Εισαγωγή
Ενώ η Δυναμική Μηχανική Ανάλυση (ΔΜΑ) χρησιμοποιείται κυρίως για την ανάλυση πολυμερών υλικών, η τεχνική μπορεί επίσης να εφαρμοστεί σε ένα ευρύ φάσμα άλλων τομέων. Σε αυτούς περιλαμβάνονται ποικίλες εφαρμογές στη βιοϊατρική βιομηχανία. Το NETZSCH DMA 303 Eplexor® είναι μια ευέλικτη επιτραπέζια συσκευή που μπορεί να μετρά σε εύρος θερμοκρασιών από -170°C έως 800°C (-274°F έως 1472°F), εφαρμόζοντας δύναμη που κυμαίνεται από 1 mN έως 50 N και σε συχνότητα από 0,001 έως 150 Hz. Το εύρος δυνάμεων και συχνοτήτων επιτρέπει την προσομοίωση πολλών φυσιολογικών συνθηκών, καθώς και την επιταχυνόμενη δοκιμή αυτών των φαινομένων.
Τα ιατρικά εμφυτεύματα και συσκευές κατηγοριοποιούνται γενικά ως αντικαταστάσιμα (βίδες οστών, θύρες χημειοθεραπείας κ.λπ.) ή μόνιμα (βηματοδότες, στεντ, οδοντικά εμφυτεύματα κ.λπ.). Τα προϊόντα που έχουν σχεδιαστεί για να είναι αντικαταστάσιμα διατρέχουν τον κίνδυνο μόλυνσης και προβλημάτων τοποθέτησης, ενώ τα μόνιμα προϊόντα πρέπει να είναι σε θέση να επιβιώσουν αρκετές δεκαετίες και να αντέξουν τις δυνάμεις που υφίσταται το ανθρώπινο σώμα. Οι περισσότεροι ενήλικες έχουν καρδιακό ρυθμό ηρεμίας μεταξύ 60 και 100 παλμών ανά λεπτό (μέσος όρος 1,3 παλμοί ανά δευτερόλεπτο), προκαλώντας small παλμικές κινήσεις σε ολόκληρο το σώμα. Η φυσιολογική κίνηση (ορθοστασία, περπάτημα έναντι τρεξίματος, άλματος κ.λπ.) έχει στη συνέχεια ως αποτέλεσμα μεγαλύτερα μεγέθη τοπικών πιέσεων κατά τη διάρκεια μιας ημέρας.
Κατά το σχεδιασμό ενός μόνιμου εμφυτεύματος ή μιας ιατρικής συσκευής, η κατανόηση των μηχανικών επιδόσεων και της ικανότητας να αντέχει τις φυσιολογικές κινήσεις στο σημείο τοποθέτησης επί δεκαετίες είναι κρίσιμη.
Δοκιμή επιταχυνόμενης κόπωσης DMA
NETZSCH πραγματοποίησε δοκιμές επιταχυνόμενης κόπωσης με ένα εμφυτεύσιμο τσιπ κατασκευασμένο κυρίως από κεραμικά υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή μικροτσίπ, όπως το πυρίτιο και το διοξείδιο του πυριτίου. Η συσκευή ήταν εξαιρετικά λεπτή (10 έως 100 μm) και μικρότερη από 1 τετραγωνικό εκατοστό.
Οι γεωμετρίες του DMA 303 χρησιμοποιούν τσιπ RFID για απλή ρύθμιση και χρήση. Η γεωμετρία ενός μόνο ακροβάθρου χρησιμοποιήθηκε σε αυτή την έρευνα επειδή σφίγγει το δείγμα στη θέση του επιτρέποντας ακριβή κίνηση ακόμη και σε πολύ υψηλές συχνότητες. Η ταλάντωση της συσκευής στα 2,8 μm και στα 150 Hz για μία εβδομάδα αντιστοιχεί σε κάτι λιγότερο από τρία χρόνια συνεχούς παλλόμενης κίνησης στο σώμα. Στην αρχή του προγράμματος, εφαρμόστηκε μια αρχική δύναμη για να ανυψωθεί το ένα άκρο του δείγματος ώστε να ταιριάζει με τη βιολογική γεωμετρία της προβλεπόμενης θέσης τοποθέτησης του εμφυτεύματος πριν από την ταλάντωση.
Αποτελέσματα μέτρησης
Τα αποτελέσματα της συνεχούς δοκιμής μιας εβδομάδας παρουσιάζονται στο Σχήμα 1. Η δυναμική παραμόρφωση διατηρήθηκε στα 2,8 μm και στα 150 Hz. Παρουσιάζεται επίσης η δυναμική δύναμη που απαιτείται για την επίτευξη της παραμόρφωσης. Τα όρια δύναμης και τα όρια παραμόρφωσης προγραμματίστηκαν στην εκτέλεση για να διασφαλιστεί ο έλεγχος σε ολόκληρη τη διαδρομή. Η μεταβολή του μήκους του δείγματος (dL) του τσιπ κατά τη διάρκεια της δοκιμής δείχνει ότι το δείγμα παραμένει άθικτο και δεν αρχίζει να φθείρεται με την πάροδο του χρόνου.
Ένα βασικό χαρακτηριστικό του λογισμικού για το NETZSCH DMA 303 Eplexor® είναι ότι μπορούν να προστεθούν ενεργοποιητές σε μια δοκιμή για να σταματήσει η εκτέλεση, σε περίπτωση που συμβεί ένα συγκεκριμένο συμβάν. Για τη δοκιμή αυτή, το δείγμα κάμπτεται αρχικά ώστε να αντικατοπτρίζει τη γεωμετρία της προβλεπόμενης τοποθέτησης του εμφυτεύματος και το σχήμα αυτό διατηρείται καθ' όλη τη διάρκεια της εκτέλεσης. Προστέθηκε ένα έναυσμα ώστε αν το μήκος του δείγματος αλλάξει και πάλι σε οριζόντιο, όπως θα συνέβαινε σε περίπτωση θραύσης του δείγματος, η δοκιμή θα τερματιζόταν αμέσως. Αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για δοκιμές μεγάλης διάρκειας, καθώς οι χρήστες μπορούν να εφαρμόζουν ενεργοποιητές για τον τερματισμό του προγράμματος, σε περίπτωση που το δείγμα αποτύχει ή επιτευχθεί ένα επιθυμητό αποτέλεσμα.
Περίληψη
Το DMA 303 Eplexor® προσφέρει ένα ευρύ φάσμα συχνότητας, δύναμης και θερμοκρασίας, γεγονός που το καθιστά ιδανικό όργανο για θερμομηχανικές μετρήσεις σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Στο παρόν, περιγράψαμε την ικανότητα του οργάνου να ολοκληρώσει δοκιμές επιταχυνόμενης κόπωσης σε μια εμφυτεύσιμη βιοϊατρική συσκευή. Η δυνατότητα ακριβούς αντιστοίχισης με τις φυσιολογικές παραμορφώσεις και δυνάμεις, ενώ η επιτάχυνση της ταλάντωσης έως 150 Hz επιτρέπει στους χρήστες να ολοκληρώνουν δοκιμές κόπωσης σε κλάσμα του χρόνου. Μια δοκιμή διάρκειας 10 ετών για τη βιοϊατρική συσκευή που δοκιμάστηκε θα μπορούσε να ολοκληρωθεί σε μόλις 3,5 εβδομάδες.