【文章內容簡介】 ameter of 50mm, the maximum torque is obtained, whereby the electrical power can be determined in order to calculate the minimum shaft. Primary shaft according to the minimum size of each part. Confirmed by their safety check to ensure the normal operation of testing machine. When the motor is running through the coupling driven spindle, thus boosting the fixed eccentric shaft of the spindle rotation specimen holder mounted on the pendulum and pendulum shaft axis along the central axis of rotation Rao. Ball joints so that the bracket base of the specimen head and acetabulum ball joints friction between the test piece, so as to achieve the purpose of testing. In which the specimen by the acetabular cement fixation of acetabular seat, shock load provided by a hydraulic cylinder acting on the selfcentering shaft bracket through the final act on the acetabular articular ball head, coupled with the specimen ball joint seat around the centerline of rotation. Such simulate the human body to achieve the actual movement of the hip joint, to produce the friction mechanism, wear phasor form consistent with the actual conditions of use in order to achieve the purpose of the design of the test machine. Keywords: joint test machine。 simulation test。 human hip joint。 friction mechanism 1 緒論 研究 背景 隨著人類社會步入高齡化階段，各種與高齡有關的關節(jié)疾病，如大腿骨骨折、關節(jié)炎等病癥，將會大量發(fā)生，因此對人工關節(jié)的需求也會日益增加。目前，全球已有約 3000 萬人植入了人工關節(jié)，每年 的置換量約為 200 萬例，僅在美國，每年大約有 50 萬人進行關節(jié)置換手術。針對全球的這一情況，聯(lián)合國世界衛(wèi)生組織將 21 世紀第一個十年定為“骨和關節(jié)十年”。關節(jié)疾病同樣是中國人群中的高發(fā)病率病種。 據(jù)統(tǒng)計，在 20xx 年 ， 我國 進行人工關節(jié)置換的患者約有 220 萬例。 [1]目前要求人工髖關節(jié)在人體內工作 30 年或更長時間， [2]于是新的問題出現(xiàn)了。如同 Mallory 所言：“所有的人工髖關節(jié)最終都會失敗，這是一個患者壽命與假體壽命的賽跑?！?[3]因此，研制 生物力學相容性 的 人工關節(jié)置換技術，提高置換關節(jié)的 機械 性能，延長 使用壽命，具有現(xiàn)實而深遠的意義。 目前 關節(jié) 的修復 方法主要有兩種 ，一是通過人 體 自身的生物機能進行骨骼的再生或植入帶有 生物化 的小塊異種骨誘導骨生長。這類方法效果好，但時間長，見效慢，且 只適合于小塊缺損骨的修復。另一種方法是用人造生物材料（金屬、 高分子材料 、陶瓷等） 進行植入置換 ， 替代病變部位關節(jié)，該方法已得到廣泛應用，并且非常成熟，已成為一項常規(guī)外科手術 。 1963 年英國曼徹斯特人 John Charnley 首先報道全髖關節(jié)置換手術治療類風濕性髖關節(jié)骨性關節(jié)炎。他利用不銹鋼制作 直徑的股 骨頭，以聚四氟乙烯（ PTFE）制作髖臼，用聚甲基丙烯酸（骨水泥）固定，形成 Charnley 型低摩擦全髖關節(jié)假體，奠定了現(xiàn)代人工關節(jié)置換術的基礎。 [4]自此以后，人 工關節(jié)置換技術發(fā)展迅速，日益成為治療關節(jié)傷痛、重建關節(jié)功能的重要手段。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界每年因各種疾病需要更換關節(jié)的人數(shù)高達 4000 萬 ~6000 萬人， [5]僅全髖關節(jié)置換就達 80 萬例。 自從第一例低磨損人工髖關節(jié)運用于臨床實際以來，人工關節(jié)置換技術迅速發(fā)展。醫(yī)學實踐表明，關節(jié)材料性能及其生物摩擦學特性對于關節(jié)使用質量及臨床壽命起著決定性 的作用。因此，人們在這方面開展了大量的研究工作。這為提高人工關節(jié)置換手術的成功率、延長置換關節(jié)的使用年限提供了強有力的理論支持和技術保障。從臨床醫(yī)學來看，人工關節(jié)作為一種植入器官，其制作材料一般應滿足以下幾點要求： ①、生物相容性好。要求人工關節(jié)材料和人體組織接觸后，在材料－組織界面發(fā)生一系列相互作用后最終被人體組織所接受，且材料對人體的正常生理功能無不良影響，無毒，無排異反應； ②、生物力學相容性好。植入材料和所處部位的生物組織彈性形變特性要相匹配，在負載情況下，人工關節(jié)假體與其接觸的組織所發(fā)生的形變要彼 此協(xié)調； ③、生物結合性能好。要求人工關節(jié)材料與周圍骨組織結合良好，使用過程中不發(fā)生相對移動和下沉； ④、材料要具有一定的可降解性，可以逐漸被人體再生骨組織所替代； ⑤、優(yōu)良的生物摩擦學性能。要求材料的摩擦系數(shù)低，耐磨損能力強，磨損顆粒生成率低，以保證置換關節(jié)有較長的臨床壽命； ⑥、良好的耐腐蝕、耐疲勞性能。要求植入假體在體內所發(fā)生的組織反應不引起材料的劣化，反復承受交變應力不會引起材料的破損。 迄今為止，植入人工關節(jié)的替代材料，主要是高分子材料（如 UHMWPE）、陶瓷、金屬材料（如不銹鋼，鈷鉻合金，鈦及其 合金等）。研究表明，鈦合金、 UHMWPE(超高分子聚乙烯 )、骨水泥等置換材料經(jīng)生物摩擦磨損的產(chǎn)物 — 磨屑，直接引起置換關節(jié)晚期松動，是導致關節(jié)置換失敗的重要原因之一。磨屑對關節(jié)置換的影響，促使人們尋求生物摩擦磨損性能更優(yōu)異的人工關節(jié)置換材料，或對材料表面進行表面改性，以達到提高材料耐磨性的目的。研究人員在這方面開展了大量的研究工作。這為提高人工關節(jié)置換手術的成功率、延長置換關節(jié)的使用年限提供了強有力的理論支持和技術保障，因此關節(jié)材料的耐磨性評價方法及設備至關重要。 本課題屬于自擬課題，是通過平面銷 /盤式變向摩 擦試驗機和自行研制的空間交叉復合運動的球臼型人工髖關節(jié)摩擦磨損試驗機對人工關節(jié)材料進行摩擦磨損試驗，通過實驗數(shù)據(jù)分析人工關節(jié)材料的摩擦磨損性能，這對于提高人工關節(jié)的使用質量，延長其臨床壽命和減輕患者痛苦具有重要的現(xiàn)實意義。 人工髖關節(jié)摩擦磨損試驗機的研究現(xiàn)狀 在 20 世紀 60 年代，美國潤滑工程師學會列出了超過 200 多種類型在用的磨損試驗機或設備。最近，多軸磨損試驗機的應用，提供了更好模擬人體內的活動類型，這對于研究生物材料磨損具有特殊的意義。一般而言，實驗室用的磨損試驗機主要分為兩類： （ 1）磨損測試 試驗機 如圖 11 所示， 是人工關節(jié)摩擦學常規(guī)試驗設備，以滑動接觸方式進行摩擦磨損試驗，通過圓盤與加工成銷狀的試驗樣品之間所形成的相對運動來研究材料的摩擦性能和滑液的潤滑性能。 它們專門提供所研究材料的固有特性的信息，其測試過程很快。但是該試驗機不能準確的反映測試生物材料的幾何特性，而其幾何特性影響接觸面的潤滑和接觸應力。因此它只能近似的再現(xiàn)假體材料在人體內相同磨損機制，但是使用的是較簡化的模型而不是仿人體關節(jié)假體。因此，由于在試驗中忽略了材料形態(tài)方面的區(qū)別，該試驗機對移植關節(jié)的磨損率測試不夠準確。 [7] 圖 11 一些常見的沒順測試試驗機 （ 2）關節(jié)磨損試驗機 該試驗機 主要是依靠基座與斜面底座之間的相對運動來模擬髖關節(jié)在三個不同平面的擺動動作 ， 是對真實假肢在模擬生理環(huán)境中的特性進行測試。如圖 12所示，即所謂的髖關節(jié)模擬試驗機，髖關節(jié)模擬試驗機可以預測磨損經(jīng)過，通過測試人體磨損模式，研究假體材料的臨床性能。 [8]該試驗機基本上能夠模擬實際環(huán)境下人體髖關節(jié)的運動情況，能夠準確地測試人工髖關節(jié)的摩擦磨損性能，對人工髖關節(jié)的選材和人工髖關節(jié)置換術有著重要的意義。 赫爾辛基技術大學研 制的關節(jié)磨損試驗機 HUTBRM hipjoint simulator 試驗機如圖 12a)所示。 [9]在 HUTBRM實驗機中，由于條件的限制，設計者省略了在橫截面上的運動，而合成運動對于磨損量、磨粒形狀的形成、模擬步態(tài)的形態(tài)和摩擦因子的大小是十分關鍵的因素。 [10] 中國礦業(yè)大學摩擦學與可靠性工程研究所設計并制造的人工髖關節(jié)模擬試驗機如 圖 12 b)所示，該試驗機按結構和運動原理也屬于擺軸型試驗機。 a） HUTBRM 髖關節(jié)試驗機 b）人工髖關節(jié)模擬試驗及 圖 12 關節(jié)磨損試驗機 本課題的目的及意義 本試驗機 屬于關節(jié)磨損試驗機， 是對人工髖關節(jié)在模擬人體真實運動環(huán)境中的特性進行測試。 設計 該機械設計時考慮的主要因素是使其在實驗室環(huán)境中能夠正確模擬人體髖關節(jié)的實際運動工況，使安裝在臼杯座中的髖臼試件與關節(jié)頭試件間呈現(xiàn)交叉狀、多方向復合運動，以使試件在試驗過程中產(chǎn)生的摩擦機理、磨損形式與實際使用條件下相一致，從而可以準確、可靠地測試人工關節(jié)材料的生物摩擦學特性參數(shù)，為臨床應用提供指導性試驗數(shù)據(jù)。 2 設計 方案 髖關節(jié)結構及運動分析 人體髖關節(jié)結構 髖關節(jié)位于人體中部，是人體中最重要的關節(jié)之一。圖 21 給出人體髖關節(jié)的結構簡圖。 圖 21 人體髖關節(jié) 股骨上部大轉子與髖骨相支承，承受了人體的大部分重量及人體活動時的大部分載荷。當股骨上部發(fā)生創(chuàng)傷時，在臨床骨科醫(yī)學上，常常采用植入人工髖關節(jié)來代替原先破損的髖關節(jié)，以達到支撐點的目的。圖 22 示出了人工髖關節(jié)的實物照片。與天然髖關節(jié)相對應，人工關節(jié)也分為股骨球頭和關節(jié)臼窩。為完成人體必需的運動及加工工藝的需要，人工關節(jié)聯(lián)接部分做成凸球－凹球形式。臨床 上常用球頭半徑為 、 25mm、 26mm、 28mm、 32mm、 38mm、 42mm 等 。 圖 22 人工髖關節(jié)照片 人工關節(jié)在體內的固定方式分為兩種：骨水泥固定和非骨水泥固定。骨水泥固定時利用甲基丙烯酸甲酯 (骨水泥 )將人工假體與自然骨粘結固化后達到固定目的。非骨水泥固定技術是通過改進假體外形尺寸使之緊密嵌入髓腔或在假體外殼表面上制造出多孔結構，以使宿主骨能夠長入金屬外殼面從而達到生物學固定的目的。人工關節(jié)植入體內后，承擔原人體髖關節(jié)的功能，其運動方式與人體自然髖關節(jié)基本一致。 髖關節(jié)運動特性分析 由于人體下肢運動的多樣性（走、跑、跳等），使得髖關節(jié)的運動呈現(xiàn)出很強的復雜性。股骨頭根據(jù)運動需要，可在髖臼中圍繞其球心向任何方向轉動。因此，僅就人體運動的不確定性而言，髖關節(jié)的運動軌跡是不可能用常規(guī)數(shù)學方法表達的?？紤]到關節(jié)置換病人的特殊性，此處僅討論人體正常行走時股骨頭在髖臼中的運動軌跡。、 等的研究結果表明，人體正常行走時，髖關節(jié)在一個步態(tài)中的主要運動角度變化如圖 22 所示。 FE 角 （ Flexionextension）的變 化幅度為 0～46176。， AA 角（ Abductionadduction）和 IER 角（ Internalexternal rotation）的變化幅度同為 0～ 12176。 FE 角和 AA 角的相位相差π /2。在足跟離地前 時，關節(jié)彎曲度達到最大；腳尖離地前 時關節(jié)拉伸度達到最（ T 為步態(tài)周期，單位：秒）。、 等根據(jù)圖 23 所示運動曲線，利用計算機模擬技術對髖關節(jié)摩擦面上隨機選取點的運動軌跡進行了相應計算，其結果如圖 24 所示。可以看出，這些點的運 動軌跡很不規(guī)則，大致上呈橢圓形，且軌跡形狀隨選取點在球體上位置的不同而有所變化。這一結果表明，天然髖關節(jié)間的相對運動 為交叉狀、多方向性復合轉動摩擦 。 圖 23 人體步態(tài)運動波形圖 圖 24 選取點的運動軌跡圖 方案的提出 關節(jié)頭試件由夾具夾持固定于試驗機主軸上。試驗時載荷的施加由加載油缸完成。向加載油缸的上腔輸入壓力油，活塞桿將向下移動，并通過花鍵軸帶動關節(jié)頭試件壓向臼杯試件。利用液壓系統(tǒng)調節(jié)液壓油的壓強，可滿足試驗時不同載荷要求。臼杯座中可安裝不同規(guī)格（ φ 20mm～φ 50mm）的髖臼試件，并通過組合軸承 部件固定在支撐斜板上。裝配有臼杯座的軸即可以圍繞其軸線自由轉動。 支撐斜板在電機驅動下作勻速旋轉運動，防轉桿受到試驗機立柱的阻擋產(chǎn)生反方向阻力，通過軸承固定于支撐斜板上的臼杯座在合力作用下一邊繞試驗機主軸旋轉，一邊往復擺動。安裝在臼杯座中的髖臼試件與關節(jié)頭試件間呈現(xiàn)交