RU2662599C2 - Simulator for wear testing of hip endoprostheses - Google Patents
Simulator for wear testing of hip endoprostheses Download PDFInfo
- Publication number
- RU2662599C2 RU2662599C2 RU2016100922A RU2016100922A RU2662599C2 RU 2662599 C2 RU2662599 C2 RU 2662599C2 RU 2016100922 A RU2016100922 A RU 2016100922A RU 2016100922 A RU2016100922 A RU 2016100922A RU 2662599 C2 RU2662599 C2 RU 2662599C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- axis
- ior
- testing
- lever
- rotation
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/56—Investigating resistance to wear or abrasion
Abstract
Description
Изобретение относится, главным образом, к моделирующим устройствам для испытания искусственных суставов на износ механическими способами и, в частности, для испытания эндопротезов тазобедренного сустава.The invention relates mainly to modeling devices for testing artificial joints for wear by mechanical means and, in particular, for testing endoprostheses of a hip joint.
Моделирующие устройства тазобедренного сустава разработаны для того, чтобы предсказывать скорость изнашивания, которую эндопротезы, вероятно, показали бы в теле человека, при попытке повторения в лабораторных условиях физиологических нагрузок и движений. Поэтому повсеместно признано, что только этот тип устройств может реалистично предсказать, как комбинация биоматериалов и геометрии эндопротеза будет вести себя с точки зрения трибологии после тотальной замены тазобедренного сустава.Hip modeling devices are designed to predict the rate of wear that endoprostheses would probably show in the human body when trying to repeat physiological stresses and movements under laboratory conditions. Therefore, it is universally recognized that only this type of device can realistically predict how a combination of biomaterials and endoprosthesis geometry will behave in terms of tribology after total replacement of the hip joint.
В настоящее время испытания эндопротезов тазобедренных суставов на износ регламентируются стандартом ISO 14242-1 по формам диаграмм угловых перемещений и диаграммы нагрузки, а также требованиями к характеристикам самого моделирующего устройства для испытания (Implants for surgery - Wear of total hip-joint prostheses - Part 1: Loading and displacement parameters for wear-testing machines and corresponding environmental conditions for test. - ISO 14242-1:2002). Согласно требованиям и ограничениям указанного стандарта бедренную головку в моделирующем устройстве помещают в точке пересечения трех взаимно перпендикулярных вращательных осей (три вращательные степени свободы). Максимальные диапазоны угловых перемещений на представленных в стандарте диаграммах составляют +25°/-18° для сгибания/разгибания (FE), +7°/-4° для приведения/отведения (АА) и +2°/-11° для внутреннего/внешнего вращения (IOR) с точностью воспроизведения ±3° в максимумах и минимумах диаграмм угловых перемещений и ±1% от времени цикла по фазе. Форма диаграмм отличается от синусоидальной формы. Фазы ни одного из перемещений не совпадают. Частота цикла составляет 1 Гц ± 0,1 Гц. Величина силы нагрузки изменяется от 0,3 кН до 3 кН и прикладывается вертикально к вертлюжному компоненту (чашке). Наклон полярной оси чашки, проходящей вдоль оси шейки ножки эндопротеза, к линии действия силы равен 30±3°. В зависимости от особенностей конструкции моделирующего устройства могут быть обеспечены различные наборы последовательности угловых вращений Эйлера, что может привести к различным результатам испытаний, хотя в описании стандарта конкретная их последовательность не специфицирована. С другой стороны, фиксированная чашка и подвижная ножка, представленные на чертежах в описании стандарта, могут непосредственно указывать на последовательность вращений Эйлера как FE→АА→IOR, т.е. при неподвижной продольной оси FE ось АА перпендикулярна к ней и подвижна, а ось IOR вертикально расположена и также подвижна вместе с осью АА. Более того, указанная последовательность вращений подтверждается как анатомическая последовательность в естественном тазобедренном суставе в следующих рекомендациях (Standard for hip joint coordinate system. Recommendations from the ISB standardization committee [Электронный ресурс]. - Электрон. данные (25000 bytes). - Режим доступа: http://isbweb.org/standards/hip.pdf Thursday, 12 November 2015 15:55).Currently, hip joint endoprosthesis wear tests are regulated by the ISO 14242-1 standard for angular displacement diagrams and load diagrams, as well as the requirements for the characteristics of the testing simulator itself (Implants for surgery - Wear of total hip-joint prostheses - Part 1: Loading and displacement parameters for wear-testing machines and corresponding environmental conditions for test. - ISO 14242-1: 2002). According to the requirements and limitations of this standard, the femoral head in the simulator is placed at the intersection of three mutually perpendicular rotational axes (three rotational degrees of freedom). The maximum ranges of angular movements in the diagrams presented in the standard are + 25 ° / -18 ° for flexion / extension (FE), + 7 ° / -4 ° for reduction / abduction (AA) and + 2 ° / -11 ° for internal / external rotation (IOR) with an accuracy of ± 3 ° at the maximums and minimums of the angular displacement diagrams and ± 1% of the phase cycle time. The shape of the diagrams is different from the sinusoidal shape. The phases of none of the movements coincide. The cycle frequency is 1 Hz ± 0.1 Hz. The magnitude of the load force varies from 0.3 kN to 3 kN and is applied vertically to the swivel component (cup). The inclination of the polar axis of the cup, passing along the axis of the neck of the leg of the endoprosthesis, to the line of action of force is 30 ± 3 °. Depending on the design features of the simulator, different sets of Euler angular rotation sequences can be provided, which can lead to different test results, although their specific sequence is not specified in the description of the standard. On the other hand, the fixed cup and the movable foot shown in the drawings in the description of the standard can directly indicate the Euler rotation sequence as FE → AA → IOR, i.e. with a fixed longitudinal axis FE, axis AA is perpendicular to it and movable, while axis IOR is vertically located and also movable along with axis AA. Moreover, this rotation sequence is confirmed as an anatomical sequence in the natural hip joint in the following recommendations (Standard for hip joint coordinate system. Recommendations from the ISB standardization committee. - Electronic data (25000 bytes). - Access mode: http : //isbweb.org/standards/hip.pdf Thursday, 12 November 2015 15:55).
