Entwicklung eines Messsystems zur Lebensdauerabschätzung von Prothesensystemkomponenten

Müller, André

Prothesensystemkomponenten werden bei der täglichen Nutzung erheblichen Belastungen ausgesetzt. Trotz dessen werden diese so leicht und kompakt wie möglich konzipiert, weshalb die Strukturfestigkeit dieser Bauteile nur geringfügige Reserven aufweist. Des Weiteren weisen die Belastungskollektive unterschiedlicher Anwender eine große Streuung auf, sowohl in der Höhe der Belastung, als auch in der Anzahl der täglich umgesetzten Schritte. Eine Aussage über Belastungen, welche bei der Verwendung einer Prothese auftreten, ist daher unpräzise und nur mit hohem Risiko zu treffen. Somit ist es nicht möglich, Informationen über den strukturellen Zustand oder die Wiedereinsatzfähigkeit bereits benutzter Prothesenkomponenten zu ermitteln. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach wiedereinsatzfähigen Produkten gewinnt dieser Umstand seitens der Kostenträger, insbesondere bei hochpreisigen Systemkomponenten, zunehmend an Relevanz. Ein Messsystem, welches die schädigungsrelevanten Belastungen erfasst und auswertet, kann die Analyse der Restlebensdauer der Strukturbauteile ermöglichen. Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Konzeption und Entwicklung eines derartigen Messsystems zur Lebensdauerabschätzung genutzter Komponenten von Prothesensystemen. Die Berechnung der Lebensdauer erfolgt mithilfe linearer und nichtlinearer Schadensakkumulationsmodelle nach dem Nennspannungskonzept. Weiterführende Ansätze, z.B. das KF- und IMAB-Verfahren, bedürfen zusätzlicher Informationen wie der Kollektivform, um eine genauere Lebensdauerabschätzung sicherzustellen. Der Einsatz dieser Verfahren in Verbindung mit Online Structural Health Monitoring Systemen ist fraglich, da diese Informationen vorab nicht immer zur Verfügung stehen. Im Verlauf der Arbeit wird aufgezeigt, wie eine kontinuierliche Berechnung der Schädigung auch ohne diese Informationen erfolgen kann. Des Weiteren wird ein Vergleich der Treffsicherheiten zwischen linearen und nichtlinearen Lebensdauermodellen im Abgleich mit dem KF- und IMAB-Verfahren durchgeführt. Auf diese Weise kann eine Aussage darüber getroffen werden, welches Verfahren mit dem Messsystem bevorzugt eingesetzt werden sollte. Die energieeffiziente Erzeugung von Messsignalen bedarf des Einsatzes spezieller Sensoren. Aus diesem Grund werden in experimentellen Untersuchungen die materialbedingten Randeffekte piezokeramischer Sensoren analysiert und bewertet. Hierbei werden Effekte wie das Hystereseverhalten, die mechanische Depolarisation und Alterung sowie das Temperaturverhalten näher untersucht. Basierend auf den Versuchsergebnissen werden Lösungsvorschläge zur Kompensation derartiger Randeffekte bei der Messsignalerfassung erarbeitet. Die mechanische Konstruktion und Dimensionierung des Messsystems erfordert Kenntnisse über die Höhe der auftretenden Belastungen während des Gangzyklus. Diese werden aus empirisch ermittelten Daten aus einer Studie von Mobilitätsuntersuchungen an Oberschenkelamputierten abgeleitet. Die Auswertung der Studie gibt einen Überblick über die Kraftvektoren, die Belastungskollektive sowie die Schrittzyklen pro Tag, welche bei der Verwendung einer Prothese auftreten. Mithilfe der ermittelten Daten erfolgt die mechanische Konstruktion des Messsystems. Dieses wird in abschließenden Versuchen einer Beurteilung der Messgenauigkeit unterzogen.

Prosthetic components are subjected to considerable stress during daily use. Regardless, light weight and compact size are important product features, therefore overdesign of structural strength margins should be minimized if possible. Additionally the resulting loading profiles of different prosthetic users show a wide variety in the stress amplitudes and daily steps taken. However in opposition, the stress amplitudes generated by individual users can only be estimated, which often then requires the use of high safety factors to compensate for the uncertainty. Because of the wide variety of individual loading profiles, it is not possible to declare the remaining lifetime of certain components in a reliable way. Therefore a reuse of these components is generally not an option, despite the increasing demand for reusable products from consumers and healthcare providers, especially for high priced components. A measuring system which is able to detect and evaluate the stress amplitudes can help to monitor the fatigue damage and to calculate the remaining lifetime of the components. The present thesis includes the conception and development of such a measuring system for an improved remaining lifetime estimation of prosthetic components. The remaining lifetime can be calculated by using linear and nonlinear damage accumulation models according to the nominal stress concept. More sophisticated methods, like the KF- and IMAB-method, make use of additional information to create more accurate lifetime estimations. This additional information can, for example, be loading profiles from individual prosthetic users. In combination with Online Structural Health Monitoring Systems, the use of these more sophisticated methods seems suspect, because the needed information is not generally available in advance. The thesis describes how a continuous damage calculation can occur, advantageously without having advance knowledge of the individual loading profiles. Furthermore this thesis includes a comparison of the lifetime estimation accuracy of linear and nonlinear methods, as well as comparisons with the KF- and IMAB-methods. Based on these results a statement can be made regarding which method should be preferred in combination with the Online Structural Health Monitoring System. Special sensors are required for an energy-efficient generation of measuring signals. For this reason sensor based side effects of piezoceramic sensors are analyzed in different experiments. Effects such as measuring signal hysteresis, mechanical depolarization, ageing and temperature behavior are examined in more detail. By making use of the experimental data, solutions for the compensation of detected measuring process side effects are proposed. The design of the measuring system requires knowledge about the stress amplitudes during the gait cycle. These are derived from empirically determined data from a study of mobility analysis of transfemoral amputees. The study gives an overview of the load vectors, the loading profiles and the daily step count during prosthetic use. Based on the researched data the design of the measuring system can be realized. The measuring system gets analyzed in final experiments, allowing a statement regarding the measuring accuracy of the system.

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Müller, André: Entwicklung eines Messsystems zur Lebensdauerabschätzung von Prothesensystemkomponenten. 2018.

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