Устройство для моделирования и оценки трибологических свойств смазочных жидкостей для суставов

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОЦЕНКИ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СМАЗОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ СУСТАВОВ(71) Заявители Государственное учреждение Республиканский научнопрактический центр радиационной медицины и экологии человека Учреждение образования Гомельский государственный медицинский университет(72) Авторы Николаев Владимир Иванович Белецкий Александр Валентинович Ермаков Сергей Федорович Чарнаштан Денис Владимирович Надыров Эльдар Аркадьевич(73) Патентообладатели Государственное учреждение Республиканский научно-практический центр радиационной медицины и экологии человека Учреждение образования Гомельский государственный медицинский университет(57) Устройство для моделирования и оценки трибологических свойств смазочных жидкостей для суставов содержит основание маятникового механизма с элементами крепления неподвижной части сустава, маятник, взаимодействующий с датчиком, с элементами крепления подвижной части сустава и механизм взвода маятника, последовательно соединенные преобразователь напряжение-частота, элемент И, первый счетчик импульсов и блок регистрации, последовательно соединенные компаратор, инвертор, второй счетчик импульсов и дешифратор, источник опорного напряжения, выход которого подключен ко 51542009.04.30 второму входу компаратора, первый -триггер, -вход которого соединен с выходом компаратора, а выход подключен ко второму входу элемента И, второй -триггер,-вход которого соединен с выходом инвертора, инверсный выход - с третьим входом элемента И, а прямой выход - с входом управления блока регистрации, при этом выход датчика соединен с первым входом компаратора и входом преобразователя напряжениечастота, а выход дешифратора подключен к входам первого и второго -триггеров, первого и второго счетчиков импульсов, отличающееся тем, что основание маятникового механизма и элементы крепления подвижной части сустава выполнены с возможностью ориентироваться во всех плоскостях, датчик представляет собой датчик инфракрасного излучения, блок регистрации дополнительно содержит компьютерный блок.(56) 1. Патент 9059, 2005. 2. А.с. СССР 1630033, 1988. Полезная модель относится к области исследования биологических жидкостей с целью определения их химических и физических свойств, а также измерения параметров трения в подвижных соединениях, смазываемых этими жидкостями. Известно устройство для оценки смазочной способности синовиальной жидкости,представляющее собой маятниковый трибометр. Его пара трения состоит из опоры, выполненной из сертифицированного для ортопедии сверхвысокомолекулярного полиэтилена, и несущей маятник треугольной призмы (сталь марки 12 Х 18 Н 9), грань которой,контактирующая с опорой, закруглена с радиусом 2,5 мм. Испытания проводили при массе маятника 2,0 кг и скорости скольжения 1,0 м/с, что соответствует средней физиологической нагрузке на коленный сустав человека. Опора трибометра окружена катушкой соленоида (количество витков 6002, диаметр проволоки 0,07 мм, диаметр катушки 21 мм). Напряженность магнитного поля в опоре трибометра регулировали с помощью источника тока, соединенного с соленоидом 1. Пробу синовиальной жидкости из шприца помещали в цилиндрическую канавку опоры маятника и приводили в движение. С помощью оптической системы регистрации колебаний маятника, соединенной с компьютерным блоком программного обеспечения трибометра, регистрировали коэффициент тренияв исследуемой паре. Затем включали соленоид и определяли значенияспустя некоторое времяс момента включения с периодичностью 5-10 мин. Недостатками известного устройства являются значительные расхождения как в оценке характера и механизмов процессов трения и смазки в естественных суставах, так и в определении величины коэффициента трения в них. Эти расхождения являются следствием, в первую очередь, низкой точности и чувствительности метода и устройств, применяющихся для определения параметров затухающего колебательного процесса, а также трудностей методического характера, вносящих дополнительные погрешности в процесс изучения трения в суставе. Сюда относятся, в первую очередь, условия работы маятника,точность совмещения осей и плоскостей колебания маятника с осями и плоскостями движения сустава. Наиболее близким является устройство для исследования смазочных жидкостей для суставов, содержащее