人工髋关节模拟试验机的研究

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人工髋关节模拟试验机的研究

摘要

人工髋关节的研制、开发是一门跨领域的交叉学科，涉及到材料学、力学、生

物学、成型技术和医疗等多门学科的知识。由于直接关系到置换后人工髋关节在人

体内的使用质量和临床寿命，人工髋关节生物摩擦学特性的研究成为大家关注的

焦点。为研究人工髋关节在人体内的运动特性，准确揭示其摩擦、磨损规律，人们

在髋关节模拟试验机的研制方面给予了极大关注。

本文首先介绍了人工髋关节置换术的发展和各种人工髋关节材料的性能以及

典型应用。总结了髋关节假体摩擦磨损试验方法和人工髋关节模拟试验机的研究

现状。分析了人工髋关节模拟试验机的特点，并探讨了模拟试验机的发展方向。研

究设计了一种新型的髋关节模拟试验机的机械结构并搭建了控制平台，编写了控

制程序和上位机界面软件。

主要包括以下三个方面内容：

第一，总结了髋关节假体摩擦磨损试验方法和人工髋关节模拟试验机的研究

现状。分析了人工髋关节模拟试验机的结构形式（凹凸球面配合）、载荷方式（周

期性双峰载荷）、运动特征（多向复合滑动摩擦）和润滑模拟（仿人体生理环境

润滑）四个方面。并且探讨了模拟试验机的发展方向。

第二，介绍了所设计的人工髋关节试验机的机械原理，从各个机械模块着手，

阐述了柔性加载部分、机械运动部分和润滑模拟部分的设计，并进行了载荷分析、

运动分析，介绍了润滑模块的恒温处理方法。设计的机械结构能单独实现伸展/屈

曲、内收/外展和内旋/外旋三种运动，也可实现多向复合滑动；且在角度的模拟上

更加符合真实情况。这方面的研究在国内还没看到相关文献报道，而且国外研究

的也比较少。

第三，基于 DSP 芯片 TMS320F2812 设计了电控部分的硬件和软件，编写了

步进电机的驱动程序和图形操作界面的 LabView 程序。

关键词：人工髋关节模拟试验机生物摩擦学复合滑动摩擦 DSP

ABSTRACT

The research of artificial hip joint (AHJ) is an interdisciplinary study involving

material science, mechanics, biology, molding technology, medicine and etc. Since it

relates directly to the application quality and the clinical lifespan, the Bio-tribology

research of the AHJ becomes the focus. To simulate the characteristics of the realistic

hip-joint movement in the human body, and accurately reveal the law of friction and

wear, the study of the simulators is very important.

In this thesis, the development of AHJ replacement methods, the relevant typical

materials and the applications of AHJ were introduced. How to evaluate the wear

performance of AHJ was summed up. After analyzing the functions and the developing

trends of hip joint simulators, a new simulator was designed.

The main work in this research was as below:

First of all, the wear test methods of AHJ and the present research of hip joint

simulator were discussed. We analyzed the characteristic of hip joint simulator in four

aspects, such as the mechanical structure (co-operate with the convex-concave

spherical), the load mode (bimodal cyclical load), the motion characteristics (multi-

directional composite sliding friction) and the lubrication (simulate the physiological

lubrication environment of human). At the same time, the developmental tendency of

hip joint simulator was also presented.

Secondly, the design details of the testing machine were expatiated, which were

including the designs of the methods of load, motion, lubrication, as well as the the

constant temperature control system. The designed testing machine could realize not

only three movement functions namely flexion/extension, adduction/abduction and

internal rotation/external rotation, but also the multi-directional slide. Moreover, in the

simulation point of view, the hip joint simulator could be in line with the real situation.

Till now, there are still very few researches in this field.

At last, based on the DSP chip TMS320F2812, the hardware and software of the

electronic control system were designed. The procedures of the step motor driver were

programmed in C and graphical user interface was programmed in LabView.

