DE4039418A1

DE4039418A1 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung und auswertung von strukturveraenderungen inhomogener materialien unter belastung

Info

Publication number: DE4039418A1
Application number: DE19904039418
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof Dr Schneider; Stefan Vollstaedt
Original assignee: Martin Luther Universitaet Halle Wittenberg
Current assignee: Martin Luther Universitaet Halle Wittenberg
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1990-11-30
Publication date: 1992-06-04

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung und Auswertung von Strukturveränderungen inhomogener Materialien, insbesondere biologischer Gewebsstrukturen. Es kommt dort zur Anwendung, wo detaillierte Kenntnisse an speziellen Abschnitten der inhomogenen Materialien benötigt werden. Feststellen kann man sowohl die Veränderung (Umformung) dieser speziellen Bereiche bei Belastungen unterhalb der Bruchgrenze als auch das Frakturverhalten dieser Abschnitte. Bei Einbringung eines zweiten Werkstoffes in einen inhomogenen Grundstoff kann das Zusammenwirken beider Materialien dargestellt werden. Dies ist zum Beispiel bei der Anwendung von Plastwerkstoffen aber auch in der Medizin (Unfallchirurgie), zum Beispiel bei dem Zusammenwirken von Knochen und Stabilisierungselementen erforderlich.

Bisher wurden Kraft-Weg-Diagramme von biologischen Materialien, wie zum Beispiel Knochenpräparaten, aufgezeichnet, um die Belastbarkeit entsprechend der festgelegten Kriterien für Festigkeitsuntersuchungen zu ermitteln. Voraussetzungen für diese Festigkeitsuntersuchungen sind einerseits homogene Werkstoffe wie sie in der Regel in der Technik verwendet werden und andererseits ist die Einhaltung der von der Festigkeitsmechanik geforderten Abmaße der Prüfkörper gefordert. In biologischen Materialien liegen inhomogene Strukturen vor, die innerhalb des Systems, beispielsweise in einem spongiösen Knochen, wechselnd sein können. Daher ist die Anwendung klassischer Festigkeitsuntersuchungen nicht möglich. Eine Herstellung von Prüfkörpern ist mit der Gefahr der Änderung der Knochenstruktur verbunden. Diese Prüfkörper wären außerdem nicht repräsentativ, da die Wechsel in der Struktur nicht erfaßt werden kann. Für die Traumatologie interessieren beispielsweise die Schwachstellen des Knochens und die Belastbarkeit der Knochenstrukturen in Bereichen, in die Implantate zur Stabilisierung von Frakturen eingebracht werden sollen. Das Zusammenwirken zwischen knöchernen Strukturen und Blutpuffer muß erkennbar sein. Aussagen über das Verhalten von Geweben wie Sehnen, Bänder und Dura bei entsprechender Belastung sollten visuell erfaßbar sein.

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren und die Entwicklung einer Vorrichtung, mit der auf einfache Weise Strukturveränderungen inhomogener Materialien unter Belastung visuell erfaßt und ausgewertet werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung und Auswertung von Strukturveränderungen inhomogener Materialien unter Belastung zu entwickeln, die sowohl eine elektronische Messung der einwirkenden Kraft in Abhängigkeit vom Weg, als auch eine visuelle Darstellung und bildanalytische Verarbeitung der sich abspielenden Vorgänge bei Krafteinwirkung auf inhomogene Materialien ermöglicht. Dabei muß jede Krafteinwirkungsrichtung reproduzierbar sein. Erfindungsgemäß wird in einer Kraftmeßkammer, die aus einem mikroskopisch durchsichtigen Material, beispielsweise aus Plexiglas, besteht, die zu untersuchende Probe einer Kraft ausgesetzt. Die Art der Kraftausübung und -änderung wird vom Nutzer festgelegt. Sie kann sowohl kontinuierlich, als auch intermittierend erfolgen. Dabei ist es möglich, Kraftbeträge und Kraftdifferenzen elektronisch zu messen und die eintretenden strukturellen Veränderungen der inhomogenen Materialien visuell darzustellen, bildanalytisch zu verarbeiten und auszuwerten. Dies erfolgt über ein mit einem Sensorblock verbundenes Meß- und Bildverarbeitungssystem, das aus einem Mikroskop, einer Videokamera, einem Aufzeichnungsgerät, einer Digitalisierungseinheit und einer Computerspeicherung und -verarbeitung besteht.

