專利名稱：高磁場工作環(huán)境下動態(tài)載荷加載裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)備，尤其涉及一種可在磁共振等高磁場環(huán)境下對人體下肢進(jìn)行日常負(fù)荷模擬加載的裝置。
背景技術(shù)：
在骨關(guān)節(jié)的臨床診斷中，有一項(xiàng)非常重要的檢查內(nèi)容，即在負(fù)荷狀態(tài)下對關(guān)節(jié)形態(tài)和關(guān)節(jié)內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，以分析骨關(guān)節(jié)病變發(fā)展?fàn)顩r和病理狀態(tài)。眾所周知，人體大關(guān)節(jié)負(fù)荷和非負(fù)荷狀態(tài)下關(guān)節(jié)半月板、韌帶形態(tài)均存在差異，非負(fù)荷狀態(tài)下關(guān)節(jié)影像學(xué)檢查和體檢無法顯示人在行走或直立狀態(tài)下的關(guān)節(jié)內(nèi)結(jié)構(gòu)變化情況和相對位置改變。因此在骨科學(xué)和影像學(xué)檢查中，負(fù)重位X線關(guān)節(jié)攝片成為常用的檢查手段，也是骨關(guān)節(jié)炎等疾病的標(biāo)準(zhǔn)成像技術(shù)之一。作為目前唯一能直接顯示關(guān)節(jié)內(nèi)結(jié)構(gòu)的影像學(xué)技術(shù)，關(guān)節(jié)磁共振成像已成為骨關(guān)節(jié)疾病的常用影像學(xué)檢查技術(shù)，在疾病診斷和治療評估中發(fā)揮著重要作用。磁共振不僅能顯示關(guān)節(jié)內(nèi)結(jié)構(gòu)的形態(tài)信息，更重要的是能進(jìn)行關(guān)節(jié)內(nèi)結(jié)構(gòu)生理信息的判斷與評估。關(guān)節(jié)軟骨生理性成像技術(shù)已成為臨床常用的評估手段，在骨關(guān)節(jié)炎早期診斷和軟骨病變治療評估方面發(fā)揮著重要作用。如能進(jìn)行負(fù)荷狀態(tài)下的軟骨生理磁共振成像，觀察負(fù)荷軟骨基質(zhì)內(nèi)部的生理變化和病變軟骨的基質(zhì)退變狀況，則能極大的促進(jìn)軟骨影像學(xué)研究，為骨科學(xué)臨床評估和影像學(xué)技術(shù)進(jìn)步提供重要的平臺。隨著骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)藥物的不斷發(fā)展，大部分骨關(guān)節(jié)炎患者無需進(jìn)行關(guān)節(jié)置換手術(shù)。通過持續(xù)的康復(fù)治療與使用促軟骨修復(fù)藥物等，患者能盡量延長自身關(guān)節(jié)的使用年限， 推遲關(guān)節(jié)置換手術(shù)的實(shí)施年齡，減少關(guān)節(jié)假體翻修，甚至可以不進(jìn)行手術(shù)，最大限度的提升生活質(zhì)量和治療效果。在此過程中，關(guān)節(jié)磁共振評估是必不可少的評估手段。由于磁共振線圈設(shè)計(jì)的原因，目前世界上尚無一種設(shè)備可實(shí)現(xiàn)站立位掃描或進(jìn)行負(fù)重狀態(tài)下的磁共振檢查。無論是進(jìn)行上肢還是下肢大關(guān)節(jié)的磁共振成像，均采用仰臥位狀態(tài)進(jìn)行掃描。截止目前為止，國內(nèi)尚無能在常用高場磁共振環(huán)境下適用于人體的下肢關(guān)節(jié)負(fù)荷裝置，也沒有能進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和動態(tài)下肢關(guān)節(jié)負(fù)荷加壓的機(jī)械裝置。