracania się lub wydłużania, są zatem związane z funkcją zmian odległości pomiędzy odpowiednimi przyczepami na powierzchniach kości. Budowa anatomiczna i związane z nią parametry geometryczne układu kostnego mają zatem pośrednio wpływ na wartości tych sił. Mają także wpływ na sposób realizacji ruchu wyrażający się poprzez dobór i sekwencję włączania się aktonów, co stanowi informację o koordynacji mięśni generujących siły obciążające staw. Badania tego typu mają istotne znaczenie w przedoperacyjnej ocenie stanu badanego układu kostnego jak również w planowaniu pooperacyjnych procedur rehabilitacji. Mogą także służyć do najlepszego dobrania typowej endoprotezy lub zaprojektowania endoprotezy na miarę, a także prognozowanie trwałości zamocowania endoprotezy z uwzględnieniem obciążeń wewnętrznych, czyli obciążeń ze strony układu mięśniowego.

Claims (3)

1. Stanowisko do badania modeli stawu biodrowego człowieka, złożone ze sztywnego statywu ze wspornikiem, do którego jest mocowany model biomechaniczny stawu biodrowego zawierający układ kości miednicznej wraz z kością krzyżową i kością udową, oraz mechanizmu obrotu w stawie biodrowym z czujnikami pomiarowymi połączonymi z komputerem z programem przetwarzającym wyniki pomiarów, znamienne tym, że model układu kostnego, w obszarze kości krzyżowej (KK), jest mocowany do wspornika (10) za pośrednictwem podwójnego mechanizmu przegubowego (5) złożonego z dwóch przegubów nastawnych (13, 15) z elementami konstrukcyjnymi do nastawiania położeń kątowych kości miednicznej (KM), zaś wolny koniec kości udowej (KU) jest zamocowany do podstawy (2) za pośrednictwem mechanizmu nastawnego (7) ograniczającego jej przemieszczenia, przy czym model anatomiczny jest wyposażony w układ linek (18) odwzorowujących aktony mięśniowe, korzystnie dwadzieścia siedem aktonów, połączonych z czujnikami linkowymi (9) do pomiaru zmian długości linek (18), zwłaszcza potencjometrycznymi, zamocowanymi do statywu (1), które to linki (18) są poPL 220 303 B1 prowadzone przez przelotki (19) zamocowane w punktach przyczepów mięśniowych wyznaczonych na powierzchniach kości miednicznej (KM) oraz kości udowej (KU), zaś mechanizm obrotu w stawie biodrowym (4) jest złożony z połączonych przegubowo członów tworzących przegub trójosiowy o trzech osiach kolejno wzajemnie prostopadłych i przecinających się w jednym punkcie, przy czym kąt obrotu względnego członów tworzących przegub trójosiowy jest mierzony w każdej z trzech osi za pomocą oddzielnych miniaturowych czujników potencjometrycznych.

2. Stanowisko według zastrz. 1, znamienne tym, że podwójny mechanizm przegubowy (5) jest złożony z pierwszego przegubu nastawnego (13) do regulacji pochylenia miednicy w płaszczyźnie strzałkowej w zakresie kątów inklinacji, wyposażonego w podziałkę położeń kątowych (14), oraz drugiego przegubu nastawnego (15) do regulacji pochylenia miednicy w płaszczyźnie czołowej z możliwością ustawiania asymetrii położenia stawów biodrowych względem płaszczyzny strzałkowej.

3. Stanowisko według zastrz. 1, znamienne tym, że mechanizm obrotu w stawie biodrowym (4) składa się z członu bazowego (0), zamocowanego do kości miednicznej (KM), połączonego obrotowo w osi pierwszej (e1) z członem pierwszym (I), wewnątrz którego jest osadzony obrotowo w osi drugiej (e₂) człon drugi (II), który jest połączony obrotowo w osi trzeciej (e₃) z członem trzecim (III) mocowanym do kości udowej (KU).