Zespół
Janusz Magda, Tomasz Wiśniewski, Adrian Mróz, Mariusz Janczak

Istota wynalazku

Sposób testowania stawu biodrowego i tester, przeznaczony do symulacji ruchów i obciążeń występujących w stawie biodrowym człowieka, odtwarza warunki kinematyczne, dynamiczne i biochemiczne zbliżone do występujących w organizmie ludzkim, poprzez cykliczne zmiany kąta oddziaływania sił i częstotliwość ich oddziaływania. Stosowany jest w technice medycznej na etapie projektowania, badań wytrzymałościowych i trybologicznych endoprotez. Pozwala na testowanie protez stawu biodrowego zgodne z normą ISO 14242-1:2012(E), przy jednoczesnym pomiarze i rejestracji podstawowych sił i momentów działających na badaną protezę w trakcie jej zużywania. Protezy stawu biodrowego umieszczone w testerze z pojemnikiem zalanym cieczą zbliżoną do płynu ustrojowego człowiek, poddaje się obciążeniom, podczas ruchu cyklicznie symulującego naturalne ruchy i obciążenia kończyny. Wyposażenie testera w siłomierze, tensometry i termopary pozwala na rejestrację sił, momentów obrotowych i temperatury procesu.

Na wale połączonym z korpusem widełkowej oprawy zaciśnięto zabierak, wahadłowo napędzany przez cięgno z siłomierzem, od mimośrodu, połączonego ze stożkowym kołem zębatym, łożyskowanym w skrzynce. Stożkowe koło zębate zazębione jest ze stożkowym kołem zębatym, zamocowanym na wale łożyskowanym w górnej części skrzynki i napędzanym od serwonapędu. Na wale między łożyskowaniem a stożkowym kołem zębatym wykonano mimośród, na którym umieszczono cięgno poruszające wahadłowo, poprzez siłomierz, zabierakiem zaciśniętym na tulei wielowypustowej, łożyskowanej w korpusie testera i obracającej wałem wielowypustowym.

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 przesunięte w ten sposób, by maksimum wychylenia obrotu czaszy przypadało w połowie czasu cyklu, zaś maksymalne wychylenie korpusu widełkowej oprawy na początku cyklu.
Wał napędowy wahacza ma zamocowane tensometry mierzące naprężenia w tym wale i jego moment obrotowy. Pod każdym cięgnem usytuowany jest siłomierz mierzący siły występujące w tych cięgnach. Pod popychaczem umieszczony jest siłomierz mierzący siły występujące podczas obciążania protezy.

W pojemniku z cieczą umieszczono termopary, mierzące temperaturę, w której odbywają się testy.

Innowacyjny sposób testowania stawu biodrowego, polega na tym, że czasza 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 od -10° do +2° podczas cyklicznego obciążania w kierunku góra - dół. Natomiast końcówka kulista protezy waha się względem osi poziomej w granicach od 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.

Proces przebiega najkorzystniej wówczas, gdy czasza obracana jest i dociskana do kulistej końcówki protezy poprzez trzpień, eliminujący występowanie poprzecznych sił w badanym połączeniu.

Nowatorski tester stawu biodrowego, charakteryzuje się tym, że napęd realizowany jest trzema, wzajemnie synchronizowanymi serwonapędami poprzez przekładnię pasową i przekładnię z zębatymi kołami stożkowymi, poruszającymi przez cięgna oraz mechanizmy mimośrodowe osiami obrotu protezy.

Potencjał komercjalizacji

Zastosowanie: w technice medycznej na etapie projektowania endoprotez oraz prowadzenia badań wytrzymałościowych i tribologicznych.