人工关节及人工关节磨损监测方法与流程

1.本技术涉及人工关节技术领域，尤其涉及一种人工关节及人工关节磨损监测方法。


背景技术：

2.对于人体关节来说，关节软骨一旦发生磨损，关节运动将受到严重影响。必要时须进行人工关节置换。以髋关节为例，人工髋关节包括关节假骨和关节髋臼。但是，置换人工关节同样面临磨损问题，在长期相对滑动过程中，关节假骨和关节髋臼之间产生的磨损碎屑会导致骨溶解、无菌松动等人工关节相应疾病。因此，对人工关节的磨损进行监测，可为人工关节相应疾病的预防及诊断提供依据。现有的人工关节磨损测量方法包括称重、光学干涉和坐标法等，然而这些方法都是非原位测量且测量误差较大，无法及时获取人工关节磨损情况，无法为人工关节相应疾病做出早期预警。


技术实现要素：

3.本技术实施例提供一种人工关节及人工关节磨损监测方法，以解决人工关节磨损监测不够及时的问题。
4.一方面，本技术实施例提出了一种人工关节，包括骨臼部和设置在所述骨臼部内的假骨部，所述假骨部和所述骨臼部能够相对滑动。所述骨臼部朝向所述假骨部的一面设置有介质层，所述假骨部和所述骨臼部相对滑动时，所述假骨部与所述介质层能够摩擦起电。所述介质层与所述骨臼部之间设置有第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极均与所述介质层抵接。
5.本技术实施例提供的人工关节，骨臼部与假骨部构成关节结构，介质层可作为人工关节的软骨层，假骨部和骨臼部相对滑动时，由于接触起电和静电感应效应，第一电极和第二电极之间产生交流电信号，当假骨部与介质层二者的滑动界面间产生碎屑时，交流电信号减小，从而达到监测磨屑产生的目的，对磨屑的监测为原位监测，更加直接、及时，也更加准确、便捷，能够对关节摩擦配副失效作出早期预警，预防人工关节相应疾病的发生，解决了人工关节磨损监测不够及时的问题。
6.根据本技术实施例的一个方面，所述假骨部为球状体。
7.根据本技术实施例的一个方面，所述骨臼部朝向所述假骨部的一面为弧形面。
8.根据本技术实施例的一个方面，所述第一电极与所述第二电极设置在所述骨臼部朝向所述假骨部的一面，所述第一电极与所述第二电极间隔设置。
9.根据本技术实施例的一个方面，所述介质层设置在所述第一电极和所述第二电极的远离所述骨臼部的一面，所述介质层将所述第一电极和所述第二电极全部覆盖。
10.根据本技术实施例的一个方面，所述第一电极朝向所述假骨部的一面为弧形面，所述第二电极与所述第一电极结构相同。
11.根据本技术实施例的一个方面，所述介质层的材料为具备电负性的材料；所述假
骨部的材料为具备电正性的材料；优选的，所述介质层采用薄膜状结构。
12.根据本技术实施例的一个方面，所述介质层的材料为聚乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、硅胶、全氟乙烯丙烯共聚物、聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺。
13.根据本技术实施例的一个方面，所述介质层的厚度范围为50μm-2mm；和/或，所述第一电极和所述第二电极的厚度范围均为50nm-100μm。
14.根据本技术实施例的一个方面，所述第一电极采用金属电极，所述第二电极采用金属电极。
15.另一方面，本技术实施例提出了一种人工关节磨损监测方法，包括：
16.在骨臼部的用于和假骨部相对滑动的面上设置第一电极和第二电极，所述第一电极与所述第二电极间隔设置；
17.在所述第一电极和所述第二电极上设置介质层，所述假骨部和所述骨臼部相对滑动时，所述介质层与所述假骨部摩擦起电；
18.监测所述第一电极和所述第二电极之间的电输出，当电输出小于预设值时发出预警信号。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本技术实施例的人工关节的爆炸结构示意图；
21.图2为本技术实施例的人工关节的装配结构示意图；
22.图3为本技术实施例的人工关节在未发生磨损时第一电极和第二电极之间的电输出示意图；