Известно моделирующее устройство для испытания эндопротезов тазобедренного сустава на износ HUT-4 (Saikko V. A 12-station anatomic hip joint simulator / V. Saikko // Proc. Instn. Mech. Engrs. - 2005. - Vol. 219 - Part H. - P. 437-448), состоящее из одного или нескольких испытательных блоков, каждый из которых содержит рамную конструкцию с возможностью ее качательного движения относительно продольной горизонтальной неподвижной оси устройства (FE), в которой помещено от одной до нескольких испытательных станций с содержащимся в каждой из них U-образным кронштейном, имеющим возможность качания в направлении поперечной подвижной оси (АА), и установленным на нем неподвижно относительно вертикальной подвижной оси (IOR) стаканом, содержащим бедренный компонент эндопротеза с головкой, центр которой помещен на пересечении упомянутых трех взаимно перпендикулярных осей.Known modeling device for testing endoprostheses of the hip joint for wear HUT-4 (Saikko V. A 12-station anatomic hip joint simulator / V. Saikko // Proc. Instn. Mech. Engrs. - 2005. - Vol. 219 - Part H. - P. 437-448), consisting of one or more test units, each of which contains a frame structure with the possibility of its swinging motion relative to the longitudinal horizontal stationary axis of the device (FE), which contains from one to several test stations containing each of which a U-shaped bracket that can swing in occurrence movable transverse axis (AA), and fixedly mounted thereon about a vertical axis movable (IOR) glass comprising a femoral component prosthesis with a head, the center of which is placed at the intersection of said three mutually perpendicular axes.
Недостатками устройства являются наличие только двух вращательных степеней свободы относительно осей FE и АА при отсутствии необходимого вращения относительно оси IOR, и несоответствие форм диаграмм угловых перемещений требованиям стандарта ISO 14242-1 даже относительно этих двух упомянутых осей.The disadvantages of the device are the presence of only two rotational degrees of freedom relative to the axes FE and AA in the absence of the necessary rotation relative to the IOR axis, and the mismatch of the shapes of the angular displacement diagrams with the requirements of ISO 14242-1, even with respect to these two mentioned axes.
Известно также моделирующее устройство для испытания эндопротезов тазобедренного сустава на износ BRM (1. Saikko V. Slide track analysis of the relative motion between femoral head and acetabular cup in walking and in hip simulators / V. Saikko, O. Calonius // J Biomechanics - 2002 - Vol. 35. - P. 455-464. 2. Saikko V. Slide track analysis of eight contemporary hip simulator designs / V. Saikko, O. Calonius // J Biomechanics. - 2002 - Vol. 35. - P. 1439-1450), состоящее из одного испытательного блока, содержащего три испытательные станции с возможностью выполнения каждой качательного движения относительно двух взаимно перпендикулярных осей (FE и АА), в каждой из которых установлен стакан с возможностью его поворота с помощью вращающего рычага относительно вертикальной подвижной оси (IOR), и который содержит бедренный компонент эндопротеза с головкой, помещенной на пересечении упомянутых трех взаимно перпендикулярных осей вращения, а рычаг имеет подвижный контакт скольжения с неподвижной направляющей, установленной на основании устройства.Also known is a simulator for testing hip endoprostheses for BRM wear (1. Saikko V. Slide track analysis of the relative motion between femoral head and acetabular cup in walking and in hip simulators / V. Saikko, O. Calonius // J Biomechanics - 2002 - Vol. 35. - P. 455-464. 2. Saikko V. Slide track analysis of eight contemporary hip simulator designs / V. Saikko, O. Calonius // J Biomechanics. - 2002 - Vol. 35. - P. 1439-1450), consisting of one test unit containing three test stations with the ability to perform each rocking movement relative to two mutually perpendicular axes (FE and AA), in each of which a glass with its rotation with the help of a rotating lever relative to the vertical movable axis (IOR), which contains the femoral component of the endoprosthesis with a head placed at the intersection of the three mutually perpendicular axes of rotation, and the lever has a sliding sliding contact with a fixed guide mounted on the base of the device.
