9、生物力学植入物的自供电传感器与电路研究

生物力学植入物的自供电传感器与电路研究

1. 植入物疲劳评估

在现实环境中，施加在植入物上的循环载荷大小会随环境条件而变化。例如，行走、跑步或攀爬等不同活动会使膝关节或髋关节植入物承受显著不同的载荷。为了确定植入物的疲劳情况，文献中提出了几种用于非周期性载荷条件下疲劳寿命预测的算法，其中最常用的是Palmgren - Miner法则，通常简称为Miner法则。

Miner法则的基本形式假设，每个幅值为i的应变循环会消耗总疲劳寿命的1/Ni，其中Ni是材料在应变水平i下发生失效所需的疲劳循环次数，用代数形式表示为：
[ \sum_{i} \frac{n_i}{N_i} = 1 ]

尽管Miner法则并不完美，也并非适用于所有可能的载荷条件，但在实际中仍常用于估算结构部件的疲劳寿命。在应用Miner法则计算任意载荷循环的统计数据之前，需要进行预处理步骤。其中一种流行的预处理技术是雨流计数法，它能将变化的应力 - 应变测量谱简化为一组简单的应力 - 应变反转。该算法会统计应变幅值超过预定义阈值的事件总发生次数，这些阈值通常是量化的应变水平。然后，根据Miner法则，将事件总计数ni（i = 1, …, 6）通过S - N曲线中的Ni进行归一化。

2. 体内应变测量与自供电传感的动机

目前，测量应变（无论是压缩应变还是拉伸应变）最常用的方法是使用应变计。应变计通常由压阻材料制成，如康铜、镍铬合金V、钨、卡玛型合金丝甚至半导体材料。自20世纪30年代首次应用以来，应变计不仅尺寸缩小，而且灵敏度提高（通过应变系数量化，即施加应变时电阻的归一化变化）。金属应变计的应变系数可达10，而使用纳米复合材料制造的下一代应变计有望达到30以上。 </