VIVO™ 六个 D.O.F.关节模拟器
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VIVO™

AMTI 的 VIVO™ 为关节运动模拟带来了新的变革,大大提高了模拟动力学和运动学的测试技术,对模拟关节内状态提供了最可靠的研究方法。VIVO™ 提供了世界上第一个全速和全负载的六自由度环境,在该环境下可测试关节植入体以及生物关节标本。
VIVO™ 的性能亮点包括:
  • 六个自由度——所有关节运动都可以控制和测量
  • 每个轴可以在力或位置控制中操作——包括零力控制模拟无约束轴
  • 方便用户对力和运动曲线进行编程
  • AMTI 独有的多纤维韧带模型——可以捕捉6 自由度的软组织轴间耦合
  • 也支持传统的启发式软组织模型
  • Grood 和 Suntay 坐标系——使用关节参考虚拟轴来描述运动学
  • 用户可以定义坐标——更改坐标系原点和方向,以适应安装的测试样品
  • 迭代学习控制——先进的前馈控制系统在循环测试期间快速、稳定的汇总指令
  • 温度控制血清循环和密闭腔系统
  • 提供一到三个独立可编程的单测试站——降低资金购置成本、占地面积要求和电源连接
  • 可选的 VivoSim 可视化软件——实时显示 Vivo 机器的精确缩放,并可提供被测部件和多纤维韧带模型

VIVO™ 性能概述

自由度/轴 规格
轴向载荷 ±4500 N
ML/AP load ±1000 N
力矩量程 ±80 N-m FE
±60 N-m FE
±50 N-m FE
屈曲/伸展 200° (Cartesian)
110° (Grood & Suntay)
旋内/旋外 ROM ±40 度
外展/内收 ROM ±25 度
垂直平移 50 mm 行程
ML/AP 平移 圆形工作区
50 mm 直径
*内容如有更改,恕不另行通知

VIVO™ 描述

VIVO™ 可以提供准确的膝、髋、肩、颞下颌、肘、踝和脊柱关节的模拟运动。可以用标准或定制的力和运动曲线进行 VIVO™ 编程,支持研究和测试程序,这些程序包括从日常生活 (ADL) 测试的标准活动到极限运动,甚至模拟意外状况和有害活动。

VIVO™ 支持两种虚拟软组织模型。VIVO™ 引入了 AMTI 独有的,正在申请专利的多纤维韧带模型,该模型可以捕获生物软组织系统特有的 6-DOF 轴间耦合。软组织建模能力的这一重大进步为关节模拟研究提供了技术支持,并配备了 VIVO™ 来处理预期的未来测试规范。VIVO™ 还提供了具有我们专利权的启发式约束模型。与我们较老版本的模拟器中使用的软组织模型进行向上兼容,在 VIVO™ 中,启发式约束模型已得到增强和扩展,具有更大的灵活性和可编程性。独立指定的启发式约束模型可用于处于力控制模式下的 VIVO™ 的每个轴。

VIVO™ 是世界上第一个完全支持 Grood 和 Suntay 关节坐标系统的模拟器,并被 ASTM、ISO 和 ISB 认证为生物力学关节测试的标准。关于由软件确定的关节参考轴,用户可定义力和运动,因此不必再考虑机器物理致动器复杂的、取决于姿势的和复合旋转运动学。虚拟坐标系也是 VIVO™ 独有的新测试设置系统中的关键启用元件。VIVO™ 可以感测关节或植入物是如何放置在工作空间中的,并且重新定位软件中的坐标原点以匹配关节的安装姿态。此功能适应实验设置中的安装变化。它放宽了将关节标本安装在适配器中所需的精度水平,而该适配器将标本保持在机器中。

VIVO™ 有一个新的、正在申请专利的迭代学习控制系统,以提高模拟器产生的实际力和位置的精度。基于现代控制理论,这种前馈、自调谐频域实施需要比以往更少的用户配置,但可提供比任何 AMTI 模拟器中都可获得的最佳稳定性和最快采集。

VIVO™ 能够进行短期运动和长期耐久性评估, 是一个可配置的系统,该系统可以在单个框架中包含一到三个关节测试站。这些测试站彼此独立地操作。VIVO™ 用户界面可在单独的 Windows 计算机主机上运行。UI 软件可以一键式复制站点之间的设置和编程,用于在多个站上运行相同的测试协议。

VivoSim 是一种可选的软件产品,通过其在空间中移动时显示关节分量和多纤维韧带的准确 3D 模型来帮助理解。VIVO™ 本身是一个完全功能的独立模拟系统,同时,VivoSim 提供了增强的能力,以研究纤维韧带模型,并单独检查每个光纤的应变、张力和分辨力分量。VivoSim 还具有近实时的独立建模功能。单独出售的 VivoSim 在网站上有相关描述。

