专利名称：人工关节简化模拟磨损试验方法及其试验机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于人工关节磨损试验的模拟试验方法及设备，具体地是一种人工关节简化模拟磨损试验方法及其试验机。
背景技术：
目前人工关节73.3％的失效都是由磨损颗粒所引起的无菌松动所造成。这一比例是第二大失效原因-感染的十倍。因此降低磨损，减少磨损颗粒是目前延长人工关节存活的关键课题。
体外模拟磨损试验是临床前人工关节耐磨性研究的一个重要手段。它在改善人工关节耐磨性的同时，降低新型人工关节应用时给患者带来的风险，也为人工关节耐磨机理研究提供有力手段。目前人工关节的耐磨性试验有两类一是采用普通磨损试验机，如销盘机，销板机等[见Besong，A A；Jin，Z M；Fisher，JImportance of pin geometry on pin-on-plate weartesting of hard-on-hard bearing materials for artificial hip joints.Proc.IMechE.，Part H，Journal of Engineering in Medicine，Institution of Mechanical Engineers，2001，215，Part H，605-610.]。这类试验的特点是费用底，时间快，但与人工关节在人体中磨损条件相差很远，试验效果十分有限。另一类是人工关节磨损模拟机[见Calonius，O；Saikko，VSlide trackanalysis of eight contemporary hip simulator designs.Journal of Biomechanics，2002，Vol.35，pp 1439-1450.]。这类模拟机在三维基础上模拟人工关节在体内的运动和负荷情况，其磨损结果更加接近临床。但建造成本昂贵，试验费用高，试验时间长，从而也影响和限制了人工关节摩擦学研究。因此有必要基于简洁性和模拟精确性的平衡考虑，设计一种介于普通磨损试验机和人工关节磨损模拟试验机之间的装置，用于人工关节的摩擦学研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种在一定程度上模拟人工关节运动与受力状况，同时结构简单，造价和试验费用低的人工关节简化模拟磨损试验方法及其试验机。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种人工关节简化模拟磨损试验方法，其特征在于以上下两相互垂直的圆盘为磨擦试样，上圆盘代表人体关节头围绕其轴作往复摆动以摸拟腿行走时屈伸运动，下圆盘代表人体关节臼作往复转动以摸拟人腿行走时的内外转动；并通过上圆盘垂直向下施加与人体行走时作用在关节承载表面的动态或静态负荷。
所述的上圆盘的往复摆动、下圆盘的往复转动和负荷参数的模式符合人体步态的生理特征。
所述的上圆盘和下圆盘可以用人工关节头和人工关节臼代替。
所述的上圆盘或人工关节头的摆动角度大约从-15°至+30°；下圆盘或人工关节臼的转动角度幅度大约是±10°。
所述的动态负荷为双峰曲线或其它形式；采用双峰曲线时，两负荷峰可由两相连的周期为0.5秒的正弦波的正半周组成并占据动态负荷循环周期的前半周(约0.5秒)；两峰的幅值约为人体平均重量的3倍。当采用圆盘试样时，应采用应力模拟，当直接采用人工关节试样时，则可对人体重量直接模拟，这时两峰值的幅度约2500-3000N。负荷的后半周期为约0.1kN衡负载或相应的恒应力。除了采用双峰曲线外，动态负荷的双峰部分也可由其他形式的波形，如方波，三角波等代替。负荷的施加手段可采用重力法码、气动、伺服液压及电磁方法。
