Surface Random Parameters for Endoprosthesis Lubrication

• Autorzy: Wierzcholski K.

Warianty tytułu

PL

Parametry losowe powierzchni dla smarowania endoprotez

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Within the last ten years in the European Union the number of bone fractures caused by the osteoarthritis increased twofold. More than 100000 hip or knee joints in total have been implanted in Germany during one year. Within ten years, 5% of them have failed by aseptic loosening. The non-invasive determination of friction forces and the control of their values during lubrication of cartilage cells on the superficial layer of human joint surfaces before implantation have a significant but not sufficient influence on the observation of the early abrasive wear of cartilage joint and the development of osteoporosis. From this fact was drawn the inspiration for the performed investigations referring the endoprosthesis surface parameters, because knowledge of the roughness of prosthesis surfaces and friction forces and their control methods makes it possibile to provide the necessary random standard deviation of gap height and finalny information about implantation possibility. This paper has been prepared based on the objective knowledge gained from the author’s experimental and theoretical experiences to represent the methodology and goal of the idea described in the study and to make possible a wider discussion on this subject for further developments during the realization of various bioengineering projects in the field of hydrodynamic artificial human and humanoid robots joints.

PL

Na podstawie danych statystycznych WHO przeprowadzonych w Unii Europejskiej stwierdzono, że system tribologiczny, jaki tworzy endoproteza, doznaje ponad milion obciążeń o charakterze udarowym. Obciążenia dynamiczne mogą w wielu przypadkach przekraczać czterokrotną wartość ciała pacjenta. Znaczna część takich niepożądanych impulsów kończy się koniecznością ponownej wymiany endoprotezy biodra. Badania doświadczalne wielu badaczy potwierdzają, że po wszczepieniu endoprotezy stawu biodrowego mamy często do czynienia z obszarami przeciążenia i niedociążenia. Zarówno jedne, jak i drugie są niekorzystne w trakcie eksploatacji endoprotezy. Po wszczepieniu trzpienia do kanału kości udowej pod wpływem siły mogą pojawić się pewne mikrometrowe przemieszczenia trzpienia względem cementu kostnego. Zarówno opisane przemieszczenia, jak też obszary przeciążenia i niedociążenia są na ogół powodowane niestosowną geometrią powierzchni zewnętrznych i wewnętrznych endoprotezy uzależnioną od chropowatości powierzchni, która ma bezpośredni wpływ na wysokość szczeliny. Klasyczne generowanie procesu produkcji i wytwarzania endoprotez o optymalnej strukturze geometrycznej powierzchni jest bardzo trudne, a w wielu przypadkach wręcz niemożliwe. Dlatego niezbędne jest uprzednie stochastycznekształtowanie struktury geometrycznej projektowanych endoprotez polegające na oszacowaniu losowych wartości oczekiwanych, czyli średnich wartości probabilistycznych oraz odchyleń standardowych optymalnych wysokości mikrochropowatości powierzchni, które mają bezpośredni wpływ na pożądaną wysokość szczeliny, siły nośne, siły tarcia, wartości zużycia, a w końcu na optymalną możliwość implantacji endoprotezy stawu biodrowego człowieka. Wyniki niniejszej pracy uzyskano na podstawie przeprowadzonych badań eksperymentalnych dotyczących pomiarów struktur geometrycznych powierzchni endoprotez oraz z wykorzystaniem wiedzy teoretyczno-numerycznej. Ukazane w niej rezultaty prezentują metodologię i cele opisanej idei badawczej, umożliwiając szeroką dyskusję potrzebną do dalszych badań w zakresie projektów bioinżynierii.Przedstawiony został również parametryczny opis parametrów powierzchni endoprotez. Mogą one również znaleźć zastosowania przy probabilistycznej ocenie parametrów struktur geometrycznych powierzchni rozmaitych implantów.

Słowa kluczowe

EN

endoprosthesis; surfaces; geometrical random parameters; measurements; gap height; hydrodynamic pressure; random lubrication prognosis

PL

endoprotezy; powierzchnie; losowe parametry geometryczne; chropowatość; pomiary; wysokość szczeliny; ciśnienie hydrodynamiczne; losowe prognozy smarowania

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2016
• Tom: nr 1
• Strony: 117--127
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., wykr., wz.

Twórcy

autor

Wierzcholski K.

• Koszalin University of Technology, Institute of Technology and Education, ul. Śniadeckich 2, 75-453 Koszalin, Poland

Bibliografia

• 1. Oczoś K., Lubimov V.: Geometrical structure of surface (in Polish). Struktury Geometryczne Powierzchni. Rzeszów University Publishing House, 2003.
• 2. Cwanek J.: The usability of the surface geometry parameters for evaluation of artificial hip joint wear.monograph, Rzeszów University Publishing House, 2009.
• 3. Mow V.C., Ratcliffe A., Woo S.: Biomechanics of Diarthrodial Joints, Springer Verlag, Berlin – Heidelberg – New York, 1990.
• 4. Wierzcholski K.: Experimental measurements of artificial hip joint surfaces and applications for the pressure and capacity distributions. Journal of Kones Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 2, (2006), 435–441.
• 5. Wierzcholski K.: Time dependent human hip joint lubrication for periodic motion with stochastic asymmetric density function. Acta of Bioengineering and Biomechanics Vol. 16, No. 1; doi:10.5277/abb140111, (2014), 83–97.
• 6. Sobczyk M.: Statystyka (in Polish), PWN, Warszawa 1996.
• 7. Fisz M.: Probability Theory and Mathematical Statistics. John Wiley & Sons, Inc., New York, 1963.
• 8. Wierzcholski K.: Unified Mega Algorithm for Partial Recurrence Reynolds Solutions” (in English). Journal of Applied Computer Science, vol. 20, No. 1, 2012, 81–101.
• 9. Babuska I., Oden J.T., Belytschko T., Hughes T.J.R.: Research Directions in Computational Mechanics. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 192, 2003, 913–922.
• 10. Wierzcholski K.: Unified summation equations and their applications in tribology wear process. Bulletin of the Polish Academy of Sciences Technical Sciences, vol. 61, No. 2, 2013, 405–417.
• 11. Niemczewska-Wójcik M.: The influence of the surface geometric structure of the functionality of implants. Wear, 271, 2011) 3–4, 569–603.
• 12. Novikov N.N., Rozenberg O.A., Gawlik J.: Endoprotezy Stavov Cloveka: materiały technologii, Instytut Sverchtverdych Materialov, Kiev 2011.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę