CN112113836A - 基于3d打印的关节内压力和骨骼非接触应变测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属生物力学领域，具体涉及一种基于3D打印的关节内压力和骨骼非接触应变测量的实验测试系统，包括：力加载装置、受测件固定装置、待测骨3D打印模型、非接触式应变测试系统、关节内压力采集系统，旨在解决非常规待测环境下受测部位力学性能实验测试问题。该实验测试系统以人骨（含关节）CT及MRI的扫描数据为依据建立人骨三维数字模型，利用3D打印技术制备成型。且采用非接触式应变测试系统进行静力载荷下人骨全场力学性能测试；采用薄膜压力传感器实现关节内压力测量。关节内压力采集与非接触骨骼应变采集同步进行，以获得关节内压力与骨骼应变的动态对应关系。同时，该实验系统可针对且不限于生物力学的更多领域应用。

Description

基于3D打印的关节内压力和骨骼非接触应变测量系统
技术领域
本发明属于生物力学领域，具体涉及一种在静力荷载下利用3D打印、薄膜压力传感器和非接触光学应变测量技术，测量非常规待测环境下受测部位力学性能的实验测试系统。
背景技术
人体在日常生活和劳动中都会对每块骨骼产生复杂的力，即骨骼需要承受多种复杂的荷载。当力和力矩以不同方式施加于骨时，骨将承受拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等多种荷载，而骨所受的正常生理负荷往往是这些力的综合。因而在普遍重视健康的今天，骨损伤问题也受到广泛关注。正常生理负荷下骨的生物力学性能分析，能为骨骼健康的判断提供必要的依据，关节内压力以及骨骼受力情况的研究也同样具有较强的临床意义。
现阶段对人体骨受力的分析主要以数值模拟结合部分实验的方法进行。实验方法目前存在很大的局限性：1，实验对象：活体、人体尸体或动物。首先受限于当前的技术手段，生理载荷下的人骨受力情况难以在活体上取得，也不具备基本所需的准确性。而人体尸体属稀缺资源，难以制备，往往需要耗费大量的经费与时间，不具备及时性和重复性。动物实验受到严格限制，且动物与人体骨骼的差异性也将对结果带来偏差，不是理想的实验对象。2，实验技术：应变片测量。现阶段应变测量实验往往是将粘贴好应变片的待测部位连接应变仪进行测量。如在常规受测环境且受测物体规则，测量结果将极为准确。但该方法对于异形被测物体并不具有良好的效果，这一点在生物力学领域尤其典型。比如骨受力情况的研究，受形状、大小、空间等因素限制，很多部位就难以用常规应变片的方法去测量。即便是能够良好粘贴应变片的部位，在加以复杂的复合载荷去模拟生理载荷的情况下，也容易出现将应变片损坏的情况，导致实验失败。
除以上现有实验方法本身存在的局限问题以外，想要进一步测得关节内压力以及得到骨骼整体受力情况，通过以上实验技术也是无法实现的。因此，需要更全面且便捷的实验测试方式来满足需求的迫切。
发明内容
本发明提供了一种静力荷载下测量关节力及人骨整体力学性能的实验测试系统，旨在解决背景技术中论述的现有实验局限，以满足研究需求。
一、待解决问题描述
针对以上论述中实验方法的不足，存在以下几点需要解决的技术问题：1，如何规避活体测量的不准确性、尸体资源的稀缺性、动物实验的差异性，建立起人体骨及骨关节模型。2，如何规避应变片测量的短板，实现非规则受测部位的测量。3，如何规避测试技术的局限，实现全场应变测量。4，如何实现狭小空间的受力测量（如骨关节内）。5，如何实现实验的及时便捷和可重复性。6，如何实现实验与数值模拟的准确验证。解决以上问题能为骨骼健康的判断和对关节内压力以及骨整体受力情况的研究带来较大的意义。
二、技术方案
针对以上提出的若干待解决问题，本发明提供的技术方案如下：1，以实验所需人骨（含关节）CT及MRI的扫描数据为依据建立人骨三维数字模型，利用3D打印技术将该数字模型打印制备成型，以实现与实测人骨（含关节）的高度相似。2，采用非接触式应变测试系统进行静力载荷下人骨力学性能的测试，以实现全场非接触测试。3，采用薄膜压力传感器实现关节内压力的测量。4，关节内压力采集与非接触骨骼应变采集同步进行，以获得关节内压力与骨骼应变变化的动态对应关系。
