CN102293658B - 基于ct的组织或材料内部三维变形测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于CT的组织或材料内部三维变形测量系统及测量方法，属于新型医疗及科研检测仪器技术领域。本发明的方法为：1)将固定有标本的微型力学加载装置放置于CT扫描腔内；所述微型力学加载装置的测试腔支架为可透X线支架；2)分别扫描有力加载和无力加载时该标本的三维图像；3)对两次扫描的三维图像数据进行体图像相关分析，获得该标本内部的三维变形场。本系统包括微型力学加载装置、CT机和数据处理单元；所述微型力学加载装置的测试腔支架为可透X线支架。与现有技术相比，本发明能为实时观测测试件的微观影像学及生物力学实验提供可靠的试验基础，同时具有结构简单、可靠性好、适用面广的特点。

Description

基于CT的组织或材料内部三维变形测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于CT或显微CT的三维成像系统，尤其涉及一种对组织或材料内部进行加载及变形测量的系统及其测量方法，属于新型医疗及科研检测仪器技术领域。

背景技术

一直以来医用CT及高分辨率显微CT的功能还仅限于对组织器官的影像进行观察，然而如何实现CT扫描与加载同步进行，从而利用普通CT或显微CT成像原理观测材料内部的变形、受力或断裂等过程，并通过加载前后CT图像的三维相关分析，实现对各类材料内部三维微观变形的测量一直没有得到解决，尤其是对骨骼系统的测量和分析，由于其在体内具有支撑和运动的功能，所以骨骼系统的载荷传递功能对骨病的发病机理和诊断及治疗有着重要的意义。

在工业、地质矿产研究领域，采用在万能材料试验机的实验平台上组装CT扫描系统，从而实现对岩石、矿物等材料断裂方式的观测。

在此基础上，我们将该技术设想引入到医用CT甚至高分辨率显微CT等体内评价系统，同时利用CT图像的相关分析技术，实现动态、实时观测体内组织器官尤其是骨组织的受力分布及载荷变形关系，可广泛应用于疾病诊断、疗效评价、临床基础研究等相关领域。

然而目前，进行材料力学测试的加载装置通常体积较大，无法放置在医用CT及显微CT中进行实时力学加载；同时由于加载装置主要为金属构成，而产生严重的金属伪影，无法得到标本的清晰影像学资料。因而现有设备均不能直接应用于医用CT尤其是Mirco-CT内进行加载状态下的实时CT扫描。

发明内容

为了克服现有的力学加载装置体积和医用CT及Micro-CT检查要求的不匹配，以及避免装置本身对于X射线成像的干扰，本发明的目的在于提供一种基于CT的组织或材料内部三维变形测量系统及测量方法。

本发明的系统包括微型力学加载装置及CT机和数据处理单元；该系统中的微型力学加载装置不仅在关键部分可透X射线，避免对标本的影像清晰程度造成干扰，而且其设计结构及体积大小可适用于目前市场上现有的动物活体高分辨率显微CT系统，本发明的系统可实现CT扫描与加载同步进行，利用普通CT或显微CT成像原理观测材料内部的变形、受力或断裂过程等；并通过加载前后CT图像的三维相关分析，从而实现对生物体或标本受力状态下的内部微观形貌、断裂方式观测，再通过对CT三维重建图像的相关分析等图像处理手段，实现对物体三维变形或应力场的分析计算。

本发明的技术方案为：

一种基于CT的组织或材料内部三维变形测量方法，其步骤为：

1)将固定有标本的微型力学加载装置放置于CT扫描腔内；所述微型力学加载装置的测试腔支架为可透X线支架；

2)在无力加载状态时利用所述CT扫描该标本，得到一三维图像；

3)启动所述微型力学加载装置对该标本施加一定的应力或变形，并利用所述CT扫描有力加载状态时该标本的三维图像；

4)对2)、3)两次扫描的三维图像数据进行体图像相关分析，获得该标本内部的三维变形场。

进一步的，所述微型力学加载装置的测试腔支架为碳纤维杆支架、或聚甲醛支架、或聚醚醚酮支架。

进一步的，所述微型力学加载装置对该标本匀速地施加应力；所述CT为医用CT机或显微CT机。

一种基于CT的组织或材料内部三维变形测量系统，其特征在于包括微型力学加载装置、CT机和数据处理单元；所述数据处理单元分别与所述CT机、所述微型力学加载装置连接；所述微型力学加载装置位于所述CT机的检测腔中；所述微型力学加载装置的测试腔支架为可透X线支架。