VIVO™ 独特的速度组合、运动范围和力负载、可编程性和虚拟软组织模型的组合可以测试临床领域的关节植入失败模式,例如不利的边缘负载条件、微分离、茎和杯冲击、髁抬起和关节半脱位。

VIVO™ 是可用的最佳模拟系统。

先进的设计,以达到更准确的模拟目的

VIVO™ 的工作空间和紧凑型设计方便进行人体关节研究,同时最大限度地减少实验室地板空间的使用。

VIVO™ 系统由一至三个测试站组成,这些测试站作为一个单元被合并并装运。每个站配备六个伺服液压执行器。通过为一个框架中的所有站共享单个电源连接、实时控制器、液压压力供应和液压回路,可以优化采集和安装成本。虽然有单个实时控制器,但它执行每个站的独立控制环路。因此,可以对站进行编程并独立操作。

下层的独特的致动器配置提供了一个浮动瞬时旋转中心。与由 Grood 和 Suntay 坐标系统软件定义的虚拟轴结合,可消除在传统测试机设计中发现的许多关节对准问题。

精密位移传感器与液压致动器位于同一位置,为控制系统提供位置反馈。每个站都有一个六轴力传感器,该传感器测量接触力和力矩,用于力反馈。被测关节的下部直接安装到力传感器,实现了关节接触相互作用和反馈传感器之间的紧密耦合。由致动器非线性或缺陷引起的力扰动包括在力反馈测量中,并且可由控制系统校正。如果需要,可以输入耦合到力传感器的质量和极惯性矩,如此,控制系统可以消除惯性体力的影响。

每个站都有一个温度控制的血清密封和循环系统,用于在流体环境中进行测试。热板可以加热或冷却血清,以达到大约 10 ℃ 和 45 ℃ 之间的设定点。

多站 VIVO™ 帧中的站可独立运行。然而,VivoControl UI 可以一步复制站之间的程序和设置,这样,便可以对多个样本执行相同的测试协议。

VIVO 模拟技术的核心:控制系统

AMTI 广泛的生物力学模拟经验加上现代控制技术的进步促生了新的 VIVO™ 控制系统。该系统是目前最复杂的机器人控制系统,用于关节运动模拟。控制系统提供两种运动模式。

联合坐标系模式——实施 Grood 和 Suntay 关节坐标系 (JCS)。Grood 和 Suntay 关节坐标系已被国际生物力学学会、ASTM 和 ISO 采用。在 G&S 模式中,控制输入和数据输出沿关节参考轴解析,与有临床意义的方向相一致——内侧/外侧、后/前和牵引/压缩平移、屈曲/伸展、外展/内收和内/外旋转。致动器位置和 Grood 以及 Suntay 坐标之间的映射函数通过参考姿态设置来计算——用户识别定义的关 节姿态的 Grood 和 Suntay 坐标,然后在安装于机器中的测试样本上产生该姿态,并且选择 UI 上的指令 。还存在可以在任何时间选择的预定义默认映射。一旦定义了运动学映射,控制系统每秒 2000 次更新物理致动器位置与 Grood 和 Suntay 坐标之间的关系。此操作确保 Grood 和 Suntay 轴维护其关节参考定义,用于 IVO™ 物理工作空间内的所有机器姿态。在 G&S 模式中,弯曲/延伸轴具有 110° 的运动范围。通过使用 VIVO™ 的设置功能,该物理运动范围可以与虚拟 G&S 屈曲坐标的任何 110° 窗口相关联,但受到坐标值 ±180° 的限制。在 G&S 模式下,每个轴都可以在位置指令或力指令模式下运行。为每个轴独立选择指令模式,并且可以进行任意组合。

Cartesian 坐标系模式——与传统机器兼容。在 Cartesian 坐标模式中,输入和输出平移以及线性力是根据与机器框架一块固定的正交 X-Y-Z 坐标系来解析的。输入和输出旋转是根据与弯曲和 ab/内收致动器的物理致动器轴以及虚拟 Z-旋转致动器重合的旋转轴来解析的。在 Cartesian 坐标模式下,屈曲臂具有高达 200° 的行程范围。在 Cartesian 坐标模式下,下层的四个轴可以在力或位置指令模式下操作。屈曲和 ab/内轴仅在位置模式下操作。

指令波形由每个轴独立的 1024 点波形缓冲器生成。根据当前轴指令模式,波形可以解释为位置(平移或旋转)或力(线性力或力矩)指令。在位置和力指令模式之间切换轴就像在设置配置对话框中勾选一个框一样简单。通过设置缓冲周期来控制波形的速度,缓冲周期可以在 0.5 到 100 秒(2 到 0.01 Hz)之间。

