CN116172597A - 一种获取足底软组织粘弹性力学属性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种获取足底软组织粘弹性力学属性的方法，包括以下步骤：步骤1，搭建结合双平面荧光透视成像和分布式足底测力板的测试平台，并对测试平台采集到的图像进行校准；步骤2，获得受试者赤足于测试平台上行走情况下足部所有骨块的动态透视图像以及与其同步的足底各区域压力数据；步骤3，选择所研究软组织垂直方向上直接接触的骨块，获取每一采集帧下软组织的厚度，同步获取每一采集帧对应的骨块处各压力感应器的压力值和接触面积；步骤4，根据每一采集帧下软组织的厚度，计算患者赤足于实施测试平台上行走情况下每一采集帧下软组织纵向形变，之后计算软组织的应力和应变，利用已知的粘弹性材料模型，逆向求解其材料属性参数。
Description
技术领域
本发明涉及糖尿病足溃疡领域，具体涉及一种获取足底软组织粘弹性力学属性的方法。
背景技术
糖尿病会导致患者足部的软组织结构和功能发生变化。目前关于糖尿病对于足底软组织力学属性的影响，存在众多不完全一致的结论与看法。现有主流研究认为，糖尿病会导致蛋白质的非酶糖基化作用，胶原蛋白分子的交联物的积累，纤维密度增加，因而软组织发生硬化。从宏观材料力学属性的角度看，糖尿病患者脚的软组织相对正常人更硬，分配压力的能力较低，足底软组织会产生比正常人更显著的应力集中。现有研究表明，糖尿病患者的足底软组织的硬度约为正常人的1.1到1.6倍，站立时深部软组织的局部应力最高可以达正常人的8倍，粘弹性阻尼系数降低约30％-40％，能量耗散率显著增加50％以上。更硬的软组织对足底压力的耐受性较差，是糖尿病患者皮肤破裂，出现足溃疡的重要因素之一。
目前许多研究指出，糖尿病足中脂肪颗粒萎缩以及细胞外液的减少造成组织液相占比减少可能是足跟脂肪垫粘性模量降低的原因之一，所以粘弹性相较于其他力学属性，更能敏感地反映软组织的病理情况。因此，足部软组织粘弹性力学属性的变化被认为是足部溃疡的前兆，是量化糖尿病足健康状况和检测糖尿病足溃疡的发生风险的重要标准。对研制可以匹配病人特异性足底材料和几何形状的高压卸载防护鞋垫具有重要意义。
目前，对人体组织的材料属性测量多为离体测量。如中国专利CN2102511U介绍了一种离体的生物材料力学特性测试装置，将生物材料于给定的溶液中进行材料拉伸实验。也有专利在离体环境下模拟生物体内环境，如中国专利CN203432896U介绍了一种模拟生物体环境进行材料力学性能测试的体液循环装置。其制造了一种可以调控温度，体液的设备，用来模拟生物植入材料在植入生物体后的力学性能。然而这些测量方法为离体测试，虽然可以对物质进行安全研究，但因为不考虑体内生物动力学因素(身体如何运输和代谢药物和毒素)，而且实验成果无法立刻转化应用于活体，所以存在应用的局限性。也有部分装置可以用于人体软组织材料属性活体测量，如中国专利CN205890356U提供了一种表面压痕试验设备，可以提供一种非侵入性的测量活体软组织材料属性的方法。然而该设备很难保证真正生理状态下的应变率。而且测试深度受到限制，当测试深度较大时，其测试条件与正常生理状态相差较大。测量时需要病人单脚朝上，造成测量不便。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种获取足底软组织粘弹性力学属性的方法。
本发明提供了一种获取足底软组织粘弹性力学属性的方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，搭建结合双平面荧光透视成像和分布式足底测力板的测试平台，并对测试平台采集到的图像进行校准；步骤2，获得受试者赤足于测试平台上行走情况下足部所有骨块的动态透视图像，以及与其同步的足底各区域压力数据；步骤3，选择所研究软组织垂直方向上直接接触的骨块，根据测力板的空间位置和骨块的空间位置，获取每一采集帧下软组织的厚度，同步获取每一采集帧对应的骨块处各压力感应器的压力值和接触面积；步骤4，根据每一采集帧下软组织的厚度、计算患者赤足于实施测试平台上行走情况下每一采集帧下软组织纵向形变，之后计算软组织的应力和应变，利用已知的粘弹性材料模型，逆向求解其材料属性参数。
在本发明提供的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，测试平台包括C型臂X光机、分布式足底测试板以及行走平台，C型臂X光机的数量为两个，位于行走平台的一侧，且互成一定角度摆设，使两套C型臂X光机的透视交点位于行走平台的中间位置，并于该位置上放置足底测试板。
