基于可變載荷的錐頸面磨損檢測系統(tǒng)設計

楊 抒，史春寶，靳忠民，解鳳寶

（1.西南交通大學機械工程學院摩擦學研究所，四川成都 610031；2.北京市春立正達醫(yī)療器械股份有限公司，北京 101100）

可變載荷是指在整個設計使用過程中，其數(shù)值水平能夠始終處于變化狀態(tài)，且平均變化數(shù)值不被完全忽視的傳輸載荷結構體。按照其自身橋涵結構形式的不同，可細化分為活載（也叫基本可變荷載）與其他可變荷載兩類。由于載荷數(shù)值不會隨傳輸時間的累積而出現(xiàn)變化，因此恒定可變載荷也叫永久性荷載，一般情況下，其變化值與平均值之間的物理量偏差基本可以忽略不計。在整個恒定處理周期內(nèi)，可變載荷總是持續(xù)施加在既定應用結構體之中，因此在進行結構設計時，必須綜合考慮載荷變量的長期作用效應[1]。

錐頸面是為了減緩關節(jié)疼痛而利用人工手段在髖關節(jié)球頭與股骨柄的接觸部位所形成的錐頸連接面，以治療髖關節(jié)疾病等。但是隨著人體運動時間的延長，這種用于連接的錐頸面在髖關節(jié)假體中會出現(xiàn)明顯的微動、磨損等現(xiàn)象，不僅會導致骨骼受力持續(xù)增大，也會對人體運動狀態(tài)造成影響。現(xiàn)有的FPGA 型磨損檢測系統(tǒng)在以太網(wǎng)硬件接口電路的支持下，對關節(jié)處的人體運動帶電量進行精準計算，再借助既定連接協(xié)議，實現(xiàn)對電量信息的提取與分析。但該系統(tǒng)的UTI 與STI 指標數(shù)值水平過低，很難達到理想的標準條件。同時由于無法通過實驗探測到錐頸面各方位的應力、微動幅值等數(shù)值，因此有學者將有限元分析應用到錐頸面磨損檢測研究中，但是運用該分析方法并不能有效進行錐頸面磨損檢測，其UTI 與STI 指標數(shù)值水平同樣較低[2]?；诖?，該文引入可變載荷理論，設計一種新型的錐頸面磨損檢測系統(tǒng)，首先搭建檢測系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境，分別從時鐘配置電路、數(shù)據(jù)鏈路層主機、軟核檢測處理器三部分進行搭建設計；其次搭建檢測系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境，分別進行媒介工作模式配置、PHY 初始化檢測程序設計以及GigE Vision 檢測協(xié)議連接處理設計等。通過對比實驗的方式，驗證該系統(tǒng)的實際應用價值，實驗結果表明，該系統(tǒng)能夠有效確定錐頸面的磨損行為。

1 檢測系統(tǒng)硬件執(zhí)行環(huán)境搭建

錐頸面磨損檢測系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由時鐘配置電路、數(shù)據(jù)鏈路層主機、軟核檢測處理器三部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 時鐘配置電路

時鐘配置電路是錐頸面磨損檢測系統(tǒng)中的底層電量供應元件[3]，在已知變動載荷輸出量條件的情況下，控制人體運動電子在單位時間內(nèi)的實際傳輸數(shù)值，一般情況下，電路結構體所承擔的人體運動電子量越多，錐頸面的實際磨損情況也就越嚴重。當MAX31342 設備保持較強電子輸出能力時，存在X1與X2 感應接口之間的電阻R快速增大自身已接入的阻值水平[4]，而當該物理數(shù)值達到既定限度標準時，MCU（MicroController Unit）設備 會對MAX31342主機中的人體電流進行快速調(diào)節(jié)，直至能夠準確感知錐頸表面的實際骨體磨損情況。時鐘配置電路示意圖如圖1 所示。

圖1 時鐘配置電路示意圖

1.2 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層存在于錐頸面磨損檢測系統(tǒng)的中層連接主體之中，可在時鐘配置電路元件的作用下，對人體運動電子進行規(guī)劃及再次整合，其最基本的服務功能是將源自上一層級的數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)较噜徆?jié)點的目標網(wǎng)絡層，即能夠?qū)⑦€未完全消耗的電子參量反饋至下層系統(tǒng)的應用元件之中[5]。隨著可變載荷調(diào)節(jié)強度的增大，錐頸面的實際滑動能力也會增強，且當錐頸外錐表面上的摩擦系數(shù)值達到既定標準值時，人體也會在較短時間內(nèi)進入持續(xù)性的運動狀態(tài)中，而當時鐘配置電路中的電子輸出量不再發(fā)生改變時，整個系統(tǒng)環(huán)境中的電子磨損消耗量也會逐漸趨于穩(wěn)定。規(guī)定系統(tǒng)環(huán)境中的可變載荷條件始終不會超過理想數(shù)值水平[6]。數(shù)據(jù)鏈路層結構圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)鏈路層結構圖

