一种膝关节运动保护器
技术领域：本实用新型涉及医疗保健设备技术领域，具体为一种膝关节运动保护器。
背景技术
膝关节损伤对中老年人群和运动员是一种常见病，大多数中老年人都存在膝关节的一些老年性退行性病理改变而导致的疾患，以及运动不当或者日常生活中意外受伤。具体表现为：半月板损伤、韧带或肌肉受伤、骨质增生或软骨磨损等，轻者影响生活质量，重者要进行手术，术后往往有很长的康复阶段，很多人常采用拐杖、支具来帮助，这当然会给日常生活带来不便。现在很多国家都在试验应用一种《膝关节助力器》，它外置在体外，而且不影响观感，因此得到广大患者的喜欢。
一般的膝关节助力器有如下问题：
1)没有考虑患者膝关节运动受伤的具体情况，而是设计了一种固定的轴心连杆形式，我们知道，在运动时，膝关节的运动模式并非是一个简单的伸屈运动，而是一个兼有伸屈、滚动、滑动、侧移和轴位旋转的复杂的多自由度的运动模式。因而，它并非围绕着同一个固定的中心旋转，而是根据运动的过程产生多个瞬时旋转中心。这种将旋转中心固定的助力器产品，对关节的保护都会产生副作用，因为考虑到每个人膝关节结构和运动方式不同，外置的连杆轴心常常不可能和人体膝关节运动弯曲时的瞬时旋转中心重合，因此有时还会产生相反的副作用，反而加重伤情。
2)没有考虑如何设法减少偏心影响和应力峰值增加，膝关节在行走伸屈运动时，股胫间传力线的作用点会向后侧偏移，产生了向后侧偏心，当伸屈大于90度以上时还会向内侧偏移，并使接触面减少，使膝关节受到轴力和力矩双重作用，因而不但导致股胫关节接触面减少应力增加，而且使其分布不均匀而产生峰值，从而导致膝关节受伤。
3)没有专门考虑对韧带保护措施，如施加预压力使其运动时拉力减少等，而一般膝关节助力器在安装时并不受力，要等走路和上台阶时，才通过股骨、胫骨之间的张力带的摩擦力，依靠连杆和转轴传递部分重力，在膝关节伸屈、内旋、外旋运动时相应韧带就会受到牵拉，当以上运动速度过快、用力过猛时，会导致韧带瞬间拉力过大而拉伤，使关节受力失去平衡，进一步导致半月板或韧带受伤，因而膝关节保护器应该考虑对韧带的保护。
4)没有考虑运动中各种韧带拉力的变化，无法进行有针对性的预张拉力的调节；膝关节在伸屈不同角度时，前后交叉韧带内力会产生相反方向变化，水平面的旋转运动在内旋和外旋时，内外侧副韧带受力也会产生相应变化，当单向变化过大就会使某一处韧带，以及相应关节组织受伤，因为没有考虑到这种受力变化，也就无法对膝关节进行有针对性的预调节保护。
5)没有预警控制，上下腿上的张力带，常常松紧较难控制，而且不知道带多长时间会影响血液流通，而使腿部肌肉受到伤害，因此需要一定时候放松几分钟再用。
但是现在的膝盖助力器都没有以上这种功能，为此提供一种根据不同具体病情的一种有针对性的，可减少关节接触应力峰值的，具有可调预作用力的，并有预警控制的膝关节运动保护器是有必要的。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术存在的问题，提供一种根据不同具体病情，有针对性的，可减少关节接触应力峰值的，具有可调预作用力的，并有预警控制的膝关节运动保护器。
为了达到上述目的，本实用新型通过以下技术方案来实现：