23.图4为本技术实施例的人工关节在发生磨损时第一电极和第二电极之间的电输出示意图；
24.图5为本技术实施例的人工关节的第一电极和第二电极之间的电压输出随滑动界面间磨屑量变化的示意图；
25.图6为本技术实施例的人工关节的第一电极和第二电极之间的电流输出随滑动界面间磨屑量变化的示意图；
26.图7为本技术实施例的人工关节的第一电极和第二电极之间的电压输出随滑动界面间磨屑粒径大小变化的示意图；
27.图8为本技术实施例的人工关节的第一电极和第二电极之间的电流输出随滑动界面间磨屑粒径大小变化的示意图；
28.图9为本技术实施例的人工关节的第一电极和第二电极之间的电压输出随假骨部所受载荷变化的示意图；
29.图10为本技术实施例的人工关节的第一电极和第二电极之间的电压输出随假骨部往复运动频率变化的示意图。
30.附图标记：
31.1-骨臼部，2-假骨部，3-介质层，4-第一电极，5-第二电极。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例对本技术的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本技术的原理，但不能用来限制本技术的范围，即本技术不限于所描述的实施例。
33.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“第一”和“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；“多个”的含义是两个或两个以上；术语“内”、“外”、“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
34.为了方便理解，首先说明本技术实施例涉及的人工关节的应用场景。本技术实施例提供的人工关节可用于置换人体的受损或病变关节，并且，对人工关节磨损碎屑的产生进行自监测。以人工髋关节为例，关节假骨和关节髋臼相对滑动，实现关节功能，长期相对滑动之后，关节假骨和关节髋臼构成的配副之间可能产生磨损碎屑，磨损碎屑会导致骨溶解、无菌松动等疾病。现有的人工关节磨损测量方法均为非原位测量且测量误差较大，无法及时监测磨损碎屑的产生。此外，摩擦纳米发电机(teng)作为一种新兴能源技术，通过摩擦起电和静电感应的耦合，可以将多种机械能转换为电能，可应用于自驱动传感领域。关节假骨和关节髋臼之间磨损的原位监测可基于二者的相对滑动过程，此外，摩擦起电对于界面状态具有敏感性。
35.基于此，本技术实施例提供一种人工关节，利用摩擦纳米发电机实现对人工关节相对滑动所产生的磨损碎屑进行监测。
36.请参阅图1及图2，本技术实施例提供的人工关节，包括骨臼部1和设置在骨臼部1内的假骨部2，假骨部2和骨臼部1能够相对滑动。骨臼部1朝向假骨部2的一面设置有介质层3，假骨部2和骨臼部1相对滑动时，假骨部2与介质层3能够摩擦起电。介质层3与骨臼部1之间设置有第一电极4和第二电极5，第一电极4和第二电极5均与介质层3抵接。在本实施例中，骨臼部1与假骨部2构成关节结构，具体实施中，骨臼部1的结构可参照人体髋臼而进行仿生设计，骨臼部1与假骨部2所构成的关节可作为人工髋关节。骨臼部1的与假骨部2接合处可近似为球面凹陷，假骨部2设置在球面凹陷处，假骨部2与骨臼部1可以相对滑动。可以理解，本技术实施例的人工关节还可作为膝关节、肘关节等，骨臼部1及假骨部2的具体结构可参照具体应用的关节。
37.介质层3作为人工关节的软骨层，设置于骨臼部1的球面凹陷，具体实施时，介质层3可采用薄膜状结构，介质层3贴合在骨臼部1的球面凹陷内，介质层3与假骨部2直接接触。相较于假骨部2，介质层3的材质较软，当假骨部2和骨臼部1相对滑动一段时间后，介质层3可能因磨损而产生碎屑。
38.介质层3与骨臼部1的球面凹陷之间还设置有两个电极，分别为第一电极4和第二电极5，第一电极4和第二电极5互不连接。第一电极4和第二电极5间断开距离不超过3mm。第一电极和第二电极左右分布，除中间断开区域外完整贴合覆盖骨臼面。第一电极4和第二电极5的具体设置均为一面与骨臼部1的球面凹陷接合，另一面与介质层3接合。