1.3 軟核檢測處理器

軟核檢測處理器是錐頸面磨損檢測系統(tǒng)的核心電子處理元件，能夠在時鐘配置電路、數(shù)據(jù)鏈路層等多個設備結構體的作用下，執(zhí)行應用環(huán)境中的可變載荷約束條件[7]。通常情況下，人體錐頸面與系統(tǒng)核心檢測主機之間存在明顯的雙向交流行為，且隨著RAM 端口執(zhí)行能力的增強，相關設備結構體之間的連接緊密度也會不斷增大，直至系統(tǒng)檢測主機能夠?qū)θ梭w消耗電量進行實時控制[8]。若以一個中斷信號傳輸周期作為判別系統(tǒng)檢測能力的核心應用條件，則可在數(shù)據(jù)鏈路層結構中設置多個檢測應用節(jié)點，并根據(jù)其中指標參量的具體記錄情況，確定軟核檢測處理器的連接能力[9]。軟核檢測處理器結構如圖3所示。

圖3 軟核檢測處理器結構圖

至此，完成了錐頸面磨損檢測系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境搭建。

2 檢測系統(tǒng)軟件執(zhí)行環(huán)境搭建

在硬件執(zhí)行環(huán)境的支持下，按照媒介工作模式配置、PHY 初始化檢測程序設計、GigE Vision 檢測協(xié)議連接的處理流程，完成系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境搭建，與系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境相結合，實現(xiàn)基于可變載荷的錐頸面磨損檢測系統(tǒng)的應用設計[10]。

2.1 媒介工作模式配置

媒介工作模式能夠保證錐頸面磨損檢測系統(tǒng)物理層與數(shù)據(jù)鏈路層工作模式的一致性，且能夠在可變載荷的作用下，實現(xiàn)對人體電量的集中調(diào)度與分配。在已知待檢測電量傳輸穩(wěn)定的情況下，可借助ME88111 寄存器設備實現(xiàn)對系統(tǒng)媒介工作模式的初步調(diào)節(jié)，在此過程中，人體電量分子大量累積[11]，一部分直接用于系統(tǒng)后續(xù)檢測指令的執(zhí)行，另一部分則直接存儲于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結構體之中，以供錐頸面組織的二次調(diào)度。規(guī)定系統(tǒng)內(nèi)的傳輸電壓量始終不會超過人體所能承受的安全電壓值，那么在傳輸電壓累積量處于該數(shù)值之下時，整個系統(tǒng)內(nèi)的媒介工作模式始終將保持相對穩(wěn)定的連接狀態(tài)。媒介工作模式配置流程如圖4 所示。

圖4 媒介工作模式配置流程圖

2.2 PHY初始化檢測程序

錐頸面磨損檢測系統(tǒng)中的PHY 初始化檢測程序由MDIO、MDC、CTRL 三類共同組成，詳細如表1 所示。其中，MDIO 程序作用于系統(tǒng)中所有的錐頸面組織，單位時間內(nèi)所能承擔的安全電量值可達11 000 B，且始終能對可變載荷傳輸量進行準確感知。MDC程序作用于系統(tǒng)中所有的錐頸面結構體，單位時間內(nèi)所能承擔的安全電量值僅能達到450 B，但對于可變載荷傳輸量的實際感知能力則相對較弱[12]。CTRL程序作用于系統(tǒng)中所有的已磨損錐頸成分，單位時間內(nèi)所能承擔的安全電量值處于500～1 000 B 之間，幾乎不能獨立感知系統(tǒng)內(nèi)的可變載荷傳輸量。