這是因?yàn)?，滾珠絲杠、液壓伺服、氣動加載等模式驅(qū)動的力學(xué)加載裝置由于都含有金屬部件，都含鐵元素，在磁共振的高磁場作用下有巨大的引力，這些含有鐵元素的裝置都不能在磁共振環(huán)境下使用。因此無法得到關(guān)節(jié)負(fù)重狀態(tài)下的磁共振信息，觀察各種關(guān)節(jié)內(nèi)結(jié)構(gòu)負(fù)重下的形態(tài)變化和內(nèi)部功能信息。這對骨關(guān)節(jié)疾病，特別是骨關(guān)節(jié)炎的病程判斷和治療評估帶來一定的影響。如能實(shí)現(xiàn)負(fù)荷狀態(tài)下的關(guān)節(jié)軟骨磁共振成像，則能在最接近生理狀態(tài)下進(jìn)行關(guān)節(jié)內(nèi)結(jié)構(gòu)成像，對骨關(guān)節(jié)炎的預(yù)后和手術(shù)指征判斷具有重要意義。其主要難點(diǎn)在于1、常規(guī)下肢加壓裝置均為金屬制造，無法適應(yīng)于屏蔽外周電子活躍金屬的高磁場環(huán)境；2、磁共振機(jī)房場地面積有限，無較多的動力電源可供機(jī)械裝置安裝使用；
3、要求受試者能接受，具有較高的檢查舒適度。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明針對目前磁共振檢查中無法獲得關(guān)節(jié)加載狀態(tài)，設(shè)計(jì)了一種全部采用非鐵磁材料的人體下肢關(guān)節(jié)加載裝置，保證其能在磁共振掃描的同時(shí)安全地對患者下肢關(guān)節(jié)進(jìn)行日常生理載荷的可控，定量地模擬加載。該裝置采用氣動加壓裝置，不會產(chǎn)生電磁場干擾磁共振設(shè)備。同時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考目前醫(yī)用磁共振標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，適用范圍廣，可以滿足廣大患者的診斷，手術(shù)評價(jià)以及相關(guān)醫(yī)學(xué)研究的需求。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種高磁場工作環(huán)境下的動態(tài)載荷加載裝置，用于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷狀態(tài)下人體下肢關(guān)節(jié)磁共振成像的試驗(yàn)機(jī)，所述試驗(yàn)機(jī)包括空氣壓縮機(jī)10、 減壓閥20、比例伺服閥40、所述動態(tài)載荷加載裝置和計(jì)算機(jī)70，其中，所述空氣壓縮機(jī)提供壓縮空氣，以向所述試驗(yàn)機(jī)提供動力，所述壓縮空氣經(jīng)過所述減壓閥進(jìn)入所述比例伺服閥； 所述計(jì)算機(jī)用于控制所述比例伺服閥的進(jìn)氣和排氣；位于所述高磁場工作環(huán)境中的所述動態(tài)載荷加載裝置包括加載框架60和氣缸；其中，所述加載框架包括人體支撐裝置63、固定輔具69和輔助支具61，所述人體支撐裝置與所述固定輔具固定聯(lián)接，所述輔助支具可固定在所述人體支撐裝置上的不同位置，以提供對人體待測部位的一端的支撐；所述氣缸包括氣缸筒67、所述氣缸筒內(nèi)的活塞和與所述活塞相連的氣缸桿65，所述氣缸筒固定設(shè)置于所述固定輔具上，所述氣缸桿對人體待測部位的另一端進(jìn)行頂推；所述氣缸與所述比例伺服閥間用非鐵磁性的管道連通，通過所述進(jìn)氣和所述排氣，控制所述活塞的運(yùn)動，從而通過所述氣缸桿向所述人體待測部位施力。較佳地，本發(fā)明的動態(tài)載荷加載裝置中，所述試驗(yàn)機(jī)的所述空氣壓縮機(jī)、所述減壓閥、所述比例伺服閥和所述計(jì)算機(jī)位于所述高磁場工作環(huán)境之外。