Ontwerp en bouw van een proefopstelling voor het knieproject
Citation for published version (APA):
Jans, H. W. J. (1984). Ontwerp en bouw van een proefopstelling voor het knieproject. (DCT rapporten; Vol. 1984.019). Technische Hogeschool Eindhoven.
Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1984
Document Version:
Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record
Please check the document version of this publication:
• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.
• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.
• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.
Link to publication
General rights
Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.
If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:
www.tue.nl/taverne Take down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us at: openaccess@tue.nl
providing details and we will investigate your claim.
VOOR HET KNIEPROJECT
-2- INHOUDSOPGAVE : Blz. 1. 2 . 3 . 3 . 1 3 . 2 3 . 3 3.4 3 . 5 3 . 6 4 . 4 . 1 4 . 2 4.3 INLEIDING
E L E M ~ ~ T A I R E VEREISTEN VAN DE PROEFOPSTELLING
D E P R ~ E F O P S T E L L I ~ G
Inklemming bot aan "vaste wereld" Inklemming bot aan zijde excitator
Voorspan elementen Pezenklemmen
Spaninrichting VOCE snaren Frame van de proefopstelling
~ O D A ~ E ANALYSE VAH DE P ~ O E F O P S T ~ L L I ~ G
Beschrijving van d e nieting Resultaten
Xonklusies naar aanleiding van de metingen
3 4 5 5 6 6 8 9
io
12 12 42 13 BIJLAGENi . INLEIDING
In het kader van het projekt "Aspekten van het dynamisch gedrag van het kniegewricht" zi;llen experimenten worden verricht t.b.v. de bepaling vac 4-2- narniscke parclmeters toverdrachtsfunktiesf welke het gewricht als geheel en in het bijzonder de afzonderlijke strukturen in het gewricht representeren.
Metingen worden verricht aan een kniegewricht dat aan een zijde ~ b o v e ~ ~ ~ e ~ ~ vast is ingeklemd en aan de andere zijde, met een in de tijd wisselende be-
lasting, wordt geBxciteerd.
Wan de hand van metingen van versnellingen, krachten, drukken en rekken in
de afzonderlijke gewrichtsstrukturen kunnen de betreffende overdrachtsfunk- ties worden bepaald.
Deze, wiskundig te analyseren, overdrachtsfunkties geven een indikatie over de krachtdoorleidende funkties van de gewrichtselementen.
Ten behoeve van het hierboven beschreven projekt is een ~ r o e ~ o p ~ t ~ l ~ i n g ont- wikkeld, gebouwd en getest.
Dit verslag geeft een overzicht vas1 de uitvoering van de ~ r o ~ f o p s ~ e ~ l i ~ g ~ waarin de relevante konsiruktie-elementen nader worden belicht.
-4-
2 . E L € M ~ N ~ A ~ ~ E VEREISTEN VAN DE PROEFOPSTELLING.
- Uit een literatuurstudie is gebleken dat een kniegewricht relatief het zwaarst wordt belast op het moment van hielkontakt met de grand en juist vddr het loslaten van de grond.
Op deze aairenten bevindt het kniegewricht zich in een stand van
2
20' €le- xie.He% is dus te prefereren om juist in deze stand van het gewaicht onderzoek
te verrichten naar de krachtdoorleidende funktie van de g e w r ~ c ~ t ~ ~ ~ e m e n - ten.
- Eveneens uit literatuurstudie is gebleken dat de doorgefelde statische kracht voor het grcotste deel wordt gegenereerd door spierkontraktie. Deze spierkontraktie zorgt dus voor een bepaalde vaarspanning. Aangezien het dynamisch gedrag van het gewricht, vanwege zijn (naar te verwachten) sterk niet-lineaire gedrsg, afhankelijk is van de voorspanning, zal ket noodzakelijk zijn deze voorspanning op enigerlei wijze te simulerei;. Hierbij mag men echter niet denken aan simulatie van spierkontraktie.
- Het gewricht mag, indien mogelijk, niet befenìmerd worden in zijn natuur-
lijke ~ ~ ~ ~ ~ ~ (geen ~ ~kinernatische ~s ~ r ~ j v~ e~ i~ d ~ e p a ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ .
-
Excriikatie moe% kunnen geschieden in axiale en radiale richting b . o . v . het g ewr icht .-
ne
.@e+;meem rnriA.4-a...----
- - - - a - -bsrlycri i t t u e : c e l k ~ ~ ~ I L I Z ~ L I V d U L U t Z I I uitgevoerd in het gebied van û
-
150 HZ,zonder dat de proefopstelling zelf de metingen verstoord.
3. DE PROEFOPSTELLING.
De beschrijving van de proefopstelling gebeurt aan de hand van een tekening en foto van de proefopstelling volgens fig. l a en Ib.
De elementaire konctruktiedelen zullen nader worden belicht.
3.1 Inklemm~ng bot aan "vaste wereld".
Tijdens de experimenten i s het noodzakelijk dat het kniegewricht aan
zijde (femur) zo stijf mogelijk aan het frame van de proefopstelling wordt verankerd.
De d w ~ r ~ d o o ~ s n ~ d e van het femur heeft echter zo'n grillige en ~ n ~ o ~ o ~ ~ n ~ geometrie dat inklemm~ng langs mechanische weg onmogelijk lijkt. I n het ver-
leden is vaak gebruik gemaakt. van een methode van ingieten van het bot in
een zgn. botbus. Als gietmateniaal wordt gebruikt een snel uithardende kunststcf : Factacryl, welke v i a Dkrr. Huiskes ta'dHt verkregen wordt.. Ook hier maken wij gebruik van deze inkle~methode vanwege de goede erva-
ringen daarmee in het verleden. De bokbus staat afgebeeld in fig. 2.
-
Werkwijze gietproces :*
Bot uithallen (melrg verwijderenf.*
Gat boren in het bot t.b.v. de ontluchting.*
Bot positioneren in bus d.m.v. radiad. gexichte spanbmfjes.*
Vrije ruimte in botbus volgieten met "Fastacryl".*
Uitharden t+, 1 / 2 u u r f .*
Spanboutjes verwijderen.Vervolgens moet de botbus seer stijf aan hek frame Hiervoor maken we gebruik van een opspanflens : fig. 3 .
-6-
De opspanflens bestaat uit drie concentrisch geplaatste ringen van bandstaal
met een hoogte van 60 mm. De ringen zijn onderling verbonden d.m.v. een grondplaat en drie radiaal gerichte verstevigingsribben.
Tussen de binnenste en middelste ring is geen grondplaat aanwezig, dus daar is een vrije doorgang.
De botbus wordt iri de binnenste rinrj, in axiale richting, vastgeklemd door middel van drie bouten.
Het opspanvlak bestaat uit de bovenzijde van de binnenste ring en de onder- zijde van de flens aan de botbias.
Paspennen zorgen voor een kknduidige positionering van de botbis in de op- spanflens.
De vrije doorkijk tussen botbus en middelste ring van de opspanflens is noodzakelijk voor de doorgang van de spanelementen (zie par. 3 . 3 ) .
De bevestiging van de opspanflens aan het frame wordt duidelijk gemaakt in fig. 3 .
Ook aan de zijde van de excitator maken we voor de inklemming van het bot gebruik van een botbus met bijbehorend gietproces.
Aan de onderzijde is de botbus voorzien van een asctomp waarop, in radiale en axiale richting, een flexibele slang Iran worden bevestigd.
Deze flexibele slang zorgt voor de verbinding tussen excitator en botbus. (zie fig. 4).
3 . 3 Voorsganelenenten. ---
---
Zoals in de inleiding reeds beschreven, is het voor de experimenten noodza- kelijk dat het kniegewricht wordt voorgespannen.
De voorspankracht is geschat op ten hoogste 1500 N per te bekrachtigen pees. In eerste instantie wordt aan drie pezen een voorspankracht aangebracht.
Belangrijk bij de experimenten is dat de totale voorspankracht zo weinig mo- gelijk varieext.
