1286 / 2023-03-20 00:00:02

膝关节运动模拟试验机及磨损监测系统研发

人工关节体外摩擦磨损试验是进行磨损行为研究、耐磨性测试和磨屑形成机制研究的必要手段^[1]。为模拟膝关节运动模式开展膝关节假体的磨损性能研究，本文研发了一种新型的膝关节运动模拟试验机及磨损监测系统。与非独立自由度控制的膝关节试验机相比，本试验机针对膝关节的屈伸、上下和前后移动等三个自由度设计了独立控制模块，控制膝关节假体的屈伸角度、轴向位移和前后位移等参数，实现膝关节假体的三自由仿生运动。所有控制均参照中华人民共和国医药行业的步态标准（ISO 14243-3）进行参数设置，保证仿生运动的可靠性。为实时在线监测假体配副滑动界面的磨损状态信息，在股骨和胫骨部件的固定平台上设计了嵌入式振动信号采集系统，通过分布式采集方式实时获取上下摩擦配副的振动信号，通过信号处理与特征提取，建立基于振动特征的人工膝关节磨损状态在线监测方法；通过六维力传感器实时获取膝关节假体在三个轴向上的力和扭矩信息，结合动力学分析，验证磨损状态辨识结果的有效性。结果表明，本文方法可以准确获取膝关节假体在磨合期、稳定磨损期和剧烈磨损期等不同状态的变化规律模型，为人工膝关节的磨损状态在线监测和磨损机理演变规律研究提供新的手段。