Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Система «аппарат внешней фиксации - сегмент конечности» как объект приборного исследования 12
1.1. Биомеханические особенности работы аппарата Илизарова 14
1.2. Измерение перемещений и усилий в конечности, нагружаемой аппаратом 19
1.3. Компьютеризация аппаратов внешней фиксации -направление развития техники 24
1.4. Пути построения аппаратно-программного комплекса (АПК). Цели и задачи исследований 27
Глава 2. Критерии и принципы построения аппаратной части АПК 30
2.1. Концепция построения производных БМПН на основе измеренных усилий и перемещений 30
2.2. Анализ условий корректного измерения усилий и перемещений на аппарате 42
2.3. Конструктивно-технологические требования к аппарату и датчикам. Примеры практического исполнения 53
2.4. Измерительная система АПК 62
Глава 3. Основные программные компоненты АПК CTS и принципы их построения 67
3.1. Структура и состав программного обеспечения CTS 67
3.2. Организация подготовки данных 70
3.2.1. Анкета «Пациент» 70
3.2.2. Анкета «Аппарат» 72
3.2.3. Анкета описания взаимного положения костных фрагментов и аппарата 75
3.3. Организация «Информационного монитора» 78
3.3.1. Типовой сеанс нагружения конечности 79
3.3.2. Тестовые диагностические процедуры 82
3.3.3. Архивация результатов нагружения 83
3.4. Математическая интерпретация процессов нагружения конечности аппаратом 85
3.4.1. Соотношение между усилиями и перемещениями на датчиках и гайках управления 86
3.4.2. Взаимное смещение костных фрагментов в процессе перемещения оппозитных блоков колец аппарата 90
3.4.3. Учет деформаций элементов аппарата 92
3.4.4. Оценка текущей жесткости регенерата 97
Глава 4. Разработка приемов аттестации пользовательских функций АПК и пути обеспечения метрологической надежности 100
4.1. Выбор аттестационных параметров АПК и технических средств аттестации в лабораторных условиях 100
4.2. Основные критерии обеспечения надежности работы датчиков 107
4.3. Аппаратно-программные приемы обеспечения метрологической надежности АПК 110
Заключение 113
Библиографический список использованной литературы 115
Приложения 122
- Измерение перемещений и усилий в конечности, нагружаемой аппаратом
- Анализ условий корректного измерения усилий и перемещений на аппарате
- Анкета описания взаимного положения костных фрагментов и аппарата
- Основные критерии обеспечения надежности работы датчиков
Введение к работе
Актуальность темы. Биологическая костная ткань обладает замечательным свойством (называемым остеогенез) восстановления массива кости при его разрушении (разделении) или даже удлинения первоначального размера любого сегмента конечности, что используется в реконструктивной ортопедии для лечения переломов, исправления деформаций и удлинения конечностей.
Соединенные после разрушения части костного сегмента образуют в зоне контакта мягкую прослойку - регенерат, жесткость которого в статическом состоянии изменяется во времени практически от нуля и до уровня жесткости здоровой кости (рис. 1, кривая 1). Базируясь на многочисленных публикациях по вопросу консолидации костных фрагментов, можно представить модель этого процесса в виде изменения жесткости Е зоны консолидации (рис. 1).
0 tj t2 t3
Рис. 1. Жесткость кости:
Ек — жесткость здоровой кости; ЕгЕз - жесткость регенерата в моменты времени trt3; t]-ti - моменты начала дистракции ; 1 - жесткость в статическом состоянии; 2-4 - жесткость при дистракции.
Если в какой-то момент времени t], t2, ... начать принудительное растяжение (дистракцию) регенерата с текущей жесткостью Е], то, в зависимости от темпа дистракции, жесткость может изменяться в соответствии с кривыми 2, 3, 4 и т.д. Причем t ее поведение будет зависеть как от момента начала дистракции, так и от индивидуальных физиологических особенностей пациента.
Таким образом, чтобы добиться, например, нужного удлинения конечности, избежав либо незаплани- рованно раннюю консолидацию при недостаточном темпе дистрак- ции, либо разрыв зоны стыка при чрезмерном темпе, необходимо контролировать текущую жесткость регенерата и функцию ее роста.
