ИСПЫТАТЕЛЬНАЯ МАШИНА ЭНДОПРОТЕЗОВ ТАЗОБЕДРЕННЫХ СУСТАВОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПАРЫ ТРЕНИЯ "МЕТАЛЛ-МЕТАЛЛ"
HIP JOINT ENDOPROSTHESES TESTING MACHINE FOR ASSESSMENT OF FRICTION COUPLE "METAL-METAL" SURFACE

Изобретение относится к области трибодиагностики, испытаний медицинских изделий, а именно эндопротезов тазобедренных суставов с парой трения «металл-металл», а также аналогичных других сферических поверхностей, на стадии их производства.
Известна испытательная машина тазобедренных и коленных суставов, содержащая воздушный компрессор, нагрузочный адаптер, первичный адаптер, двигатель, головку и чашку тестируемого эндопротеза, опорную плиту (см. патент США №7131338, G01N 19/00, опубл. 2006).
Недостатком данного устройства является отсутствие полного вращательного движения трибосопряжения и комплексного измерения диагностических параметров из зоны трения эндопротеза.
Наиболее близким к заявленному предложению является испытательная машина эндопротезов тазобедренных и коленных суставов с парой трения «металл-металл», содержащая воздушный компрессор, нагрузочный адаптер, первичный адаптер, двигатель, головку, чашку эндопротеза, опорную плиту, которая имитирует работу компонентов эндопротеза под нагрузкой, приближенной к реальным условиям (см. патент США №7357038, G01N 3/02, опубл. 2008 г.).
Недостатком данного устройства является то, что в нем отсутствует возможность получения диагностического сигнала из зоны трения при работе трибообъекта (эндопротеза), что снижает информативность процесса испытания.
Технической задачей изобретения является получение исчерпывающей диагностической информации о состоянии поверхности трения эндопротеза тазобедренного сустава с парой трения «металл-металл» в режиме реального времени (в ходе испытания эндопротеза).
Техническая задача достигается тем, что испытательная машина эндопротезов тазобедренных суставов с парой трения «металл-металл», включающая воздушный компрессор, соединенный с нагрузочным адаптером, воздействующим на первичный адаптер, подключенный к двигателю и соединенный с головкой трибосопряжения с парой трения «металл-металл», чашка которого закреплена на опорной плите, в отличие от прототипа в изобретении дополнительно содержит датчик положения угла поворота, подключенный к двигателю и интерфейсу, который соединен с электронной вычислительной машиной, а через последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и инструментальный усилитель подключен к трибосопряжению с парой трения «металл-металл», к которой подключен источник тока, и через датчик силы соединен с опорной плитой.
Технический результат заключается в том, что предложенное изобретение позволит регистрировать полезную информацию о состоянии поверхности трибосопряжения из зоны трения в реальном времени в виде электрического сигнала, что позволит увеличить среднюю продолжительность функционирования эндопротезов с парой трения «металл-металл», а также выявить потенциальные дефекты в медицинском изделии до начала ее клинических испытаний.
Сущность поясняется следующими чертежами: на фиг. 1 представлена структурно-функциональная схема устройства; на фиг. 2 приведена структурно-функциональная схема электрического канала, поясняющая принцип получения информации о состоянии поверхности пары трения «металл-металл»; на фиг. 3 показаны графические зависимости, отображающие информацию, получаемую с 3-х каналов измерения, и синхронизированные между собой по времени; на фиг. 4 представлены типовые сигналы, полученные после первичных испытаний, с недеформированного и деформированного опытного образца.
Устройство (фиг. 1) включает в себя воздушный компрессор 1, соединенный с нагрузочным адаптером 2, воздействующим на первичный адаптер 3, который подключен к двигателю 4, взаимодействующему с датчиком 5 положения угла поворота, подключенным к интерфейсу 11, который соединен с электронной вычислительной машиной (ЭВМ) 12, а через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10 и инструментальный усилитель 9 подключен к трибосопряжению с парой трения «металл-металл», состоящему из головки 7, закрепленной в первичном адаптере 3, и чашки 8, закрепленной на опорной плите 13, к которой крепится датчик 14 силы, соединенный с интерфейсом 11, при этом к трибосопряжению с парой трения «металл-металл» подводится источник 6 тока, размещенный в массивном экранирующем корпусе с гальванической развязкой по основным питающим цепям (на рисунке не показано).
Изобретение работает следующим образом.
Воздушный компрессор 1 через нагрузочный адаптер 2 создает нормированное значение силы, отслеживаемое датчиком 14 силы, расположенного под опорной плитой 13, действующее на первичный адаптер 3, который передает нагрузку на головку 7, совершая вращение под заданным углом от двигателя 4, регистрируемое датчиком 5 положения угла поворота. Диагностический постоянный ток с источника 6 тока преобразуется в напряжение на изменяющемся электрическом активном сопротивлении трибосопряжения с парой трения «металл-металл» головки 7 и чашки 8, закрепленной в опорной плите 13, которое поступает на инструментальный усилитель 9 для увеличения амплитуды электрического сигнала до входного уровня АЦП 10. Сигналы с датчика 5 положения угла поворота, АЦП 10 и датчика 14 силы поступают на интерфейс 11 для их последующей передачи, обработки и визуализации на ЭВМ 12.
Принцип действия электрического канала измерения испытательной машины (фиг. 2) заключается в протекании через трибосопряжение с парой трения «металл-металл» диагностического, постоянного, стабилизированного тока с нормируемым значением I=0,5…2 мА, при изменении сопротивления нагрузки до 4 кОм. Нагрузкой источника 6 тока являются головка 7, чашка 8, пятна контакта 15 и смазочный слой 16. Источник 6 тока поддерживает стабильный постоянный ток при изменении сопротивления нагрузки с частотой до 15 МГц. Затем постоянный стабилизированный ток на трибосопряжении с парой трения «металл-металл» (сопротивлении нагрузки) преобразуется в напряжение и усиливается с помощью инструментального усилителя 9. При этом источник 6 тока, трибосопряжение с парой трения «металл-металл» и инструментальный усилитель 9 заземлены с целью улучшения помехозащищенности информативного сигнала, который поступает с выхода инструментального усилителя 9 на АЦП 10, формирующий цифровой код, соответствующий значению информативного сигнала эквивалентному сопротивлению трибосопряжения с парой трения «металл-металл», и передающий его через интерфейс 11 на ЭВМ 12.
На фиг. 3 представлены следующие графики:
а) зависимость от времени сопротивления трибосопряжения с парой трения «металл-металл»;
б) зависимость от времени угла поворота головки эндопротеза;
в) зависимость от времени изменения силы нагрузки на трибосопряжение с парой трения «металл-металл».
Приведенные графики синхронизированы между собой по времени и информируют как о процессах, протекающих в зоне контакта трибосопряжения с парой трения «металл-металл», так и о ходе испытания тестируемого образца.
На фиг. 4 представлены типовые сигналы сопротивления из зоны трибосопряжения с парой трения «металл-металл», полученные после первичных испытаний с недеформированного (а) и деформированного (б) испытуемого образца.