Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej
(21) Numer zgłoszenia: 407894
(22) Data zgłoszenia: 14.04.2014
(13)
B1
(51) Int.Cl.
A61F 2/76 (2006.01) A61F 2/32 (2006.01) G01N 3/32 (2006.01)
(54) Sposób testowania protez stawu biodrowego oraz tester realizujący ten sposób
(43) Zgłoszenie ogłoszono:
26.10.2015 BUP 22/15
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
30.12.2016 WUP 12/16
(73) Uprawniony z patentu:
INSTYTUT OBRÓBKI PLASTYCZNEJ, Poznań, PL
(72) Twórca(y) wynalazku:
JANUSZ MAGDA, Poznań, PL TOMASZ WIŚNIEWSKI, Poznań, PL ADRIAN MRÓZ, Plewiska, PL MARIUSZ JANCZAK, Swarzędz, PL
(74) Pełnomocnik:
rzecz. pat. Jerzy Łuczak
PL 22 43 3 4 B1
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób testowania stawu biodrowego i tester, przeznaczony do symulacji ruchów i obciążeń występujących w stawie biodrowym człowieka, odtwarzający warunki kinematyczne, dynamiczne i biochemiczne zbliżone do występujących w organizmie ludzkim. Stoso- wany jest w technice medycznej na etapie projektowania, badań wytrzymałościowych i trybologicz- nych endoprotez.
Tester przedstawiony w polskim opisie patentowym nr 146100 zawiera uchwyt komponentu ru- chomego endoprotezy, połączony z korpusem symulatora za pośrednictwem zespołu obciążania pio- nowego i zespołu wychylania nawrotnego. Poniżej usytuowany jest uchwyt komponentu nieruchome- go, połączony z pojemnikiem cieczy o właściwościach zbliżonych do cieczy fizjologicznej. Odtworzenie naturalnego ruchu i zmienność obciążenia realizowane są na drodze mechanicznej, napędami krzyw- kowo-dźwigniowymi. Zmiana parametrów pracy wymaga wymiany krzywek, parametry pracy są stałe, wynikające z zamontowanego zestawu krzywek. Niemożliwą jest ciągła regulacja i dowolne kształto- wanie – również w zakresie elementarnego wychylenia – takich parametrów jak: kąt zginania, szyb- kość ruchu, przerwy w ruchu, zmiana płaszczyzny zginania, wielkości i szybkości narastania nacisku.
Tester przedstawiony w polskim opisie patentowym nr 206888 ma zespół obciążenia pionowe- go, którego konstrukcję stanowią połączone przegubowo w pionowej płaszczyźnie kierunku ruchu:
tłokowy siłownik hydrauliczny, rama obciążająca i kołyska z uchwytem komponentu ruchomego. Rama obciążająca ma dwa ramiona skierowane w dół i obejmujące pojemnik z cieczą fizjologiczną. Ramiona na końcach zaopatrzone są w łożyska, wyznaczające oś wychylania endoprotezy, poziomą i prosto- padłą do płaszczyzny kierunku ruchu. Rama obciążająca sztywno połączona jest z wahaczem zawie- szonym na przegubach, o osi usytuowanej w płaszczyźnie poziomej, przechodzącej przez oś wychy- lania endoprotezy i do niej równoległej. Zespół nawrotnego ruchu wychylania tworzą: osadzona w łożyskach ramy obciążającej kołyska oraz tłokowy siłownik hydrauliczny zamocowany przez prze- guby między kołyską i wahaczem.
Istnieje rozwiązanie, przedstawione w zgłoszeniu patentowym P 398471, które charakteryzuje się tym, że zespół symulacji ruchu stanowi silnik, połączony przez przekładnię oraz sprzęgło przecią- żeniowe i momentomierz z osadzonym na wale wahaczem, mającym oprawę do osadzania główki protezy, przy czym proteza zamocowana jest pojemniku z płynem o właściwościach płynu fizjologicz- nego, natomiast pojemnik, stanowiący element zespołu obciążającego protezę, osadzony jest suwli- wie na poziomym suwaku, osadzonym na ramieniu przemieszczającym się po pionowej prowadnicy, i połączony jest poprzez siłomierz i sprężyny z cięgnem, którego przeciwległy koniec zamontowany jest na mechanizmie mimośrodowym, napędzanym silnikiem poprzez przekładnię i sprzęgło przecią- żeniowe.