一种人工关节简化模拟磨损试验机，由上圆盘1、下圆盘2、润滑液容器3、轴向支撑轴承4、内外转动驱动杆5、连接轴6、屈伸运动驱动杆7、运动连杆8、减速箱9、运动输出曲柄10、重力砝码11、驱动马达12、工作台13、负荷曲线凸轮支撑14、负荷曲线凸轮15、负荷杠杆16和负荷杠杆支撑架17组成；重力砝码11悬挂在负荷杆杆16下位于工作台13台面以下，圆盘1、下圆盘2、润滑液容器3、轴向支撑轴承4、内外转动驱动杆5、连接轴6、屈伸运动驱动杆7、运动连杆8、减速箱9、运动输出曲柄10、驱动马达12、负荷曲线凸轮支撑14、负荷曲线凸轮15、负荷杠杆16和负荷杠杆支撑架17均位于工作台13台面上，上、下圆盘1、2相互垂直接触且位于安装在负荷杠杆支撑架17上的负荷杠杆16下；下圆盘2嵌于轴向支撑轴承4上润滑液容器3中，负荷曲线凸轮15与减速箱9输出轴的一端相连接；减速箱9输出轴的另一端通过运动输出曲柄10和运动连杆8与屈伸运动驱动杆7连接，屈伸运动驱动杆7则与上圆盘1的连接轴6连接；连接轴6与内外运动驱动杆5连接，内外运动驱动杆5与润滑液容器3连接。
本发明试验机的工作原理是驱动马达12转动时，运动由减速箱9输出轴的两端输出，一端驱动运动输出曲柄10，通过运动连杆8推动屈伸运动连杆7，运动连杆7带动连接轴6和圆盘1作-15°～30°，同时连接轴6带动内外转动连杆5摆动，进而推动润滑液容器3和圆盘2作±10°的摆动。这些运动的相应幅度是通过相应设计的运动输出曲柄10、内外运动驱动杆5和屈伸运动驱动杆7的偏心度以及内外运动驱动杆5与圆盘2圆心的相应距离来实现的。减速箱9输出轴的另一端驱动负荷曲线凸轮15通过负荷曲线凸轮支撑14周期地向上推动负荷杠杆16，周期地释放施加在圆盘1上的重力负荷从而使试样负载表面得到动态负荷。负荷与运动之间的相位关系可通过变换负荷曲线凸轮15角度来调整。因为整个系统由同一马达驱动，运动和负荷间有确定的相位关系。动态负荷除了采用负荷曲线凸轮的机械方法外，也可采用气动，伺服液压或其它方式，使负荷更加平稳和准确。
本发明两相互垂直的上下圆盘或人工关节作为试样代替普通模拟磨损试验机直接使用的人工关节，将大为简化试样制备。上圆盘代表关节头，下圆盘代表关节臼。根据人体行走时的步态规律，磨损试验时上圆盘1绕其轴作-15°至+30°的往复运动，以代表腿在人体行走时的屈伸运动；同时下圆盘2绕其轴作±10°的往复摆动，以代表髋臼在人体行走时的内外转动。通过上圆盘垂直向下施加与人体行走时作用在关节承载表面的动态负荷。根据生理学运动特点，以上两个运动参数及一个负荷参数符合特定的相位关系。
本发明通过对人体髋关节或膝关节生理运动及受力特征的模拟，进行人工关节模拟磨损试验，它克服了普通的磨损试验机模拟能力差的弱点，同时又比目前的人工关节模拟磨损试验机结构简单，造价和试验费用低。它既可以用于随后模拟磨损试验前的材料及摩擦副的筛选，也可用于人工关节摩擦学机理的基础研究。
图1为本发明磨擦试样、运动和负荷的基本原理示意图。
图2为本发明采用人工关节试样的示意图。
图3为本发明实施例的结构示意图。
图4为本发明运动，负荷模式以及它们之间相位关系的实例。
图5为本发明运动，负荷模式以及它们之间相位关系的实例。
具体实施例方式
如图1所示，为模拟人体行走时步态的生理学特点，圆盘1代表关节头作-15°至+30°的屈伸旋转往复运动，圆盘2代表关节臼作±10°内外旋转往复运动。动态或静态负荷N通过圆盘1垂直作用在两圆盘间的承载面上。