較佳地，本發(fā)明的動態(tài)載荷加載裝置中，所述加載框架用非鐵磁性材料制造；進(jìn)一步地，所述非鐵磁性材料為鋁、鋁合金、銅、銅合金或塑料。較佳地，本發(fā)明的動態(tài)載荷加載裝置中，所述氣缸用非鐵磁性材料制造；進(jìn)一步地，所述非鐵磁性材料為高分子塑料材料。較佳地，本發(fā)明的動態(tài)載荷加載裝置中，所述人體支撐裝置為床。較佳地，本發(fā)明的動態(tài)載荷加載裝置中，所述試驗(yàn)機(jī)的所述比例伺服閥的進(jìn)氣端和排氣端還分別設(shè)有氣壓傳感器30、50，所述計(jì)算機(jī)通過接收所述氣壓傳感器的信號，控制所述比例伺服閥，繼而通過所述氣缸實(shí)現(xiàn)對所述人體待測部位載荷的動態(tài)加載。進(jìn)一步地， 所述動態(tài)加載為振幅為1500N的正弦波。較佳地，本發(fā)明的動態(tài)載荷加載裝置中，所述氣缸還具有非磁性的導(dǎo)軌，所述氣缸桿通過所述導(dǎo)軌導(dǎo)向。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下的有益效果采用無磁性的高分子材料制造氣缸筒和氣缸內(nèi)元件，實(shí)現(xiàn)了載荷的動態(tài)加載。該試驗(yàn)裝置的氣動控制原理上與傳統(tǒng)控制方式相同，但是采用了高分子材料的工藝制造，實(shí)現(xiàn)了磁共振的高磁場環(huán)境下的動態(tài)加載，該技術(shù)方案使的高磁場工作環(huán)境下對人體下肢的力學(xué)動態(tài)加載成為可能。以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的設(shè)置在試驗(yàn)機(jī)中的機(jī)構(gòu)原理圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明的試驗(yàn)機(jī)包括置于磁共振設(shè)備中的加載框架60、高分子材料氣缸筒67、高分子材料氣缸桿65，氣壓傳感器30和50、比例方向閥40等氣壓加載裝置。加載框架60提供加載裝置與人體腰部與肩部的接觸，并提供加載裝置的支撐，氣缸加載通過推動氣缸桿65實(shí)現(xiàn)動態(tài)力的加載。氣缸桿65通過(非磁性)塑料導(dǎo)軌導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)氣缸桿對人體下肢的力學(xué)加載。氣缸缸筒67、氣缸推力桿65采用高分子材料制造，由于實(shí)現(xiàn)了無鐵、鐵合金等金屬材料，整個(gè)試驗(yàn)裝置無磁性，可以安全地置于磁共振環(huán)境中。本裝置的動力來源是空氣壓縮機(jī)10提供的壓縮空氣，壓縮空氣經(jīng)過減壓閥20后進(jìn)入比例伺服閥40。計(jì)算機(jī)70通過控制比例伺服閥40的進(jìn)氣量，控制氣缸缸筒67內(nèi)的壓力，氣缸筒67內(nèi)的壓力差產(chǎn)生氣缸桿65的推力，并可以實(shí)現(xiàn)載荷的動態(tài)加載，可以實(shí)現(xiàn) 1500N以下的載荷曲線加載。氣缸缸筒、氣缸推力桿采用高分子材料制造，由于采用了無鐵、 鐵合金等金屬材料，整個(gè)試驗(yàn)裝置無磁性，可以安全地置于磁共振環(huán)境中。