(57)【要約】  トランスデューサ（１１５，１２５，２１５，２１７）からの実際に測定された信号と、位置、負荷又は別の既知の又は測定可能なパラメータに基づく関数（１３０，２３０，２３２）により生成された補足の又はシミュレートされた信号とを組み合わせることにより発生された仮想の信号を用いて、試験の下での試験体（１２０，２２０）のシミュレーション及び耐久試験の能力を拡張するためのシステム（１００，２００）及び方法である。従って、この仮想の信号は、当該システムをこの新しく計算された又は組み合わされた信号に適合させるよう制御ループの中に挿入され得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷を試験体に印加するシステムであって、
制御器と、
前記制御器に動作的に結合されて、当該制御器からの制御信号に基づいて動作し、且つ負荷を印加し又は試験体の変位を制御するよう適合されている少なくとも１つのアクチュエータと、
測定された負荷又は前記試験体の変位を示す信号を前記制御器に与える少なくとも１つの負荷トランスデューサ及び／又は変位トランスデューサと、を備え、
前記制御器が、前記少なくとも１つのアクチュエータを、少なくとも１つの負荷トランスデューサ及び／又は変位トランスデューサからの信号と前記試験体の追加の様相の表示とに基づいて制御して、シミュレートされた負荷及び／又は変位を発生するよう適合されている、システム。
【請求項２】
前記制御器が、前記アクチュエータを前記負荷トランスデューサからの入力に基づいて所定の線形動作範囲内で制御する請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記制御器が、履歴的測定データに従った前記試験体の追加の様相の表示を含む請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記制御器の表示が更に複数のパラメータを含むことにより、２以上のアクチュエータが、前記制御器により単一の表示に基づいて制御され得る請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記制御器が２以上の表示を備える請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記の格納された表示が更に、追加の表示を連結するため論理演算子を備える請求項５記載のシステム。
【請求項７】
論理演算子の使用により追加の表示を連結するが、前記試験体の連続試験を可能にする請求項６記載のシステム。
【請求項８】
負荷を試験体に印加する方法であって、
試験体への負荷及び／又は変位を測定するステップと、
前記の測定された負荷及び／又は変位を表す情報と対応のシミュレートされた情報とを組み合わせることにより、選択された負荷及び／又は変位を前記試験体に印加するよう前記試験体に結合された少なくとも１つのアクチュエータを制御して、前記少なくとも１つのアクチュエータを制御するため用いられる仮想の負荷及び／又は変位を生成するステップと、を備える方法。
【請求項９】
測定された負荷及び／又は変位を表す情報とシミュレートされた情報とを組み合わせることにより制御する前記ステップが、履歴的データを通じて決定されたパラメータを含む請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記シミュレートされた情報が２以上の関数を含む請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記関数が更に、追加の関数を連結するため論理演算子を備える請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記追加の関数が、前記試験体の連続試験を可能にするように連結される請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記試験体が整形外科の試験体である請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
負荷を試験体に印加する整形外科試験システムであって、
制御器と、
前記制御器に動作的に結合されて、当該制御器からの制御信号に基づいて動作し、且つ負荷を印加し又は整形外科の試験体の変位を制御するよう適合されている少なくとも１つのアクチュエータと、
前記整形外科の試験体の測定された負荷又は変位を示す信号を前記制御器に与える少なくとも１つの負荷トランスデューサ及び／又は変位トランスデューサと、を備え、
