基于可变载荷的锥颈面磨损检测系统设计

杨 抒，史春宝，靳忠民，解凤宝

（1.西南交通大学机械工程学院摩擦学研究所，四川成都 610031；2.北京市春立正达医疗器械股份有限公司，北京 101100）

可变载荷是指在整个设计使用过程中，其数值水平能够始终处于变化状态，且平均变化数值不被完全忽视的传输载荷结构体。按照其自身桥涵结构形式的不同，可细化分为活载（也叫基本可变荷载）与其他可变荷载两类。由于载荷数值不会随传输时间的累积而出现变化，因此恒定可变载荷也叫永久性荷载，一般情况下，其变化值与平均值之间的物理量偏差基本可以忽略不计。在整个恒定处理周期内，可变载荷总是持续施加在既定应用结构体之中，因此在进行结构设计时，必须综合考虑载荷变量的长期作用效应[1]。

锥颈面是为了减缓关节疼痛而利用人工手段在髋关节球头与股骨柄的接触部位所形成的锥颈连接面，以治疗髋关节疾病等。但是随着人体运动时间的延长，这种用于连接的锥颈面在髋关节假体中会出现明显的微动、磨损等现象，不仅会导致骨骼受力持续增大，也会对人体运动状态造成影响。现有的FPGA 型磨损检测系统在以太网硬件接口电路的支持下，对关节处的人体运动带电量进行精准计算，再借助既定连接协议，实现对电量信息的提取与分析。但该系统的UTI 与STI 指标数值水平过低，很难达到理想的标准条件。同时由于无法通过实验探测到锥颈面各方位的应力、微动幅值等数值，因此有学者将有限元分析应用到锥颈面磨损检测研究中，但是运用该分析方法并不能有效进行锥颈面磨损检测，其UTI 与STI 指标数值水平同样较低[2]。基于此，该文引入可变载荷理论，设计一种新型的锥颈面磨损检测系统，首先搭建检测系统的硬件执行环境，分别从时钟配置电路、数据链路层主机、软核检测处理器三部分进行搭建设计；其次搭建检测系统的软件执行环境，分别进行媒介工作模式配置、PHY 初始化检测程序设计以及GigE Vision 检测协议连接处理设计等。通过对比实验的方式，验证该系统的实际应用价值，实验结果表明，该系统能够有效确定锥颈面的磨损行为。

1 检测系统硬件执行环境搭建

锥颈面磨损检测系统的硬件执行环境由时钟配置电路、数据链路层主机、软核检测处理器三部分共同组成，具体搭建方法如下。

1.1 时钟配置电路

时钟配置电路是锥颈面磨损检测系统中的底层电量供应元件[3]，在已知变动载荷输出量条件的情况下，控制人体运动电子在单位时间内的实际传输数值，一般情况下，电路结构体所承担的人体运动电子量越多，锥颈面的实际磨损情况也就越严重。当MAX31342 设备保持较强电子输出能力时，存在X1与X2 感应接口之间的电阻R快速增大自身已接入的阻值水平[4]，而当该物理数值达到既定限度标准时，MCU（MicroController Unit）设备 会对MAX31342主机中的人体电流进行快速调节，直至能够准确感知锥颈表面的实际骨体磨损情况。时钟配置电路示意图如图1 所示。

图1 时钟配置电路示意图

1.2 数据链路层

数据链路层存在于锥颈面磨损检测系统的中层连接主体之中，可在时钟配置电路元件的作用下，对人体运动电子进行规划及再次整合，其最基本的服务功能是将源自上一层级的数据可靠地传输到相邻节点的目标网络层，即能够将还未完全消耗的电子参量反馈至下层系统的应用元件之中[5]。随着可变载荷调节强度的增大，锥颈面的实际滑动能力也会增强，且当锥颈外锥表面上的摩擦系数值达到既定标准值时，人体也会在较短时间内进入持续性的运动状态中，而当时钟配置电路中的电子输出量不再发生改变时，整个系统环境中的电子磨损消耗量也会逐渐趋于稳定。规定系统环境中的可变载荷条件始终不会超过理想数值水平[6]。数据链路层结构图如图2 所示。

图2 数据链路层结构图

1.3 软核检测处理器

软核检测处理器是锥颈面磨损检测系统的核心电子处理元件，能够在时钟配置电路、数据链路层等多个设备结构体的作用下，执行应用环境中的可变载荷约束条件[7]。通常情况下，人体锥颈面与系统核心检测主机之间存在明显的双向交流行为，且随着RAM 端口执行能力的增强，相关设备结构体之间的连接紧密度也会不断增大，直至系统检测主机能够对人体消耗电量进行实时控制[8]。若以一个中断信号传输周期作为判别系统检测能力的核心应用条件，则可在数据链路层结构中设置多个检测应用节点，并根据其中指标参量的具体记录情况，确定软核检测处理器的连接能力[9]。软核检测处理器结构如图3所示。

图3 软核检测处理器结构图

至此，完成了锥颈面磨损检测系统的硬件执行环境搭建。

2 检测系统软件执行环境搭建

在硬件执行环境的支持下，按照媒介工作模式配置、PHY 初始化检测程序设计、GigE Vision 检测协议连接的处理流程，完成系统的软件执行环境搭建，与系统的硬件执行环境相结合，实现基于可变载荷的锥颈面磨损检测系统的应用设计[10]。