Отсюда вытекает необходимость контроля усилий и взаимных перемещений костных фрагментов как параметров жесткости, в то время как современные клинические технологии внешнего аппаратного управления процессом остеогенеза (называемые внеочаговым остеосинтезом) контролируют лишь величину взаимного смещения фрагментов, и, в связи с этим, не только не имеют средств оптимизации процесса, но и очень часто создают серьезные и неразрешимые проблемы реконструкции конечности.
Другая проблема вызвана трудностями качественной коррекции положения костных фрагментов в процессе остеогенеза в связи с несовершенством аппаратов внешней фиксации.
В настоящее время развитие аппаратов для лечения переломов и реконструкции конечностей, главным образом, направлено на совершенствование конструктивных форм и функций механической части аппаратов. Это легко просматривается из каталогов таких известных фирм - производителей медицинской техники, как ZIMMER, FIXANO, SMITH&NEPHEW ORTHOPAEDICS и др.
Работа травматологов-ортопедов с этими устройствами базируется на высокой квалификации, опыте или даже интуиции, которые можно получить лишь в результате длительной практики. И даже у опытных специалистов нередко встречаются ошибки, приводящие к неточной репозиции и коррекции положения фрагментов кости, появлению ложных суставов и т.д. Восстановить природную геометрию (т.е. математически точно) и работоспособность конечности при лечении с помощью существующего оборудования шансов весьма мало.
Выходом из создавшегося положения может быть существенное упрощение работы с существующими аппаратами, базирующееся на качественном переходе от субъективного управления аппаратом к объективному анализу и принятию решений на основе измеренной информации, отражающей процесс лечения.
Наиболее перспективным аппаратом для оборудования измерительными средствами является аппарат внешней фиксации кольцевого типа, широко известный как аппарат Илизарова. Индивидуализация лечения методом Илизарова требует контроля усилий компрессии (сжатия) и дистракции параллельно с контролем смещения костных фрагментов, зафиксированных в аппарате. Управление аппаратом Илизарова сопряжено с решением задач пространственной геометрии, что целесообразно передать в функции компьютера.
Немногочисленные работы исследователей по созданию устройств для измерения усилий компрессии и дистракции, к сожалению, не трансформировались из стадии научных интересов в законченные системы для конвенционального использования. Главная причина такого положения - недостаточность методологических, технических и конструктивных проработок.
Таким образом, весьма актуальными являются исследования по широкому кругу вопросов, связанных с оснащением конвенциональных аппаратов внешней фиксации измерительно-вычислительными средствами и адаптации измеренных и производных расчетных величин к принятым в рутинной практике врача информационным массивам.
Решение этих вопросов составляет основу для создания инструмента нового класса - аппаратно-программного комплекса (АПК), предоставляющего ортопеду-травматологу достаточный для объективного метода лечения объем сведений о состоянии системы аппарат-конечность.
Цель работы - создание методико-конструктивной базы для перехода от субъективной однопараметрической технологии внеоча-гового остеосинтеза к объективной двухпараметрической и построения нового класса аппаратов внешней фиксации со средствами авто-
7 матизированного контроля параметров нагружения конечности.
Задачи исследования:
По результатам анализа биомеханического состояния зоны регенерата в процессе остеогенеза сформировать условия, необходимые для оптимального его течения, и требования к медицинскому устройству для решения задачи оптимального лечения.
На базе исследования кинематики типового аппарата Илизарова установить причины грубых ошибок измерения усилий нагружения конечности различными исследователями.
Для рутинных работ в клинических условиях определить условия корректных измерений усилий и перемещений костных фрагментов, зафиксированных в аппарате Илизарова.
Разработать конструктивный пример датчика усилий и датчика перемещений для их адаптации на модифицированном аппарате Илизарова.
Разработать конструктивный пример (макет) модификации типового аппарата Илизарова, оборудованного системой измерительных средств.
Разработать (выделить) комплект вторичной (т.е. производной от измеренной) информации, наиболее полно отражающей биомеханическое состояние конечности и аппарата.