Недостатки устройства заключаются в существенном несоответствии формы диаграмм угловых перемещений требованиям и ограничениям стандарта ISO 14242-1, так как амплитуды диаграмм перемещений FE и АА симметричные и абсолютно одинаковые по величине, а диаграммы перемещений АА и IOR полностью совпадают по фазе.The disadvantages of the device are the significant discrepancy between the shape of the angular displacement diagrams and the requirements and limitations of the ISO 14242-1 standard, since the amplitudes of the displacement diagrams FE and AA are symmetrical and absolutely identical in magnitude, and the displacement diagrams AA and IOR are completely identical in phase.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по конструкции и принципу действия является принятое за прототип моделирующее устройство для испытания эндопротезов тазобедренного сустава на износ фирмы EndoLab GmbH (Kaddick С. Hip simulator wear testing according to the newly introduced standard ISO 14242 / C. Kaddick, M.A. Wimmer // Proc. Instn. Mech. Engrs. - 2005. - Vol. 215 - Part H. - P. 429-442), состоящее из одного или нескольких испытательных блоков, каждый из которых содержит рамную конструкцию с возможностью ее колебательного движения относительно продольной горизонтальной неподвижной оси устройства (FE), в которой помещено от одной до нескольких испытательных станций с содержащимся в каждой из них U-образным кронштейном, имеющим возможность качания в направлении поперечной подвижной оси (АА), и установленным на нем с возможностью поворота относительно вертикальной подвижной оси (IOR) стаканом, с помощью параллельного упомянутой подвижной оси (АА) вращающего рычага, содержащим бедренный компонент эндопротеза с головкой, центр которой помещен на пересечении упомянутых трех взаимно перпендикулярных осей вращения. При этом рычаг имеет подвижный контакт скольжения с неподвижной направляющей, установленной на основании устройства.Closest to the claimed invention in terms of design and principle of operation is a prototype modeling device for testing hip joint endoprostheses for wear by EndoLab GmbH (Kaddick C. Hip simulator wear testing according to the newly introduced standard ISO 14242 / C. Kaddick, MA Wimmer / / Proc. Instn. Mech. Engrs. - 2005. - Vol. 215 - Part H. - P. 429-442), consisting of one or more test units, each of which contains a frame structure with the possibility of its oscillatory movement relative to the longitudinal horizontal the fixed axis of the device (FE), in which from one to several test stations with a U-shaped bracket contained in each of them, capable of swinging in the direction of the transverse movable axis (AA), and mounted on it with the possibility of rotation relative to the vertical movable axis (IOR) glass, is placed using the parallel the movable axis (AA) of the rotary arm containing the femoral component of the endoprosthesis with a head, the center of which is placed at the intersection of the three mutually perpendicular axes of rotation. In this case, the lever has a sliding sliding contact with a fixed guide mounted on the base of the device.
Можно отметить следующие недостатки устройства. В указанном устройстве не обеспечивается необходимая последовательность вращений Эйлера FE→АА→IOR, так как вокруг вертикальной оси (IOR) посредством рычага осуществляется вращение не бедренного компонента (ножки), а вертлужного (чашки). Кроме того, даже в случае обеспечения вращения ножки, при установке рычага в поперечном направлении параллельно подвижной оси (АА), невозможно получить диаграмму угловых вращений IOR, хотя бы по форме приближенной к регламентируемой диаграмме, уж не говоря о ее допустимом диапазоне совпадения по величине параметров. Все это далее будет показано на полученных формах диаграмм при численном моделировании угловых перемещений FE, АА, IOR в математическом пакете MATLAB при установке вращающего рычага перпендикулярно продольной оси вращения (FE), т.е. параллельно оси АА. Тем самым это указывает на существенное несоответствие получаемых на данном устройстве диаграмм угловых перемещений вокруг осей FE, АА и IOR требованиям стандарта ISO 14242-1.The following disadvantages of the device can be noted. The specified device does not provide the necessary sequence of Euler rotations FE → AA → IOR, since around the vertical axis (IOR) through the lever, not the femoral component (legs) is rotated, but the acetabulum (cups). In addition, even if the leg is rotated, when the lever is installed in the transverse direction parallel to the movable axis (AA), it is impossible to obtain an IOR angular rotation diagram that is at least similar in shape to a regulated diagram, not to mention its allowable range of coincidence in terms of parameters . All this will be further shown on the obtained diagram forms during the numerical simulation of the angular displacements FE, AA, IOR in the MATLAB mathematical package when the rotary lever is installed perpendicular to the longitudinal axis of rotation (FE), i.e. parallel to the axis AA. Thus, this indicates a significant discrepancy of the angular displacement diagrams obtained on this device around the FE, AA, and IOR axes to the requirements of the ISO 14242-1 standard.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются наличие рамной конструкции, которая осуществляет качательные движения относительно продольной горизонтальной неподвижной оси устройства (FE). В качающейся раме помещено от одной до нескольких испытательных станций. Каждая станция представляет собой U-образный кронштейн, имеющий возможность качания в направлении поперечной подвижной оси (АА), в котором размещен поворотный стакан с возможностью вращения вокруг вертикальной оси (IOR) с помощью вращающего рычага. Стакан содержит бедренный компонент эндопротеза с головкой, центр которой помещен на пересечении упомянутых трех взаимно перпендикулярных осей вращения, а рычаг имеет подвижный контакт скольжения с неподвижной направляющей, установленной на основании устройства.Signs of the prototype, coinciding with the essential features of the claimed invention, are the presence of a frame structure that implements oscillating movements relative to the longitudinal horizontal stationary axis of the device (FE). In the swinging frame placed from one to several test stations. Each station is a U-shaped bracket that can swing in the direction of the transverse movable axis (AA), in which a rotary cup is placed with the possibility of rotation around the vertical axis (IOR) using a rotary lever. The glass contains a femoral component of the endoprosthesis with a head, the center of which is placed at the intersection of the three mutually perpendicular axes of rotation, and the lever has a sliding sliding contact with a fixed guide mounted on the base of the device.