39.假骨部2、介质层3及第一电极4和第二电极5构成摩擦纳米发电机的结构形式。假骨部2和骨臼部1相对滑动时，由于接触起电，电子由假骨部2转移到介质层3。相对滑动往复发生时，由于静电感应，第一电极4和第二电极5之间产生交流电信号。当假骨部2与介质层3二者的滑动界面间产生碎屑时，带负电的碎屑会粘附在假骨部2上，使得假骨部2上的一些正电荷被屏蔽掉，从而使得上述交流电信号减小，由此，可以通过测量第一电极4和第二电极5之间电输出的变化来监测磨屑的产生。
40.本实施例的人工关节，在具备关节功能的基础上，还具有磨屑自监测功能，且对磨屑的监测为原位监测，更加直接、及时，也更加准确、便捷，能够对关节摩擦配副失效作出早期预警，预防人工关节相应疾病的发生，促进人工关节融入智能医疗体系中。
41.结合图3和图4，对第一电极4和第二电极5之间电输出的变化进行详细说明。如图3所示，当假骨部2和骨臼部1相对滑动时，基于摩擦序列表，电子将由假骨部2表面转移到介质层3，经过数个往复滑动周期，假骨部2的表面和介质层3的表面分别产生等量的相反电荷。当假骨部2在第一电极4上方移动，此时假骨部2和第一电极4表面的正电荷与介质层3表面的负电荷保持静电平衡，当假骨部2向第二电极5移动时，静电平衡被破坏，并且由于两个电极间的内部电场，电子通过外部负载从第二电极5流向第一电极4，从而形成新的平衡状态。基于相似原理，当假骨部2回到第一电极4上方位置时，电子将反向流动，形成一个完整的电荷转移周期，并且通过假骨部2的往复滑动可以在第一电极4和第二电极5之间产生交流电信号。经历一定的摩擦周期后，假骨部与介质层二者的滑动界面产生磨损，滑动界面间产生碎屑，如图4所示，碎屑会逐渐粘附在假骨部上，这些携带着负电荷的碎屑会屏蔽一定量的假骨部表面的正电荷，导致转移电荷量减小，随着往复滑动过程的持续，更多碎屑粘附到假骨部上，导致第一电极和第二电极之间产生的交流电信号减小。
42.并且，对磨屑的监测可具体包括磨屑量的监测和磨屑粒径大小的监测。图5为第一电极和第二电极之间的电压输出随滑动界面间磨屑量变化的示意图，
43.图6为第一电极和第二电极之间的电流输出随滑动界面间磨屑量变化的示意图。如图5所示，磨屑量为0时，输出的开路电压(v
oc
)为98v，当磨屑量为3.5mg时，输出的开路电压为5.58，降幅为94.3％。如图6所示，磨屑量为0时，输出的短路电流(i
sc
)为220na，当磨屑量为3.5mg时，输出的短路电流为9.46na，降幅为95.7％。由此可见，随着磨屑量从0mg增大到3.5mg，第一电极和第二电极之间的电输出信号逐渐减小。
44.图7为第一电极和第二电极之间的电压输出随滑动界面间磨屑粒径大小变化的示意图，图8为第一电极和第二电极之间的电流输出随滑动界面间磨屑粒径大小变化的示意图，图中的内嵌图为磨屑形貌示意图。如图7所示，随着磨屑粒径由1μm以下增加到50μm，输出的开路电压由81.25v降低为5.98v，降幅为92.6％。如图8所示，随着磨屑粒径由1μm以下增加到50μm，输出的短路电流由193.18na降低为20.30na，降幅为89.4％。由此可见，随着磨屑粒径由1μm以下增加到50μm，第一电极和第二电极之间的电输出信号逐渐减小。综上可知，本实施例的人工关节对磨屑量和磨屑粒径均具有较好的识别能力，能够较好地实现磨屑自监测。可以理解，当输出电压或电流减小时便可确定已经产生碎屑，进而需要及时采取手段对人工关节进行修复或更换，避免引发人工关节相应疾病。
45.图9为第一电极和第二电极之间的电压输出随假骨部所受载荷变化的示意图。如图9所示，在90n、180n、270n三种不同载荷下，输出的开路电压随时间的增加而线性降低。假
骨部所受载荷的增加一开始会增加假骨部与介质层的接触面积，导致起始状态开路电压增加，但是，载荷的增加会导致磨损加剧，磨损碎屑的产生量增加，从而导致开路电压下降更快。