进一步的，所述微型力学加载装置的测试腔支架为碳纤维杆支架、或聚甲醛支架、或聚醚醚酮支架。

进一步的，所述微型力学加载装置包括加载装置固定座、加载电机模块、载荷及位移传感器、夹具适配模块、测试腔支架、高度可调的底盘；所述加载装置固定座上装有所述加载电机模块；所述测试腔支架的一端安装于所述加载电机模块的一侧；所述测试腔支架的另一端与所述高度可调的底盘连接；所述夹具适配器模块活动连接于所述测试腔支架上；所述载荷及位移传感器位于所述加载电机与所述夹具适配模块之间，且其与所述加载电机模块连接。

进一步的，所述夹具适配模块的边缘上设有与所述测试腔支架相匹配的孔，通过匹配的孔串接于所述测试腔支架上。

进一步的，所述夹具适配模块为一圆柱状结构；所述测试腔支架包括四根碳纤维杆；所述夹具匹配模块边缘设有四个与所述碳纤维杆相匹配的孔。

进一步的，所述碳纤维杆支架的四根碳纤维杆相互平行且垂直于所述加载电机模块的侧面。

进一步的，所述夹具适配模块上设有若干夹具接口；所述CT机为医用CT机或显微CT机。

本发明的微型力学加载装置的体积为针对不同CT或Micro-CT检测腔的大小设计，微型力学加载装置与CT机的检测腔相匹配，可以用于在加载状态下材料的CT或Micro-CT的检测。微型力学加载装置的测试腔部分外周支架选用可透X线的高强度材料，如碳纤维、聚甲醛、聚醚醚酮等，可以透X线且对测试腔内测试物的X线成像没有干扰。

本发明中测试腔是测试进行的场所，用于放置测试件；针对不同测试件，测试腔内可通过适配接口连接不同的夹具，实现对测试件的拉、压、弯、扭等测试。并可以调整力学加载轴和测试物所成的角度。碳纤维杆支架使加载模块可以沿碳纤维杆滑动对测试件加压和拉伸，并可以通过载荷传感器来感知测试物受力的精确数值，通过位移感应器感应位移变化，即测试件受力后的形态改变。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、能为实时观测测试件的微观影像学及生物力学实验提供可靠的试验基础。

2、夹具适配模块可接配各类夹具，可以在一定范围内任意确定对于测试件的力学加载方向，从而可以观察多种力学加载方向下的不同影响。

3、本装置测试腔部位主要构件为碳纤维结构，保证可以进行CT或Micro-CT的扫描且对于测试件成像没有干扰。

4、本装置的力学加载可进行程序控制，可以提供不同力量及幅度的加载，配合夹具提供的角度，可以充分模拟各种生理和病理状态。

5、本装置配备载荷及位移传感器，从而可以准确的感知力学及作用轴方向的形态改变，并与电脑相连，通过程序进行实时的记录和分析。将此数据与CT图像数据相结合，可以获得相对应的实时生物力学及微观形态改变资料。

6、本装置结构简单，加工成本低，可靠性好，能够对各类骨标本、生物材料及其他非均质材料进行检测，适用面广。

附图说明

图1、本发明微型力学加载装置的结构示意图；

图2、本发明微型力学加载装置与CT结合的结构示意图；

图3、松质骨块标本示意图；

图4、加载及CT扫描示意图；

图5、加载前后松质骨块显微CT原始图像；

(A)加载前，(B)加载后，

图6、200N载荷时松质骨块三维位移场；

(A)U场位移，(B)V场位移，(C)W场位移，

图7、股骨上端固定及加载方式；

(A)内收5°，(B)前倾30°，

图8、犬股骨头加载前后显微CT断层图像；

(A)加载前，(B)加载后，

图9、300N载荷时犬股骨头三维位移场；

(A)U场位移，(B)V场位移，(C)W场位移。

具体实施方式

现结合附图对本发明进行进一步的详细描述：

本发明的微型力学加载装置如图1所示，其为可透射X线的微型力学加载装置，其包括一加载装置固定座、加载电机模块、载荷及位移传感器、夹具适配模块、由若干碳纤维杆构成的碳纤维杆支架、高度可调的底盘。