在本发明提供的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3中，骨块至少为跟骨、趾骨以及跖骨中的任意一种。
在本发明提供的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3中，骨块为跟骨，步骤3中具体包括以下步骤：步骤3-1，将通过CT扫描获得的患者跟骨与校准后透视图像上跟骨的轮廓完全重合，确定跟骨的空间位置；步骤3-2，获得患者赤足于测试平台上行走情况下，足跟触地至足跟离地即步态周期中足跟软组织受力全过程这一时间段内中每一采集帧对应的足跟软组织厚度hn；步骤3-3，同步获取每一采集帧对应的各压力感应器的压力值和接触面积，计算得到足跟区域传感器的合力，为足底力Fn，计算足跟区域传感器的接触面积之和为接触面积Sn；步骤3-4，将足跟触地即软组织形变δn＝0时的足跟软组织厚度记为h0，即为非负重情况下足跟软组织厚度，将该时刻记为0，记录之后每一采集帧对应时间为tn。
在本发明提供的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤4中，计算软组织的应力σn和应变εn的方法为：
δn＝h0-hn
在本发明提供的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤4中，利用KelvinVoigt粘弹性材料属性模型或Ogden超弹性材料属性模型，逆向求解其材料属性参数。
在本发明提供的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤4中，采用Kelvin Voigt粘弹性材料属性模型，该模型用来将足跟软组织模拟为线性弹簧与非线性阻尼器的并联结构：足跟软组织与弹簧、阻尼器三者应变相同，应力等于弹簧与阻尼器应力之和。
在本发明提供的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法中，还可以具有这样的特征：其中，逆向求解材料属性参数的计算过程如下：首先，计算每一采集帧时刻的应变，求解
由εn和tn绘制ε-t曲线，拟合，并求解每一tn点斜率即可得到每一时刻的应变率/>
其次，求解每一采集帧时刻的弹性模量En，求解公式如下：
最后，由KelvinVoigt粘弹性材料模型应力、应变以及应变率的关系：
利用最小二乘法原理，带入所求的εn，
σn，拟合出粘性模量η，弹性模量E。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法，因为具体过程为：步骤1，搭建结合双平面荧光透视成像和分布式足底测力板的测试平台，并对测试平台采集到的图像进行校准；步骤2，获得受试者赤足于测试平台上行走情况下足部所有骨块的动态透视图像，以及与其同步的足底各区域压力数据；步骤3，选择所研究软组织垂直方向上直接接触的骨块，根据测力板的空间位置和骨块的空间位置，获取每一采集帧下软组织的厚度，同步获取每一采集帧对应的骨块处各压力感应器的压力值和接触面积；步骤4，根据每一采集帧下软组织的厚度，计算患者赤足于实施测试平台上行走情况下每一采集帧下软组织纵向形变，之后计算软组织的应力和应变，利用已知的粘弹性材料模型，逆向求解其材料属性参数。
因此，本发明使用结合双平面荧光透视成像和分布式足底测力板的平台，同步采集患者软组织形变和受力，设计算法计算出软组织应力-应变曲线，利用现有的材料力学模型，获取具有病人特异性的活体软组织材料属性。上述举例为测量足跟软组织材料属性。但本发明可测量软组织范围不仅限于足跟，可以用于计算前足，中足等其他区域的软组织活体材料属性。可以使用多种材料力学模型(如粘弹性KelvinVoigt模型，超弹性Ogden模型等)对软组织应力-应变数据进行拟合。
附图说明
图1是本发明的实施例中获取足底软组织粘弹性力学属性的方法的流程图；
图2是本发明的实施例中搭建的结合双平面荧光透视成像和分布式足底测力板的平台；
图3是本发明的实施例中把通过CT扫描获得的患者跟骨与校准后透视图像上跟骨的轮廓完全重合的示意图；
图4是本发明的实施例中每一采集帧对应的足跟软组织厚度hn；
图5本发明的实施例步态周期中每一采集帧下所研究区域传感器的接触力之和Fn以及接触面积之和Sn；
图6是本发明的实施例中KelvinVoigt粘弹性材料属性模型示意图；