Создать программный интерфейс визуализации и управления процессом лечения, специализированный для области применения и удовлетворяющий сложившимся требованиям врачей-ортопедов.
Методы исследований. В экспериментальной части работы использовались методы измерения деформаций тензометрическими приборами и методы измерения перемещений электромеханическими приборами.
В теоретической части работы использовался метод Мора для расчетов паразитных деформаций спиц и колец аппарата, итерационные методы решения уравнений, а также метод конечных элементов для оптимизации геометрии силового элемента датчика усилий.
Достоверность результатов
Оценка достоверности расчетных параметров нагружения была проведена на специализированном стенде, дублирующем работу датчиков усилий и расстояний и имеющем независимые измерения соответствующих параметров. Таким образом, значения БМПН, отображаемые монитором CTS сравнивались с показаниями для соответствующих параметров независимой технической экспертизы.
Научная новизна работы
1.В результате анализа биомеханического процесса консолидации костных фрагментов показано, что для управления процессом остеогенеза с целью оптимизации его параметров необходима двухпа-раметрическая технология управления нагружением конечности -по параметру перемещения оппозитных костных фрагментов и по параметру величины осевой нагрузки, вместо традиционного од-нопараметрического - только по параметру перемещения.
2. Предложен комплект биомеханических параметров процесса остеогенеза, производных от измеряемых на аппарате усилий и перемещений взаимных фрагментов, который наиболее полно отражает кинематику системы аппарат-костные фрагменты и текущие биомеханические свойства регенерата. Среди них: осевая и угловая жесткость регенерата, моменты сил на конечности и на аппарате, осевые и угловые смещения костных фрагментов и элементов аппарата и др.
3.Предложены параметры оптимизации остеогенеза, среди которых время релаксации зарядового усилия, изменение текущей жесткости регенерата за единичный период времени, скважность силового режима нагружения.
4. Сделан анализ потенциальных возможностей и ограничений для рутинных измерений на типовом аппарате Илизарова. В результате создан конструктивный пример АПК - система для компрессион-но-дистракционного остеосинтеза CTS [си-ти-эс], способная не только обеспечить прецизионное управление перемещением костных фрагментов, но и представлять оператору аппарата полноценную информацию о процессе в эффективном виде.
Практическая значимость
Результаты анализа условий корректного измерения усилий и перемещений элементов аппарата, разработанные аппаратные средства и алгоритмы расчета вторичных параметров нагружения включены составной частью в CTS. Впервые созданная система для конвенционального клинического применения дает широкому кругу пользователей возможность оптимального лечения переломов и реконструкции конечностей с математически точной коррекцией положения костных фрагментов, в минимальные сроки и с высокой надежностью.
Опыт создания АПК на базе аппаратов внешней фиксации кольцевого типа может быть применим и к аппаратам стержневого типа и к комбинированным аппаратам. В целом открыт путь для создания нового класса устройств в области оперативной травматологии и ортопедии - аппаратно-программных комплексов для лечения патологии скелето-мышечной системы человека и животных.
Реализация результатов работы. CTS была апробирована в госпитале Western Galilee Hospital (г. Нагария, Израиль) в экспериментах с животными. Благодаря измерительным возможностям CTS были уточнены удельные усилия компрессии, приводящие к некрозу костной ткани. Было показано, что остеосинтез в оптимальных режимах существенно сокращает период консолидации костных фрагментов.
На базе Новосибирского НИИ Травматологии и Ортопедии проверялись потенциальные функции CTS для различных условий репа-ративного остеосинтеза. Не вызывает сомнений, что новые эффективные методики и технологии реконструктивной ортопедии могут быть разработаны и внедрены только при использовании систем типа CTS.
На защиту выносятся:
Результаты анализа биомеханических особенностей процесса ос-теогенеза.
Комплект (набор) вторичных, т.е. производных от измеренных усилий и перемещений оппозитных блоков колец аппарата, биомеханических параметров процесса остеогенеза и параметры оптимизации процесса.
Результаты анализа кинематики типового аппарата Илизарова в проекции на возможность корректных измерений усилий и перемещений и пример конструктивного решения - модификации типового аппарата.
Конструктивный пример датчика усилий и датчика перемещений для рутинных измерений в клинической практике.
