PL B1. INSTYTUT OBRÓBKI PLASTYCZNEJ, Poznań, PL BUP 22/15

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. A61F 2/76 ( ) A61F 2/32 ( ) G01N 3/32 ( ) (54) Sposób testowania protez stawu biodrowego oraz tester realizujący ten sposób (73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT OBRÓBKI PLASTYCZNEJ, Poznań, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 22/15 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 12/16 (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

2 2 PL 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. Stosowany jest w technice medycznej na etapie projektowania, badań wytrzymałościowych i trybologicznych endoprotez. Tester przedstawiony w polskim opisie patentowym nr zawiera uchwyt komponentu ruchomego endoprotezy, połączony z korpusem symulatora za pośrednictwem zespołu obciążania pionowego i zespołu wychylania nawrotnego. Poniżej usytuowany jest uchwyt komponentu nieruchomego, połączony z pojemnikiem cieczy o właściwościach zbliżonych do cieczy fizjologicznej. Odtworzenie naturalnego ruchu i zmienność obciążenia realizowane są na drodze mechanicznej, napędami krzywkowo-dźwigniowymi. Zmiana parametrów pracy wymaga wymiany krzywek, parametry pracy są stałe, wynikające z zamontowanego zestawu krzywek. Niemożliwą jest ciągła regulacja i dowolne kształtowanie również w zakresie elementarnego wychylenia takich parametrów jak: kąt zginania, szybkość ruchu, przerwy w ruchu, zmiana płaszczyzny zginania, wielkości i szybkości narastania nacisku. Tester przedstawiony w polskim opisie patentowym nr ma zespół obciążenia pionowego, 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 prostopadłą do płaszczyzny kierunku ruchu. Rama obciążająca sztywno połączona jest z wahaczem zawieszonym na przegubach, o osi usytuowanej w płaszczyźnie poziomej, przechodzącej przez oś wychylania endoprotezy i do niej równoległej. Zespół nawrotnego ruchu wychylania tworzą: osadzona w łożyskach ramy obciążającej kołyska oraz tłokowy siłownik hydrauliczny zamocowany przez przeguby między kołyską i wahaczem. Istnieje rozwiązanie, przedstawione w zgłoszeniu patentowym P , które charakteryzuje się tym, że zespół symulacji ruchu stanowi silnik, połączony przez przekładnię oraz sprzęgło przeciążeniowe i momentomierz z osadzonym na wale wahaczem, mającym oprawę do osadzania główki protezy, przy czym proteza zamocowana jest pojemniku z płynem o właściwościach płynu fizjologicznego, natomiast pojemnik, stanowiący element zespołu obciążającego protezę, osadzony jest suwliwie 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 przeciążeniowe. Przedstawione rozwiązania dotyczą badania protez stawu biodrowego w warunkach odbiegających od wymagań normy europejskiej ISO :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 kinematyczne, 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 ustrojowego, 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. Korzystnym jest, gdy czasza protezy obracana jest i dociskana do kulistej końcówki protezy poprzez przegub, eliminujący występowanie poprzecznych sił w badanym połączeniu. Sposób ten realizowany jest w testerze według wynalazku, mającym pojemnik z mocowaniem dla trzpienia z osadzoną na nim końcówką kulistą protezy, którego istota polega na tym, że napęd realizowany jest trzema, wzajemnie synchronizowanymi serwonapędami, poprzez przekładnię pasową

3 PL B1 3 i przekładnię z zębatymi kołami stożkowymi, poruszającymi przez cięgna oraz mechanizmy mimośrodowe osiami obrotu protezy. Mimośrody napędzające cięgna są tak dobrane, by realizowały wychylenia zgodne z kątami podanymi w normie ISO :2012(E), a ich największe wychylenia są względem siebie przesunięte 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 biodrowego zgodne z normą ISO :2012(E), przy jednoczesnym pomiarze wszystkich podstawowych 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 oprawy 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 widełkowej 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 serwonapędu 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, zaciśniętym na tulei wielowypustowej 26, łożyskowanej w korpusie testera 8 i obracającej wałem wielowypustowym 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 mechanizmem 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. Czasza 33 wykonuje wahadłowy ruch obrotowy wokół osi pionowej i jest dociskana pulsacyjnie do końcówki 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 napędowych. Wyposażenie testera w siłomierze 16, 24 i 35, tensometry naklejone na wale 6 oraz niepokazane na rysunkach termopary, pozwala na rejestrację podczas testów sił, momentów obrotowych i temperatury procesu.

4 4 PL B1 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 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 (4) 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. 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.

5 PL B1 5 Rysunki

6 6 PL B1

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)