图7是本发明的实施例中测得的足跟软组织的粘弹性应变-应力曲线图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明一种获取足底软组织粘弹性力学属性的方法作具体阐述。
在本实施例中，提供了一种获取足底软组织粘弹性力学属性的方法，使用了结合双平面荧光透视成像和足底测力板的平台，受试者于正常行走时进行测量软组织的应力和应变，并利用现有的粘弹性材料力学模型，获取具有病人特异性的活体软组织材料属性。
以下叙述以测量足跟部位软组织材料属性为例，因而配准的骨块为跟骨。如所测软组织为其他区域，应更改跟骨为其对应骨块。该骨块应为所研究软组织垂直方向上直接接触的骨块。如需研究前足，中足软组织，应更改以下所述中“跟骨”为趾骨，跖骨等。详细步骤叙述如下。
图1是本发明的实施例中获取足底软组织粘弹性力学属性的方法的流程图。
如图1所示，本实施例所涉及的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法包括以下步骤：
步骤S1，搭建结合双平面荧光透视成像和分布式足底测力板的测试平台，并对测试平台采集到的图像进行校准。
图2是本发明的实施例中搭建的结合双平面荧光透视成像和分布式足底测力板平台。
如图2所示，本实施例中的测试平台100包括C型臂X光机10、分布式足底测试板20以及行走平台30，C型臂X光机的数量为两个，位于行走平台的一侧，且互成一定角度摆设，使两套C型臂X光机10的透视交点位于行走平台30的中间位置，并于该位置上放置足底测试板20，受试足40位于足底测试板20上。确定足底测力板20在测试平台100环境的空间位置。
步骤S2，获得受试者赤足于测试平台上行走情况下足部所有骨块完全且清晰可辨的动态透视图像，以及与其同步的足底各区域压力数据。
步骤S3，选择所研究软组织垂直方向上直接接触的骨块，根据测力板的空间位置和骨块的空间位置，获取每一采集帧下软组织的厚度，同步获取每一采集帧对应的骨块处各压力感应器的压力值和接触面积。
本实施例中所研究的的骨块为跟骨。具体包括以下步骤：
图3是本发明的实施例中把通过CT扫描获得的患者跟骨与校准后透视图像上跟骨的轮廓完全重合的示意图。
步骤S3-1，如图3所示，将通过CT扫描获得的患者跟骨与校准后透视图像上跟骨的轮廓完全重合，确定跟骨的空间位置。
图4是本发明的实施例中每一采集帧对应的足跟软组织厚度hn。
步骤S3-2，获得患者赤足于测试平台上行走情况下，足跟触地至足跟离地即步态周期中足跟软组织受力全过程这一时间段内中每一采集帧对应的足跟软组织厚度hn，如图4所示。
图5是本发明的实施例步态周期中每一采集帧下所研究区域传感器的接触力之和Fn以及接触面积之和Sn。
步骤S3-3，同步获取每一采集帧对应的各压力感应器的压力值和接触面积，计算得到足跟区域传感器的合力，为足底力Fn，计算足跟区域传感器的接触面积之和为接触面积Sn，如图5所示。
步骤S3-4，将足跟触地即软组织形变δn＝0时的足跟软组织厚度记为h0，即为非负重情况下足跟软组织厚度，将该时刻记为0，记录之后每一采集帧对应时间为tn。
步骤S4，根据每一采集帧下软组织的厚度，计算患者赤足于实施测试平台上行走情况下每一采集帧下软组织纵向形变，之后计算软组织的应力和应变，利用已知的粘弹性材料模型，逆向求解其材料属性参数。具体过程为：
计算软组织的应力σn和应变εn的方法为：
δn＝h0-hn
利用已知的粘弹性材料模型，逆向求解其材料属性参数。其计算过程如下：
图6是本发明的实施例中KelvinVoigt粘弹性材料属性模型示意图。
本例采用KelvinVoigt粘弹性材料属性模型进行计算，该模型可用来将足跟软组织模拟为线性弹簧与非线性阻尼器的并联结构：足跟软组织与弹簧、阻尼器三者应变相同，应力等于弹簧与阻尼器应力之和，如图6所示。
首先，计算每一采集帧时刻的应变，求解
由εn和tn绘制ε-t曲线，拟合，并求解每一tn点斜率即可得到每一时刻的应变率/>
其次，求解每一采集帧时刻的弹性模量En，求解公式如下：
最后，由Kelvin Voigt粘弹性材料模型应力、应变以及应变率的关系：
利用最小二乘法原理，带入所求的εn，
σn，拟合出粘性模量η，弹性模量E。
如果不考虑粘弹性效果，也可以使用超弹性材料属性模型，如O gden模型进行拟合。
图7是本发明的实施例中测得的足跟软组织的粘弹性应变-应力曲线图。