Структура программного интерфейса визуализации и управления процессом лечения, адаптированного к специфике работы ортопедов.
Апробация работы. Основные положения диссертации опубликованы в 3-х статьях в отечественном журнале «Медицинская техника» (который также издается в США компанией Plenum Publishing Corporation под названием Biomedical Engineering) и апробированы на следующих научных мероприятиях: научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-98), Новосибирск, НГТУ, семинар на кафедре «Системы Сбора и Обработки Данных», НГТУ, Новосибирск, 2000 г.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 123 страницах, иллюстрирована 39 рисунками и состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка использованной литературы.
Автор считает приятным долгом выразить благодарность кандидату физико-математических наук О.А. Джафаровой и кандидату технических наук С.А. Шуцу за научную и организационную поддержку на различных этапах проведенных исследований.
Вместе с тем, автор признателен доктору медицинских наук М.В. Михайловскому за консультационную помощь по медицинским аспектам данной работы.
Измерение перемещений и усилий в конечности, нагружаемой аппаратом
К настоящему времени опубликовано достаточно большое число сообщений о результатах измерений усилий и перемещений костных фрагментов [8-10, 23, 24, 27, 29, 31, 34, 46, 52], зарегистрировано большое число авторских свидетельств и патентов [13-15, 18, 20, 21, 25, 28, 33, 41, 48] на измерительные устройства. Абсолютное большинство этих работ ориентировано на лабораторные исследования с моделями человека и животными или научные исследования с человеком в режиме разовых измерений. Буквально единицы разработок могут условно использоваться в рутинной клинической практике.
Можно указать несколько основных причин такой ситуации: - неготовность практических врачей к использованию сложной измерительно-вычислительной техники в своем ортопедическом инструментарии; - отсутствие удобной и точной для клинического использования измерительной техники, а также методик работы с ней; - недостаточность теоретической базы для создания эффективного пользовательского интерфейса, даже на базе уже имеющихся датчиков. Последнее замечание ярко проявляется на примерах измерения смещения нагруженных костных фрагментов, зафиксированных в аппарате [8, с. 123-136]. Большинство приборов рассчитано на измерение смещения между спицами оппозитных элементов аппарата в непосредственной близости от поверхности конечности, либо прямо щупами, упертыми в кость взаимных фрагментов сегмента. Измеренные таким образом смещения фрагментов дают весьма ограниченную информацию, полезную для научных исследований процессов остеогенеза и др. Получаемая информация о смещениях индивидуализируема не только для конкретного пациента, но и для места установки прибора, т.к. она не привязана к осям выбранной трехосевой системы координат и не разложена по координатам. Кроме того, приборы такого класса и типа измерений весьма проблематично использовать в рутинной работе. Главным измерительным инструментом оценки величины смещений взаимных фрагментов на сегодняшний день являются гайки управления. В этом случае смещение оценивается по количеству оборотов гайки на известном шаге резьбы. При этом не требуются какие-либо приборы и, соответственно, отсутствуют заботы по их обслуживанию. К сожалению, традиционный способ измерений дает очень слабое представление о реальном текущем положении костных фраг 21 ментов, т. к., во-первых, умозрительно весьма трудно решать задачу пространственной геометрии, а, во-вторых, еще труднее при этом оценить деформацию спиц и колец аппарата, которая вносит свою составляющую в итоговую величину смещения костных фрагментов. Это является главной трудностью и источником многочисленных ошибок при коррекции положения костных фрагментов. Наиболее продвинутым в технологическом плане инструментом можно считать аппарат внешней фиксации итальянской фирмы CITIEFFE (рис. 1.4) со встроенным измерительным устройством и последовательным интерфейсом. Это аппарат стержневого типа, в котором традиционно используется базовый механизм в виде стержня с держателями для консольных стержней фиксации костных фрагментов. Аппарат обеспечивает осевые смещения костных фрагментов и угловые, но только в одной плоскости. В теле базы аппарата имеется гнездо для установки конструктивно оформленного датчика усилий тензорезисторного типа и угломера. Измеренная информация поступает через последовательный интерфейс в компьютер, где происходит ее обработка. Прибор может измерять угловую жесткость регенерата как результат от деления момента силы на угол тестового поворота отломков. Следует отметить, что указанный аппарат лишь частично выполняет свое назначение, т. к. по своей конструктивной специфике он может быть установлен на сегменте строго по какому-либо азимуту в плоскости поперечного сечения кости. Угловая жесткость определяется тремя параметрами: вектором максимальной жесткости, перпендикулярным ему вектором минимальной жесткости и азимутом положения векторов этих жесткостей (см. гл. 3). Поэтому измеряемая аппаратом CITIEFFE жесткость имеет относительный характер и не характеризует картины для любого другого случая измерений (другого пациента). Несомненным достоинством аппарата является то, что измерительное устройство монтируется на аппарат автономно с минимальной трудоемкостью, а измеренная информация после обработки предоставляется пользователю в удобном и понятном для него виде.