основание маятникового механизма с элементами крепления неподвижной части сустава, маятник, взаимодействующий с датчиком, с элементами крепления подвижной части сустава и механизм взвода маятника, последовательно соединенные преобразователь напряжение-частота, элемент И, первый счетчик импульсов и блок регистрации, последовательно соединенные компаратор, инвертор, второй счетчик импульсов 2 51542009.04.30 и дешифратор, источник опорного напряжения, выход которого подключен ко второму входу компаратора, первый -триггер, -вход которого соединен с выходом компаратора, а выход подключен ко второму входу элемента И, второй -триггер, -вход которого соединен с выходом инвертора, инверсный выход - с третьим входом элемента И, а прямой выход - с входом управления блока регистрации, при этом выход датчика соединен с первым входом компаратора и входом преобразователя напряжение-частота, а выход дешифратора подключен к входам первого и второго -триггеров, первого и второго счетчиков импульсов 2 (прототип). Предварительно подобранный сустав расчленяется, затем головка сустава (подвижная часть) скрепляется элементами крепления с маятником и устанавливается в суставную впадину (неподвижная часть) с предварительно введенной в нее исследуемой смазочной средой, закрепленную с помощью элементов крепления на жестком основании маятникового механизма. С помощью механизма взвода маятник отклоняется от своего положения равновесия на некоторый угол, затем освобождается и начинает совершать колебательные движения относительно положения равновесия. Датчик преобразует механические колебания маятникового механизма в синусоидальный сигнал с помощью преобразователя напряжение-частота, компаратора, источника опорного напряжения, триггеров, элемента И,инвертора, счетчиков импульсов и дешифратора. В цифровом виде вычисляются площади полуволн колебаний маятника, по которым судят о скорости его затухания, связанной с трением в суставе, которые регистрируются блоком регистрации. Недостатком прототипа является то, что устройство обеспечивает низкую достоверность экспериментальных данных, с его помощью нельзя воспроизвести механизмы смазки, свойственные естественным суставам, которые реализуются в биофизическом поле живого организма. Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в разработке устройства для исследования трения в суставе, позволяющего с высокой точностью регулировать условия работы маятника, что обеспечило бы правильную пространственную ориентацию исследуемого сустава относительно фронтальной и сагиттальной плоскостей и конгруэнтность трущихся поверхностей в процессе эксперимента. Задача решается за счет того, что устройство для моделирования и оценки трибологических свойств смазочных жидкостей для суставов содержит основание маятникового механизма с элементами крепления неподвижной части сустава, маятник, взаимодействующий с датчиком, с элементами крепления подвижной части сустава и механизм взвода маятника, последовательно соединенные преобразователь напряжение-частота,элемент И, первый счетчик импульсов и блок регистрации, последовательно соединенные компаратор, инвертор, второй счетчик импульсов и дешифратор, источник опорного напряжения, выход которого подключен ко второму входу компаратора, первый триггер, -вход которого соединен с выходом компаратора, а выход подключен ко второму входу элемента И, второй -триггер, -вход которого соединен с выходом инвертора, инверсный выход - с третьим входом элемента И, а прямой выход - с входом управления блока регистрации, при этом выход датчика соединен с первым входом компаратора и входом преобразователя напряжение-частота, а выход дешифратора подключен к входам первого и второго -триггеров, первого и второго счетчиков импульсов,причем основание маятникового механизма и элементы крепления подвижной части сустава выполнены с возможностью ориентироваться во всех плоскостях, датчик представляет собой датчик инфракрасного излучения, блок регистрации дополнительно содержит компьютерный блок. На фигуре приведена функциональная схема устройства для моделирования и оценки трибологических свойств смазочных жидкостей для суставов. Устройство содержит основание 1 маятникового механизма с элементами крепления 2 неподвижной части (суставной впадины) 3 сустава с возможностью ориентироваться во 3 51542009.04.30 всех плоскостях, маятник 4, включающий элементы крепления 5 подвижной части (головки) 6 сустава с возможностью