Przedstawione rozwiązania dotyczą badania protez stawu biodrowego w warunkach odbiegają- cych od wymagań normy europejskiej ISO 14242-1:2012(E) i w większym lub mniejszym stopniu są uproszczeniem wymagań tej normy realizując tylko wybrane jej zagadnienia.
Rozwiązanie opisane poniżej, spełnia wszystkie kinematyczne i dynamiczne wymogi normy, umożliwiając równocześnie spełnienie pozostałych jej wymogów, a ponadto pozwala na pomiary wszystkich podstawowych sił i momentów występujących podczas testowania protez.
Istota wynalazku, którym jest sposób testowania stawu biodrowego odtwarzający warunki kine- matyczne, dynamiczne i biochemiczne zbliżone do występujących w organizmie ludzkim, poprzez cykliczne zmiany kąta oddziaływania sił i częstotliwości oddziaływania sił, polega na tym, że czasza protezy, umieszczona nad kulistą końcówką protezy w pojemniku z cieczą zbliżoną do płynu ustrojo- wego, odchylona jest od kierunku obciążania pod kątem 30° i obracana jest wahadłowo względem osi obciążania o kąt -10° do +2° podczas cyklicznego obciążania w kierunku z góry w dół, zaś końcówka kulista protezy waha się względem osi poziomej w granicach 7° do -4° z przesunięciem fazowym 21%
czasu cyklu i względem drugiej osi poziomej, prostopadłej do poprzedniej w zakresie od 25° do -18°, przy jednoczesnym pomiarze sił, momentów i temperatury procesu.
i przekładnię z zębatymi kołami stożkowymi, poruszającymi przez cięgna oraz mechanizmy mimośro- dowe osiami obrotu protezy.
Mimośrody napędzające cięgna są tak dobrane, by realizowały wychylenia zgodne z kątami podanymi w normie ISO 14242-1:2012(E), a ich największe wychylenia są względem siebie przesu- nięte w ten sposób, by maksimum wychylenia obrotu czaszy przypadało w połowie czasu cyklu, zaś maksymalne wychylenie widełkowej oprawy na początku cyklu.
Wał napędowy wahacza, ma zamocowane tensometry mierzące naprężenia w tym wale, a przez to mement obrotowy tego wału.
Pod każdym cięgnem usytuowany jest siłomierz, mierzący siły występujące w tych cięgnach.
Pod popychaczem umieszczony jest siłomierz mierzący siły występujące podczas obciążania protezy.
W naczyniu z cieczą umieszczono termopary, mierzące temperaturę, w której odbywają się testy.
Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku możliwe jest testowanie protez stawu bio- drowego zgodne z normą ISO 14242-1:2012(E), przy jednoczesnym pomiarze wszystkich podstawo- wych sił i momentów działających na badaną protezę oraz ich jednoczesna rejestracja podczas ich zużywania.
Przedmiot wynalazku uwidoczniono na poniższym przykładzie wykonania, gdzie dla lepszego zobrazowania sposobu działania i budowy testera, na fig. 1 pokazano tester w przekroju przez wał wahacza, na fig. 2 – w przekroju przez oś widełkowej oprawy, na fig. 3 – w widoku z boku, zaś na fig. 4 – w przekroju poziomym nad cięgnem obrotu czaszy.
Tester protezy stawu biodrowego ma przezroczysty pojemnik 1, osadzony szczelnie na dnie z cokołem 2, w którym mocowany jest trzpień 3, z osadzoną na nim końcówką kulistą protezy 4. Dno z cokołem 2, przykręcone jest do wahacza 5, łożyskowanego na wale 6, w korpusie widełkowej opra- wy 7, osadzonej obrotowo w korpusie testera 8. Na wale 6, zamocowano koło pasowe 9, napędzane za pomocą pasa zębatego 10 i koła pasowego 11 od serwonapędu 12 mocowanego do korpusu wi- dełkowej oprawy 7.