В отличие от приборов для измерения смещений взаимных фрагментов, приборы для измерения усилия, приложенного к сегменту, могут быть установлены на оппозитных элементах аппарата. Усилия на аппарате точно равны усилиям на конечности в силу уравновешенности внешних сил на аппарате и реактивных усилий в конечности.
Измерения усилий на аппарате в том или ином виде проводились многочисленными исследователями в России [9, 10, 23, 24, 27, 29, 31] и за рубежом [33-39, 42-46, 51, 53]. Большинство технических решений предполагает проведение измерений усилий в межблоковых стержнях [14, с. 147-158]. Физически датчиками являются преимущественно динамометры с индикатором часового типа, тен-зометрические датчики, реже - пьезоэлектрические.
Анализ условий корректного измерения усилий и перемещений на аппарате
Рассмотрим сначала проблемы измерения усилий, причем практический интерес представляет способ измерения, при котором датчики установлены на аппарате, а не на конечности больного, т.к. нас интересует устройство для массового применения, а не только инструмент исследователя. Кроме того, при корректных измерениях усилия на аппарате строго равны усилиям на конечности.
Просматривая периодическую и научную литературу, а также патенты на устройства аппаратов, можно увидеть много предложений [8-10, 13, 23, 24, 27, 29, 33, 34, 53] и даже выполненных исследований по вопросу измерения усилий на аппарате Илизарова.
Абсолютное большинство предложений сводится к тому, что различные по конструкции датчики усилий устанавливаются в разрыв межблоковых стержней. Видимо, стоит более пристально посмотреть на такой путь измерения усилий, чтобы оценить его оптимальность.
С позиций механики аппарата точность измерений здесь может быть обеспечена только в том случае, если суммарные усилия на трех датчиках усилий в точности совпадают с реактивной силой на конечности, которая возникает в результате принудительной деформации конечности при смещении оппозитных блоков аппарата. Другими словами, если действие равно противодействию. Дополнительным условием обеспечения точности измерений является корректная работа измерителей усилий. Последнее замечание является главной проблемой наиболее популярного способа измерения усилий на аппарате Илизарова несмотря на то, что большинство исследований было проведено именно таким способом.