高级迭代学习控制算法

VIVO™ 引入了一个全新版本的 AMTI 迭代学习控制 (ILC) 算法。这个新开发的、正在申请专利的系统部分在 VIVO™ 实时控制器上实现,部分在 VivoControl 主机软件中实现。与早期版本的 ILC 相比,新系统提高了在稳定性、收敛速度、残留误差和调整容易度方面的技术水平。

ILC 系统在编程波形的整个周期上采集误差数据。误差被变换为等效的频域表示,并且使用各种处理步骤,包括截断令人不感兴趣的频率,以及对轴变换函数的反相和幅度补偿。结果将被转换回时域,并作为增量应用于前一个周期中记录的轴位置。由于波形的分批处理和循环操作,这种方法产生了前馈补偿,理论上,该前馈补偿能够随时间将误差精确到零。虽然任何实际系统中的非重复干扰将会阻止真零误差,但在实际应用中,新系统通常会将误差降低到远低于指令的 1%。

获得的补偿可自动保存,并可在测试中断后被用作起点。当暂时停止称重测试、血清更换和密封袋更换等时,此功能将非常有用。

新系统包括我们称为“触觉映射”的预运行阶段。在开始新测试之前,几个周期的波形以大大降低的频率运行,通常是所需全速的 1/10 至 1/20。该减小的速度允许基本 P+I 控制系统以相对低的误差运行,实际上是测量关节的姿势依从性。对以全速计算方式估计的轴动力学的处理可以产生第一遍补偿。虽然这种方法通常不会完全消除误差,但它可以将测试初始循环期间的误差减少 50% 或更多,从而在测试的早期循环期间提供更快速的收敛以及减少样本损坏的机会。

ILC 系统可以禁用低速或非重复测试。在这些情况下,VIVO™ 的 P+I 轴控制器提供标准伺服液压控制系统的性能。

软组织模拟增强了现实主义

植入关节是天然生物结构和合成工程结构的复合材料。对关节结构的运动学、动力学和耐久性的精确模拟需要精确重建在体内产生的关节接触力。由于软组织力可以向关节接触力做非常大的贡献,因此实际的模拟环境必须包括模拟软组织力的影响的方式。

VIVO™ 提供两种虚拟软组织模型。

新的多纤维韧带模型是重新思考如何构建运动学上和动力学上精确的虚拟力模型的结果。它能够表示关节位移和所产生的模拟力之间的 6 个自由度交叉耦合。

VIVO™ 中的启发式约束模型是 AMTI 先前模拟器中使用的约束模型的增强版本,现在可以独立对力控制模式中的任何轴进行编程,并且能够将任何轴作为次轴使用来表示 2 轴交叉耦合 。

约束模型的输入取决于所选择的模型。

在启发式约束软组织模型中,每个轴可以通过单输入或双输入约束表来操作。要定义单输入模型,将 15 个轴坐标值定义为插值点,并将每个插值点处的约束力(或力矩)输入到表格中。操作期间,控制器使用瞬时轴坐标来内插到表格中并计算约束力。双输入模式可以捕获主轴与其他五个轴中的任一轴之间的交叉耦合。为辅助轴定义八个插补点。约束力(力矩)值表示为 8 条曲线,每条曲线对应定义的次轴插补点之一,并且包括沿着主轴的 15 个变化点。8 条曲线的集合定义了将约束力表示为主轴坐标和次轴坐标的双参数函数的表面。操作期间,控制器使用主轴和次轴坐标来执行向约束表的 2-D 式内插。通过每个轴,可以完全独立的实施这个模型。VivoControl UI 提供了帮助生成约束力表的工具,例如线性、二次和多项式拟合的弹簧模型。或者,可以通过外部应用以规定的 CSV 格式生成约束力表,并将其输入到 VivoControl 中。通过 VivoControl 还可导出 CSV 格式的约束力表。在其它用途中,启发式软组织约束模型通常需要测试,以符合当今 ISO 和 ASTM 标准。启发式软组织模型无论是在 Grood 和 Suntay 或 Cartesian 运动模式下均可用。

