CN101158679B

CN101158679B - 骨小梁的提取与力学性能测量方法及其测量装置

Info

Publication number: CN101158679B
Application number: CN2007101779944A
Authority: CN
Inventors: 姚学锋; 王鹏; 雷一鸣; 戴如春
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2007-11-23
Filing date: 2007-11-23
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2027-11-23
Also published as: CN101158679A

Abstract

本发明涉及骨小梁的提取与力学性能测量方法及其测量装置，属于生物力学实验技术领域。该方法包括：将骨头按照股小梁长度切成多个小块；将所述各小块松质骨中间的骨髓剔除干净，只剩下松质骨结构；选取中间含有一根完整骨小梁的松质骨结构小块，并将该骨小梁周围的骨小梁切除；对两端部固定的骨小梁进行与加载力平行的方向拉伸或压缩；将CCD摄像头对准该骨小梁，使得骨小梁在CCD中成清晰的图像；控制骨小梁拉伸或压缩的位移；同步记录下各个时间段小梁的图片和载荷；用数字散斑相关方法计算出各个不同载荷情况下的位移场和应变场；即可得到材料的泊松比和骨小梁的应力应变曲线。本发明可最大程度的减少损伤的产生并且使得到的骨小梁的各种力学性能参数更加精确。

Description

骨小梁的提取与力学性能测量方法及其测量装置

技术领域

本发明属于生物力学实验技术领域，特别涉及骨小梁的提取及力学性能表征技术。

背景技术

骨组织由皮质骨和松质骨组成。通过几十年的研究，人们对皮质骨的生物力学特性已经有了较深的认识，并将这些知识用于指导临床，发挥了巨大的作用。由于临床医学的需要，这些年来松质骨力学性能的研究逐渐成为研究热点。松质骨为骨小梁组成的网状结构，其生物力学特性由骨小梁的力学性能和孔隙度的大小决定。孔隙度的大小可以由Micro CT等实验方法测量和表征。对于小梁力学特性的研究，由于骨小梁直径在几十到几百微米量级，而且形状不规则，所以对测量技术提出了较大的挑战。

临床上许多疾病往往引起松质骨生物力学性能的改变，例如：股骨头坏死，骨质疏松。为了研究这些疾病对松质骨造成的影响，骨小梁力学性能的测量是必需做的实验之一。骨小梁力学性能的研究，为人们深入的认识这些疾病具有重要的意义，并为研究治疗方案提供了重要的参考。同时，研究清楚骨小梁的断裂载荷，对于研究和预测松质骨的断裂以及临床上常见的骨折现象的发生，提供了重要的实验数据。

从已有的文献看，尽管人们可以利用如三点弯、超声波等方法来测量小梁的力学性质，但是这些方法测量出来的结果相差比较大，而且实验装置和方法具有很大局限性。Ryan andWilliams对牛松质骨上的骨小梁公开了一种利用拉伸来测量骨小梁的力学性能的实验，其试验的拉伸装置通过挂钩拉动滑动块在导轨上面滑动，挂钩连接载荷传感器，测量拉伸小梁的载荷。其小梁夹持装置其通过铁片夹持住小梁。引伸计连接在拉伸装置上，测量拉伸的应变。其通过载荷传感器和引伸计分别测量载荷和应变。得到骨小梁的应力应变曲线和力学参数。

铁片夹持小梁，会在夹持的时候产生预应力。如果夹持力气太大就会压坏骨小梁，如果夹持力气太小，则会夹持不住小梁。在该装置中，两个加载端在一个平面上，而由于骨小梁形状各异，这样会导致拉伸过程中小梁的拉伸段和载荷的方向不平行，影响实验结果。而且采用的载荷传感器测量拉伸力，测出来的除了小梁受到的拉力外，还包括滑块在导轨上活动的摩擦力。使用引伸计测量应变，只能得到一个平均应变。而骨小梁的截面是各处变化的，各处的应变也是不同的，各点应变等这些信息都是引伸计无法获得的。