Na wale 13, połączonym z widełkową oprawą 7, zaciśnięto zabierak 14, wahadłowo napędzany przez cięgno 15 z siłomierzem 16, od mimośrodu 17, połączonego ze stożkowym kołem zębatym 18, łożyskowanym w skrzynce 19. Stożkowe koło zębate 18 zazębione jest ze stożkowym kołem zębatym 20, zamocowanym na wale 21, łożyskowanym w górnej części skrzynki 19 i napędzanym od serwonapę- du 22. Na wale 21, między łożyskowaniem a stożkowym kołem zębatym 20, wykonano mimośród, na którym umieszczono cięgno 23 poruszające wahadłowo, poprzez siłomierz 24, zabierakiem 25, zaci- śniętym na tulei wielowypustowej 26, łożyskowanej w korpusie testera 8 i obracającej wałem wielowy- pustowym 27. Na dolnej części wału wielowypustowego 27, łożyskowanego w przesuwnej oprawie 28, prowadzonej na kolumnach 29 i 30, osadzono przegub 31, z oprawą 32, czaszy protezy 33, opartej na końcówce kulistej protezy 4. Górny koniec wału wielowypustowego 27, obciążany jest przez suwak 34, za pomocą siłomierza 35, układu sprężyn talerzowych 36 i popychacz 37 od serwonapędu 38 z mechani- zmem mimośrodowym 39. Suwak 34 prowadzony jest na kolumnach 29 i 30, mocowanych do korpusu testera 8.
Protezy stawu biodrowego złożone z czaszy 33, opartej na końcówce kulistej 4, umieszczane są w testerze w pojemniku 1, zalanym cieczą zbliżoną do płynu ustrojowego człowieka i poddawane są obciążeniom, podczas ruchu cyklicznie symulującego naturalne ruchy i obciążenia kończyny. Cza- sza 33 wykonuje wahadłowy ruch obrotowy wokół osi pionowej i jest dociskana pulsacyjnie do koń- cówki kulistej 4, wykonującej wahadłowe ruchy wokół dwóch poziomych, wzajemnie prostopadłych osi obrotu. Zaciski 14 i 25 pozwalają na prawidłowe ustawienie kątów obrotu względem czasu cyklu, zaś ruch realizowany serwonapędami 12, 22 i 38 zapewnia właściwe zgranie w czasie wszystkich osi na- pędowych. Wyposażenie testera w siłomierze 16, 24 i 35, tensometry naklejone na wale 6 oraz niepo- kazane na rysunkach termopary, pozwala na rejestrację podczas testów sił, momentów obrotowych i temperatury procesu.
Zastrzeżenia patentowe
1. Sposób testowania stawu biodrowego, poprzez cykliczne zmiany kąta oddziaływania sił i częstotliwości oddziaływania sił, znamienny tym, że czasza protezy (33), umieszczona nad kulistą końcówką protezy (4) w pojemniku (1) z cieczą zbliżoną do płynu ustrojowego, odchylona jest od kie- runku obciążania pod kątem 30° i obracana jest wahadłowo względem osi obciążania o kąt -10° do +2° podczas cyklicznego obciążania w kierunku z góry w dół, zaś końcówka kulista protezy (4) waha się względem osi poziomej w granicach 7° do -4° z przesunięciem fazowym 21% czasu cyklu i wzglę- dem drugiej osi poziomej, prostopadłej do poprzedniej w zakresie od 25° do -18°, przy jednoczesnym pomiarze sił, momentów i temperatury procesu.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że czasza protezy (33) obracana jest i dociskana do kulistej końcówki protezy (4) poprzez przegub (31), eliminujący występowanie poprzecznych sił w badanym połączeniu.
3. Tester stawu biodrowego, mający pojemnik (1) z mocowaniem dla trzpienia (3) z osadzoną na nim końcówką kulistą protezy (4), znamienny tym, że napęd realizowany jest trzema, wzajemnie synchronizowanymi serwonapędami (12), (22) i (38), poprzez przekładnię pasową (10) i przekładnię z zębatymi kołami stożkowymi (18) i (20), poruszającymi przez cięgna (15) i (23) oraz mechanizmy mimośrodowe (17) i (21) osiami obrotu protezy.