Причиной, препятствующей обеспечению прототипом требуемого технического результата, заключающегося в удовлетворении требований и ограничений стандарта ISO 14242-1 в части формы диаграмм угловых перемещений и необходимой последовательности вращений Эйлера при испытании эндопротезов тазобедренного сустава на износ, а также в обеспечении снижения стоимости устройства за счет уменьшения количества приводов для создания этих перемещений, является другой метод установки вращающего рычага на устройстве.The reason that prevents the prototype from providing the required technical result, which consists in satisfying the requirements and limitations of ISO 14242-1 in terms of the shape of the angular displacement diagrams and the necessary sequence of Euler rotations when testing endoprostheses of the hip joint for wear, as well as in ensuring a reduction in the cost of the device by reducing the number drives to create these movements, is another method of mounting a rotary arm on a device.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в удовлетворении требований и ограничений стандарта ISO 14242-1 в части формы диаграмм угловых перемещений и необходимой последовательности вращений Эйлера при испытании эндопротезов тазобедренного сустава на износ, а также в обеспечении снижения стоимости устройства за счет уменьшения количества приводов для создания этих перемещений.The problem solved by this invention is to satisfy the requirements and limitations of ISO 14242-1 in terms of the shape of the angular displacement diagrams and the necessary sequence of Euler rotations when testing endoprostheses of the hip joint for wear, and also to reduce the cost of the device by reducing the number of drives to create these movements.
Для решения поставленной задачи в существующем моделирующем устройстве для испытания эндопротезов тазобедренного сустава на износ, состоящем из одного или нескольких испытательных блоков, каждый из которых содержит прямоугольную рамную конструкцию с возможностью ее колебательного движения относительно продольной горизонтальной неподвижной оси устройства (FE), в которой помещено от одной до нескольких испытательных станций с содержащимся в каждой из них U-образным кронштейном, имеющим возможность качания в направлении поперечной подвижной оси (АА), и установленным на нем с возможностью поворота относительно вертикальной подвижной оси (IOR) с помощью вращающего рычага стаканом, содержащим бедренный компонент эндопротеза с головкой, центр которой помещен на пересечении упомянутых трех взаимно перпендикулярных осей вращения, а рычаг имеет подвижный контакт скольжения с неподвижной направляющей, установленной на основании устройства, для осуществления вращательного движения относительно вертикальной оси (IOR) применяется вращающий рычаг, установленный параллельно продольной оси вращения (FE). При этом вращающий рычаг может иметь различную форму, но отношение расстояния вдоль продольной оси (FE) от центра головки эндопротеза до неподвижной направляющей к расстоянию от оси FE до места контакта рычага с направляющей при его горизонтальном расположении составляет определенную величину, которая лежит, например, в диапазоне 3,4…4,5. Кроме того, отношение смещения по горизонтали в поперечном направлении неподвижной направляющей от вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось (FE), к расстоянию от оси FE до места контакта рычага с направляющей при его горизонтальном расположении составляет определенную величину и, например, лежит в диапазоне 0,05…0,2.To solve the problem in the existing modeling device for testing endoprostheses of the hip joint for wear, consisting of one or more test units, each of which contains a rectangular frame structure with the possibility of its oscillatory movement relative to the longitudinal horizontal stationary axis of the device (FE), which is placed from one to several test stations with a U-shaped bracket contained in each of them, with the possibility of swinging in the direction of the transverse under of the movable axis (AA), and mounted on it with the possibility of rotation relative to the vertical movable axis (IOR) using a rotary lever, a glass containing the femoral component of the endoprosthesis with a head, the center of which is placed at the intersection of the three mutually perpendicular axes of rotation, and the lever has a movable contact sliding with a fixed guide mounted on the base of the device, a rotary lever mounted in parallel with longitudinal axis of rotation (FE). In this case, the rotary lever may have a different shape, but the ratio of the distance along the longitudinal axis (FE) from the center of the endoprosthesis head to the fixed guide to the distance from the FE axis to the point of contact of the lever with the guide when it is horizontal is a certain value, which lies, for example, in range 3.4 ... 4.5. In addition, the ratio of horizontal horizontal displacement in the transverse direction of the fixed guide from the vertical plane passing through the longitudinal axis (FE) to the distance from the FE axis to the point of contact of the lever with the guide when it is horizontal is a certain value and, for example, lies in the
Между совокупностью признаков заявляемого изобретения и техническими результатами, которые обеспечиваются предлагаемым изобретением, существует причинно-следственная связь.Between the totality of the features of the claimed invention and the technical results that are provided by the proposed invention, there is a causal relationship.