ориентироваться во всех плоскостях и взаимодействующий с датчиком 7 инфракрасного излучения, исключающий влияние естественной освещенности на точность экспериментальных данных, и механизмом взвода 8 маятника, преобразователь напряжение-частота (ПНЧ) 9, компаратор 10, источник 11, триггеры 12 и 13,элемент И 14, инвертор 15, счетчики импульсов 16 и 17, дешифратор 18, блок регистрации 19, компьютерный блок 20. Электронная часть устройства выполнена на прецизионных аналоговых и цифровых интегральных микросхемах. Устройство работает следующим образом предварительно подобранный сустав расчленяется, затем головка 6 сустава скрепляется элементами крепления 5 с маятником 4 и устанавливается в суставную впадину 3 с предварительно введенной в нее исследуемой смазочной средой и закрепленную на основании 1 маятникового механизма с возможностью ориентироваться во всех плоскостях. С помощью механизма взвода 8 маятник 4 отклоняется от своего положения равновесия на некоторый угол. В следующий момент маятник освобождается и начинает совершать колебательные движения относительно положения равновесия. Датчик 7 инфракрасного излучения преобразует механические колебания маятникового механизма в синусоидальный аналоговый сигнал, который поступает на вход ПНЧ 9 и первый вход компаратора 10. На второй вход компаратора 10 с источника 11 поступает опорное напряжение, которое в компараторе 10 сравнивается с исследуемым аналоговым сигналом, в результате чего на его выходе формируются импульсы,синхронные с механическими колебаниями. Далее, эти импульсы подаются на -вход триггера 12 и через инвертор 15 - на -вход триггера 13 и счетный вход счетчика импульсов 16. При первом же проходе маятника через положение равновесия на прямом выходе триггера 12 переход логического нуля в логическую единицу, соответствующий началу первой полуволны колебания, через элемент И 14 подключает ПНЧ 9 к счетному входу счетчика импульсов 17. Следующий переход маятника через положение равновесия, соответствующий окончанию первой полуволны колебания, переключает триггер 13, на инверсном выходе которого логическая единица сменяется логическим нулем, и через элемент И 14 прерывает связь ПНЧ 9 со счетчиком импульсов 17. В результате синусоидальный электрический сигналс выхода датчика 7 поступает на вход ПНЧ 9, на выходе которого формируется пачка импульсов, количество которых пропорционально площади первой полуволны колебания. Эти импульсы через элемент И 14 поступают на вход счетчика импульсов 17, где суммируются и преобразуются в параллельный цифровой код, также соответствующий площади первой полуволны колебания. При этом переход логического нуля в логическую единицу на прямом выходе триггера формирует импульс записи, по приходу которого происходит параллельная загрузка результата счета с выхода счетчика 17 в блок регистрации 19 с целью его сохранения и последующей передачи на компьютерный блок 20. Одновременно инвертированный инвертором 15 сигнал переходом логического нуля в логическую единицу запускает счетчик импульсов 16, выход которого подключен к входу дешифратора 18. В блоке регистрации 19 принимаются результаты счета, выполняемые счетчиком импульсов 17 и соответствующие площадям четных или нечетных полуволн колебаний. После этого полученные данные передаются на компьютерный блок 20 и по соответствующим формулам определяются амплитуды колебаний и их отклонения за период. Экспериментальные данные сохраняются на жесткий диск в текстовом файле для последующего анализа. Предлагаемое устройство для моделирования и оценки трибологических свойств смазочных жидкостей для суставов является точным и чувствительным аппаратом измерения параметров колебательного процесса, использующим наиболее оптимальные методы преобразования и цифровой обработки исследуемых сигналов, и позволяет с высокой точностью регулировать условия работы маятника, что обеспечивает правиль 4 51542009.04.30 ную пространственную ориентацию исследуемого сустава относительно фронтальной и сагиттальной плоскостей и конгруэнтность трущихся поверхностей в процессе эксперимента. Полезная модель обеспечивает высокую точность и достоверность результатов исследования и может быть эффективно использована для изучения процессов трения в суставах живых организмов, оптимизации составов и создания на этой основе новых лекарственных препаратов для коррекции трибологии пораженных заболеваниями суставов. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5