Математическое и програмное обеспечение стенда для диагностики эндопротезов суставов

УДК 621.787: 621.039.56

В. И. НЕКРАСОВ, В. В. МИШИН

V. I. NEKRASOV, V. V. MISHIN

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАМНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТЕНДА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ЭНДОПРОТЕЗОВ СУСТАВОВ

MATHEMATICAL AND PROGRAM SOFTWARE FOR DIAGNOSTIC STAND FOR JOINTS ENDOPROSTHESIS

В статье обоснована необходимость контроля и диагностики состояния трибосопряжений эндопротезов на стадии производства. В качестве одного из возможных вариантов решения поставленной задачи рассматривается применение электрорезистивного метода. Описывается возможность создания автоматизированного устройства для диагностики состояния трибосопряжений эндопротезов на стадии производства, приводится структурная схема данного устройства, а также математическое и программное описание его работы.

Ключевые слова: диагностика, суставы, трибология, эндопротез, производство, программа.

This article is proved to the control and condition diagnostic of joint endoprosthesis at a manufacture stage. As one of possible variants of the decision of a task in view application of an electroresistive method is considered. Possibility of creation of the automated device for condition diagnostics joint endoprosthesis at a manufacture stage was described, the block diagramme of the given device, its mathematical and software descriptions were resulted.

Keywords: diagnostics, joints, trybology, endoprosthesis, manufacture, software.

Трибология как наука занимается исследованием и описанием процессов контактного взаимодействия взаимоперемещающихся деформируемых тел. Трибодиагностика – раздел трибологии о методах и средствах непрерывного контроля состояния фрикционных параметров деталей и узлов машин. Трибосопряжение – это две функционально связанные детали, например вал–втулка, два зубчатых колеса, между которыми существует трение. Трибосопряжение согласно ЕСКД может быть отнесено к сборочной единице или изделию, состоящему из двух составных частей [1]. Эндопротез – это протез, который используются для вживления внутрь тела, с целью возмещения утраченных функций или с косметическими целями [2]. В современном мире существуют такие заболевания как дегенеративно–дистрофические заболевания суставов (артроз, остеоартрит), ревматоидный полиартрит, асептический некроз головки плеча и другие заболевания суставов. Так, например, более 1 миллиона человек в России страдают от ревматоидного артрита, причем в 7% случаев пораженным является плечевой сустав [3]. Это заболевание характеризуется высокой инвалидностью – до 70%, которая наступает довольно рано. Как правило, воспалительные заболевания суставов ведут к снижению обмена веществ в суставе, что в свою очередь ведет к ухудшению питания хряща сустава. Это приводит к значительному снижению антифрикционных свойств сустава, к увеличению трения и повреждению компонентов сустава что в конечном счете ведет к полной или частичной потере двигательной функции. Эндопротезирование сустава, то есть операция замены естественного сустава на эндопротез, является эффективным и зачастую единственным способом восстановления утраченной функции конечности. Эндопротезирование суставов является довольно распространенной операцией в медико–биологической практике. Эндопротезирование также может применяться и при многооскольчатых переломах и при неправильно сросшихся переломах.

Согласно данным исследования [4] необходимость в повторной операции эндопротезирования может возникнуть из–за следующих факторов: перелома эндопротеза, попадания инфекции в процессе операции эндопротезирования, износа, разрушения крепления компонентов эндопротеза. График зависимости вероятности удаления эндопротеза от действующих факторов представлен на рисунке 1. Одним из факторов, влияющих на срок службы эндопротеза, является износ его трибосопряжений. Продукты износа трибосопряжений эндопротеза, попадая на контактную поверхность кость – имплантант, воспринимаются иммунной системой человека как чужеродные объекты и атакуются иммунными клетками. Это явление называют металлозом [5]. Вследствие этого происходит развитие асептической нестабильности компонентов эндопротеза вследствие процесса резорбции костной ткани агрессивной грануляционной тканью, образующейся в ответ на продукты износа трущихся поверхностей. Кроме того, отклонения от формы, дефекты поверхности трибосопряжений протеза сустава ведут к возникновению сильных болей при движении человека, снижению стабильности конструкции эндопротеза, повреждению мышц и связок.