以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高磁場工作環(huán)境下的動態(tài)載荷加載裝置，用于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷狀態(tài)下人體下肢關(guān)節(jié)磁共振成像的試驗(yàn)機(jī)，所述試驗(yàn)機(jī)包括空氣壓縮機(jī)、減壓閥、比例伺服閥、所述動態(tài)載荷加載裝置和計(jì)算機(jī)，其中，所述空氣壓縮機(jī)提供壓縮空氣，以向所述試驗(yàn)機(jī)提供動力，所述壓縮空氣經(jīng)過所述減壓閥進(jìn)入所述比例伺服閥；所述計(jì)算機(jī)用于控制所述比例伺服閥的進(jìn)氣和排氣；位于所述高磁場工作環(huán)境中的所述動態(tài)載荷加載裝置包括加載框架和氣缸；其中，所述加載框架包括人體支撐裝置、固定輔具和輔助支具，所述人體支撐裝置與所述固定輔具固定聯(lián)接，所述輔助支具可固定在所述人體支撐裝置上的不同位置，以提供對人體待測部位的一端的支撐；所述氣缸包括氣缸筒、所述氣缸筒內(nèi)的活塞和與所述活塞相連的氣缸桿，所述氣缸筒固定設(shè)置于所述固定輔具上，所述氣缸桿對人體待測部位的另一端進(jìn)行頂推；所述氣缸與所述比例伺服閥間用非鐵磁性的管道連通，通過所述進(jìn)氣和所述排氣，控制所述活塞的運(yùn)動，從而通過所述氣缸桿向所述人體待測部位施力。
2.如權(quán)利要求1所述的動態(tài)載荷加載裝置，其特征在于，所述試驗(yàn)機(jī)的所述空氣壓縮機(jī)、所述減壓閥、所述比例伺服閥和所述計(jì)算機(jī)位于所述高磁場工作環(huán)境之外。
3.如權(quán)利要求1所述的動態(tài)載荷加載裝置，其特征在于，所述加載框架用非鐵磁性材料制造。
4.如權(quán)利要求3所述的動態(tài)載荷加載裝置，其特征在于，所述非鐵磁性材料為鋁、鋁合金、銅、銅合金或塑料。
5.如權(quán)利要求1所述的動態(tài)載荷加載裝置，其特征在于，所述氣缸用非鐵磁性材料制造。
6.如權(quán)利要求5所述的動態(tài)載荷加載裝置，其特征在于，所述非鐵磁性材料為高分子塑料材料。
7.如權(quán)利要求1所述的動態(tài)載荷加載裝置，其特征在于，所述人體支撐裝置為床。
8.如權(quán)利要求1至7中任一所述的動態(tài)載荷加載裝置，其特征在于，所述試驗(yàn)機(jī)的所述比例伺服閥的進(jìn)氣端和排氣端還分別設(shè)有氣壓傳感器，所述計(jì)算機(jī)通過接收所述氣壓傳感器的信號，控制所述比例伺服閥，繼而通過所述氣缸實(shí)現(xiàn)對所述人體待測部位載荷的動態(tài)加載。
9.如權(quán)利要求8所述的動態(tài)載荷加載裝置，其特征在于，所述動態(tài)加載為振幅為1500N 的正弦波。
10.如權(quán)利要求8所述的動態(tài)載荷加載裝置，其特征在于，所述氣缸還具有非磁性的導(dǎo)軌，所述氣缸桿通過所述導(dǎo)軌導(dǎo)向。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高磁場環(huán)境下適用磁共振等設(shè)備的動態(tài)載荷加載裝置，本發(fā)明包括置于磁共振設(shè)備中的加載框架、高分子材料氣缸筒、高分子材料氣缸桿，氣壓傳感器、比例方向閥等氣壓加載裝置。加載框架提供加載裝置與人體腰部與肩部的接觸固定，提供加載裝置的支撐。氣缸加載通過推動氣缸桿和實(shí)現(xiàn)所需的動態(tài)力的加載。氣缸桿通過(非磁性)塑料導(dǎo)軌導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)氣壓桿對人體下肢的力學(xué)加載。氣缸缸筒、氣缸推力桿采用高分子材料制造，由于實(shí)現(xiàn)了無鐵、鐵合金等金屬材料，整個(gè)試驗(yàn)裝置無磁性，可以安全地置于磁共振環(huán)境中。
文檔編號A61B5/055GK102319070SQ201110236519
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月17日
發(fā)明者周海宇, 李元超, 羅云, 陸勇 申請人:上海交通大學(xué)