Key Word: Artificial Hip Joint, Simulator, Bio-tribology, Composite

Sliding Friction, DSP

目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论.....................................................................................................................1
§1.1 引言........................................................................................................................1
§1.2 髋关节结构和置换技术........................................................................................1
§1.2.1 
人体髋关节结构
.............................................................................................1
§1.2.2 
人工髋关节置换术
.........................................................................................3
§1.3 人工髋关节研究现状............................................................................................5
§1.3.1 
人工髋关节的结构设计
.................................................................................5
§1.3.2 
人工髋关节材料的研究
.................................................................................6
§1.4 人工髋关节摩擦磨损试验的研究现状................................................................9
§1.5 本文研究目的及主要研究内容..........................................................................10
§1.6 本章小结..............................................................................................................12
第二章 人工髋关节模拟试验机的分析.......................................................................13
§2.1 试验机的结构......................................................................................................13
§2.2 试验机的载荷模拟分析......................................................................................15
§2.3 试验机的运动模拟分析......................................................................................17
§2.4 试验机的润滑模拟分析......................................................................................20
§2.5 试验机发展方向..................................................................................................22
§2.6 本章小结..............................................................................................................22
第三章 模拟试验机机械部分.......................................................................................23
§3.1 总体设计..............................................................................................................23
§3.2 柔性加载部分设计..............................................................................................25
§3.2.1 
载荷分析
.......................................................................................................25
§3.2.2 
加载机构设计
...............................................................................................26
§3.3 机械运动部分设计..............................................................................................27
§3.3.1 
试验机运动分析
...........................................................................................27
§3.3.2 
运动机构设计
...............................................................................................28
§3.4 润滑模块结构设计..............................................................................................29
§3.5 本章小结..............................................................................................................30
第四章 模拟试验机电控部分.......................................................................................31
§4.1 总体设计..............................................................................................................31
§4.2 测控系统硬件设计..............................................................................................32
§4.2.1 
控制芯片概述
...............................................................................................32
§4.2.2 
串口通信模块
...............................................................................................34
§4.2.3 
信号调理模块
...............................................................................................35
§4.2.4 
数据采集模块
...............................................................................................36
§4.3 测控系统程序设计..............................................................................................37
§4.3.1
电机驱动程序设计
.......................................................................................38
§4.3.2 
数据采集程序设计
.......................................................................................40
§4.3.3 
串口通信程序设计
.......................................................................................41

§4.4 人机界面软件设计..............................................................................................41
§4. 4. 1 LabVIEW 
简介
............................................................................................41
§4. 4. 2 LabVIEW 
程序设计
....................................................................................43
§4.4 本章小结..............................................................................................................44
第五章全文总结...........................................................................................................45
附  录...........................................................................................................................46
参考文献.........................................................................................................................53

第一章绪论

§1.1 研究背景

目前，全球人口面临老龄化趋势，加上事故和战争等原因导致大量人体骨骼

病变和损伤，如大腿骨骨折、关节炎等病症患者日益增多。关节病的有效治疗成为

医学界十分重视的研究内容，特别是近年来髋关节病变及股骨头坏死等症在30 多

岁的年轻人中呈多发趋势，轻者行动不便，严重者则丧失行走能力，被喻为骨科

的“癌症”。人工关节是骨科领域在二十世纪取得的最重要进展之一，它使过去

只能依赖拐杖行走甚至残疾的关节病患者实现行走自如的梦想。

以日本为例，1993 年人工关节的需求量为 10.879 万件，1997 年已迅速上升

到 17.09 万件，其整形外科用植入物市场的年增长率为 7%~8%。我国人口众多，

且部分地区生活条件相对较差，关节疾病的发病率高于经济发达国家，是世界上

人工关节最大市场之一。据我国民政部门报告[1]，目前仅肢体不自由患者就达

1500 万人，其中残疾约 780 万人，全国骨缺损和骨损伤患者近 300 万人，且随着

我国社会老龄化的到来，这一数字还有上升的趋势。因此，加强研制人工关节及

相应的人工关节置换技术，提高置换关节的使用寿命，是一项十分迫切的任务。

人工关节的研制、开发是一门跨领域的交叉学科，涉及到材料学、力学、生物

学、成型技术和医疗等多门学科的知识。由于直接关系到置换后人工关节在人体内

的使用质量和临床寿命，人工关节生物摩擦学特性的研究成为大家关注的焦点。

近期的研究工作已证明人工关节磨损时产生的磨损颗粒与置换关节的无菌性松动

有直接关系[2]。因此，积极开展人工关节生物摩擦学特性方面的研究，掌握置换关

节材料在生物机体环境内的摩擦磨损行为规律，在人工关节的开发中引入摩擦学

设计（包括基于生物力学的关节摩擦副载荷最小化研究、假体固定的微动摩擦学

行为研究和关节材料磨损颗粒生成机理及有效识别等），对于提高人工关节的使

用质量，延长其临床寿命和减轻患者痛苦具有重要的现实意义。

§1.2 髋关节结构和置换技术

§1.2.1 人体髋关节结构

髋关节位于人体中部，是人体中最重要的关节之一。图 1-1 为人体髋关节的结

构简图。

人工髋关节模拟试验机的研究

图 1-1 人体髋关节结构示意图[2]