Рассмотрим подробней причины возможных ошибок измерений усилий. Предварительно сделаем акцент на базовые положения в области измерений усилий. 1. Основой многих измерителей усилий является некоторый упругий элемент (пружина), который испытывает некоторую упругую деформацию под воздействием контролируемого усилия. Предметом измерений является величина деформации измерительного элемента. Как правило, еще на стадии проектирования датчика принимается решение, какой конкретно тип деформации элемента датчика будет контролироваться, т.е. какую конкретно нагрузку по направлению и величине будет отображать этот датчик. Затем выбирается тип прибора для отображения измеренной деформации в конкретных единицах. 2. Изготовленный датчик устанавливается в специализированный стенд, который способен создать строго проектную нагрузку по величине и направлению. В процессе ступенчатого нагружения датчика производится его калибровка, т.е. строится зависимость выходного сигнала (деформации) от приложенного усилия. После операции калибровки датчик считается измерительным прибором (или его частью) и может использоваться для исследования объекта испытаний. 3. В режиме измерений датчик реагирует на любой тип нагрузки, приложенной к нему, и отображает величину сложной деформации, обусловленной приложенной нагрузкой. Если тип контролируемой нагрузки соответствует типу нагрузки калибровки датчика, то выходной сигнал на датчике (в любом виде) будет соответствовать данным калибровки и его можно интерпретировать в единицах калибровки. Например, если на рабочем элементе датчика усилий установлены тензорезисторы [22] и калибровка датчика проведена для определения зависимости сопротивления тензорезисторов от осевой нагрузки, то изменение сопротивления тензорезисторов будет соответствовать изменению осевой нагрузки. Если же датчик будет нагружен одновременно силой и моментами сил, то измеряемое сопротивление тензорезисторов нельзя интерпретировать как приращение усилия. Величина ошибки в этом случае будет зависеть от составляющей моментов сил в полной деформации рабочего элемента датчика. С уверенностью можно только сказать, что чувствительность рабочего элемента жесткой пружины к моментам сил, т.е. к изгибной деформации, существенно выше, чем к осевой деформации. Поэтому, даже при незначительных паразитных моментах сил на датчике усилий значение ошибки может составлять сотни и даже тысячи процентов. Теперь можно рассмотреть источники возможных ошибок измерений усилий, связанных с механикой аппарата Илизарова. 1. Заклинивание межблоковых стержней в отверстиях кольца аппарата. Как известно, нагружение аппарата и взаимное смещение костных фрагментов происходит в результате смещения оппозитных блоков аппарата. Операция перемещения блоков производится двумя последовательными действиями: отпускается одна из гаек управления с одной стороны кольца и вращается гайка с другой стороны. Кольцо смещается вдоль стержня благодаря зазору между стенкой отверстия в кольце и стержнем. Обычно диаметр отверстия кольца на 1-1.5 мм больше диаметра стержня. В то же время, в связи с естественным геометрическим несовершенством элементов аппарата, кольцо не в состоянии свободно скользить по стержню и практически всегда это взаимное перемещение происходит с заклиниванием и закусыванием стержня в отверстии кольца, которые преодолеваются некоторым усилием при вращении гайки с помощью гаечного ключа.
Анкета описания взаимного положения костных фрагментов и аппарата
Информация на мониторе ПК для типового сеанса может и должна быть использована в соответствии с технической базой измерений (измеряются ли только усилия как у большинства систем или и усилия и перемещения) и актуальным минимумом информации для пользователя.
Для CTS монитора типового сеанса одновременно предоставляется два блока информации: один блок касается аппарата, а другой -костных фрагментов.
Для аппаратной части прежде всего следует выделить информацию о текущем положении (смещениях) и усилиях на гайках управления. В процессе лечения абсолютно большую часть времени каждый день в течение месяцев больной подкручивает гайки управления в нужном направлении и на заданную величину по заданию лечащего врача. При такой рутинной работе очень велика вероятность ошибки, которая приведет к несанкционированному изменению взаимного положения костных фрагментов. На мониторе CTS текущее положение гаек управления представлено в отдельном окне (рис. 3.8). На графике, ось абсцисс которого изображает развертку рабочего кольца от точки Anterior, а ось ординат показывает одновременно шкалу усилий и расстояний, отмечены положения гаек управления с их реальным размещением на развертке кольца. Смещение любой из контрольных гаек индицируется и отображается на оси ординат вместе с усилием аппарата, выделенным для этой гайки. 1. Создается возможность нагружать конечность не только по параметру перемещений, но и по параметру усилий (см. гл. 2). 2. Создается возможность контроля планового смещения контрольных гаек с организацией визуализированной и звуковой тревоги. 