2.1 媒介工作模式配置

媒介工作模式能够保证锥颈面磨损检测系统物理层与数据链路层工作模式的一致性，且能够在可变载荷的作用下，实现对人体电量的集中调度与分配。在已知待检测电量传输稳定的情况下，可借助ME88111 寄存器设备实现对系统媒介工作模式的初步调节，在此过程中，人体电量分子大量累积[11]，一部分直接用于系统后续检测指令的执行，另一部分则直接存储于系统数据库结构体之中，以供锥颈面组织的二次调度。规定系统内的传输电压量始终不会超过人体所能承受的安全电压值，那么在传输电压累积量处于该数值之下时，整个系统内的媒介工作模式始终将保持相对稳定的连接状态。媒介工作模式配置流程如图4 所示。

图4 媒介工作模式配置流程图

2.2 PHY初始化检测程序

锥颈面磨损检测系统中的PHY 初始化检测程序由MDIO、MDC、CTRL 三类共同组成，详细如表1 所示。其中，MDIO 程序作用于系统中所有的锥颈面组织，单位时间内所能承担的安全电量值可达11 000 B，且始终能对可变载荷传输量进行准确感知。MDC程序作用于系统中所有的锥颈面结构体，单位时间内所能承担的安全电量值仅能达到450 B，但对于可变载荷传输量的实际感知能力则相对较弱[12]。CTRL程序作用于系统中所有的已磨损锥颈成分，单位时间内所能承担的安全电量值处于500～1 000 B 之间，几乎不能独立感知系统内的可变载荷传输量。

表1 PHY初始化检测程序分类

2.3 GigE Vision检测协议

GigE Vision 检测协议连接是基于可变载荷锥颈面磨损检测系统设计的末尾处理环节[13]，可在已知PHY 初始化检测程序现有执行能力的基础上，限定锥颈平面的实际磨损程度，并以此为条件，制定满足应用标准的检测执行指令。简单来说，GigE Vision检测协议是以自动化图像指令为标准所制定的主机处置协议，可在自动化可变载荷领域中实现对人体电量数据的高速传输，一方面能够借助各项系统执行指令，处理待传输数据包，另一方面也可将待配置的数据流转化为直流传输的形式。

至此，实现了系统中软硬件执行环境的搭建，基于此，在可变载荷理论的支持下，完成新型锥颈面磨损检测系统的设计[14-16]。

3 系统应用能力检测

为验证基于可变载荷锥颈面磨损检测系统的实际应用能力，设计如下对比实验。选取一名锥颈面受损但仍旧具有行动能力的病人作为实验对象，在其锥颈面部位植入一电量感知芯片，记录该部位组织在既定实验时间内的实际磨损情况。其中，实验组记录主机搭载基于可变载荷的锥颈面磨损检测系统，对照组记录主机搭载现有FPGA 型磨损检测系统。

已知UTI 指标、STI 指标均能反映人体锥颈面的实际磨损情况，一般情况下，UTI 指标与STI 指标的数值水平越高，人体锥颈面的实际磨损程度就越弱，反之则越强。表2 记录了实验组、对照组的UTI 指标实际数值变化情况。

表2 UTI指标对比表

通过分析表2 可知，随着实验时间的延长，实验组的UTI 指标数值始终保持先上升、再稳定的变化趋势，全局最大值达到了81.2%，且能够保持相对较长一段时间内的稳定化存在状态。而对照组UTI 指标数值则始终呈现下降与上升交替出现的变化状态，全局最大值仅能达到66.9%，与实验组极值81.2%相比，下降了14.3%。此外，当实验时间达到50 min 时，实验组的UTI 指标数值比对照组的UTI 指标数值高了38.1%。综上可知，随着基于可变载荷锥颈面磨损检测系统的应用，UTI 指标数值水平得到了有效促进，能够实现对人体锥颈面磨损程度的有效控制，符合保护人体骨关节运动能力的实际应用需求。

表3 记录了实验组、对照组的STI 指标实际数值变化情况。

表3 STI指标对比表

通过分析表3 可知，随着实验时间的延长，实验组的STI 指标数值始终保持先稳定、再下降的变化趋势，全局最大值达到了85.4%，且能够保持相对较长一段时间内的稳定化存在状态。而对照组的STI 指标数值与实验组极值85.4%相比，下降了34.1%。此外，当实验时间达到50 min 时，实验组的STI 指标数值比对照组的STI 指标数值高了29.3%。综上可知，随着基于可变载荷锥颈面磨损检测系统的应用，STI指标数值水平也出现了大幅上升，能够在有效控制人体锥颈面磨损程度的同时，实现对人体骨关节运动能力的合理化保护。

4 结束语

所设计的锥颈面磨损检测系统通过搭建系统的硬件、软件执行环境，使得该检测系统能够在配置媒介工作模式的同时，也能够满足应用需求的PHY 初始化检测程序。从实用性角度来看，UTI 指标数值、STI 指标数值不断增大，能够在抑制锥颈面无效磨损行为的同时，实现对锥颈面组织滑动的精准化控制，而所设计检测系统的UTI 指标数值、STI 指标数值均高于现有FPGA 型磨损检测系统，表明所设计系统完全符合实际的应用需求，具备较强的推广可行性。