Aangenomen is dat bij een excitatie-amplitude van 0,l mm de voorspankracht per pees niet meer mag veranderen dan f 5 W . Dit betekent dak het voorspan- element een stijfheid moet hebben lager dan
-
l o --
100 N/mm.0 , f
Ten aanzien van het dynamisch gedrag van de voorspanelementen wordt vereist dat de longitudinale eigenfrequentie hoger ligt dan 300 Wz.
Deze ondergrens is noodzakelijk om niinimale verstoringen t.g.v. konstruktie- elementen, in het gedrag van het kniegewricht te krijgen.
De metingen aan het kniegewricht zullen namelijk geschieden in eep1 €requen- tieband van O - 150 Ha.
Samenvatting eisen voorspanelementen :
- belastbaar van O - 4500 N;
- stijfheid kleiner dan 100 N/mm;
-
eigenfrequentie groter dan 306) Hz.Aangezien de stijfheid relatief laag is t.o.v. de maximaal te genereren kracht is het niet mogelijk gebruik te maken van konventionele elastische elementen zoals : schroefveren, spiraalveren, schotelveren enz. Ook het ge-
wicht van de veer speelt i.v.m. de gewenste laagste ~ i g e ~ f r ~ ~ u ~ n ~ ~ ~ een Bjs- hangrijke rol.
Gekozen is voor eeri elastisch element in de vorm van, een lange, snaar van planostaal.
De berekeningen van de gewenste afmetingen van de snaren staan vermeld in hi jlage ? -
Onderstaand ziet U hiervan de resultaten :
Snaar : lengte : 1600 mm dikte : 1 mm.
longitudinale stijfheid : 103 N/mm
-8-
3.4 Pezenklemmen. ---
Om de voorspankracht in de snaren over te brengen In de pes-einden is het noodzakelijk te beschikken over een verbindingselement tussen snaas en pees.
Dit verbindingselement moet voldoen aan de volgende eisen :
*
Maximale belastbaarheid : 1500 N.*
Slipvrije inklemming pees.*
Minimaal gewicht.*
Kleminrichting moet voorkomen dat pees scheurt.*
Gemakkefijk bedienbaar.*
Bestand tegen chemische zuren en roestvast.*
Maximale a€meting van dwarsdoorsnede van in te klemmen pezen : 20 x 2mm.
*
Bevestigingsmogelijkheid aan snaar.*
Pees en snaar moeten tijdens bekrachtiging in &&n lijn liggen, dus zon- der te knikken.Er is gekozen voor een konische kleminrichting met twee spieiitn, welke via een beugel is doorverbonden met de snaar.
€en afbeelding daarvan ziet U in de figuren 5a, 5b en 5 c .
De berekeningen welke bij het konstrueren van de pezenklem toegepast werden vindt U in bijlage 2.
De resultaten hiervan staan vermeld in onderstaand overzicht :
*
Maximale belasting : 1500 N*
Massa : 2 1 , 6 gram*
Stijfheid :>
10 4 NJmm.Na de fabrikage van een prototype zijn er proeven ondernomen on de meeilijk voorspelbare eigenschappen van de pezenklem te kwalificeren.
Hiertoe werd de pezenklem, enerzijds verbonden met een snaar en anderzijds aan een pees van ong. 1 7 5 mm lengte, tot een maaimum van 1000 N Selask op
een trekbank.
De belasting werd telkens met stappen van 200 N verhoogd waarna een periode van relaxatie kon plaatsvinden, bij constante lengte.
Op analoge wijze werd de belasting weer gereduceerd. Een resultaat van deze meting ziet u in figuur 6.
Uit deze meting blijkt o.a. dat de klem:
-
een belasting van 1000 N kan opnemen.-
geen scheuren veroorzaakt in de pees.- geen slip of kruip van de pees t.o.v. de klem toestaat.
-
gemakkelijk is te bedienen.Teneinde een eventuele slip of kruip van de pees over een langsre periode te kunnen kwantificeren is een trekpïoef uitgevoerd volgens figuur 7 .
Hierbij werd de rek, behorende bij een initiële kracht vara 500 M , ~ e d u r e n d ~ 20 minuten konstant gehouden.