Предлагаемая конструкция моделирующего устройства позволяет.The proposed design of the simulator allows.
1. Удовлетворить требования стандарта ISO 14242-1 в части формы диаграмм угловых перемещений и необходимой последовательности вращений Эйлера при испытании эндопротезов тазобедренного сустава на износ. Необходимая последовательность вращений Эйлера FE→АА→IOR обеспечивается тем, что продольная ось вращения (FE) является неподвижной, поперечная ось вращения U-образного кронштейна (АА) подвижна и связана с осью FE. А стакан с испытуемым образцом эндопротеза установлен на U-образном кронштейне подвижной оси АА и его вертикальная ось вращения (IOR) тем самым подвижна, кинематически связана с упомянутыми двумя предыдущими осями вращения, и вращение ножки эндопротеза вокруг этой оси осуществляется посредством вращающего рычага, установленного параллельно продольной оси вращения (FE). При этом угловые перемещения вокруг продольной (FE) и поперечной (АА) осей задаются приводами, например, электромеханическими управляемыми осями с шаговыми двигателями. Расчетные диаграммы угловых перемещений FE, АА с применением таких управляемых осей и вращающего рычага для диаграммы IOR, полученные с использованием математического пакета MATLAB, представлены на фиг. 7 для стандарта ISO 14242-1, а на фиг. 8 представлено то же, но для вращающего рычага, установленного перпендикулярно продольной оси (FE) при наилучшем приближении полученной диаграммы IOR к форме регламентируемой в стандарте диаграммы. Анализ диаграмм на фиг. 7 и фиг. 8 показывает, что применение вращающего рычага для осуществления вращения относительно вертикальной оси (IOR), установленного параллельно продольной оси вращения (FE), обеспечивает достаточную для стандарта ISO 14242-1 точность воспроизведения необходимой формы диаграммы углового перемещения вокруг упомянутой оси IOR, а при установке вращающего рычага перпендикулярно продольной оси вращения (FE), ни при каких конструктивных соотношениях размеров рычага и его расстояния до неподвижной направляющей невозможно добиться допустимого совпадения диаграмм IOR.1. Satisfy the requirements of ISO 14242-1 in terms of the shape of the angular displacement diagrams and the necessary Euler rotation sequence when testing hip joint endoprostheses for wear. The necessary sequence of Euler rotations FE → AA → IOR is ensured by the fact that the longitudinal axis of rotation (FE) is stationary, the transverse axis of rotation of the U-shaped bracket (AA) is movable and connected with the axis FE. And the glass with the test sample of the endoprosthesis is mounted on the U-shaped bracket of the movable axis AA and its vertical axis of rotation (IOR) is thereby movable, kinematically connected with the two previous rotation axes, and the rotation of the endoprosthesis leg around this axis is carried out by means of a rotating lever mounted in parallel longitudinal axis of rotation (FE). In this case, the angular displacements around the longitudinal (FE) and transverse (AA) axes are set by drives, for example, electromechanical controlled axes with stepper motors. The calculated angular displacement diagrams FE, AA using such controlled axes and the rotary lever for the IOR diagram, obtained using the MATLAB mathematical package, are presented in FIG. 7 for standard ISO 14242-1, and in FIG. Fig. 8 shows the same, but for a rotary arm mounted perpendicular to the longitudinal axis (FE) with the best approximation of the obtained IOR diagram to the form regulated in the standard diagram. The analysis of the diagrams in FIG. 7 and FIG. 8 shows that the use of a rotary lever for rotating about a vertical axis (IOR) mounted parallel to the longitudinal axis of rotation (FE) provides sufficient accuracy for the ISO 14242-1 standard to reproduce the necessary shape of the angular displacement diagram around the said IOR axis, and when installing the rotary of the lever perpendicular to the longitudinal axis of rotation (FE), for any structural relationship between the size of the lever and its distance to the fixed guide, it is impossible to achieve an acceptable coincidence of gram IOR.
Этот результат легко объясним, так как при установке рычага в продольном направлении основным образующим движением становится угловое перемещение FE с большой амплитудой и практически полностью совпадающее по фазе с перемещением IOR, а при поперечной установке рычага основным образующим движением становится угловое перемещение АА с относительно малой амплитудой и не совпадающее по фазе с указанным перемещением (различие по фазе составляет примерно π/2). Более того, в случае получения гипотетически приемлемых результатов при поперечной установке вращающего рычага, габариты элементов моделирующего устройства, совершающие вращательные движения в этом направлении, больше и соотношения размеров рычага возрастают более чем вдвое, что тем самым приводит к большей амплитуде угловых перемещений его конца, контактирующего с неподвижной направляющей, и повышенному износу самой направляющей.This result is easy to explain, since when the lever is mounted in the longitudinal direction, the main generative movement becomes the angular displacement FE with a large amplitude and almost completely coincides in phase with the IOR displacement, and when the lever is mounted laterally, the main generative movement becomes the angular displacement AA with a relatively small amplitude and which does not coincide in phase with the indicated displacement (the difference in phase is approximately π / 2). Moreover, in the case of obtaining hypothetically acceptable results when the rotary lever is mounted laterally, the dimensions of the elements of the modeling device that rotate in this direction are larger and the ratio of the sizes of the lever more than doubles, thereby leading to a greater amplitude of the angular displacements of its end in contact with a fixed guide, and increased wear of the guide itself.
2. Обеспечить снижение стоимости моделирующего устройства, так как в этом случае отпадает необходимость для осуществления углового вращения IOR применение электропривода, например, шагового электродвигателя с редуктором, который крепится вдоль подвижной оси IOR, обеспечивая необходимый угловой поворот, и тем самым совершает качательные движения относительно осей FЕ и АА. Наличие вращающего рычага позволяет упростить конструкцию устройства в случае наличия в нем нескольких испытательных блоков и выполнить его независимую установку на каждом блоке, связав между собой в кинематическую цепь только испытательные станции одного блока, причем стоимость узла вращающего рычага несопоставима с суммарной стоимостью электропривода, его управляющих и соединительных элементов.2. To reduce the cost of the modeling device, since in this case there is no need for angular rotation IOR the use of an electric drive, for example, a stepper motor with a reducer, which is mounted along the movable axis of the IOR, providing the necessary angular rotation, and thereby makes oscillating movements relative to the axes FE and AA. The presence of a rotary lever allows to simplify the design of the device in the presence of several test blocks and to independently install it on each block, connecting only the test stations of one block to the kinematic chain, and the cost of the rotary lever assembly is not comparable with the total cost of the electric drive, its control and connecting elements.
Соответствие предлагаемого технического решения требованию наличия существенных отличий обеспечивается тем, что новые конструктивные признаки и их сочетание, неизвестные ранее, позволяют удовлетворить требованиям и ограничениям стандарта ISO 14242-1 в части формы диаграмм угловых перемещений и необходимой последовательности вращений Эйлера при испытании эндопротезов тазобедренного сустава на износ, а также обеспечить снижение стоимости устройства за счет уменьшения количества приводов для создания этих перемещений.The compliance of the proposed technical solution with the requirement for significant differences is ensured by the fact that new design features and their combination, previously unknown, allow us to satisfy the requirements and limitations of ISO 14242-1 in terms of the shape of the angular displacement diagrams and the necessary sequence of Euler rotations when testing hip joint endoprostheses for wear and also to reduce the cost of the device by reducing the number of drives to create these movements.
На фиг. 1 показана конструктивная схема одного блока моделирующего устройства для испытания эндопротезов тазобедренного сустава на износ; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид Б на фиг. 1; на фиг. 4 - схема установки вращающего рычага параллельно продольной оси (FE); на фиг. 5 - вид В на фиг. 4; на фиг. 6 - схема установки вращающего рычага перпендикулярно продольной оси (FE); на фиг. 7 - расчетные диаграммы угловых перемещений FE, АА с применением электромеханических управляемых осей и диаграмма IOR для вращающего рычага, установленного вдоль оси FE, для стандарта ISO 14242-1, полученные с использованием математического пакета MATLAB, где диаграммы FE (круглые метки), АА (квадратные метки), IOR (треугольные метки) регламентированы в стандарте и получены методами интерполяции, а диаграмма IOR (сплошная линия) получена расчетным путем при использовании вращающего рычага с учетом кинематики устройства; на фиг. 8 - то же, что и на фиг. 7, но для вращающего рычага, установленного перпендикулярно оси FE, т.е. параллельно оси АА.In FIG. 1 shows a structural diagram of one block of a modeling device for testing endoprostheses of a hip joint for wear; in FIG. 2 is a view A in FIG. one; in FIG. 3 is a view B in FIG. one; in FIG. 4 is a diagram of the installation of the rotary arm parallel to the longitudinal axis (FE); in FIG. 5 is a view B in FIG. four; in FIG. 6 is a mounting diagram of a rotary arm perpendicular to the longitudinal axis (FE); in FIG. 7 - calculation diagrams of angular displacements FE, AA using electromechanical controlled axes and IOR diagram for a rotary arm mounted along the FE axis, for ISO 14242-1 standard, obtained using the MATLAB mathematical package, where diagrams FE (round marks), AA ( square marks), IOR (triangular marks) are regulated in the standard and obtained by interpolation methods, and the IOR diagram (solid line) is obtained by calculation using the rotary lever taking into account the kinematics of the device; in FIG. 8 is the same as in FIG. 7, but for a rotary arm mounted perpendicular to the axis FE, i.e. parallel to the axis AA.
