Способ диагностирования эндопротезов суставов с металлической парой трения

Способ диагностирования эндопротезов суставов с металлической парой трения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области испытаний изделий медицинской техники, а именно к вопросу производственных испытаний эндопротезов суставов с металлической парой трения, состояние которой в процессе испытаний оценивается с применением электрических (электрорезистивных) методов диагностирования.

Из существующего уровня техники известен способ диагностирования эндопротезов тазобедренных суставов с металлической парой трения. Способ диагностики эндопротезов тазобедренных суставов с металлической парой трения заключается в том, что эндопротез закрепляют в испытательном стенде, нагружают осевой силой, формируют смазочный слой между поверхностями компонентов эндопротезов и определяют физические характеристики поверхностного слоя компонентов в зоне трения. Осевую силу прикладывают перпендикулярно к поверхности основания эндопротеза, пропускают через зону трения эндопротеза малый по значению стабильный электрический ток, регистрируют вызываемое током и пропорциональное электрическому сопротивлению падение электрического напряжения в зоне трения в виде временной функции, по параметрам флуктуации которой оценивают фактический режим трения в эндопротезе. По отношению времени целостности смазочного слоя определяемого по временной функции сопротивления к общему времени измерения, оценивают фактическое техническое состояние элементов трибосопряжения деталей эндопротеза в процессе его испытаний (см. патент РФ №2435551, МПК A61F 2/32, опубл. 2011).

Недостатком данного способа является то, что измерения на постоянном токе не обеспечивают необходимую чувствительность и быстродействие измерений, так как процессы, происходящие на микроуровне в зоне трения, имеют очень малую длительность. Таким образом, достоверность диагностирования вышеприведенного способа ограничена.

Задача, на решение которой направлено изобретение состоит в повышении качества диагностирования за счет получения большего количества и качества информации из зоны трения трибосопряжения эндопротеза сустава.

Это достигается тем, что в способе диагностирования эндопротезов суставов с металлической парой трения, заключающемся в том, что эндопротез тазобедренного или плечевого сустава закрепляют в испытательном стенде, нагружают осевой силой, формируют смазочный слой между поверхностями компонентов эндопротеза и определяют физические характеристики поверхностного слоя компонентов эндопротеза сустава, в отличие от прототипа пропускают через зону трения эндопротеза малый по значению переменный электрический ток, регистрируют вызываемое током и пропорциональное полному электрическому сопротивлению падение электрического напряжения в зоне трения в виде временной функции, по параметрам флуктуации которой оценивают фактическое техническое состояние трибосопряжения эндопротеза сустава.

Технический результат, получаемый при реализации описываемого изобретения, состоит в сокращении времени испытаний, оценке реального времени контактного взаимодействия поверхностей трения, в повышении мощности выделяемого полезного сигнала, его помехоустойчивости и в формировании объективной исходной диагностической информации из зоны трения для последующего прогнозирования долговечности эндопротеза сустава с металлической парой трения.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлена схема контактирования поверхностей эндопротеза при жидкостном режиме трения. На фиг.2 представлена схема контактирования поверхностей эндопротеза при смешанном режиме трения. На фиг.3 представлена схема контактирования поверхностей эндопротеза при граничном режиме трения. На фиг.4 поясняется сущность диагностического параметра. На фиг.5 изображена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Способ осуществляют следующим образом. Эндопротез сустава, состоящий из металлической суставной чаши 3 и ножки 1 с бедренной головкой 2, устанавливают в испытательный стенд, который представляет собой контейнер 6, выполненный из непроводящего материала и заполненный диэлектрической жидкостью 4, разделяющей контактирующие поверхности эндопротеза сустава. Под действием нагрузки при испытаниях смазочная жидкость выдавливается из зоны трения, изменяется ее толщина и происходит смена режимов трения от жидкостного к смешанному и граничному. Сопротивление контактной зоны определяется по выражению (1)

где Z(t) - полное комплексное сопротивление, Ом;

R(t) - активное сопротивление, Ом;

X(t) - реактивное сопротивление, Ом.

Полное комплексное сопротивление при жидкостной (2) и полужидкостной смазке (3) описывается следующими выражениями

где Rсм - сопротивление смазочного слоя, Ом;

Ссм - емкость смазывающего слоя, Φ;

ω - циклическая частота приложенного напряжения, Гц;

R1 - сопротивление контакта металл-металл, Ом;

R2 - сопротивление смазочного слоя при граничном трении.

При этом

где S - площадь поверхности, м²;

d - расстояние между поверхностями, м;

ρ - удельная электропроводность, Ом·м;

ε₀ - электрическая постоянная, Φ/м;

ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками, ед.