解剖学表明，髋关节可以围绕以股骨头为中心的无数轴运动。为了完成支持

体重和负重条件下运动这两个基本功能同时又具备必要的稳定性，结构上呈杵臼

关节。髋臼及其临近结构可划分为前柱、后柱两个部分：前柱（即髂耻柱）由髂嵴

前上方斜向前内下方，经耻骨支止于耻骨联合，分髂骨部、髋臼部、耻骨部三段。

后柱（即髂坐柱）由坐骨大切迹经髋臼中心至坐骨结节，包括坐骨的垂直部分及

坐骨上方的髂骨。后柱内侧面由坐骨体内侧的四边形区域构成，称四方区。髋臼前

后两柱呈 60°相交，形成一拱形结构，横跨于前后两柱之间，是髋臼的主要负重

区，称臼顶，又称负重顶，约占髋臼的 2/5，由髂骨下部构成，厚而坚强。髋臼呈

半球形深凹，直径约为 35mm，与下肢股骨头相关节。髋臼边缘的关节盂唇可使髋

臼加深加宽，并使臼口变小，使髋臼包容股骨头的一半以上[2]。在髋臼表面上有一

层约厚 2mm 的透明软骨，呈半月形分布于髋臼的前、后、上壁。软骨的组成中固态

物质占 20%～40%，其余为水。固态物质中胶原纤维约占 60%，蛋白多糖占

40%，软骨细胞占 2%。关节软骨的这种多相结构使得它在载荷之下呈现粘弹性响

应，在外界力作用下发生蠕变和应力松驰，从而保护髋关节免受冲击。髋臼中央

无关节软骨覆盖的臼窝由哈佛森腺充填，它可随关节内压力被挤出或吸入，从而

维持关节内压力的平衡。髋关节周围包围着强大的韧带及丰厚的肌肉，这使得该

关节稳定性较强。

按关节面的形态或运动形式分，髋关节属于多轴关节中的球窝型关节，具有

三个互相垂直的运动轴，能作屈、伸、收、展和旋转等各种运动，如图1-2，而且还

要承载人体大部分体重，其重要性无疑是相当明显的[3]。一般说来，正常人的髋关

第一章绪论

节可以使用终生，但由于病变、事故等原因可能导致髋关节功能的丧失。

图1-2 髋关节运动示意图[3]

§1.2.2 人工髋关节置换术

很长时间以来，医学界一直致力于研究治疗髋关节疾病的有效方法。众所周

知，很多关节病患者需要用外科手术来缓解疼痛和恢复关节的正常运动。起初用

于治疗髋关节病有关节固定术、截骨术、神经切除术和关节清理术，这些手术的目

的是通过去除关节刺、钙质沉积和不规则的软骨来使关节表面平滑。其间，相关研

究表明某些材料可以用于重塑髋关节，甚至可用来进行髋关节置换，但用肌肉、

脂肪、猪膀胱、黄金、镁和锌等材料做的试验的都失败了，当时研究者们还没有找

到一种置于髋关节的材料，既能与人体生物特性相适应，又能承受巨大的压力，

即良好的生物相容性与力学相容性。

1925 年，Smith-Peterson 把玻璃修补受损的股骨头来使其表面平滑利于运动，

后来证明玻璃具有良好的生物相容性，但脆性大，无法承受髋关节在步行中产生

的巨大压力；接着其对包括不锈钢和塑料在内的各种材料进行了试验，效果不大

1939 年，Wiles 设计了全金属的全髋关节，治疗了 6例病人，被认为是现代全髋

关节置换的先驱[4]。19 世纪 50 年代，Thompson and Moore 置换股骨头用于一些髋

关节疾病，这种髋关节置换是半髋关节置换，只置换股骨头而不置换髋臼（如图

1-3）。半髋置换如今仍然大量用于股骨近端骨折，但大量手术患者因为松动出现

痛感。

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摘要：

人工髋关节模拟试验机的研究摘要人工髋关节的研制、开发是一门跨领域的交叉学科，涉及到材料学、力学、生物学、成型技术和医疗等多门学科的知识。由于直接关系到置换后人工髋关节在人体内的使用质量和临床寿命，人工髋关节生物摩擦学特性的研究成为大家关注的焦点。为研究人工髋关节在人体内的运动特性，准确揭示其摩擦、磨损规律，人们在髋关节模拟试验机的研制方面给予了极大关注。本文首先介绍了人工髋关节置换术的发展和各种人工髋关节材料的性能以及典型应用。总结了髋关节假体摩擦磨损试验方法和人工髋关节模拟试验机的研究现状。分析了人工髋关节模拟试验机的特点，并探讨了模拟试验机的发展方向。研究设计了一种新型的髋关节模拟试验机的...

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