CN115235891A - 一种肌腱力学特性的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种肌腱力学特性的测量方法，为一种生物力学粘弹性特性的测试方法，包括应力应变关系、蠕变、应力松弛和极限载荷等多方面性能测量，从而准确获取肌腱生物力学性能。

Description

一种肌腱力学特性的测量方法
技术领域
本发明涉及肌腱生物特性测试技术领域，更具体的说是涉及一种肌腱力学特性的测量方法。
背景技术
肌腱是位于肌腹两端，把肌肉与骨连结在一起的索状或膜状致密结缔组织，几乎全部由胶原纤维组成，其作用是使肌肉与骨相连接，从肌肉传导拉张力到骨结构，从而产生关节活动，另外肌腱可以提供一定的力臂。通常情况下，肌腱可以承受最强的拉伸载荷。目前比较常规的有关肌腱生物力学性能的测试方法，主要是使标本在恒定延伸速度下观察拉张变形，延伸组织，直至破坏，最终得到力或负荷对应的变形量之间的关系，会对肌腱造成不可逆转的损坏，并且仅通过极限破坏值的测量方法不能体现肌腱多方面的性能，因此导致对肌腱的力学特性测量不准确。
因此，如何准确测量肌腱生物力学特性是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种肌腱力学特性的测量方法，针对生物组织中肌腱的生物特性，提出了一种生物力学粘弹性特性的测试方法，包括应力应变关系、蠕变、应力松弛、极限载荷等多方面性能测试，准确获取肌腱生物力学性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种肌腱力学特性的测量方法，包括以下步骤：
步骤1：获取检测目标，对检测目标进行预调处理，采集检测目标原始长度和原始横截面积；
步骤2：对检测目标进行应力松弛测试，采集应力变化数值，构建肌腱应力松弛函数曲线；该函数曲线横坐标为时间，纵坐标为应力，主要是通过一段时间内实测的数据进行拟合得到的函数关系，我们就可以得到一段时间内对应的测量位点的测量值；
步骤3：对检测目标进行蠕变试验，采集蠕变数据，并进行归一化处理，获得归一化蠕变曲线；蠕变数据为应力变化数值，蠕变数据是通过采集一段时间内对应的应力变化值来反应不同时刻对应的应力值，进行数据拟合生成曲线；
步骤4：对归一化蠕变曲线和肌腱应力松弛函数曲线进行拟合，获得拟合曲线，根据拟合曲线的斜率和终点蠕变数据，获得检测目标蠕变速度和蠕变程度；拟合就是通过计算机导入时间数据集和两种曲线对应的测试结果数据集，将二者对应起来，能够很好地体现检测目标蠕变的速度和程度；
步骤5：对检测目标进行拉伸破坏检测，采集强度极限值和最大刚度，获得拉伸延展性能等级；
步骤6：采集当前检测目标的拉伸长度和拉伸横截面积，采用大变形应力-应变关系，计算检测目标的肌腱伸长比，表达式为：
λ＝L/L0；
其中，L为拉伸长度，L0为检测目标的原始长度；
检测目标的Euler应力为：
Figure BDA0003744195580000021
其中，T＝(F/A0)为Lagrange应力值；Green应变值为(λ2-1)/2；F为施加的载荷；A为检测目标变形之后的拉伸横截面积；A0为检测目标变形之前的原始横截面积；
步骤7：根据检测目标的蠕变速度、蠕变程度、拉伸延展性能等级、Lagrange应力值和Green应变值，在结合设定的约束条件判断获得检测目标的力学特性等级。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种肌腱力学特性的测量方法，针对肌腱组织进行力学特性测量，通过应力松弛测量、蠕变测量和拉伸破坏检测进行肌腱生物力学特性的测试，获得肌腱拉伸延展性能等级，以及肌腱应力和应变特性值，从而实现肌腱组织力学特性测量，为生物组织力学特性测试方面提供较好的检测方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的肌腱力学特性的测量方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种肌腱力学特性的测量方法，通过应力松弛测量、蠕变测量和拉伸破坏检测进行肌腱生物力学特性的测试。
实施例
本实施例的肌腱力学特性的测量方法主要包含了应力松弛测试、蠕变测试和拉伸破坏测试，具体过程为：
S1：进行应力松弛测试；
S11：取10个标本，测量标本的原始尺寸，以读数显微镜测量标本的直径；肌健和其它软组织一样，其弹性主要来自熵的改变，因而不存在唯一的自然状态；
S12：对试样进行预调处理，即在同一应力水平下加载、卸载20次，发现在同一应力水平下，卸载曲线的伸长比要比加载曲线的伸长比大，且将载荷降到零并经过一段时间之后即可恢复到原有形状；每个试样分别预调处理后进行实验；
S13：将经过预调的标本下端分别固定于电子万能试验机的下端，分别以钢丝绳的吊钩钩住盆底肌纵行向，钢丝绳上端装夹到电子万能试验机的夹头上；
S14：预先将标本的原始尺寸输入给控制机器的计算机，设定好计算机程序，记录方式X～T，其中x轴为应力，T轴为时间；计算机程序设定从时间t(0)开始采集数据，保持每0.6s采集一个数据，采集10次；
S15：之后每10s采集一个数据，采集40次；
S16：之后每136s采集一个数据，采集50个数据，共采集100个数据，历时7200s；
S17：达到设定时间后，打印机自动打印出实验数据和曲线，获得盆底肌腱应力松弛函数曲线；
S2：进行蠕变实验；蠕变实验是将试样突加一定载荷且保持此载荷值不变，试样持续发生变形的现象，蠕变实验的加载方式与应力松弛实验相同；
S21：在应力松弛实验之后，让样本恢复30～40分钟继续进行，以0.5GPa/min的应力增加速度对标本施加常应力，到达恒定负荷量，此处设定为最大破坏载荷的40％，达到最大破坏载荷后，保持负荷量稳定；
S22：以60秒为一时间点取其蠕变平均值和标准差，为了使不同的应变状态有统一的描述，对蠕变数据进行归一化处理，即所有应变和标准差均除以最初应变值，归一化蠕变曲线J(t)和其标准差；
S23：归一化蠕变曲线J(t)是时间lnt的线性函数，可以通过J(t)-lnt拟合曲线中的斜率和蠕变试验的终点对应的J(t)值来反映试样蠕变的速度和程度；
S3：进行拉伸破坏实验；
将试样放置30min后，开始进行拉伸破坏实验，分别得到强度极限和最大刚度两个力学特征参数，盆底组织在离体单轴拉伸时，呈现出明显的非线性应力应变关系；
由于生物软组织易于变形，所以应该以大变形考虑，采用大变形应力-应变关系，计算其伸长比λ＝L/L0，假设盆底组织为不可压缩材料，Euler应力为
Figure BDA0003744195580000051
其中，T＝(F/A0)为Lagrange应力，Green应变为(λ2-1)/2；
其中，L为试样伸长之后的长度，L0为其原长；F为施加的载荷，A为试样变形之后的横截面积；A0为试样变形之前的横截面积，最终根据实验数据，可以求出相应的应力和应变。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种肌腱力学特性的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取检测目标，对检测目标进行预调处理，采集检测目标原始长度和原始横截面积；
步骤2：对检测目标进行应力松弛测试，采集应力变化数值，构建肌腱应力松弛函数曲线；
步骤3：对检测目标进行蠕变试验，采集蠕变数据，并进行归一化处理，获得归一化蠕变曲线；
步骤4：对归一化蠕变曲线和肌腱应力松弛函数曲线进行拟合，获得拟合曲线，根据拟合曲线的斜率和终点蠕变数据，获得检测目标蠕变速度和蠕变程度；
步骤5：对检测目标进行拉伸破坏检测，采集强度极限值和最大刚度，获得拉伸延展性能等级；
步骤6：采集当前检测目标的拉伸长度和拉伸横截面积，采用大变形应力-应变关系，根据原始长度和原始拉伸横截面积，计算检测目标的肌腱伸长比，获得Lagrange应力值和Green应变值；
步骤7：根据检测目标的蠕变速度、蠕变程度、拉伸延展性能等级、Lagrange应力值和Green应变值判断获得检测目标的力学特性等级。
2.根据权利要求1所述的一种肌腱力学特性的测量方法，其特征在于，所述步骤6中肌腱伸长比的计算表达式为：
λ＝L/L0；
其中，L为拉伸长度，L0为检测目标的原始长度；
检测目标的Euler应力为：
Figure FDA0003744195570000011
其中，T＝(F/A0)为Lagrange应力值；Green应变值为(λ2-1)/2；F为施加的载荷；A为检测目标变形之后的拉伸横截面积；A0为检测目标变形之前的原始横截面积。
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