前記制御器が、前記少なくとも１つのアクチュエータを、少なくとも１つの負荷トランスデューサ及び／又は変位トランスデューサからの信号と前記整形外科の試験体の追加の様相の表示とに基づいて制御して、シミュレートされた負荷及び／又は変位を発生するよう適合されている、整形外科試験システム。
【請求項１５】
前記制御器が、前記アクチュエータを前記負荷トランスデューサからの入力に基づいて所定の線形動作範囲内で制御する請求項１４記載の整形外科試験システム。
【請求項１６】
前記制御器が、履歴的測定データに従った前記整形外科の試験体の追加の様相の表示を含む請求項１４記載の整形外科試験システム。
【請求項１７】
前記制御器の表示が更に複数のパラメータを含むことにより、２以上のアクチュエータが、前記制御器により単一の表示に基づいて制御され得る請求項１４記載の整形外科試験システム。
【請求項１８】
前記制御器が２以上の表示を備える請求項１４記載の整形外科試験システム。
【請求項１９】
前記表示が更に、追加の表示を連結するため論理演算子を備える請求項１８記載の整形外科試験システム。
【請求項２０】
論理演算子の使用により追加の表示を連結することが、前記整形外科の試験体の連続試験を可能にする請求項１９記載の整形外科試験システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［発明の背景］
本発明は、一般的に、人工整形外科インプラント（例えば、股関節、膝関節、脊椎等）のような、しかしこれらに限定されるものではない試験体の耐久試験に関する。より詳細には、本発明は、負荷試験の機械的方法の範囲を拡張するため、測定された信号とモデルにより生成された仮想の信号とを組み合わせるためのシステム及び方法に関する。
【０００２】
研究所のシミュレーションは、整形外科インプラント設計品の耐久性を実証するため、及び製造品質保証を検証するために多くの場合用いる技術である。人工の膝関節の場合、負荷を垂直方向の自由度で制御しながら、同時に前後方向及び脛骨回転（Ｔｉｂｉａｌ−Ｒｏｔａｔｉｏｎ）の自由度を負荷又はトルク制御下に置くことが望ましい。これらの方向における純粋な変位制御は、それが試験体の時間的変化、又は試験体設計同士（例えば、制約のレベル）間の変動を考慮していないので不十分である。その上、純粋な負荷制御は、試験体同士間の変動、及びその動作範囲（例えば、静止状態から動摩擦状態への遷移、試験体に組み込まれた堅い機械的限界との衝突、等）にわたる所与の試験体内の変動により難しくされる。前の研究は、身体への力入力、健康な関節において予期される相対変位、及び周囲の軟組織の挙動の関してである。また、試験体の摩耗のように時間に対して、制約レベル及び摩擦係数が変化することが分かっている。生きている軟組織のような、生体内環境の全ての様相（ａｓｐｅｃｔｓ）を組み込む長期間耐久試験を行うことは実行可能でない。従って、一般に利用される試験システムは、万一試験体の部分的失敗が発生した場合の補償技術に加えて現実の条件を適切に模倣する力を試験体に印加するという益々増大する困難な仕事に直面している。変化する負荷を印加するためのシミュレータの設計は、チャネル同士間のクロストーク、及びプログラムされた各負荷の連続的に変化する性質により複雑化される。更なる困難が、インプラント設計の大きな変動、及びそれに関連した広範囲に変化する関節の制約の程度から生じる。
【０００３】
ひとたび人工関節がインプラントされる（植え込まれる）と、それは、機械的連結と、摩擦力と、関節を取り囲む軟組織との組み合わせにより制約される。機械的連結及び摩擦力は、直接に試験体に再現され得るのに対し、軟組織は、シミュレートするのが一層困難である。
【０００４】
軟組織の反力は、整形外科シミュレータで過去には機械ばねを用いることにより実現していた。なお、その機械ばねは、制限のある耐久性、値を変える困難さ、反力の制限された数学的性質、適切な形態を達成する困難さ、及び機械の全体的複雑さを含む著しい欠点を有する。
【０００５】
従って、試験体を耐久性及び他の要因に関して試験するため用いられるシステムを改善するという著しい必要性が存在する。前述の欠点のうちの１又はそれより多くのものに対処するシステムは、特に有用であろう。
【０００６】
［発明の概要］
本発明は、軟組織の挙動を呈するような試験体のシミュレーション及び耐久試験の能力を拡張するためのシステム及び方法を提供する。
【０００７】
本発明の一実施形態に従って、仮想の信号は、トランスデューサからの実際に測定された信号と、位置、負荷、又は別の既知の又は測定可能なパラメータに基づく関数により生成された補足の又はシミュレートされた信号とを組み合わせることにより発生される。次いで、この仮想の信号は、上記システムをこの新しい計算された又は組み合わされた信号に適合するよう制御ループに挿入され得る。