Indien er slip of kruip zou voorkomen moest dit van n o ~ m e n s w a â r d ~ ~ e invloed zijn op de belasting. Volgens figuur 7 lijkt dit eveneens niet het geval te zijn.
3 . 5 Span-inrichting - - - _ _ s - _ _ _ _ _ _ _ voor de snaren.
T l n r r v kin& -_n - - - X I
VUVI i L c L y c i r i f l r ~ e ~ i vcrn vooispankraehten in de snaren is een snaren-spanin-
richting ontworpen. Deze inrichting moet tevens voldoen aan de eis dat de werkrichting van de snaren binnen bepaalde grenzen gevarieerd kan worden.
Voor het op spanning brengen van de maren is gekozen voor een simpele op-
lossing. Deze bestaat uit een draad-stang met moer.
De draadstang is van dusdanige lengte dat verplaatsingen tot maximaal 150 ma
kunnen worden verwezenlijkt.
Deze instelmogelijkheid is noodzakelijk om rekken in de snaar en lengte ver- schillen van de pezen op te kunnen vangen (zie fig. 8 ) .
- 10-
Op de draadstang worden d.m.v. rekstrookjes de voorspankrachten statisch en dynamisch gemeten.
Bij het genereren van de voorspanning in het kniegewricht is het niet alleen belangrijk hoe groot die kracht is maar ook de richthg daarvan. De richting van de kracht moet ongeveer overeenkomen met de kontraktierichting welke de spieren in vivo aannemen.
Aangezien elk gewricht verschillend van vorm en grootte is lijkt hek noodza- kelijk de spanrichting van de snaren instelbaar te maken.
Hiertoe is gebruikt een messing plaat waarin sleuven (in roostervora) zijn aangebracht. In deze sleuven kan de trekstang van plaats veranderen (zie
fig. 9 ) .
Het roaster is zodanig gemaakt dat er vertikaal over 120 m traploos ver- plaatst kan worden en horizontaal over 147 mm inkrementeel.
De sterkteberekening van deze spanplaat vindt U in bijlage 3.
Het frame van de proefopstelling moet aan de volgende eisen voldoen :
*
Zoveel mogelijk gebruik maken van Universele, bestaande konstruktie- elementen.*
M o ~ e ~ i ~ k h e i d tot bevestiging opspanflens.*
~ ~ g e l ~ j k h e i d t o t bevestiging spanplaat.*
Varieheie piaats kre&ren voor excitator.*
Werkho~gte preparaat ong. 135 cm.*
Grote vrije ruimte rondom preparaat.*
Relevante eigenfrequenties boven 200 Hz.Aan de hand van fig. 10 zal het frame van de proefopstelling worden beschre- ven.
In de ruimte waar de opstelling wordt geplaatst zijn geen mogelijkheden aan- wezig voor een starre bevestiging aan de vloer.
Hiervoor in de plaats wordt gebruik gemaakt van een relatief starre grond- plaat welke w & l van bevestigingsmogelijkheden is voorzien.
Deze grondplaat heeft een uitwendige afmeting van 2540 x 9 4 0 mm.
Op deze grondplaat moeten twee stellages worden bevestigd. E&n daarvan dient voor de bevestiging van het knie preparaat en de ander voor het spannen van de snaren. Be onderlinge afstand moet voldoende zijn om een snaar met lengte van 1600 mm te kunnen spannen.
Voor de bevestiging van de extitator wordt een opspantafel koeçepast. Ceze
tafel heeft een afmeting van : L x b x h = 1000 x 640 if 850 mm.
Voor de bevestiging van de opspanflens en spanplast zijn in de proefopctel-
ling op beide stellages d w a ~ s o v ~ ~ ~ p a n n i n g e n nodig.
Deze dwar§o~e~s~anningen bestaan uit kokerprofielen.