Моделирующее устройство для испытания эндопротезов тазобедренного сустава на износ содержит прямоугольную рамную конструкцию 1 с возможностью ее качательного движения относительно продольной горизонтальной неподвижной оси устройства FE, в которой помещено от одной до нескольких испытательных станций (фиг. 3) с содержащимся в каждой из них U-образным кронштейном 3, имеющим возможность качания в направлении поперечной подвижной оси (АА). В U-образном кронштейне установлен стакан 4 с возможностью поворота относительно вертикальной подвижной оси (IOR) с помощью вращающего рычага 5, установленного параллельно оси FE. Стакан содержит бедренный компонент эндопротеза с головкой 6, центр которой помещен на пересечении упомянутых трех взаимно перпендикулярных осей вращения, а рычаг имеет подвижный контакт скольжения с неподвижной направляющей 7, установленной на основании устройства. При этом вращающий рычаг 5 может иметь различную форму, но отношение расстояния R1 вдоль продольной оси (FЕ) от центра головки эндопротеза до неподвижной направляющей 7 к расстоянию L от оси FЕ до места контакта рычага с направляющей при его горизонтальном расположении составляет определенную величину, которая лежит, например, в диапазоне 3,4…4,5 (фиг. 4). Кроме того, отношение смещения X по горизонтали в поперечном направлении неподвижной направляющей 7 от вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось (FE), к расстоянию L от указанной оси до места контакта рычага с направляющей при его горизонтальном расположении составляет определенную величину и, например, находится в диапазоне 0,05…0,2 (фиг. 5).The modeling device for testing hip joint endoprostheses for wear contains a
Вращательное движение прямоугольной рамной конструкции 1 вокруг оси FЕ может обеспечиваться, например, шатуном 8, соединенным с кареткой электромеханической оси 9, осуществляющей поступательное перемещение от привода 10. А вращательное движение U-образного кронштейна 3 вокруг оси АА может обеспечиваться аналогично, например, шатуном 11, соединенным с кареткой электромеханической оси 12, осуществляющей поступательное перемещение от привода 13, и которые закреплены на подвижной прямоугольной рамной конструкции 1. Вертлужный компонент (чашка) 14 каждого из эндопротезов, подвергаемых испытанию, является кинематически неподвижным и через него передается нагрузка F на головку бедренного компонента 6 через вертикальную тягу 15 от нажимного механизма, который не показан.The rotational movement of the
Моделирующее устройство для испытания эндопротезов тазобедренного сустава на износ используют следующим образом. Устанавливают прямоугольную рамную конструкцию 1, U-образные кронштейны 3, стаканы 4 в положение, которое соответствует точке диаграмм FЕ, АА и IOR в начальный момент времени. Устанавливают также образцы эндопротезов для испытания в стаканы 4, чтобы центр каждой головки 6 лежал на пересечении трех взаимно перпендикулярных осей. Предварительно программируют электромеханическую ось 9 с приводом 10 на осуществление углового движения FE по диаграмме определенной формы и аналогично электромеханическую ось 12 с приводом 13 на осуществление движения АА по диаграмме соответствующей формы. Затем включают приводы 10 и 13, которые обеспечивают необходимые угловые движения соответственно FE прямоугольной рамной конструкции 1 и АА U-образным кронштейнам 3, и за счет их движения благодаря наличию вращающего рычага 5, соединенного посредством скольжения с неподвижной направляющей 7, стаканы 4 осуществляют вращение вокруг собственной оси IOR.A simulator for testing hip joint endoprostheses for wear is used as follows. Set the
За счет описанных особенностей конструкции моделирующего устройства для испытания эндопротезов тазобедренного сустава на износ и создается положительный эффект, заключающийся в удовлетворении требований и ограничений стандарта ISO 14242-1 в части формы диаграмм угловых перемещений и необходимой последовательности вращений Эйлера при испытании эндопротезов тазобедренного сустава на износ, а также в обеспечении снижения стоимости устройства за счет уменьшения количества приводов для создания этих перемещений.Due to the described design features of the modeling device for testing hip joint endoprostheses for wear, a positive effect is created consisting in satisfying the requirements and limitations of ISO 14242-1 in terms of the shape of the angular displacement diagrams and the necessary Euler rotation sequence when testing hip joint endoprostheses for wear, and also in reducing the cost of the device by reducing the number of drives to create these movements.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016100922A RU2662599C2 (en) | 2016-01-12 | 2016-01-12 | Simulator for wear testing of hip endoprostheses |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016100922A RU2662599C2 (en) | 2016-01-12 | 2016-01-12 | Simulator for wear testing of hip endoprostheses |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016100922A RU2016100922A (en) | 2017-07-17 |
| RU2016100922A3 RU2016100922A3 (en) | 2018-03-28 |
| RU2662599C2 true RU2662599C2 (en) | 2018-07-26 |
Family
ID=59497267