该实验中没有详细涉及怎样将骨小梁从松质骨上无损伤的提取下来。而无损伤的提取将成为决定后面力学性能测量成败的一个关键因素。

数字散斑相关方法是在20世纪80年代初由Peters和Ranson等人提出的。是一种非条纹光测方法，它是现代先进的光电子技术、数字图象处理技术与计算机技术相结合的产物，它直接对物体变形前、后的两幅散斑图象进行相关运算处理，以提取散斑图中所携带的变形信息。与传统的干涉测量方法相比，数字散斑相关方法直接从物体表面随机分布的人工或自然散斑场中提取变形信息，具有全场测量、非接触等优点，而且其光路简单，对测量环境要求低。其装置结构如图2所示，包括：CCD2、冷光源3和带有数字散斑相关算法的计算机4。其工作原理为：使用冷光源3照亮试件1表面，使用CCD2记录下试件变形前后的图像即可得到，然后将图像数据传给计算机4，使用数字散板相关算法，即可得到材料表面各点的位移值和应变值。在拉伸或者压缩状态情况下，用与载荷垂直方向的应变除以载荷方向的应变，即可得到材料的泊松比。该参数是其他的方法难以得到的。用载荷值除以材料的横截面积即可得到应力值，结合载荷方向的应变值即可得到该种材料的应力应变曲线。但在骨小梁力学性能测量的领域的应用未见报导。

发明内容

本发明的目的是为克服克服已有技术的不足之处，提出一种骨小梁的提取与力学性能测量方法，该方法包括骨小梁的无损伤提取和基于数字散斑相关方法的骨小梁的力学性能测量，可最大程度的减少损伤的产生并且使得到的骨小梁的各种力学性能参数更加精确。

本发明提出的骨小梁的提取与力学性能测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将股骨头或者脊椎骨的松质骨按照股小梁长度，切成多个小块；

2)将所述各小块松质骨中间的骨髓剔除干净，只剩下松质骨结构；

3)选取中间含有一根完整骨小梁的松质骨结构小块，逐步将该骨小梁周围的骨小梁切除；提取得到测量用的骨小梁；

4)将该骨小梁两个端部固定，且对该骨小梁进行与加载力平行的方向拉伸或压缩；

5)将CCD摄像头对准该骨小梁，调节该CCD位置和镜头焦距，使得骨小梁在CCD中成清晰的图像；

6)用计算机控制骨小梁拉伸或压缩的位移；同时控制CCD和载荷传感器同步记录下各个时间段小梁的图片和载荷；

7)用数字散斑相关方法计算出各个不同载荷情况下的位移场和应变场；

8)用与载荷垂直方向的应变除以载荷方向的应变，即可得到材料的泊松比。再用载荷值除以小梁的横截面积即可得到应力值，结合载荷方向的应变值即可得到骨小梁的应力应变曲线。

本发明还设计出用于上述方法的骨小梁力学性能测量的装置，其特征在于，该装置包括照明用的冷光源、CCD摄像头及CCD平移架、带有步进电机的拉伸装置、安装在拉伸装置中的载荷传感器、带有数字散斑相关算法的计算机；其连接关系为：CCD摄像头夹持在CCD平移架上，CCD平移架及冷光源安装在拉伸装置的上部，载荷传感器数据线，CCD的数据线以及步进电机的数据线与计算机相连。

本发明的特点及效果：

本发明提取骨小梁的方法可以使骨小梁损伤最小，以利于后续测量结果真实可靠。

本发明将数字散斑相关技术运用于骨小梁位移场及应变场的测量，得到骨小梁在拉伸过程中各点的位移及应变情况。可以得到骨小梁的强度，应力应变关系，弹性模量，泊松比等力学参数。各点位移场及应变场的获得，将对于研究骨小梁力学性能有着重要的意义。