多纤维韧带模型产生于软组织建模的重构方法。对应于每个轴每个坐标的约束力不是提前确定的,在多纤维韧带模型中,通过指定关节分量近端和远端插入位点的 (x, y, z) 坐标、刚度、以及当关节处于限定的参考姿态时韧带具有的应变或松弛量来定义多达 100 根韧带纤维。参考姿态的长度通过坐标自动计算;结合在参考姿态处提供的应变,自动计算韧带的零力长度。操作期间,控制器实时计算韧带纤维的长度和作用线。对于接合的纤维,即那些被拉伸以超过其零力长度的纤维,这样计算的力被外施到 Grood 和 Suntay 坐标轴。基于作用线与 Grood 和 Suntay 轴之间的力矩臂来计算每个光纤的力矩。所有纤维的贡献力和力矩相加并外施到关节。通过实时控制器上的每个伺服刻度来执行这些计算。因此,它们与接头的瞬时运动构型自动同步。VivoControl 还提供基于 CSV 的多纤维韧带模型的导入/导出。客户可能希望使用外部建模工具来生成多纤维韧带模型。通过将模型从外部应用导出到定义的基于 CSV 的格式,然后将该文件导入 VivoControl,避免了模型的繁琐且容易出错的手动输入。

通过多纤维韧带模型可以开发对韧带平衡和手术后韧带状况的灵敏度测试,同时提供自然膝盖上的复杂轴间耦合。启发多纤维韧带模型的概念可用于未来的 ASTM 和 ISO 测试标准。

专为长期使用寿命而设计

要实现紧凑性和最长使用寿命,VIVO™ 采用全液压执行器设计。系统的主轴承采由流体静力支撑,以实现低摩擦、更精确的控制和更长的使用寿命。AMTI 独特的流体动力密封执行器减少了维护停机时间,并可持续数亿次循环。

需要单独的液压动力单元来进行操作。AMTI 可提供尺寸适合一、二或三工位 VIVO™ 系统的液压动力装置。如果愿意,客户可以使用自己的基础架构。有关要求,请咨询 AMTI。

高级测试样本保护和安全

VIVO™ 设定了保护宝贵测试投资的新标准。连续监测每个物理量。在故障或过载的情况下,控制器会发出响应以保护机器和样品。还可以为许多动态变量创建用户定义的极限和编程动作。这种快速响应防止了设置期间以及机器运行期间出现的意外样品损坏。

通过安装包含机器工作容积的光幕安全联锁,可以增强操作的安全性。可以通过钥匙开关禁用光幕,用于需要给机器通电方可进行的维护或设置操作。禁用光幕保护需要启用两个覆盖:钥匙必须插入到钥匙开关中,开关转到清楚标记的 “禁用 (DISABLE)” 位置,并且必须在 VivoControl UI 中选择覆盖设置。将钥匙开关转到 “DISABLE” 位置也会激活闪烁的警报灯。当开关处于 “DISABLE” 位置时,无法从钥匙开关上拔下钥匙。因此,可以使用现场协议来调节钥匙插入,以控制操作者克服光幕保护的能力。

标准主计算机可用于网站的轻松集成

VivoControl UI 软件在 Windows PC 上的紧凑型桌面盒中运行,具有多个可用的 USB 端口、一个光驱和两个千兆以太网适配器。VivoControl 由 AMTI 施行预安装。以太网适配器由 AMTI 配置,并保留给 VivoControl 用于与 VIVO™ 实时控制计算机建立通信。其他以太网适配器可用于连接到客户的 LAN。如果需要,客户还可以安装 WiFi 适配器。计算机、键盘、鼠标和显示器都装有 VIVO™。

VIVO™ 作为独立系统运行,所有与 VIVO™ 管理、控制和编程相关的 VivoControl 功能均可在无 LAN 连接的情况下使用。用户可以将主计算机连接到 LAN,以便于在 VIVO™ 主计算机上不时地传输文件,用于结果的后处理、归档设置和向其他 VIVO™ 装置的传输等。由于主计算机是标准的 Windows 客户端, 因此它可轻松的与大多数站点的 IT 基础设施集成。如果没有 LAN 连接,则文件需要通过物理介质来传输。

与 VivoSim 实时可视化软件的集成是一个可选功能,该功能需要 LAN 连接。(VivoSim 单独出售,并且在其他地方有其相关描述。)

†AMTI 在禁用 Windows 更新的情况下装运主机,并强烈建议使用此配置,以防止更新可能中断长时间运行测试。公司 IT 策略可能通过禁用更新来阻止或禁止客户端的 LAN 连接。

VIVO™ 执行各种 ISO 和 ASTM 测试标准

VIVO™ 能够执行 ISO 14242-1、ISO 14243-1、ISO/CD 14243-3、ISO 14879-1、ISO 16402、ISO 18192-1、ISO/TR 22676、ISO 7206-4、ASTM F1223 -08、ASTM F2790-10、ASTM F2694-07、ASTM F2777-10、ASTM F2028-08 和 ASTM F1829-98 测试。

有关 VIVO™ 的更多信息

要了解更多信息,请通过 vivo@amtimail.com与我们联系

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