加载装置固定座上具有与Micro-CT检测腔相匹配固定的螺钉孔，用于将微型力学加载装置固定在CT上。

加载装置固定座上装有加载电机模块，加载电机模块由可程序控制的专用电机构成，通过程序控制加载电机模块，加载电机模块用于对测试物进行可控的力学加载。

加载电机模块与载荷及位移传感器连接，载荷及位移传感器与电脑相连接，载荷及位移传感器将感应到的加载力度和状态改变同步传送到电脑，通过电脑进行记录和分析。

加载电机模块的一侧安装有由四根碳纤维杆构成的碳纤维杆支架，碳纤维杆支架的另一侧与高度可调的底盘连接。

夹具适配器模块为一圆柱状结构，其边缘上设有与碳纤维杆支架相匹配的四个孔，夹具适配器接口通过其上的四个孔安装到碳纤维杆支架上，其与碳纤维杆支架为活动连接，夹具适配器可在碳纤维杆上自由滑动；夹具适配器模块的一个端面与载荷及位移传感器相连接，用于接收加载电机模块施加的力；夹具适配器模块的另一个端面与高度可调的底盘之间的空间构成一测试腔。夹具适配模块上设有若干夹具接口，可接配各类夹具，实现不同力学加载。

本发明中测试腔是进行测试的场所，用于放置测试件；针对不同测试件，测试腔内可通过适配接口连接不同的夹具，实现对测试件的拉、压、弯、扭等测试，并可以调整力学加载轴和测试物所成的角度。碳纤维杆支架使加载模块可以沿碳纤维杆滑动对测试件加压和拉伸，并可以通过载荷传感器来感知测试物受力的精确数值，通过位移感应器感应位移变化，即测试件受力后的形态改变。

本发明的系统，即微型力学加载装置与CT结合的结构示意图如图2所示，包括一CT机、微型力学加载装置和数据处理单元，CT机、微型力学加载装置分别与数据处理单元连接。当采用本发明的三维变形测量系统进行试验时，先调整测试腔有效测试空间的大小与测试件及扫描区域相匹配，然后通过夹具适配模块上的接口将选定的夹具连接到夹具适配模块上，再按照预定的加载方向，使用夹具将测试件固定。将整个微型力学加载装置固定于医用CT或Micro-CT检测腔内，使用CT机的预扫描功能调整好测试腔位置。进行CT或Micro-CT扫描记录力学加载前测试件的内部微观影像学表现，然后启动加载电机模块的控制程序进行逐步的力学加载，根据程序控制力学加载的程度。载荷及位移传感器感应所受力的大小和状态变化，并将数据传送至电脑，同时进行CT或Micro-CT扫描，实现生物力学和微观影像学的同步测量。利用测试件加载前后的断层扫描影像数据，采用体图像相关技术进行匹配和搜索，最终得到测试件内部三维位移场和应变场。

不同的力学加载方式及幅度，会对复杂结构测试件内部结构产生不同的影响。本发明系统就是通过特殊力学加载装置，使CT或显微CT可以对变形后的骨材料或其它非均质材料进行断层扫描，通过微观影像学观察不同载荷情况下测试件微观结构的改变状态，通过三维图像分析技术获得复杂结构材料的微观生物力学特性，为进一步了解测试件的微观结构与力学特性的关系提供检测手段。

实验一：松质骨骨块标本的内部微观压缩变形测量

实验材料：猪股骨髁松质骨制备成13mm×13mm×20mm骨块标本；加载装置的上下适配模块分别连接两个圆柱形平面压缩夹具，骨块标本平行放置于压缩夹具之间，使骨块长轴方向平行于加载方向。(如图3)