一种膝关节运动保护器，包括固定在中间膝关节部位的保护垫，设于股骨下段和胫骨上段的多个张力圈，分别对称设置在股骨两侧的上助力杆和胫骨两侧的下助力杆，其特征在于：所述上助力杆一端通过滑动铰活动与保护垫活动连接，另一端铰接在股骨上端的张力圈上；所述下助力杆一端通过固定铰连接在中间保护垫上，另一端铰接在胫骨下端的张力圈上，所述滑动铰和固定铰间形成一个偏心距e，使行走伸屈运动时，膝关节处的股胫间传力处，产生一个向外的反向偏心力矩，以抵消部分膝关节伸屈运动产生偏心的影响，补偿股骨胫骨间传力线向内侧偏心的影响，使股骨胫骨间的接触面应力分布更均匀。
优选地，所述滑动铰包括底板、盖板和铰接滑块，所述盖板上设有弧形滑动槽，铰接滑块一端可移动的安装在所述弧形滑动槽内，另一端与上助力杆铰接；根据下肢运动特性，滑动槽设置成向上凹的弧形槽，当下肢运动时，滑动铰会左右滑动，以使上下腿弯曲时传力流畅，其偏心距也会相应产生变化，这样也可更加适应膝关节在运动时，其旋转中心的变化，使在任何情况下都能够部分补偿胫骨股骨间传力线产生的向内侧偏心，所述滑动铰与固定铰的底板为一体件，进而加强滑动铰与固定铰之间的传力刚性。
优选地，与保护垫连接的张力圈之间设置一对斜向拉力弹簧，所述拉力弹簧分布在上下助力杆两侧，两端和张力圈铰接；安装时先对拉力弹簧按需要进行预张拉，使膝关节处于预压力状态，当膝关节伸屈运动时，外侧弹簧进一步拉紧，内侧弹簧放松，给膝关节增加了一个反向力矩，从而使韧带的最终拉力减少，起到保护韧带不被拉伤的作用。
优选地，所述拉力弹簧下侧设有加劲片，所述加劲片固定在保护垫上，加劲片与保护垫联成一体，以减少保护垫在弹簧张拉时的变形，从而更好地起到弹簧和膝关节之间的传力作用。
优选地，所述助力杆与张力圈交叉处设有套箍，助力杆和张力圈分别穿过套箍，并可相互自由滑动。
优选地，所述保护垫上还设有安装在保护垫内侧的智能预警装置，所述智能预警装置包括与膝关节内侧肌肉表面接触并用于监测膝关节处温度的温度传感器，用于处理温度传感器获得数据的微型处理器，及将微型处理器处理后的温度数据传送至手机客户端的蓝牙传输单元；通过温度传感器获知膝盖内侧的温度是否超出设定阈值，超过阈值则发送警报至手机客户端，从而提醒使用者需要松开张力圈，避免因张力圈太紧或者时间太久，造成散热不良而使肌肉肿胀发热、血液阻滞等问题。
优选地，所述智能预警装置内还设有用于监测运动保护器使用状态的三轴加速度传感器，所述三轴加速度传感器与微处理器信号连接；通过三轴加速度传感器获取运动保护器的加速度数据，从而判断患者是否已佩戴运动保护器开始行走，并通过微处理器发送数据至手机客户端，使其开始计时，当计时超过设定阈值时，通过手机客户端发出警报声或者振动方式提示告警，可避免因张力圈束绑时间太久，造成散热不良而使肌肉肿胀发热、血液阻滞等问题。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：
在上下助力杆连接的滑动铰和固定铰间设置一个偏心距e，使行走伸屈运动时，膝关节处的股胫间传力处，产生一个向外的反向偏心力矩，以抵消部分膝关节伸屈运动产生偏心的影响，补偿股骨胫骨间传力线向内侧偏心的影响，使股骨胫骨间的接触面应力分布更均匀；
滑动铰设有向上凹的弧形槽，当下肢运动时，滑动铰会左右滑动，以使上下腿弯曲时传力流畅，其偏心距也会相应产生变化，可更加适应膝关节在运动时，其旋转中心的变化，使在任何情况下都能够部分补偿胫骨股骨间传力线产生的向内侧偏心；
在中部连轴处，左右各设置两条斜向拉力弹簧，弹簧下设置一保护垫的加劲片，以减少保护垫在弹簧张拉时的变形，从而更好地起到弹簧和膝关节之间的传力作用；