如图2所示，试样直接采用人工关节进行磨损试验时，关节头从上垂直向下(图2a)或在YOZ面沿Z轴偏置一生理角度(约20-30°)(图2b)，绕关节头圆球圆心作屈伸往复摆动；人工关节臼可作水平方置(图2a)，也可在YOZ面沿Z轴偏置一生理角度约30-45°°(图2b)。动态或静态负荷N通过人工关节头垂直作用在人工关节头与人工关节臼之间的承载面上。
图3所示，为一种人工关节简化模拟磨损试验机，由上圆盘1(模拟关节头)、下圆盘2(模拟关节臼)、润滑液容器3、轴向支撑轴承4、内外转动驱动杆5、连接轴6、屈伸运动驱动杆7、运动连杆8、减速箱9、运动输出曲柄10、重力砝码11、驱动马达12、工作台13、负荷曲线凸轮支撑14、负荷曲线凸轮15、负荷杠杆16和负荷杠杆支撑架17组成，此机构中，除重力砝码11悬挂在负荷杆杆16下位于工作台13台面以下外，其余部件均位于工作台13台面上，上下圆盘1、2相互垂直接触且位于安装在负荷杠杆支撑架17的负荷杠杆16下，下圆盘2嵌于轴向支撑轴承4上润滑液容器3中，负荷杠杆16将重力砝码11的负荷通过负荷杠杆支撑架17作用在圆盘1上，负荷曲线凸轮15与减速箱9输出轴的一端相连接，转动时通过负荷曲线凸轮支撑14周期向上顶推负荷杠杆16从而周期释放作用在圆盘1上的负荷；减速箱9输出轴的另一端通过运动输出曲柄10和运动连杆8推动内外运动驱动杆5和屈伸运动驱动杆7连接，内外运动驱动杆5与润滑液容器3连接以带动嵌在里面的下圆盘试样2作内外转动，屈伸运动驱动杆7则与上圆盘1的连接轴6连接以驱动上圆盘试样1作往复屈伸运动。动态负荷也可采用气动或伺服液压的方式，使负荷更加平稳和准确。
图4和图5是运动，负荷模式以及它们之间相位关系的一个实例。在这一实例中，圆盘1的屈伸运动和圆盘2的内外旋转运动可采用正弦模式。取人体步态的平均频率1赫兹作为试验机的循环频率。将腿在行走时向前伸展极限(约30°)作为循环的起点。在这一起点，人体脚跟落地，开始将人体的重量转移到这一脚上，负荷的第一峰值(图3点1)产生于跟击处。当人体重量完成转移后，接下来是支撑阶段(图3点2)，这时负荷恢复到人体的平均重量。最后是趾离阶段(图3点3)，即准备将人体重量转移到另一只脚。在这一点上，负荷将达到第二峰值。当人体重量转移到另一只脚后，腿向前摆动(图3点4)，恢复到循环的起始点。在这一摆动过程中，负荷为零或维持在很低的水平上。以上只是负荷的一个例子，并不排除其它形式的负荷，如简化的方形波，三角波，甚至恒负荷。图4为行走时人腿屈伸运动和内外转动的模式及相位关系。在循环开始时，腿位于向前伸展的最大极限位置(约30°)，然后向后摆动到最大位置(约-15°)，最后又回到向前运动的最大位置。内外转动开始于向外转动的最大极限位置(约10°)，循环开始于向内转动，达到向内转动的极限位置(约-10°)后，向外转动回到另一极限位置(+10°)。屈伸运动和内外转动两曲线可大致为正弦曲线。图中的负荷和两运动曲线必须符合图示的相位关系，或根据试验要求所设计的其它相位关系。
权利要求