实验方法：加载装置及测试骨块放置于显微CT扫描腔内(图4)，启动控制软件控制加载电机匀速加载，分别在加载前(10N)及200N载荷时保持稳定，并分别进行显微CT扫描。对两次扫描的三维图像数据进行体图像相关分析，可获得松质骨内部三维变形场分布。

实验结果如图5、6所示，其中，图5为加载前松质骨块显微CT原始图像，图6为200N载荷时松质骨块三维位移场。

实验二：站立相股骨上端三维变形场测量

实验材料：以正常犬股骨上端标本为研究对象，模拟生理载荷作用下的股骨上端受力状态。加载端接配模拟髋臼的夹具，并与股骨头相配合，底端用牙托粉将股骨按照犬站立相的解剖角度进行固定(如图7所示)。

实验方法：将固定好的标本连同加载装置一起放置于显微CT扫描腔内，在无加载的状态时进行首次显微CT扫描；启动控制软件控制加载电机匀速加载，到300N时保持稳定，并进行二次显微CT扫描。对两次扫描的三维图像数据进行体图像相关分析，可获得犬股骨头内部三维变形场。

实验结果如图8、9所示，其中图8为犬股骨头加载前后显微CT断层图像，图9为300N载荷时犬股骨头三维位移场。

Claims (9)

1.一种基于CT的组织或材料内部三维变形测量系统，包括微型力学加载装置、CT机和数据处理单元；所述数据处理单元分别与所述CT机、所述微型力学加载装置连接；所述微型力学加载装置位于所述CT机的检测腔中；其特征在于，所述微型力学加载装置包括加载装置固定座、加载电机模块、载荷及位移传感器、夹具适配模块、测试腔支架、高度可调的底盘；其中，所述测试腔支架为可透X线支架；所述加载装置固定座上装有所述加载电机模块；所述测试腔支架的一端安装于所述加载电机模块的一侧；所述测试腔支架的另一端与所述高度可调的底盘连接；所述夹具适配模块活动连接于所述测试腔支架上；所述载荷及位移传感器位于所述加载电机模块与所述夹具适配模块之间，且其与所述加载电机模块连接。

2.如权利要求1所述的基于CT的组织或材料内部三维变形测量系统，其特征在于所述微型力学加载装置的测试腔支架为碳纤维杆支架、或聚甲醛支架、或聚醚醚酮支架。

3.如权利要求1所述的基于CT的组织或材料内部三维变形测量系统，其特征在于所述夹具适配模块的边缘上设有与所述测试腔支架相匹配的孔，通过匹配的孔串接于所述测试腔支架上。

4.如权利要求3所述的基于CT的组织或材料内部三维变形测量系统，其特征在于所述夹具适配模块为一圆柱状结构；所述测试腔支架包括四根碳纤维杆；所述夹具匹配模块边缘设有四个与所述碳纤维杆相匹配的孔。

5.如权利要求4所述的基于CT的组织或材料内部三维变形测量系统，其特征在于所述碳纤维杆支架的四根碳纤维杆相互平行且垂直于所述加载电机模块的侧面。

6.如权利要求1所述的基于CT的组织或材料内部三维变形测量系统，其特征在于所述夹具适配模块上设有若干夹具接口；所述CT机为医用CT机或显微CT机。

7.一种如权利要求1所述基于CT的组织或材料内部三维变形测量系统的测量方法，其步骤为：

1）将固定有标本的微型力学加载装置放置于CT机的检测腔内；所述微型力学加载装置的测试腔支架为可透X线支架；

2）在无力加载状态时利用所述CT机扫描该标本，得到一三维图像；

3）启动所述微型力学加载装置对该标本施加应力或变形，并利用所述CT机扫描有力加载状态时该标本的三维图像；

4）对2）、3）两次扫描的三维图像数据进行体图像相关分析，获得该标本内部的三维变形场。

8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于所述微型力学加载装置的测试腔支架为碳纤维杆支架、或聚甲醛支架、或聚醚醚酮支架。

9.如权利要求7或8所述的测量方法，其特征在于所述微型力学加载装置对该标本匀速地施加应力；所述CT机为医用CT机或显微CT机。

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