Hauptbestandteil der erfindungsgemäßen Kraftmeßkammer ist ein Grundkörper, der sowohl aus der Einrichtung zur Aufnahme und Belastung der Probe, im folgenden Probenkammer genannt, als auch dem Sensorblock besteht. Die Probenkammer besteht aus einem austauschbaren Widerlager, das die Kraft und den zurückgelegten Weg auf den Sensorblock überträgt, einem Element zur variierbaren Kraftausübung auf die Probe und einer Antriebsvorrichtung. Diese Probenkammer wird durch ein Verschlußelement verschlossen und arretiert. Die zu untersuchende Probe wird nach entsprechender Vorbehandlung, die sich nach der geforderten Aufgabenstellung richtet, in die Probenkammer eingelegt. Zuvor wird das der Aufgabenstellung entsprechende Element zur variierbaren Kraftausübung in die Probenkammer eingesetzt bzw. gegen das für eine andere Aufgabenstellung verwendete ausgetauscht. Nach Aufsetzen des variablen Verschlußelements ist die Probenkammer meßbereit. Mit der Antriebsvorrichtung wird das Element zur variierbaren Krafteinwirkung mit der Probe in Kontakt gebracht, ohne daß eine Krafteinwirkung erfolgt (Ausgangswert). Danach wird eine Kraft ausgeübt und die Abhängigkeit zwischen Größe der Krafteinwirkung und den strukturellen Veränderungen des inhomogenen Materials erfaßt.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Die Vorrichtung besteht aus folgenden Elementen:

1. Sensorblock,
2. Abdeckplatte,
3. Widerlager,
4. Teil zur variablen Kraftübertragung auf die Probe,
5. Spindel zur Kraftausübung,
6. Spindelbewegungsvorrichtung,
7. Verschlußmechanismus, bestehend aus: Verschlußbügel, Verschlußexzenter, Verbinder für Verschlußbügel und -exzenter,
8. Anschläge für Verschlußbügel,
9. Aufnahmevorrichtung für Spindel und Spindelbewegungsvorrichtung.

Diese Elemente nimmt ein Grundkörper aus Piacryl auf. Innerhalb des Grundkörpers befindet sich die Meßkammer. Eine Schmalseite des Grundkörpers dient zur Befestigung des Sensorblockes und zur Aufnahme des Widerlagers. Die gegenüberliegende Schmalseite enthält die Aufnahme für Spindel und Spindelbewegungsvorrichtung, sowie auf der Oberseite des Grundkörpers eine Ausarbeitung, die eine Entfernung der Deckplatte aus der Meßkammer ermöglicht. Die Deckplatte besteht aus mikroskopisch durchsichtbarem Material und ist in die Meßkammer eingepaßt. Sie enthält an einer Schmalseite, in Übereinstimmung mit dem Grundkörper, eine Ausarbeitung, die eine Entfernung der Deckplatte aus der Meßkammer ermöglicht. An den Längsseiten der Deckplatte sind zwei Vorrichtungen eingearbeitet, um den Eingriff des Verschlußmechanismus zu erreichen. Der Verschlußmechanismus besteht aus: Verschlußbügel, Verschlußexzenter, Verbinder für Verschlußbügel und -exzenter. Der Verschlußexzenter wird durch zwei Drehteile gebildet, die jeweils an der inneren Stirnseite einen außermittig gesetzten Stift und an der äußeren Stirnseite eine mittig gesetzte Bohrung mit Gewinde zur Befestigung des Verschlußbügels besitzen. Durch die Bewegung des Verschlußbügels in die waagerechte Ebene greifen die, an den inneren Stirnseiten der Drehteile befindlichen Stifte in die Verschlußvorrichtungen der Deckplatte ein und verriegeln diese. Durch die entgegengesetzte Bewegung des Verschlußbügels wird die Deckplatte entriegelt.

Claims

1. Verfahren zur Erfassung und Auswertung von Strukturveränderungen inhomogener Materialien, gekennzeichnet dadurch, daß die zu untersuchende Probe einer Kraft ausgesetzt wird, wobei die Art der Kraftausübung und -änderung vom Nutzer festgelegt wird, Kraftbeträge und Kraftdifferenzen elektronisch gemessen werden und die dabei eintretenden strukturellen Veränderungen des inhomogenen Materials visuell dargestellt, bildanalytisch verarbeitet und ausgewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kraftausübung und -änderung kontinuierlich oder intermittierend erfolgt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß ein Grundkörper aus mikroskopisch durchsichtigem Material aus einer Einrichtung zur Aufnahme und Belastung der Probe, im folgenden Probenkammer genannt, und einem angekoppelten Sensorblock besteht, wobei die Probenkammer aus einem Widerlager, das die Kraft und den zurückgelegten Weg auf den Sensorblock überträgt, einem austauschbaren Element zur variierbaren Kraftausübung, einer Antriebsvorrichtung und einem mikroskopisch durchsichtigen Verschlußelement besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Element zur variierbaren Kraftausübung entsprechend der Aufgabenstellung, beispielsweise für Zugversuche von Sehnen, Dura und Membranen oder Druckversuchen an Knochenschliffen, ausgelegt wird und damit die entsprechenden Vorrichtungen zur Fixierung der Probe enthält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß das Widerlager entsprechend der Aufgabenstellung ausgelegt ist.