本发明的有益效果是：1，CT和MRI分别对人体骨骼和关节软骨有较高的成影度，具有高度真实性。2，3D打印技术具有快速成型的特点，可以在短期内实现非规则结构的一体成型，对于不同参数的材料，能够选取不同打印材料进行模型打印，精度和效率高，能实现便捷与可重复性。3，非接触式应变测量方式不同于应变片单点测量的原理，能够合理实现人骨整体应变的测量，且测试时无需在待测件上进行操作，能获得更高精度以及更全面的实验数据。4，薄膜压力传感器能实现狭小空间内的压力测试，针对人骨研究中各类关节间隙，可获得良好且精准的测试结果。5，实验得到的关节内压力及与之对应的全骨应变云图能够更准确地验证数值模拟结果。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，亦为本实验系统主视图。
图2为非接触式应变测试系统工作原理示意图。
图3为待测实体模型的散斑制作示意图。
图4为薄膜压力传感器工作原理示意图。
图5为薄膜压力传感器在关节内放置示意图。
图中：1拉压试验机、2试验机上下夹头、3骨骼模型a、4骨骼模型b、5高速摄像机①、6高速摄像机②、7摄像机可移动支架、8非接触应变采集系统、9薄膜压力传感器、10压力显示器。
具体实施方案
以下结合人体膝关节在静力荷载下的生物力学性能测试实验及附图对本发明进一步予以说明。
如图1所示，基于3D打印的关节内压力和骨骼非接触应变测量系统，包括：力加载装置（对应图中1）；受测件固定装置（对应图中2）；待测骨3D打印模型（对应图中3、4）；非接触式应变测试系统（对应图中5、6、7、8）；关节内压力采集系统（对应图中9、10）。
本实验系统具体操作分为模型制作、实验操作、数据分析三大部分完成。
一、模型制作
选取一名满足实验需求的自愿者，分别进行腿部CT及MRI扫描，获取满足数字建模需要的数据。
优选地，将扫描后的数据文件导出为医学数字成像和通信文件（DICOM）格式，将该文件导入计算机辅助三维建模软件中，以建立三维数字化模型。
进一步地，将建立好的三维数字模型导出为3D打印设备通用格式，导入3D打印软件并选取符合实验设计要求的3D打印材料，通过打印生成实验所需实体三维模型。
进一步地，将打印好的三维实体模型进行表面打磨，以备实验。
二、实验操作
首先进行实验准备，在制作好的待测三维实体模型表面制作散斑。对于不同的实验精度要求，可运用滚筒刷或喷漆等方式进行散斑制作。若是进行多组模型测试，则应标注各组模型的名称、编号等以便进行实验区分及保存。
进一步地，将打印的待测股骨和胫骨、腓骨按生理位置分别安装在拉压试验机的上下夹头上，如图1所示，并标注上下夹头在待测模型上的位置信息。
进一步地，将薄膜压力传感器放置于股骨与胫骨间的关节内，如图5所示。标注压力传感器在关节中的位置信息，并将薄膜压力传感器两端导线连入力显示器，以便实时显示所测关节内压力值。
进一步地，选取最佳位置安装非接触式应变测试系统，确保两台摄像机能清晰有效地拍摄到待测件的待测部位，并用校正板对所摄视场进行校正。
进一步地，进行设备调试，确保设备能正常运行，并清零准备实验。
操作拉压试验机开始加载，该实验模拟人体站立时的腿骨生理载荷，实验设计为加压至300N，亦可根据不同实验需求设计载荷。
缓慢加载至300N，在加载过程中通过非接触式应变测试系统存取实验设计节点的全场应变值，并记录好对应时间节点的关节内压力值和压力机加压载荷。加载至300N后，稍作停顿待压力值稳定，随即缓慢卸载。优选地，对每一个实验样本至少重复进行三次实验，以规避设备及人为误差。
三、数据分析