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016100922A RU2662599C2 (en) | 2016-01-12 | 2016-01-12 | Simulator for wear testing of hip endoprostheses |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2662599C2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114166677A (en) * | 2021-12-06 | 2022-03-11 | 安徽农业大学 | Two-axis artificial femoral head friction testing machine simulating human body environment |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7824184B2 (en) * | 2006-01-13 | 2010-11-02 | Mts Systems Corporation | Integrated central manifold for orthopedic simulator |
| RU2435551C1 (en) * | 2010-03-30 | 2011-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Орловский государственный технический университет" (ОрелГТУ) | Method of diagnosing endoprosthesis of hip joints with metal pair of friction |
| RU2547785C1 (en) * | 2014-02-13 | 2015-04-10 | Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Курский государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации | Method for mechanical simulation of external rotation contracture of hip joint in experiment module of hip implant |
| RU2556789C2 (en) * | 2013-10-31 | 2015-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный университет-учебно-научно-производственный комплекс" (ФГБОУ ВПО "Госуниверситет-УНПК") | Diagnostic technique for joint implant with metal friction pair |
-
2016
- 2016-01-12 RU RU2016100922A patent/RU2662599C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7824184B2 (en) * | 2006-01-13 | 2010-11-02 | Mts Systems Corporation | Integrated central manifold for orthopedic simulator |
| RU2435551C1 (en) * | 2010-03-30 | 2011-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Орловский государственный технический университет" (ОрелГТУ) | Method of diagnosing endoprosthesis of hip joints with metal pair of friction |
| RU2556789C2 (en) * | 2013-10-31 | 2015-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный университет-учебно-научно-производственный комплекс" (ФГБОУ ВПО "Госуниверситет-УНПК") | Diagnostic technique for joint implant with metal friction pair |
| RU2547785C1 (en) * | 2014-02-13 | 2015-04-10 | Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Курский государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации | Method for mechanical simulation of external rotation contracture of hip joint in experiment module of hip implant |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016100922A (en) | 2017-07-17 |
| RU2016100922A3 (en) | 2018-03-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Della Croce et al. | Pelvis and lower limb anatomical landmark calibration precision and its propagation to bone geometry and joint angles | |
| CN108970014A (en) | A kind of advanced formula healing robot and its recovery training method suitable for multiple joints | |
| KR100973775B1 (en) | Abrasion tester for prosthesis hip joint | |
| Abdel-Jaber et al. | Wear simulation of total knee prostheses using load and kinematics waveforms from stair climbing | |
| CN1677081A (en) | Artificial joint simple simulated wear test method and its test machine | |
| RU2662599C2 (en) | Simulator for wear testing of hip endoprostheses | |
| Akiyama et al. | Test method for contact safety assessment of a wearable robot-analysis of load caused by a misalignment of the knee joint | |
| CN105223010A (en) | A kind of parallel bionical knee-hip joint tester | |
| CN202060920U (en) | Artificial hip joint simulation testing machine | |
| Kawano et al. | Evaluation of the translation distance of the glenohumeral joint and the function of the rotator cuff on its translation: a cadaveric study | |
| Ramamurti et al. | Analysis of the kinematics of different hip simulators used to study wear of candidate materials for the articulation of total hip arthroplasties | |
| CN110936367B (en) | Pneumatic humanoid robot system | |
| Van Riet et al. | The effect of the orientation of the radial head on the kinematics of the ulnohumeral joint and force transmission through the radiocapitellar joint | |
| Seehaus et al. | Dependence of model-based RSA accuracy on higher and lower implant surface model quality | |
| RO123041B1 (en) | Stand for testing cotyloid cups | |
| Oliveira et al. | Comparative analysis of surface wear from total hip prostheses tested on a mechanical simulator according to standards ISO 14242-1 and ISO 14242-3 | |
| CN219179146U (en) | Knee joint hip joint biological material friction wear fatigue test system | |
| Affatato et al. | Hip joint simulators: state of the art | |
| Haider | Tribological assessment of UHMWPE in the knee | |
| Galanis et al. | Design of a hip joint simulator according to the ISO 14242 | |
| CN203132914U (en) | Knee-joint femoral condylar mounting and positioning clamp for knee-joint movement analogue machine | |
| Pakhaliuk et al. | A novel advanced design of the hip joint wear simulator | |
| CN103315832B (en) | Artificial bone joint friction and abrasion test device | |
| CN105796110A (en) | Human body motion evaluation method | |
| Oliveira et al. | Development of a protocol for the performance evaluation of wear machines used in tests of joint prostheses |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180529 |