本发明的测量装置可以通过调整使得小梁水平放置，保证拉伸或压缩实验要求。并且可以准确的确保小梁处于拉伸或压缩载荷的方向上，测量得到小梁各点的位移场和应变场。使得到的骨小梁的各种力学性能参数更加精确。

附图说明

图1为数字散斑相关方法的实验装置图

图2本发明采用数字散斑相关方法的骨小梁图像照片。

图3为本发明采用数字散斑相关方法得到的位移场。

图4为本发明采用数字散斑相关方法得到的应变场。

图5为本发明的脱水后骨小梁的实验应力应变曲线。

图6为本发明的骨小梁测量装置结构示意图。

图7为本发明的拉伸装置实施例结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的骨小梁的提取与力学性能测量方法及其装置结合附图及实施例详细说明如下：(因为拉伸和压缩只是加载段移动方向相反，其他一样。为了下面说明方便，以拉伸为例进行描述。本专利也适合于压缩情况。)

本发明方法的一种对实施例，该实施例是对生理状态下骨小梁力学性能的测量(在进行下面每一步的时候，要尽量保证小梁处在生理盐水中操作，以防止其因为脱水而影响其力学性能)，该方法包括以下步骤：

2)使用医用细钢针，将所述各小块松质骨中间的骨髓剔除干净，只剩下松质骨结构；

3)选取中间含有一根完整骨小梁的松质骨结构小块，逐步将该骨小梁周围的骨小梁切除；得到测量用的骨小梁；

4)将该骨小梁两个端部固定，且对该骨小梁进行与加载力平行的方向拉伸；

5)将CCD摄像头对准该骨小梁，调节该CCD位置和镜头焦距，使得骨小梁在CCD中成清晰的图像。

6)用计算机控制骨小梁拉伸的位移；同时控制CCD和载荷传感器同步记录下各个时间段小梁的图片和载荷；

本实施例的测量结果如图2、3、4所示，其中，图2中线框表示数字散斑相关方法计算的区域；图3，图4所示为计算出得骨小梁的位移场和应变场；为了说明方便，设小梁拉伸的方向为X方向，与此垂直的方向为Y方向。在图3，4中横坐标为骨小梁各点X方向的坐标，纵坐标为骨小梁各点Y方向的坐标。图3a的曲线为小梁表面各点X方向的位移值，图3b的曲线为小梁表面各点Y方向的位移值，图4a的曲线为小梁表面各点X方向的应变值，图4b的曲线为小梁表面各点Y方向的应变值，图4c的曲线为小梁表面各点剪切应变值。从图3a中可以看出X值越大的，位移也越大；在横截面积小的地方，位移条纹密。在图3b中可以看到，由于泊松效应而骨小梁在该方向出现了收缩的趋势。从X方向和Y方向的应变图中，如图4a和图4b所示，同样可以得出这样的规律。在剪切应变场中，如图4c所示，可以看出零剪切应变大致在图像中间，该线两边的应变大小对称，方向相反。从结果可以看出：由于骨小梁的截面是变化的，所以应变场和位移场的情况和均匀界面的材料不同。那个位置的应变或者位移值需要通过实验来测得，这个恰是数字散斑相关方法的优势所在。

本发明对脱水骨小梁的测量方法，其步骤与上述实施例基本相同，其区别之处是先将生理状态下骨小梁制成脱水骨小梁：即在上述第1)步骤与第2)步骤之间加入步骤：用酒精对骨小梁进行梯度脱水，然后采用干燥法干燥即可(其它每个步骤不用将试件处在生理盐水中)。

一种对脱水骨小梁的测量方法具体实施例为：

即在上述第1)步骤与第2)步骤之间，还包括以下步骤：

11)将松质骨用25％的酒精溶液洗涤两遍，放入70％的酒精溶液中浸泡1天；

12)把松质骨从70％的酒精溶液中取出，放入95％酒精溶液中浸泡2天；

13)把松质骨从95％的酒精溶液中取出，放入100％酒精溶液中浸泡1天；

14)把松质骨从100％的酒精溶液中取出，采用常规干燥法将松质骨干燥。

本发明对脱水后的骨小梁的实验过程计算出的应力应变曲线如图6所示，从图6看出，脱水后的骨小梁的应力应变曲线，一开始为线性段，当到达最大值后，出现脆性断裂。其力学参数值见表1：

