способ диагностирования эндопротезов тазобедренных суставов с металлической парой трения

Формула изобретения

Способ диагностики эндопротезов тазобедренных суставов с металл-металлической парой трения, заключающийся в том, что эндопротез закрепляют в испытательном стенде, нагружают осевой силой, формируют смазочный слой между поверхностями компонентов эндопротезов и определяют физические характеристики поверхностного слоя компонентов в зоне трения, отличающийся тем, что осевую силу прикладывают перпендикулярно поверхности основания эндопротеза, пропускают через зону трения эндопротеза малый по значению стабильный электрический ток, регистрируют вызываемое током и пропорциональное электрическому сопротивлению падение электрического напряжения в зоне трения в виде временной функции, по параметрам флуктуации которой оценивают фактический режим трения в эндопротезе и по отношению времени целостности смазочного слоя, определяемого по временной функции сопротивления к общему времени измерения, оценивают фактическое техническое состояние элементов трибосопряжения деталей эндопротеза в процессе его испытаний.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области испытаний изделий медицинской техники, а именно к вопросу производственных испытаний эндопротеза тазобедренного сустава с металлической парой трения, состояние которой в процессе испытаний оценивается с применением электрических (электрорезистивных) методов диагностирования.

Известен способ контроля триботехнических характеристик конструкционных свойств металлических эндопротезов путем измерения электродвижущей силы (ЭДС) в зоне трения эндопротеза (Patent USA № 5723014, Int. CI A61F 2/30. Orthopaedic implant having a metallic bearing surface [Text] / Michel P. Laurent, Jerry Parcell, Kent McDonald / Date of patent 03.03.98. - P.6). Эндопротез тазобедренного сустава с металлической парой трения помещают в диэлектрическую жидкость, например синовиальную жидкость суставов животных, который разделяет контактирующие поверхности, закрепляют в испытательном стенде, нагружая при этом силой, которая прикладывается под углом 30° к поверхности основания ножки эндопротеза и определяют физические характеристики поверхностного слоя по отклонению значения гальваноЭДС, которая возникает непосредственно при микроконтактировании под действием гальваноэлектрических и трибоэффектов, а также из-за наличия контактной разности потенциалов, которая проявляется при относительном перемещении площадок микроконтактов трибосопряжения.

Недостатком данного способа является низкая помехозащищенность и воспроизводимость результатов, что в первую очередь связано с малым значением генерируемой в зоне трения эндопротеза гальваноЭДС, которая порой сопоставима со значением гальваноЭДС применяемых электродов. Помимо этого в паре металл-металл часто одновременно действуют несколько различных по природе ЭДС при доминировании одного из них в зависимости от технического состояния объекта, что влияет на объективность результата измерений. Также этот метод не применим при жидкостном режиме трибосопряжений эндопротезов.

Задача, на решение которой направлено изобретение состоит в повышения качества диагностирования за счет получения дополнительной информации из зоны трения трибосопряжения эндопротеза (фактическая зона трения) с учетом реальных условий формирования разделяющего диэлектрического слоя.

Это достигается тем, что в способе диагностирования эндопротезов тазобедренных суставов с металлической парой трения, заключающемся в том, что эндопротез закрепляют в испытательном стенде, нагружают осевой силой, формируют смазочный слой между поверхностями компонентов эндопротезов и определяют физические характеристики поверхностного слоя компонентов эндопротеза тазобедренного сустава, в отличие от прототипа осевую силу прикладывают перпендикулярно к поверхности основания эндопротеза, пропускают через зону трения эндопротеза малый по значению стабильный электрический ток, регистрируют вызываемое током и пропорциональное электрическому сопротивлению падение электрического напряжения в зоне трения в виде временной функции, по параметрам флуктуации которой оценивают фактический режим трения в эндопротезе и по отношению времени целостности смазочного слоя, определяемого по временной функции сопротивления к общему времени измерения, оценивают фактическое техническое состояние элементов трибосопряжения деталей эндопротеза в процессе его испытаний.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлены схемы контактирования поверхностей эндопротеза а) при жидкостном режиме трения, б) при полужидкостном режиме трения и в) при граничном режиме трения. На фиг.2 поясняется сущность диагностического параметра. На фиг.3 изображена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Способ осуществляют следующим образом. Эндопротез тазобедренного сустава, состоящий из металлической суставной чаши 6 и ножки с бедренной головкой 7 устанавливают в испытательный стенд, который представляет собой контейнер 3, выполненный из непроводящего материала и заполненный диэлектрической жидкостью 8, разделяющей контактирующие поверхности эндопротеза тазобедренного сустава. Под действием нагрузки при испытаниях смазочная жидкость выдавливается из зоны трения, изменяется ее толщина и происходит смена режимов трения от жидкостного к полужидкостному и сухому. При жидкостном режиме трения флуктуации временной функции электрического сопротивления R(t) незначительны. При переходе к полужидкостному режиму трения возникают микроконтакты деталей в зоне трения. Это приводит к резкому снижению сопротивления и дополнительным флуктуациям функции R(t). Если состояние контактирующих поверхностей в зоне трения эндопротеза худшего качества, то соприкосновение поверхностей происходит чаще и микроконтакты более длительны. Такие процессы происходят в режиме сухого трения, когда смазочный материал практически вытесняется из зоны трения и функция электрического сопротивления приобретает значительные флуктуации. К флуктуациям функции R(t) также могут привести местные (локальные) неоднородности поверхности трения (задиры, зацепы, результаты адгезионных взаимодействий контактирующих поверхностей, загрязнение смазочного материала (синовиальной жидкости) и изменение реологических свойств смазочного материала.