3. Создаются предпосылки для полной автоматизации процесса нагружения аппарата с использованием, например, шаговых минидвигателеи. Отдельное окно на мониторе отражает текущие смещения костных фрагментов. Практически, перемещается только один фрагмент относительно другого, т.к. принято, что костный фрагмент, примыкающий к телу человека, остается неподвижным, а второй - свободный, перемещается при смещении оппозитных блоков колец. Костные фрагменты схематично изображаются на двух проекциях - привычных для практических врачей. Однако, кроме графического отображения процесса смещения костных фрагментов, пользователю представляется в количественном виде смещение концов фрагментов в стыке по осям координат и угол взаимного положения осей фрагментов. Конечно, такая процедура может быть реализована лишь при условии разработки математического аппарата для расчета паразитных деформаций элементов аппарата, т.е. деформаций спиц и колец. Но усилия разработчиков, затраченные на создание методов расчета и математического аппарата для «графики» монитора, могут оказать врачу неоценимую услугу для точного управления процессом перемещения отломков. Дополнительное окно на мониторе типового сеанса нагружения отображает состояние датчиков измерений. Это особенно актуально для датчиков расстояний, т.к. шкала перемещений его составляет только 50 мм, и для измерений больших перемещений оппозитных колец аппарата требуется периодическая коррекция положения тросика дистанциометра. Эта процедура выполняется по специальной команде программы и коррекция тросика учитывается программой обслуживания датчиков. В виде отдельной странички организована база данных активной истории нагружения, что позволяет просматривать графики всех параметров нагружения в любой момент сеанса нагружения. Эта полезная для врачей опция помогает лучше ориентироваться в процессах нагружения конечности. Данные активной истории нагружения не сохраняются в глобальной базе данных по истории нагружения. Последняя сохраняет лишь данные обо всех параметрах нагружения на начало и конец сеанса нагружения. К тестовым диагностическим процедурам относятся специальные функции системы, направленные на получение максимально полезной информации о текущем состоянии объекта исследований. К таким процедурам относятся: - измерение текущей жесткости регенерата; - измерение скорости релаксации усилий зарядового нагружения; - измерение дополнительных нагрузок в стыке костных фрагментов в процессе полного опирання на пол конечности с аппаратом. Каждая из процедур обслуживается отдельной программой, входящей в полный перечень программ блока Operative Loading (Оперативное Нагружение) - программ, работающих в режиме реального времени. Две последние процедуры из трех вышеуказанных отображаются на мониторе в виде графиков - зависимостей нагрузки от времени. И для подготовки к старту требуют лишь процедуры регламентации времени измерений. Измерение текущей жесткости регенерата - более сложная процедура, требующая пошаговых действий оператора при нагружении аппарата. Этот порядок нагружения определен математическим аппаратом, лежащим в основе данной процедуры (см. пп. 3.4). В результате двух последовательных нагружении аппарата определяются три параметра текущей угловой жесткости и строится на мониторе эллипс жесткостей с расчетными значениями величины главной максимальной и главной минимальной жесткости к осям принятой системы координат. Такой подход к оценке угловой жесткости регенерата дает представление о распределении интересующего параметра по всему сечению или, что одно и то же, о величине жесткости на любой образующей «цилиндра» конечности. Следовательно, все многочисленные журнальные статьи о том, по какой образующей цилиндра конечности наиболее целесообразно производить тестовый изгиб при исследовании угловой жесткости, можно считать нецелесообразными и не имеющими смысла. И действительно, с физической точки зрения, угловая жесткость регенерата не может зависеть от технологии испытаний: она является функцией зрелости костной мозоли. Осевая жесткость регенерата определяется отношением величины осевого усилия на единичном осевом смещении костных фрагментов.
Основные критерии обеспечения надежности работы датчиков
Работоспособность АПК CTS в целом во многом зависит от эксплуатационной и метрологической надежности датчиков. Эта часть общей разработки системы должна быть отдельно выделена и тщательно продумана для каждого этапа производства, начиная от выбора соответствующих материалов конструкций и кончая системой паспортизации изготовленных и испытанных датчиков.
Каждый из двух используемых типов датчиков имеет свои особенности изготовления и испытаний, но общим критерием эффективности конструктивно-технологического решения отдельного типа датчика является соотношение стоимость - период безотказной работы. Согласно последнему утверждению и с учетом современных представлений о времени морального износа высокотехнологичной техники, можно принять оптимальный период работы датчиков 4 года. Тогда основным критерием работоспособности датчиков усилий будет эксплуатационное число циклов нагружения (шагов) «106, а для датчиков расстояний число циклов движения измерительного тросика «1.5x106.