本实验系统能通过非接触式应变测量系统记录下加载过程中所测模型的全场应变变化过程，同时能通过薄膜压力传感器记录下关节内压力值的变化过程。将连接薄膜压力传感器的力显示器安置于非接触式应变测试系统的摄像机拍摄范围以内，即可实现全骨应变与关节内压力的实时对应记录，同时根据对应的压力机加压载荷，即可对人体站立过程的膝关节及腿骨受力情况进行较为全面的过程化分析。
本实验方案中，非接触应变测试系统所获得的应变云图可以与有限元分析结果进行更为有效的对比，克服了实验结果与数值计算结果验证中的困难，且使得结果验证更为准确直观。
本发明有如下优点：1，实验模型基于3D打印技术，成型快精度高，能满足实验的及时性和重复性，且有效规避了医学伦理问题和实验者的心理屏障等问题，无需苛刻的模型保存条件，有利于长期保存。2，本系统中的测试方式亦不局限于生物力学范畴，对于狭小空间压力测试及非规则受测试件全场力学性能的分析等问题均可使用该系统完成。3，随着3D打印技术的发展，打印材料的扩展，能实现打印的构件增多，该实验系统可得到针对且不限于生物力学的更多领域的广泛应用。
以上采用人体膝关节生理荷载的典型实例对本发明进行了充分说明。本发明可以进行适当拓展，且本说明书无法列举所有可能的实验情况，因此上述内容并非发明保护的全部范围。本发明可根据实验研究需求进行相关改进，如改变关节区域、改变薄膜压力传感器位置、选用其他加载载荷，亦或改变实验对象等等。因此，凡基于本发明思想，未经创造性劳动且不存在创新性所做的改进方案均在本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.基于3D打印的关节内压力和骨骼非接触应变测量系统，包括：力加载装置（1），受测件固定装置（2），待测骨3D打印模型骨骼a（3）和骨骼b（4），非接触式应变测试系统：高速摄像机①（5）、高速摄像机②（6）、摄像机可移动支架（7）、非接触应变采集系统（8），关节内压力采集系统：薄膜压力传感器（9）、压力显示器（10）。
2.基于3D打印的关节内压力和骨骼非接触应变测量系统，其特征在于：利用3D打印技术建立关节系统模型，使用加载装置（1）对待测模型进行加载，试验机上下夹头（2）对模型进行固定，用非接触式应变采集系统（5、6、7、8）进行模型应变测试与数据采集分析，用关节内压力采集系统（9、10）采集加载过程中的关节内压力。
3.如权利要求1所述的加载装置（1），其特征为：以拉压试验机作为加载设备，待测模型固定于试验机上下夹头上，并根据实验设计需求对模型施加竖直方向的拉力或压力。
4.如权利要求1所述的受测件固定装置（2），其特征在于：针对不同的非规则模型，使用不同的夹头尺寸进行模型固定。
5.如权利要求1所述的人体骨及骨关节3D打印模型（3、4）中的骨骼数字化模型，其特征在于：该数字模型为通过CT/MRI扫描所获取的医学影像资料在计算机中建立的数字化三维模型。
6.如权利要求1和4所述的人体骨及骨关节3D打印模型（3、4），其特征在于：该模型由获取的医学影像资料在计算机中建立数字化三维模型，而后以实验所需打印材料通过3D打印技术制造而成。
7.如权利要求1所述的非接触式应变采集系统（5、6、7、8），其特征在于：在不接触待测件且测量过程中无需在待测件上进行操作的条件下，使用两台高速摄像机拍摄受试视场并结合系统软件处理的方式，实现待测件的实时全场应变测量。
8.如权利要求1所述的关节内压力采集系统（9、10），其特征在于：在狭小空间内实现压力测试，将薄膜压力传感器放置于人骨研究的各类关节间隙，获取精准的测试结果。
9.如权利要求1和6、7所述的关节内压力采集系统（9、10）和骨骼非接触应变测量实验测试系统（5、6、7、8），其特征在于：通过将关节内压力采集系统（9、10）设置于非接触式应变采集系统（5、6、7、8）所摄视场范围内，实现关节内压力采集与非接触骨骼应变采集同步对应，获得关节内压力与骨骼应变变化的动态对应关系。
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