Суставную чашу эндопротеза 6 закрепляют в держателе 5, расположенном на подвижной платформе 4, выполненной в виде диска, которая позволяет имитировать кинематику вращательных движений сустава с помощью электропривода вращения 1.

Для скорейшего выявления потенциально ненадежных эндопротезов и сокращения времени испытаний нагружение осуществляют максимально возможной регулируемой осевой силой (значение которой изменяется в зависимости от типоразмера эндопротеза), прикладываемой перпендикулярно поверхности основания. Для создания такой нагрузки используется устройство нагружения 9, позволяющее в ручном режиме устанавливать значение, действующей осевой силы.

Сопротивление в зоне трения эндопротеза по данным теоретических исследований имеет нелинейную вольт-амперную характеристику, поэтому для получения однозначных результатов при его измерении необходимо обеспечить постоянство тока, подводимого к объекту с помощью стабилизированным источником тока 10, который, проходя через зону трения, вызывает падение электрического напряжения на диэлектрическом слое смазочного материала в зависимости от его толщины и целостности.

Временная функция напряжения пропорциональна электрическому сопротивлению зоны трения и отражает реальный процесс микроконтактирования в зоне трения эндопротеза. Параметры флуктуации измеряемой функции сопротивления R(t) будут характеризовать реальные макро- и микрогеометрические свойства контактирующих поверхностей и режим трения в целом. В качестве диагностического параметра предлагается использовать относительное время целостного слоя _ТК, определяемое как отношение суммарного времени разрушения смазочного слоя , к общему времени измерения.

В процессе испытаний задается пороговое сопротивление R_пор, выше которого сигнал сопротивления характеризует наличие смазочного слоя (металлический контакт в зоне трения). Временная функция сопротивления анализируется относительно этого порогового значения в соответствии с выражением 1.

Для регистрации сигнала в зоне трения используем токосъемник 9, который установлен на ножке эндопротеза. Полученный сигнал поступает на вход усилителя 12. Далее сигнал передается на устройство фильтрации и нормирования 13, для масштабирования и устранения помех. Затем унифицированный сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь 14 и после преобразования в цифровой код на устройство обработки и индикации информации 15. Устройство рассчитывает диагностический параметр по выражению 1. Для получения объективного результата дополнительно применяют цифровой датчик контроля частоты вращения электропривода 2, сигнал с которого передается на АЦП и постоянно контролируется в автоматическом режиме по данным на устройстве индикации 15.

По полученному значению _ТК делается вывод о режиме трения в эндопротезе, о состоянии макро- и микрогеометрии контактирующих деталей, о вероятности дальнейшего использования эндопротеза или его забраковке. Контрольные значения _ТК для эндопротезов определяются на основании статистической обработки результатов ресурсных испытаний для эндопротезов различных типоразмеров.

Таким образом, технический результат, получаемый при реализации описываемого изобретения, состоит в сокращении времени испытаний, оценке реального времени контактного взаимодействия поверхностей трения, в повышении мощности выделяемого полезного сигнала, его помехоустойчивости и в формировании объективной исходной диагностической информации из зоны трения для последующего прогнозирования долговечности эндопротеза тазобедренного сустава с металлической парой трения.