表1 脱水骨小梁的力学性能

名称	弹性模量	断裂强度	泊松比
				数值	2.93GPa	40MPa	0.35

本发明还设计出用于上述方法中的测量装置实施例结构，如图6所示：该装置包括：照明用的冷光源3、CCD摄像头2及CCD平移架6(可调整上下高度，用于固定CCD且使其平移)、带有步进电机的拉伸(压缩)装置8、安装在拉伸装置中的载荷传感器14、带有数字散斑相关算法的计算机4；其连接关系为：CCD摄像头夹持在CCD平移架上，CCD平移架及冷光源安装在拉伸装置的上部，载荷传感器数据线，CCD的数据线以及步进电机的数据线与计算机相连。

本实施例的拉伸装置8的结构，如7a，b所示.图7a为拉伸装置8的俯视图，图7b为沿图7a虚线所示剖开后的剖面图。该装置包括：具有导轨18和水平调节旋钮7的固定框架20，固定在框架上的固定加载端12，两个在加载端12上的可以竖直移动的滑块16，两个控制滑块16位置的螺杆19，被两个滑块16夹着的夹片15；在导轨18上移动的移动加载端17，安装在移动加载端17上的载荷传感器14，安装在载荷传感器上的加载头13，控制移动加载端17移动的螺纹杆21，驱动螺纹杆21转动的步进电机5.其中，固定加载端12和加载头13均带有与固定框架平面平行的旋转轴，可以分别沿着固定框架20和载荷传感器旋转。

用上述装置具体加载小梁的方法如下：

1调整拉伸装置四个角的水平调节旋钮7，使得拉伸装置水平放置。

2将夹片夹在夹头上，通过调节夹头上的滑块位置，使得夹片朝上的那个面与加载头朝上的那个面在同一平面上。

3将处理好待测量的骨小梁胶固在拉伸装置台上的加载头和夹片的平面上。通过轻微调节加载头和夹头的旋转角度，以及夹片上下的位置。使得骨小梁加载段水平。

4用计算机控制步进电机，使得电机以设定的速度拉伸小梁。

5按照固定的频率，采集CCD图像及其对应的载荷和位移。

Claims

1.一种骨小梁的提取与力学性能测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将股骨头或者脊椎骨的松质骨按照骨小梁长度，切成多个小块；

8)用与载荷垂直方向的应变除以载荷方向的应变，即可得到材料的泊松比，再用载荷值除以小梁的横截面积即可得到应力值，结合载荷方向的应变值即可得到骨小梁的应力应变曲线。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第1)步骤与第2)步骤之间还包括用酒精对骨小梁进行梯度脱水，然后干燥。

3.采用如权利要求1所述方法的骨小梁力学性能测量的装置，其特征在于，该装置包括照明用的冷光源、CCD摄像头及CCD平移架、带有步进电机的拉伸装置、安装在拉伸装置中的载荷传感器、带有数字散斑相关算法的计算机；其连接关系为：CCD摄像头夹持在CCD平移架上，CCD平移架及冷光源安装在拉伸装置的上部，载荷传感器数据线，CCD的数据线以及步进电机的数据线与计算机相连；

所述拉伸装置包括：具有导轨和水平调节旋钮的固定框架，固定在框架上的固定加载端，设置在加载端上的两个滑块，设置在加载端上控制滑块竖直移动位置的两个螺杆，夹在两个滑块中的夹片；与该导轨相连并在导轨上移动的移动加载端，安装在移动加载端上的载荷传感器，安装在载荷传感器上的加载头，安装在固定框架的步进电机，与步进电机相连驱动并控制加载端移动的螺纹杆。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述固定加载端和加载头均带有与固定框架平面平行的旋转轴。