Анализируя числитель реактивной части выражения (2) получим, что

Подставляя известные значения (ε₀=8,85·10^-12 Φ/м; для силиконового масла ε_r=2,2 ед.; ρ=10¹³ Ом·м) и сравнивая активную и реактивную части полного сопротивления, получим

Выражение (7) верно для частот, где ω > 1 1 9 4 , 7 Гц. Таким образом, на исследовательских частотах 10³-10⁵ Гц значение реактивного сопротивления будет намного больше значения активного сопротивления.

При жидкостном режиме трения флуктуации временной функции электрического сопротивления Z(t) незначительны. При переходе к полужидкостному режиму трения возникают микроконтакты деталей в зоне трения. Это приводит к резкому снижению реактивной составляющей комплексного сопротивления X(t) и дополнительным флуктуациям функции Z(t). Если состояние контактирующих поверхностей в зоне трения эндопротеза худшего качества, то соприкосновение поверхностей происходит чаще и микроконтакты более длительны. Такие процессы происходят в режиме граничного трения, когда смазочный материал практически вытесняется из зоны трения и функция комплексного электрического сопротивления определяется в основном активным сопротивлением R(t). К флуктуациям функции Z(t) также будут приводить местные (локальные) неоднородности поверхности трения (задиры, зацепы, результаты адгезионных взаимодействий контактирующих поверхностей, загрязнение смазочного материала (синовиальной жидкости) и изменение реологических свойств смазочного материала. Суставную чашу эндопротеза 3 закрепляют в держателе 5, который вращается с помощью электропривода 7, имитируя вращательные движения сустава.

Нагружение осуществляют регулируемой осевой силой (значение которой изменяется в зависимости от типа и размера эндопротеза), прикладываемой перпендикулярно поверхности основания. Для создания такой нагрузки используется устройство нагружения 13, позволяющее в ручном режиме устанавливать значение действующей осевой силы, токосъемник 12 подключен к ножке эндопротеза 1, снимаемый сигнал передается на делитель 10.

Временная функция напряжения на делителе 10 пропорциональна электрическому сопротивлению зоны трения и отражает реальный процесс микроконтактирования в зоне трения эндопротеза. Напряжение на делитель подается с генератора 11, а с делителя поступает на цифровой осциллограф 8, который в свою очередь связан с ЭВМ 9. Параметры флуктуации измеряемой функции сопротивления Z(t) будут характеризовать реальные макро- и микрогеометрические свойства контактирующих поверхностей и режим трения в целом. В качестве диагностического параметра предлагается использовать нормированное интегральное время электрического контактирования, K, ед.

где T_и - время измерения, с;

n_Т - число отрезков в трибосопряжении эндопротеза, соответствующих R(t)-X(t)≥0 за время T_и, ед;

t_н(к)i - время начала (конца) i-го отрезка, соответствующего условию R(t)-X(t)≥0, с.

Изменяясь от 0 при жидкостной смазке до 1 при граничной смазке, параметр К является статистической оценкой вероятности микроконтактирования в трибосопряжении эндопротеза сустава. Таким образом, по параметрам активной и реактивной составляющих сопротивления судят о фактической толщине смазочного слоя и о доминирующем в трибосопряжении виде смазки и режиме трения, при этом по отношению временных отрезков, в которых активная часть комплексного сопротивления больше реактивной части, к общему времени измерения оценивают фактическое техническое состояние трибосопряжения эндопротеза сустава. По разности активной и реактивной составляющих сопротивления контакта определяется параметр нормированного интегрального времени электрического контактирования К.

По полученному значению К делается вывод о режиме трения в эндопротезе, о состоянии макро- и микрогеометрии контактирующих деталей, о вероятности дальнейшего использования эндопротеза или его забраковке. Контрольные значения К для эндопротезов определяются на основании статистической обработки результатов ресурсных испытаний для эндопротезов различных типоразмеров.

Таким образом, технический результат, получаемый при реализации описываемого изобретения, состоит в сокращении времени испытаний, оценке реального времени контактного взаимодействия поверхностей трения, в повышении мощности выделяемого полезного сигнала, его помехоустойчивости и в формировании объективной исходной диагностической информации из зоны трения для последующего прогнозирования долговечности эндопротеза сустава с металлической парой трения.

Способ диагностирования эндопротезов суставов с металлической парой трения, заключающийся в том, что эндопротез закрепляют в испытательном стенде, нагружают осевой силой, формируют смазочный слой между поверхностями компонентов эндопротезов и определяют физические характеристики поверхностного слоя компонентов в зоне трения, отличающийся тем, что пропускают через зону трения эндопротеза малый по значению переменный электрический ток, регистрируют временную функцию комплексного сопротивления трибосопряжения эндопротеза, по параметрам активной и реактивной составляющих которой судят о фактической толщине смазочного слоя и о доминирующем в трибосопряжении виде смазки и режиме трения, при этом по отношению временных отрезков, в которых активная часть комплексного сопротивления больше реактивной части, к общему времени измерения оценивают фактическое техническое состояние трибосопряжения эндопротеза сустава.