Рисунок 1 – График зависимости вероятности удаления эндопротеза от действующих факторов [4]

Все это приводит к тому, что возникает риск повторного эндопротезирования, что в свою очередь нежелательно для пациента. В связи с вышесказанным возникает проблема диагностирования трибосопряжений эндопротезов.

С момента возникновения первых комплексов для диагностики трибосопряжений эндопротезов и в настоящий момент существуют определенные трудности, связанные с измерением износа трибосопряжений эндопротезов, которые обусловлены следующими причинами:

1) объем износа как правило мал;

2) компоненты протеза монтированы в крепления комплекса для испытания, что затрудняет доступ к ним;

3) современные эндопротезы и их части имеют сложную форму.

В результате проведенного обзора был проведен анализ состояния диагностики трибосопряжений эндопротезов суставов [6]. Анализ показал, что на сегодняшний день не существует приборов, которые могли бы осуществлять комплексный трибологический контроль и диагностику трущихся частей эндопротезов суставов в условиях крупносерийного и массового производства. Проведенный анализ аналогов показал, что существующие на сегодняшний день устройства для диагностики эндопротезов суставов имеют некоторые конструктивные недостатки и высокую стоимость. В связи с вышеперечисленным было принято решение разработать стенд для диагностики эндопротезов суставов, что позволило бы получить информацию о состоянии трущихся поверхностей и о степени влияния различных факторов на износ трибосопряжения, которую можно использовать для увеличения срока службы эндопротезов. По сравнению с существующими аналогами разрабатываемый стенд использует комплексный метод диагностики, которым можно исследовать состояние трибосопряжения в эксплуатационных или имитирующих их условиях; осуществлять комплексную оценку состояния объекта, контролировать макрогеометрию и осуществлять поиск дефектов рабочих поверхностей; можно получить количественную оценку режима смазки в зонах трения.

Структурная схема проектируемого изделия представлена на рисунке 2. Устройство работает следующим образом: информация об измеренном сопротивлении передается с токосъемника 1 на дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала 2; неинвертирующий усилитель 3 увеличивает амплитуду сигнала, принимаемого с блока 2.

1 – токосъемник; 2 –дифференциальный усилитель; 3 – неинвертирующий усилитель; 4 – интегратор; 5 – инвертор; 6 – источник тока; 7 – компаратор; 8 – источник опорного напряжения; 9 – датчик виброускорения; 10 – дифференциатор; 11 – инвертор; 12 – ЖК–дисплей; 13 – блок управления приводом; 14 – датчик частоты вращения выходного вала привода; 15 – аналого–цифровой преобразователь (АЦП); 16 – микроконтроллер; 17 – порт RS–485; 18 – датчик положения штока гидроцилиндра; 19 – модуль управления гидроаппаратурой; 20 – панель управления; 21 – тензометрический датчик силы; 22 – интегральный датчик температуры; 23 – блок питания

Рисунок 2 – Структурная схема аппарата для испытаний эндопротеза плечевого сустава