【０００８】
別の実施形態において、複数の仮想パラメータ・スレッショルドを上記の制御ループで用いることができ、それにより１又はそれより多くの機能（ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ）のスレッショルドに適合された又はそれを超えたとき、更なる活動がイネーブルされ、そして後続の機能が、更なる試験の対して実行され得る。
【０００９】
［好適な実施形態の詳細な説明］
本発明は、仮想モデルを制御ループに組み込み、次いでこの新しい計算された仮想負荷及び／又は変位に対して制御することにより、一般に用いられている全く機械的方法をソフトウエア及びハードウエアと置換する。仮想負荷及び／又は変位信号は、トランスデューサからの実際に測定された力と、既知の又は測定可能なパラメータ（例えば、変位、温度等）に基づく数学的又は他の導関数により生成された補足の又はシミュレートされた信号とを組み合わせることにより発生される。なお、以下では単純化して「負荷」を用いている仮想負荷及び／又は変位信号は、次のように表すことができる。
仮想負荷＝測定された負荷＋Ｆ（ｎ）
ここで、Ｆ（ｎ）は、数学的方程式、アナログの系、ディジタル又は論理的演算子、線形又は非線形方程式の系、ルックアップ・テーブル、静的又は動的システム・モデル、ファジー論理等を含む形式のいずれか又はその組み合わせを取ることができ、そしてｎは、いずれの既知の又は測定可能なファクタ（変位、温度、負荷等）であることができる。
【００１０】
変位制御の下で動作するシステムに対して類似の方程式を与えることができる。
仮想変位＝測定された変位＋Ｆ（ｎ）
このシミュレーション関数は、計算された制御の使用を通じてリアルタイムで単純に計算されることができ、又はアナログ又はディジタル或いは論理演算子（例えば、「論理積（ＡＮＤ）」、「論理和（ＯＲ）」等のようなもの）、線形又は非線型方程式の系、ルックアップ・テーブル、静的又は動的システム・モデル、ファジー論理等の使用を通じて拡張されることができる。例えば、或る一定の範囲内で、関数Ｆ（ｎ）は、有効（ａｃｔｉｖｅ）であることができるであろうし、そして、その結果生じる外部への影響がその範囲外の変位、負荷又は他のパラメータを引き起こす場合、関数Ｆ（ｎｘ）は、連動（ｅｎｇａｇｅ）されることができるであろう。
【００１１】
図１は、前述した本発明の局面を実現するためのシステム１００の構成要素を概略的に示す。システム１００は、負荷を印加する及び／又は人工膝関節のような試験体１２０の構成要素の変位を引き起こすアクチュエータ１１０を含む。アクチュエータ１１０は、油圧式装置、空圧式装置、電気機械式装置、又はそれらの組み合わせであり得る。当業者に認められるように、応用に応じて、アクチュエータは、システム１００の一部として、サーボ弁、アキュムレータ、電源等のようなサポート構成要素を必要とする。
【００１２】
プロセッサ／コントローラ１０５は、負荷制御技術又は変位制御技術を用いて駆動信号をアクチュエータ１１０に与える。プロセッサ／コントローラ１０５は、適切なソフトウエア・ルーチンを有する又はそれを有しないアナログ及び／又はディジタルの電子形態から成り得る。負荷トランスデューサ１１５及び／又は位置又は変位トランスデューサ１２５は、負荷及び／又は変位を１又はそれより多くの自由度で検知するように試験体１２０に動作的に結合される。プロセッサ／コントローラ１０５は、検知された負荷又は検知された変位を示す信号を受け取る。
【００１３】
上記で示したように、プロセッサ／コントローラ１０５は、前述したように本明細書ではＦ（ｎ）と表される試験体１２０のシミュレートされた様相（ａｓｐｅｃｔｓ）の数学的モデル又は表現１３０を含む。プロセッサ／コントローラ１０５は、実際の測定された負荷及び／又は変位を負荷トランスデューサ１１５及び位置又は変位トランスデューサ１２５から受け取り、そしてこの情報をモデルの中のシミュレートされた情報Ｆ（ｎ）１３０と組み合わせる。アクチュエータ１１０は、あたかも仮想（測定された＋シミュレートされた）負荷及び／又は変位が実際に生じたかのようにプロセッサ／コントローラ１０５により制御される。こうして、アクチュエータ１１０は、反復されたサイクルの間に適切に制御されることができ、そこにおいて、例えば、耐久試験後に、試験体１２０が、除去されることができ、そして摩耗特性が、測定されることができる。
【００１４】