表1 PHY初始化檢測程序分類

2.3 GigE Vision檢測協(xié)議

GigE Vision 檢測協(xié)議連接是基于可變載荷錐頸面磨損檢測系統(tǒng)設計的末尾處理環(huán)節(jié)[13]，可在已知PHY 初始化檢測程序現(xiàn)有執(zhí)行能力的基礎上，限定錐頸平面的實際磨損程度，并以此為條件，制定滿足應用標準的檢測執(zhí)行指令。簡單來說，GigE Vision檢測協(xié)議是以自動化圖像指令為標準所制定的主機處置協(xié)議，可在自動化可變載荷領域中實現(xiàn)對人體電量數(shù)據(jù)的高速傳輸，一方面能夠借助各項系統(tǒng)執(zhí)行指令，處理待傳輸數(shù)據(jù)包，另一方面也可將待配置的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為直流傳輸?shù)男问健?/p>

至此，實現(xiàn)了系統(tǒng)中軟硬件執(zhí)行環(huán)境的搭建，基于此，在可變載荷理論的支持下，完成新型錐頸面磨損檢測系統(tǒng)的設計[14-16]。

3 系統(tǒng)應用能力檢測

為驗證基于可變載荷錐頸面磨損檢測系統(tǒng)的實際應用能力，設計如下對比實驗。選取一名錐頸面受損但仍舊具有行動能力的病人作為實驗對象，在其錐頸面部位植入一電量感知芯片，記錄該部位組織在既定實驗時間內(nèi)的實際磨損情況。其中，實驗組記錄主機搭載基于可變載荷的錐頸面磨損檢測系統(tǒng)，對照組記錄主機搭載現(xiàn)有FPGA 型磨損檢測系統(tǒng)。

已知UTI 指標、STI 指標均能反映人體錐頸面的實際磨損情況，一般情況下，UTI 指標與STI 指標的數(shù)值水平越高，人體錐頸面的實際磨損程度就越弱，反之則越強。表2 記錄了實驗組、對照組的UTI 指標實際數(shù)值變化情況。

表2 UTI指標對比表

通過分析表2 可知，隨著實驗時間的延長，實驗組的UTI 指標數(shù)值始終保持先上升、再穩(wěn)定的變化趨勢，全局最大值達到了81.2%，且能夠保持相對較長一段時間內(nèi)的穩(wěn)定化存在狀態(tài)。而對照組UTI 指標數(shù)值則始終呈現(xiàn)下降與上升交替出現(xiàn)的變化狀態(tài)，全局最大值僅能達到66.9%，與實驗組極值81.2%相比，下降了14.3%。此外，當實驗時間達到50 min 時，實驗組的UTI 指標數(shù)值比對照組的UTI 指標數(shù)值高了38.1%。綜上可知，隨著基于可變載荷錐頸面磨損檢測系統(tǒng)的應用，UTI 指標數(shù)值水平得到了有效促進，能夠?qū)崿F(xiàn)對人體錐頸面磨損程度的有效控制，符合保護人體骨關節(jié)運動能力的實際應用需求。

表3 記錄了實驗組、對照組的STI 指標實際數(shù)值變化情況。

表3 STI指標對比表

通過分析表3 可知，隨著實驗時間的延長，實驗組的STI 指標數(shù)值始終保持先穩(wěn)定、再下降的變化趨勢，全局最大值達到了85.4%，且能夠保持相對較長一段時間內(nèi)的穩(wěn)定化存在狀態(tài)。而對照組的STI 指標數(shù)值與實驗組極值85.4%相比，下降了34.1%。此外，當實驗時間達到50 min 時，實驗組的STI 指標數(shù)值比對照組的STI 指標數(shù)值高了29.3%。綜上可知，隨著基于可變載荷錐頸面磨損檢測系統(tǒng)的應用，STI指標數(shù)值水平也出現(xiàn)了大幅上升，能夠在有效控制人體錐頸面磨損程度的同時，實現(xiàn)對人體骨關節(jié)運動能力的合理化保護。

4 結束語

所設計的錐頸面磨損檢測系統(tǒng)通過搭建系統(tǒng)的硬件、軟件執(zhí)行環(huán)境，使得該檢測系統(tǒng)能夠在配置媒介工作模式的同時，也能夠滿足應用需求的PHY 初始化檢測程序。從實用性角度來看，UTI 指標數(shù)值、STI 指標數(shù)值不斷增大，能夠在抑制錐頸面無效磨損行為的同時，實現(xiàn)對錐頸面組織滑動的精準化控制，而所設計檢測系統(tǒng)的UTI 指標數(shù)值、STI 指標數(shù)值均高于現(xiàn)有FPGA 型磨損檢測系統(tǒng)，表明所設計系統(tǒng)完全符合實際的應用需求，具備較強的推廣可行性。