通过设置智能预警装置监测膝关节处温度和运动保护器佩戴时间，及时提醒用户松开张力圈，可避免因张力圈束绑太紧或时间太久，造成散热不良而使肌肉肿胀发热、血液阻滞等问题。
附图说明：
图1是本实用新型的一侧面结构示意图；
图2是本实用新型的滑动铰与固定铰一体件的俯视与剖面示意图；
图3是本实用新型的连接铰一的结构示意图；
图4是本实用新型的套箍结构示意图；
图5为本实用新型的连接铰二结构示意图。
附图标记说明：1-膝盖中部保护垫，2、3-拉力弹簧，6、7-加劲片，4-上助力杆，5-下助力杆，9-保护垫的孔，10-滑动铰，11-固定铰，12、13、14、15、16、17-张力圈，18-套箍，19-连接铰一，20-连接铰二，21-智能预警装置，101-底板，102-盖板，103-铰接滑块，104-弧形滑动槽，105-固定螺栓。
具体实施方式：
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
此实例适用于骨骼、半月板以及韧带受伤后的康复和保健需要的患者，其结构一侧详见图1，两侧对称，其中一侧由以下各部分组成：
包括固定在中间膝关节部位的保护垫1，设于股骨下段和胫骨上段的多个张力圈12、13、14、15、16、17，分别对称设置在股骨两侧的上助力杆4和胫骨两侧的下助力杆5，上助力杆4一端通过滑动铰10活动连接在保护垫1上，另一端铰接在股骨处最上端的张力圈12上；下助力杆5一端通过固定铰11连接在保护垫1上，另一端铰接19在胫骨处最下端的张力圈17上；滑动铰10和固定铰11间设置一个偏心距e，使行走伸屈运动时，膝关节处的股胫间传力处，产生一个向外的反向偏心力矩，以抵消部分膝关节伸屈运动产生偏心的影响，补偿股骨胫骨间传力线向内侧偏心的影响，使股骨胫骨间的接触面应力分布均匀，有效保护膝关节；保护垫1为具有一定强度和弹性的多层针织物制作而成，在保护垫1上膝盖前方设置一个孔9，以方便髌骨活动，并有利散热；上下助力杆的材料首选采用碳纤维，也可以采用金属和塑料；张力圈可以采用带有雌雄扣的强力松紧带；滑动铰10和固定铰11的底板101与保护垫1连接采用强力胶粘结，也可采用螺栓连接。
如图2所示，滑动铰10包括底板101、盖板102和铰接滑块103，盖板102上设有弧形滑动槽104，铰接滑块103一端可移动的安装在弧形滑动槽104内，另一端与上助力杆4铰接，底板101与盖板102通过固定螺栓105连接；当上下肢作伸屈运动时，铰接滑块103会沿着弧形滑动槽104左右滑动，以使上下腿弯曲时传力流畅，滑动铰10和固定铰11设置的偏心距也会相应产生变化，这样也可更加适应膝关节在运动时，其旋转中心的变化，在任何情况下都能补偿，部分股骨胫骨间传力线向内侧偏心的影响，使接触面应力分布更均匀；滑动铰10与固定铰11可分离设置，优选的滑动铰10与固定铰11的底板为一体件，可加强滑动铰与固定铰之间的传力刚性。