特に有用な応用において、システム１００は、人工膝関節又は他の補綴／整形外科インプラントの試験に用いることができる。例えば、関節接合（ａｒｔｉｃｕｌａｔｉｏｎ）中に膝関節の２つの主要構成要素間の滑動をシミュレートすることが望ましと仮定する。従来の試験から、研究者は、例えば剪断方向、前方−後方で関節に作用する力入力、並びにそのような構成要素の変位を知り得るにも拘わらず、軟組織が存在するとき関節に関する様相は、試験を複雑化することができる。一部のアプローチは、上記の２つの構成要素間にばねを機械的に適用することにより軟組織をシミュレートすることを含んだ。しかしながら、このアプローチを用いる困難さには、正しいばねを選定すること、それを正しく配置すること等が含まれる。更に、軟組織の適正なモデル化は、機械的ばねを用いては、正確でないかも知れない。例えば、軟組織の特性は、時間と共に変化し、従って、人工膝関節の試験に関して、人は、軟組織の時間的変化（エージング、治療（ｈｅａｌｉｎｇ）等）並びに過去の試験結果からの履歴データを考慮する試験を適用しそうである。その上、数学的関数は、レート感応挙動（ｒａｔｅ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｂｅｈａｖｉｏｒ）（粘弾性）のシミュレーションと、試験体と一体化されたマイクロプロセッサ・ハードウエアを試験制御ループへ挿入することとを可能にする。数学的モデル又は表現１３０がこの情報を含むことが有利である。従って、本発明の一局面は、軟組織のような機械的な又は他の系（組織）をＦ（ｎ）１３０として（例えば、ソフトウエアで）モデル化又はシミュレートすることと、上記で説明したこの数学的モデル又は表現を用いて、アクチュエータ１１０を仮想の（測定された＋シミュレートされた）負荷及び／又は変位の関数として制御することとを含む。その上、Ｆ（ｎ）は、程度が広範に変化する制約と、それにより広範に変化する試験体の設計とに対処することができる。
【００１５】
更なる実施形態において、整形外科又は補綴インプラントのような試験体は、力又は他のパラメータを測定し、又はそれらの限界を検出するマイクロプロセッサ１３５及び内部センサ、等々を含み得る。マイクロプロセッサ１３５からの情報信号を用いて、Ｆ（ｎ）関数を介して制御ループを制御し又は変化させることができる。
【００１６】
図２は、図１に類似した別の例示的応用を示し、そこにおいては、システム２００は、負荷を印加し及び／又は産業用部品・装置のような試験体２２０の構成要素の変位を引き起こす複数のアクチュエータ２１０及び２１２を含む。プロセッサ／コントローラ２０５は、制御又は変位制御技術を用いて、駆動信号をアクチュエータ２１０及び２１２のような複数のアクチュエータに与える。負荷トランスデューサ２１５及び２１７、及び位置又は変位トランスデューサ２２５及び２２７は、負荷又は変位を多重の自由度で検知するように試験体２２０に動作的に結合される。プロセッサ／コントローラ２０５は、複数の所定のモデルＦ（ｎ）２３０及びＦ（ｎｘ）２３２の結果をモニタリングしながら、検知された負荷及び検知された変位を示す信号を受け取る。複数の負荷トランスデューサ２１５及び２１７からの信号は、スレッショルドが達成されるか又は超えられるまで、モデル２３０及び２３２におけるシミュレートされた情報と一緒に、複数の変位トランスデューサ２２５及び２２７と組み合わせられ、それによりアクチュエータ２１０及び２１２のうちの１つ又はそれより多くのものがそのパラメータを変え、それは、システム２００から活動状態に又は不活動状態にされる。そのような実施形態の一局面において、制御論理は、試料の特性が時間に対して変化し又は極端な条件下で劣化し始めるので当該試料について拡張された測定能力を実現し得る。
【００１７】
更なる実施形態において、補綴インプラントのような試験体は、力又は他のパラメータを測定し又はそれらの限界を検出する複数のマイクロプロセッサ２３５及び２３７及び複数の内部センサを含み得る。複数のマイクロプロセッサ２３５及び２３７からの情報信号を用いて、制御ループをＦ（ｎ）及びＦ（ｎｘ）関数を介して制御又は変化させることができる。
【００１８】
本発明が好適な実施形態を参照して説明されたが、当業者は、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなしに形式及び詳細を変え得ることを認めるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の単純化された実施形態を実行するシステムの概略図である。
【図２】図２は、図１のシステムより複雑な試験システムの様々なパラメータを有する複数の仮想モデルを実行する手段を示す概略図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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