Для датчиков усилий наиболее критичным конструктивным элементом является клеевое соединение тензорезистора в рабочей зоне датчика. Даже для удачно выбранной технологии приклеивания тензорезистора и ее тщательном соблюдении необходимы испытания изготовленного датчика циклической нагрузкой. Важно, чтобы эти испытания были проведены таким образом, т.е. с такими параметрами нагружения, чтобы допущенный к эксплуатации датчик усилий имел гарантированную работоспособность при проектной надежности.
Испытательная нагрузка для датчиков усилий, очевидно, может быть принята, исходя из сущности нагружения нижней конечности в аппарате. Рассматривая наихудшие для датчика усилий условия работы, можно принять, что датчик получает предварительное нагружение статической нагрузкой (усилие компрессии или дистракции) и, дополнительно, повторно-переменное нагружение при ходьбе больного с аппаратом. Если планировать срок службы датчика при непрерывной работе 5 лет, то число циклов нагружения за период работы можно принять равным 5x105. Это количество циклов существенно ниже предела выносливости рабочего элемента силовой скобы датчика, который составляет 107-108 циклов [5]. Испытательное напряжение в цикле нагружения для симметричного цикла нагружения можно приближенно принять с учетом эмпирических зависимостей расчета предела выносливости и коэффициента перегрузки кривой Велера [5] для аттестационных испытаний: Коэффициент перегрузки Кп существенно сдвигает нормальную кривую Велера (К], рис. 4.5) в сторону меньших циклов до усталостного разрушения образца. Практически, коэффициент перегрузки Кп должен быть определен экспериментально в каждом отдельном случае, т.е. для отдельно выбранного конструктивного решения датчика усилий и технологии наклейки тензорезисторов. Другим критичным элементом датчика усилий к рабочим нагрузкам является выносливость его рабочих сечений. Но задача обеспечения усталостной прочности датчика должна решаться на этапе его проектирования и испытаний. Можно считать конструкцию датчика с обеспеченной прочностью, если он выдерживает 107-108 циклов проектных нагрузок до появления усталостной трещины. Можно считать не только полезным, но и необходимым построение автоматизированного стенда для аттестационных испытаний датчиков и их калибровки в процессе испытаний. Для АПК CTS такой стенд был построен на базе шагового двигателя, обеспечивающего циклическое нагружение датчика усилий программно задаваемыми параметрами и работающего в режиме программируемого управления. В функции стенда входят: - испытания датчика усилий циклической нагрузкой с периодическим контролем соответствия рабочих характеристик датчика проектным в режиме статического нагружения; - отбраковка датчика усилий или перевод его в более низкую группу по номинальному рабочему усилию; - автоматизированная подготовка аттестационной дискеты датчика (калибровочной дискеты), посредством которой загружаются параметры калибровки датчика в БД основной программы АПК. При серийном производстве датчиков такой стенд вместе с отработанной методикой испытаний и калибровки может гарантировать достаточно высокую эксплуатационную надежность приборов. Для датчиков расстояний потенциометрического типа наиболее критичными с точки зрения надежности являются узлы фиксации перемещения измерительного тросика, износоустойчивость валика потенциометра, нагруженного шкивом с измерительным тросиком, стойкость тросика к механическому истиранию при перемещении по поверхности скольжения и изменение начальной длины тросика в связи с изменением рабочих атмосферных условий - влажности и температуры. Перечисленные выше факторы надежности являются предметом конструктивно-технологической проработки одного из элементов системы - датчика расстояний. В то же время окончательное заключение об оптимальности принятых и реализованных решений может быть сделано только на основании аттестационных испытаний датчиков представительной выборки приборов на специализированном стенде в диапазоне проектных нагрузок, температур, влажности и т. д. Разработка рабочей карты испытаний датчиков расстояний является отдельным предметом исследований и в данной работе не рассматривается.
Как видно из описания системы АПК, номенклатура узлов, параметров и факторов, определяющих надежность измерительного тракта, весьма разнообразна. Одни из них гарантированно работоспособны в течение всего периода срока службы системы, другие требуют периодической поверки и возможно отбракованы, а третьи могут давать сбои в любой момент работы, если не предпринять специальные меры контроля и управления этими факторами или параметрами.