如图1所示，与保护垫连接的张力圈14、15之间设置一对斜向拉力弹簧2、3，拉力弹簧2、3分布在上下助力杆4、5两侧，两端和张力圈14、15铰接；拉力弹簧2、3下设一加劲片6、7，加劲片6、7与保护垫1联成一体，患者未站立走路前，拉力弹簧在设置助力器时就进行预张拉，这时加劲片承担了部分张力而受压，而另一部分传到膝关节，以使它在没有受到重力作用时，先受到一个内向压力，而使关节和韧带在未受拉力时，相应产生一个预压力，当膝关节伸屈运动时，一侧拉力弹簧进一步被动拉紧时，拉力弹簧下的加劲片也会因被动受拉而释放压力，这些压力会转移到膝关节上，因此会导致的相关韧带的最终拉力减少，这样就起了保护韧带不被拉伤的效果，两侧四条斜向拉力弹簧的张力也是可调的，针对膝关节受伤情况不同，来调节相应弹簧的松紧程度，以达到保护相应韧带的目的。
如图4所示，助力杆4、5与张力圈13、14、15、16交叉处设有套箍18，助力杆4、5和张力圈13、14、15、16分别穿过套箍18，并可相互自由滑动。
如图1所示，所述保护垫1上还设有安装在保护垫1内侧的智能预警装置21，所述智能预警装置21包括与膝关节内侧肌肉表面接触并用于监测膝关节处温度的温度传感器，用于处理温度传感器获得数据的微型处理器，及将微型处理器处理后的温度数据传送至手机客户端的蓝牙传输单元，温度传感器和蓝牙传输单元通过信号线连接微处理器，温度传感器贴靠设于智能预警装置背面导热材料，导热材料可以为金属材质，将与其接触的肌肉表面温度传导至温度传感器，通过温度传感器获知膝盖内侧的温度是否超出设定阈值，超过阈值则发送警报至手机客户端，从而提醒使用者需要松开张力圈，避免因张力圈太紧或者时间太久，造成散热不良而使肌肉肿胀发热、血液阻滞等问题。
智能预警装置21内还设有用于监测运动保护器使用状态的三轴加速度传感器，三轴加速度传感器与微处理器信号连接；通过三轴加速度传感器获取运动保护器的加速度数据，判断患者是否已佩戴运动保护器开始行走，并通过微处理器发送数据至手机客户端，使其开始计时，当计时超过设定阈值时，通过智能预警装置21内置的振动传感器和蜂鸣器，或手机客户端发出警报声或者振动方式提示告警，可避免因张力圈束绑时间太久，造成散热不良而使肌肉肿胀发热、血液阻滞等问题。
上下助力杆4、5材料为金属或工程塑料，上助力杆4下部的弧形滑动铰10材料为金属或工程塑料；下助力杆5上部的固定铰11材料也为金属或工程塑料；所有张力圈12、13、14、15、16、17为强力松紧带，拉力弹簧2、3材料为薄型金属弹簧或强力松紧带，固定张力圈的套箍18采用金属或工程塑料制成，张力圈12、13、14、15、16、17的调节固定采用粘结其上的尼龙搭扣；助力杆4、5与张力圈12、13、14、15、16、17的连接铰一19、连接铰二20都由金属或工程塑料制作。
如图1、3、4、5所示，其中滑动铰10、固定铰11的底板101与保护垫1连接采用强力胶粘结；该处的助力杆4、5与张力圈13、14、15、16连接处的套箍18，以及拉力弹簧2、3和张力圈14、15的连接铰二20和保护垫1间的连接，也采用强力胶粘接；助力杆4、5与张力圈13、14、15、16交叉处的套箍18，套接在张力圈13、14、15、16上；助力杆4、5与张力圈12、17连接处的连接铰一19，也套接在张力圈12、17上；拉力弹簧2、3与张力圈12、17处的连接铰二20，其粘结在保护垫1上，张力圈12、17从连接铰二20中间的套孔中穿过。
所有张力圈12、13、14、15、16、17的强力松紧带皆为开口型的，张拉后采用尼龙搭扣将其连接封闭，因此使用方便；拉力弹簧可根据需要张紧到需要程度，再采用尼龙搭扣将其连接封闭。
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
