人工髋关节模拟试验机的研究

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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、
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
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
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
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。
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
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
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
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
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/
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
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
I
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
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
............................................................................................41
§4. 4. 2 LabVIEW
程序设计
....................................................................................43
§4.4 本章小结..............................................................................................................44
文总结...........................................................................................................45
...........................................................................................................................46
参考文献.........................................................................................................................53
第一章 绪论
第一章 绪论
§1.1 研究背景
球人口面龄化趋势,加战争等原因导量人
病变和损腿骨骨折关节病症患者日益增多。关节有效治疗成为
医学界重视的研究内容,特近年来髋关节病变股骨头坏死30
年轻人中多发轻者行动不便重者则丧力,
“癌症”。人工关节是科领域在十世纪取要进使
依赖拐杖走甚至残疾的关节病患者实现行走自如梦想
本为1993 10.879 件,1997
17.09 件,形外科用植入市场年增长率 7%~8%国人多,
且部活条关节疾病率高经济国家,是
人工关节市场之部门报[1]前仅肢患者就达
1500 人,其残疾约 780 人,骨缺损和伤患者近 300 人,且
社会老龄这一数字趋势研制人工关节
相应的人工关节置换技术,提高置换关节的使用寿命,是一项十迫切任务
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
期的研究工作证明人工关节磨损时产生的磨损颗粒置换关节无菌
直接关系[2]因此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擦学
设计(包括基于生物力学的关节摩擦究、假体摩擦
行为研究和关节材料磨成机理及),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一。 1-1 为人体髋关节的结
图。
1
人工髋关节模拟试验机的研究
1-1 人体髋关节结构示[2]
解剖表明,髋关节可以股骨为中无数动。为了
负重下运动这个基时又具备要的稳定,结构上呈杵
关节。及其临结构可分为前柱柱两个部分:前柱即髂耻柱)由髂嵴
上方内下方,经耻骨支止耻骨联合,分髂骨部、部、耻骨部三
即髂坐柱)由切迹至坐结节,包部分
坐骨上方的髂骨面由坐骨体内的四域构成,四方臼前
两柱呈 60°相交,形成一形结构,两柱之间,是髋的主要
称臼顶又称负重顶约占 2/5,由髂骨下部构成,坚强臼呈
球形凹,直径约 35mm肢股骨头相关节。臼边缘的关节盂唇可使髋
,并使小,使髋包容股骨头的一以上[2]在髋臼表面上
层约厚 2mm 透明呈半月形分于髋后、成中固态
20%40%物质中纤维约占 60%
40%,软骨细胞占 2%。关节软的这种多相结构使得它在载荷粘弹
应,在外界力作用下发应力从而关节免受冲击。髋
关节覆盖臼窝佛森腺充节内被挤出或,从
维持关节力的。髋关节大的这使
关节稳定性较
关节面的动形式分,髋关节节中的球关节
三个直的运动,能作屈、伸、收、展和旋等各种运动,1-2,而且还
载人体大部分体,其要性是相[3]般说正常人的髋关
2
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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