De sterkteberekeningen van deze kokerprofielen staan heschreven in bijlage
-12-
4. MODALE AMALYSE VAR DE PROEFOPSTELLING.
Zoals voorheen beschreven worden de metingen aan het kniegewricht uitgevoerd binnen een gebied van 0
-
150 Ez.Het is wenselijk dat de eigenfrequenties van de proefopstelling ver genoeg buiten het werkgebied komen te liggen om te voorkomen dat het gedrag van het preparaat en dus ook de metingen daaraan door trillingen van de proefopstei- ling Worden belnvloed.
Het doei van de modale analyse is om na te gaan of het dynamisch gedrag van de proefopstelling ook inderdaad niet van invloed zal zijn op de metincjen.
Allereerst zal men de konstruktie moeten schematiseren.
Schematisering is noodzakelijk om de geometrie va^ de opstelling aan de mo- dale analyse-apparatuur bekend te kunnen maken.
Boe dit is gebeurd kan men zien in fig. 1 4 .
De metingen zijn verricht d.m.v. een excitatie met een hamer, in drie rich- tingen (x,y,z,), in punt 1 t/m 20 van de proefopstelling (zie fig.11) en een meting van de responsversnelling in punt 20, in de ?,d,l-richtFng.
De overdrachtsfunkties zijn dan gedefinieerd als het quotient van de ver- snelling en de kracht.
De metingen zijn verricht in een gebied van 0-254 Hz met behulp van een Fast
r;ol;rier Analyser, Hewlet Packara 3423 A.
In figuur 12 is als voorbeeld een karakteristieke frequentieresponsie weer- gegeven.
Uit dit frequentie-spectrum kunnen een aantal relevante eigenfrequenties worden gedestileepd. Hierbij werd uit frequentie-spektra van meerdere me-
De laagste eigenfrequentie ligt bij ongeveer 27 Hz. De trillingsvorm beho- rende bij deze eigenfrequentie ziet U in fig. 1 3 .
Een andere belangrijke eigenfrequentie ligt bij ongeveer 1 9 3 Hz. De tril- lingsvorm staat weergegeven in fig. 1 4 .
4 . 3 Konklusies naar aanleiding van de metingen.
---____--________---_---
Relevante eigenschappen van het gedrag van de proefopstellingen zijn echter niet de sespons-versnellingen, behorende bij een bepaalde excitatie, doch de respons-verplaatsingen.
Tweemaal integreren van de frequentie-sgektra levert ons informatie over de verplaatsingen van de proefopstelling,
De uit de integratie resulterende karakteristieken, behorende bij punt 20 van de proefopstelling, staan weergegeven in fig. 15.
Hieruit blijkt duidelijk dat de verplaa~sings-respons als gevolg van de ex-
citatie slechts zeer minimaal is.
(0,l - 7 gm per ffewton excitatiekracht.)
Konkluderend uit de metingen kan gesteld worden dat de proefopstelling geen verstoringen van relevante grootte zal uitoefenen, op de metingen aan de kniepreparaten.
ofwel :
voor de diameter van de snaar levert i3i.k:
we kiezen dus VGOt de snaar met een Pengte van: L = ivo0 %tir.
---I
a
I
G , =
Geschematiseerd belastingsgevaf
I F
~--l
/i
L
Fig. Ib. Foto van de proefopstelling.
Fig. 2. Afbeelding van een bovenbeen, ingegoten in een botbus.
-
L
L -
L
L
-
Fig. 5c. De pezenklemmen worden bevestigd aan: M e quadriceps femoris
Musculus biceps femoris Pes anserinus
h
I
6004 OD
305
Fig. 7. Belasting-tijd karakteristiek waarin over een lange duur de eventuele slip gekwantificeerd wordt.
+ moer.
I
L -
1
x
Y
Fig.
11.
Schematisering van de geometrie van de proefopstelling.0.0
n ti
FREO
(f-921 27.54Fig. 13. Trillingsvorm, behorende bij eigenfrequentie van 2 7 , 5 Hz.
800.00
E-9
0.0
0.0 HZ 250.00
Fig. 15a. Amplitude frequentie karakteristiek van punt 20 in x-richting.
TRANS
R%:
35 #A: 5 EXPAHQ0.0 I
0.0
Ha:
250 e 00TRANS MAG 0 . 0