Затем сигнал поступает на вход АЦП 15, и на вход компаратора 7, который сравнивает входной сигнал с напряжением сравнения, получаемым с помощью источника опорного напряжения 8. На выходе компаратора 7 образуются импульсы, длительность которых пропорциональна времени микроконтактирования. Сигнал с блока 3 также передается на вход блока интегрирования 4, а затем на инвертор напряжения 5, после чего поступает в АЦП 15. Датчик виброускорения 9 генерирует выходной сигнал, который передается на дифференциатор 10 для получения виброскорости. Выходной сигнал дифференциатора 10 усиливается, проходя через усилительный каскад 11 и поступает на вход АЦП 15. На АЦП 15 также подается сигнал с датчика частоты вращения выходного вала привода 14, датчика положения штока гидроцилиндра 18, с тензометрического датчика силы 21; датчика температуры 22 (необходим для компенсации температурной погрешности преобразователей). АЦП 10 связан или интегрирован в микроконтроллер 16, который осуществляет первичную обработку измерительной информации и передает ее на компьютер с помощью интерфейса RS–485 17, что однако не является обязательным для работы устройства. Микроконтроллер 16 выводит необходимую информацию на ЖК–дисплей 12, осуществляет управление приводом, например задает его частоту вращения, с помощью блока управления приводом 13. Микроконтроллер 16 также управляет работой гидроаппаратуры устройства 19, обеспечивая необходимое давление в гидроцилиндрах, следовательно задает нагрузку, прикладываемую к трибосопряжению эндопротеза. Оператор может осуществлять управление работой устройства с помощью панели управления 20 или посредством USB интерфейса через порт USB Блок питания 23 обеспечивает питание схемы стабилизированным постоянным напряжением от двухфазной сети 220В на 50 Гц.

Сущность электрорезистивного метода заключается в оценке состояния трибосопряжения с помощью анализа случайно изменяющегося во времени электрического сопротивления или проводимости исследуемого трибосопряжения. К достоинствам данного метода можно отнести то, что не требуются специальные первичные преобразователи; можно исследовать состояние трибосопряжения в эксплуатационных или имитирующих их условиях; осуществляется комплексная оценка состояния объекта, контроль макрогеометрии и поиск дефектов рабочих поверхностей; можно получить количественную оценку режима смазки в зонах трения, возможно исследование объектов со сложной геометрией, без дополнительных затрат. Недостаток метода заключается в том, что необходим электрический контакт с исследуемым трибосопряжением. Физическая основа данного метода заключается в том, что сопротивление трибосопряжения включает ряд составляющих:

; (1)

где R – сопротивление трибосопряжения, Ом; Rм – сопротивление контактирующих деталей, Ом; Rоп – сопротивление окисных пленок, Ом; Rст – сопротивление стягивания, Ом; Rсп – сопротивление смазочных плёнок, Ом

Согласно работе [7] значение Rм определяется удельным сопротивлением материалов металлов, которое пренебрежимо мало, порядка 10–6 Ом×м, по сравнению с другими составляющими. Составляющая Rоп также пренебрежимо мала вследствие высокой пористости окисных пленок металлов. Сопротивление стягивания Rст зависит от радиуса контурной площади контакта, а также размеров и числа действительных пятен контакта; таким образом, составляющая Rст несёт важную для контроля трибосопряжений информацию. Rст определяется по формуле:

(2)

где – удельное сопротивление материала, Ом·м; – число действительных пятен контактов поверхностей, ед; – радиус контурной площади контакта, м; –размер действительных пятен контактов поверхностей, м.

Сопротивление Rсп зависит от толщины смазочной пленки, которая является линейно связанной с составляющей Rсп. В условиях граничной смазки сопротивление R определяется в основном сопротивлением стягивания Rст и составляет при микроконтактировании от 10–3 до 100 Ом. При полужидкостной смазке R определяется комплексом различных параметров и изменяется в широких пределах.

Как правило, наибольшую информацию о состоянии трибосопряжения позволяет получить оценка закона распределения вероятности его проводимости и сопротивления, однако ввиду сложности технической реализации контроля по данному параметру, используют анализ совокупности контролируемых параметров – точечных оценок закона распределения вероятности сопротивления или проводимости.

Для работы эндопротеза в условиях смешанной (полужидкостной) смазки, с целью оценки средней толщины смазочной пленки в зонах трения, степени ее флуктуаций, размеров действительных площадок контактов при микроконтактировании в качестве контролируемых параметров предлагается использовать оценки среднего сопротивления смазочной пленки , Ом, и среднего контактного сопротивления , Ом, которые определяются с помощью выражений (3) и (4).

(3)

(4)

где – число импульсов проводимости в трибосопряжении эндопротеза, соответствующих R(t)≤Rпор за время , ед; – время начала (конца) i–го импульса проводимости, с; Rпор – пороговое значение сопротивления, для металлов задается равным от 50 до 100 Ом, Ом; – функция проводимости, См; – время измерения, с.

Также можно использовать нормированное интегральное время электрического контактирования, К, ед.

(5)

где – время измерения, с; – число импульсов проводимости в трибосопряжении эндопротеза, соответствующих R(t)≤Rпор за время , ед; – время начала (конца) i–го импульса проводимости, с.

Изменяясь от 0 при жидкостной смазке до 1 при граничной смазке, параметр К является статистической оценкой вероятности микроконтактирования в трибосопряжении эндопротеза сустава.

Эндопротез плечевого сустава представляет собой традиционное трибосопряжение с наличием смазочного материала меду поверхностями трения. Таким образом, электрорезистивный метод позволяет осуществлять контроль состояния трибосопряжения эндопротеза на стадии производства. Проектируемое устройство для измерения износа трибосопряжений будет использовать параметры , ,.

Алгоритм работы устройства представлен на рисунке 3 и на рисунке 4.

Рисунок 3 – Алгоритм работы устройства

На сегодняшний день эндопротезы суставов – это высокотехнологические изделия, выпускающееся в серийном и в крупносерийном производстве в объеме около 100 000 штук в год, и со временем потребность в эндопротезах суставов будет сохраняться, как и потребность в специальных устройствах и методах для их контроля и оптимизации.

Рисунок 4 – Алгоритм работы устройства

Предлагаемый подход к диагностированию эндопротезов на стадии испытаний позволит значительно упростить контроль качества производимых эндопротезов и поднять конкурентоспособность данного направления отечественной медицинской промышленности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Машков, конструкционных материалов [Текст] / . – Омск: ОмГТУ, 1996. – С. 299.

2 Российскими учеными создан новый эндопротез тазобедренного сустава [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www. *****/flow/theme/1684, свободный.

3 Ревматоидный артрит. Справочник [Электронный ресурс] Режим доступа: http://ru. wikipedia. org/wiki/Ревматоидный_артрит, свободный.

4 Pinchuk L. S. Tribology and biophysics of artificial joints [Текст] / L. S. Pinchuk.– GB Elsevier, 2006. – С. 268.: ил.– ISBN–13: 978–0–444–52162–0.

5 Металлоз. Медицинский справочник [Электронный ресурс] Режим доступа: http://1med–*****/235/13. html, свободный.

6 , Мишин применения электрорезистивного метода для диагностирования трибосопряжений эндопротезов на стадии производства [Текст] / , // 1-я региональная научно-техническая конференция «Эффективность и качество в машиностроении и приборостроении». – Карачев: Карачевский филиал ОрелГТУ, 2010, С 53–55.

7 Подмастерьев методы неразрушающего контроля и диагностики: учебное пособие [Текст] / , , ; под ред. .– Орел: ОГТУ, 2005. – С 316.: ил.– ISBN 5–93932–085–6.

ФГОУ ВПО "Госуниверситет–УНПК", г. Орёл

Студент пятого курса специальности «Инженерное дело в медико–биологической практике», инженер СКБ БМИИ Телефон: [phone]; E–mail: *****@***ru

, к. т.н., доцент

ФГОУ ВПО "Госуниверситет–УНПК", г. Орёл

Заместитель декана ФДО ОрелГТУ,

исполнительный директор НОЦ «ДИАТРАНСПРИБОР»ФГОУ ВПО "Госуниверситет–УНПК"

Телефон: [phone]; E–mail: *****@***ru