46.图10为第一电极和第二电极之间的电压输出随假骨部往复运动频率变化的示意图。如图10所示，在0.5hz、1hz和1.5hz三种不同运动频率下，输出的开路电压从7v下降到1v所用时间分别为9000s、4500s和3000s。运动频率的增加会导致更快产生磨损，产生更多磨损碎屑，从而导致开路电压下降更快。
47.在一些实施例中，假骨部的与骨臼部接合的一端可为球状体。结合上述，骨臼部的与假骨部接合处可近似为球面凹陷，可理解为，骨臼部的朝向假骨部的一面可为弧形面。假骨部接合在骨臼部内，二者可相对滑动，在实际应用时，主要是假骨部在骨臼部内滑动，实现多种关节相关动作。
48.在具体实施中，第一电极与第二电极设置在骨臼部朝向假骨部的一面，即第一电极与第二电极设置在上述的骨臼部的球面凹陷内。并且，第一电极与第二电极间隔设置，互不连接。第一电极与第二电极的间距可为5mm。
49.作为一个可选实施例，介质层设置在第一电极和第二电极的远离骨臼部的一面。具体实施时，可先在骨臼部的球面凹陷内设置第一电极和第二电极，再在第一电极和第二电极上设置介质层，使得第一电极和第二电极位于介质层和骨臼部之间。
50.在一些实施例中，第一电极、第二电极连同二者之间的间隔区域可覆盖骨臼部的与假骨部接触的完整界面。具体实施中，介质层可将第一电极和第二电极全部覆盖，第一电极、第二电极及第一电极和第二电极之间的间隔区域均在介质层的覆盖范围内。实现对骨臼部与假骨部接触界面的充分监测，也能够增强第一电极和第二电极之间的电输出，使得监测更加方便。
51.在具体实施中，第一电极朝向假骨部的一面可为弧形面，使得第一电极与上述的骨臼部的球面凹陷形状相契合，保证关节结构的稳定性。第一电极的形状可以理解为弧面板状，也可以理解为近似1/4球状壳体。第二电极的结构可与第一电极相同。
52.在一些实施例中，介质层的材料可为具备电负性的材料。具体实施时，介质层可为薄膜状，其材料可为聚乙烯(pe)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚氯乙烯(pvc)、硅胶、全氟乙烯丙烯共聚物(fep)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚酰亚胺薄膜材料(kapton)等容易吸附电子的材料。介质层的厚度范围为50μm-2mm，可以为100μm。
53.在一些实施例中，假骨部的材料可为具备电正性的材料。具体实施时，假骨部的材料可为铜、铝、不锈钢等导电材料。
54.在一些实施例中，骨臼部的材料可采用聚乙烯等。骨臼部与假骨部形成配副组合为聚合物和金属的人工关节。
55.在一些实施例中，第一电极采用金属电极，第二电极采用金属电极。第一电极及第二电极可为薄膜状，其材料可为镍、铜等导电材料。两个电极的厚度范围均为50nm-100μm，可约为10μm。
56.关于制备方法，具体实施时可参考：首先采用热压法制备介质层，随后采用磁控溅射法在其一面镀镍，形成第一电极及第二电极，接着将镀完第一电极和第二电极的介质层放入模具中，采用热压法制备骨臼部，形成具有介质层和电极的骨臼部。
57.本技术实施例还提供一种人工关节磨损监测方法，包括：
58.在骨臼部的用于和假骨部相对滑动的面上，即上述的球面凹陷，设置第一电极和第二电极，并且，第一电极与第二电极间隔设置，互不连接；
59.在第一电极和第二电极的背向骨臼部的面上设置介质层，假骨部和骨臼部相对滑动时，介质层与假骨部摩擦起电；
60.监测第一电极和第二电极之间的电输出，具体实施时，可通过远程传输器件将监测得到的电输出信息传输到控制器，控制器判断电输出是否小于预设值，预设值可根据实验数据得出，并在电输出小于预设值时发出预警信号，提醒用户修复或更换人工关节。
61.本领域内的技术人员应明白，以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此。显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。