1.一种人工关节简化模拟磨损试验方法，其特征在于以上下两相互垂直的圆盘为磨擦试样，使上圆盘代表人体关节头围绕其轴作往复摆动以摸拟腿行走时屈伸运动，使下圆盘代表人体关节臼作往复转动以摸拟人腿行走时的内外转动；并通过上圆盘垂直向下施加与人体行走时作用在关节承载表面的动态或静态负荷。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的上圆盘的往复摆动、下圆盘的往复转动和负荷参数的模式符合人体步态生理特征的相位关系。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的上圆盘和下圆盘也可直接用人工关节头和人工关节臼代替。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的上圆盘或人工关节头的摆动角度是-15°至+30°；下圆盘或人工关节臼的转动角度是±10°。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的动态负荷参数为双峰曲线或其它形式的波形；当采用双峰曲线时，两负荷峰可由两相连的周期为0.5秒的正弦波的正半周组成并占据动态负荷循环周期的前半周；两峰的幅值为人体平均重量的3倍；当采用圆盘试样时，应采用应力模拟；当直接采用人工关节试样时，则可对人体重量直接模拟，这时两峰值的幅度约2500-3000N，负荷的后半周期为0.1kN衡负载或相应的恒应力；除了采用双峰曲线外，动态负荷的双峰部分也可由其他形式的波形代替；负荷的施加手段可采用重力法码、气动、伺服液压及电磁方法。
6.一种人工关节简化模拟磨损试验机，其特征在于所述的试验机由上圆盘(1)、下圆盘(2)、润滑液容器(3)、轴向支撑轴承(4)、内外转动驱动杆(5)、连接轴(6)、屈伸运动驱动杆(7)、运动连杆(8)、减速箱(9)、运动输出曲柄(10)、重力砝码(11)、驱动马达(12)、工作台(13)、负荷曲线凸轮支撑(14)、负荷曲线凸轮(15)、负荷杠杆(16)和负荷杠杆支撑架(17)组成；重力砝码(11)悬挂在负荷杆杆(16)下位于工作台(13)台面以下，圆盘(1)、下圆盘(2)、润滑液容器(3)、轴向支撑轴承(4)、内外转动驱动杆(5)、连接轴(6)、屈伸运动驱动杆(7)、运动连杆(8)、减速箱(9)、运动输出曲柄(10)、驱动马达(12)、负荷曲线凸轮支撑(14)、负荷曲线凸轮(15)、负荷杠杆(16)和负荷杠杆支撑架(17)均位于工作台(13)台面上，上、下圆盘(1)、(2)相互垂直接触且位于安装在负荷杠杆支撑架(17)上的负荷杠杆(16)下；下圆盘(2)嵌于轴向支撑轴承(4)上润滑液容器(3)中，负荷曲线凸轮(15)与减速箱(9)输出轴的一端相连接；减速箱(9)输出轴的另一端通过运动输出曲柄(10)和运动连杆(8)与屈伸运动驱动杆(7)连接，屈伸运动驱动杆(7)则与上圆盘(1)的连接轴(6)连接；连接轴(6)与内外运动驱动杆(5)连接，内外运动驱动杆(5)与润滑液容器(3)连接。
全文摘要
本发明提供了在一定程度上模拟人工关节运动与受力状况，同时结构简单，造价和试验费用低的人工关节简化模拟磨损试验方法，该方法以上下两相互垂直的圆盘为摩擦试样，上圆盘代表人体关节头围绕其轴作往复摆动以摸拟腿行走时屈伸运动，下圆盘代表人体关节臼作往复转动以摸拟人腿行走时的内外转动；并通过上圆盘垂直向下施加与人体行走时作用在关节承载表面的动态或静态负荷。本发明还提供了一种实现上述方法的试验机。本发明两相互垂直的上下圆盘或人工关节作为试样代替普通模拟磨损试验机直接使用的人工关节，将大为简化试样制备，克服了普通的磨损试验机模拟能力差的弱点，又比目前的人工关节模拟磨损试验机结构简单，造价和试验费用低。
文档编号G01N3/56GK1677081SQ20051001845
公开日2005年10月5日 申请日期2005年3月25日 优先权日2005年3月25日
发明者胡肖强 申请人:湖北工业大学