根据上述步骤，如图7所示为使用本实施例中所测得的一位糖尿病人足后跟软组织的应力-应变曲线。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法，因为具体过程为：步骤1，搭建结合双平面荧光透视成像和分布式足底测力板的测试平台，并对测试平台采集到的图像进行校准；步骤2，获得受试者赤足于测试平台上行走情况下足部所有骨块的动态透视图像，以及与其同步的足底各区域压力数据；步骤3，选择所研究软组织垂直方向上直接接触的骨块，根据测力板的空间位置和骨块的空间位置，获取每一采集帧下软组织的厚度，同步获取每一采集帧对应的骨块处各压力感应器的压力值和接触面积；步骤4，根据每一采集帧下软组织的厚度，计算患者赤足于实施测试平台上行走情况下每一采集帧下软组织纵向形变，之后计算软组织的应力和应变，利用已知的粘弹性材料模型，逆向求解其材料属性参数。
因此，本实施例使用结合双平面荧光透视成像和分布式足底测力板的平台，同步采集患者软组织形变和受力，设计算法计算出软组织应力-应变曲线，利用现有的材料力学模型，获取具有病人特异性的活体软组织材料属性。上述举例为测量足跟软组织材料属性。但本实施例可测量软组织范围不仅限于足跟，可以用于计算前足，中足等其他区域的软组织活体材料属性。可以使用多种材料力学模型(如粘弹性KelvinVoigt模型，超弹性Ogden模型等)对软组织应力-应变数据进行拟合。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种获取足底软组织粘弹性力学属性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，搭建结合双平面荧光透视成像和分布式足底测力板的测试平台，并对所述测试平台采集到的图像进行校准；
步骤2，获得受试者赤足于所述测试平台上行走情况下足部所有骨块的动态透视图像，以及与其同步的足底各区域压力数据；
步骤3，选择所研究软组织垂直方向上直接接触的骨块，根据测力板的空间位置和所述骨块的空间位置，获取每一采集帧下软组织的厚度，同步获取每一采集帧对应的骨块处各压力感应器的压力值和接触面积；
步骤4，根据所述每一采集帧下软组织的厚度，计算患者赤足于实施测试平台上行走情况下每一采集帧下软组织纵向形变，之后计算软组织的应力和应变，利用已知的粘弹性材料模型，逆向求解其材料属性参数。
2.根据权利要求1所述的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法，其特征在于：
其中，步骤1中，所述测试平台包括C型臂X光机、分布式足底测试板以及行走平台，
所述C型臂X光机的数量为两个，位于所述行走平台的一侧，且互成一定角度摆设，使两套C型臂X光机的透视交点位于所述行走平台的中间位置，并于该位置上放置所述足底测试板。
3.根据权利要求1所述的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法，其特征在于：
其中，步骤3中，所述骨块至少为跟骨、趾骨以及跖骨中的任意一种。
4.根据权利要求3所述的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法，其特征在于：
其中，步骤3中，所述骨块为跟骨，所述步骤3中具体包括以下步骤：
步骤3-1，将通过CT扫描获得的患者跟骨与校准后透视图像上跟骨的轮廓完全重合，确定跟骨的空间位置；
步骤3-2，获得患者赤足于测试平台上行走情况下，足跟触地至足跟离地即步态周期中足跟软组织受力全过程这一时间段内中每一采集帧对应的足跟软组织厚度hn；
步骤3-3，同步获取每一采集帧对应的各压力感应器的压力值和接触面积，计算得到足跟区域传感器的合力，为足底力Fn，计算足跟区域传感器的接触面积之和为接触面积Sn；
步骤3-4，将足跟触地即软组织形变δn＝0时的足跟软组织厚度记为h0，即为非负重情况下足跟软组织厚度，将该时刻记为0，记录之后每一采集帧对应时间为tn。
5.根据权利要求1所述的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法，其特征在于：
其中，步骤4中，所述计算软组织的应力σn和应变εn的方法为：
δn＝h0-hn
6.根据权利要求1所述的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法，其特征在于：
其中，步骤4中，利用KelvinVoigt粘弹性材料属性模型或Ogden超弹性材料属性模型，逆向求解其材料属性参数。
7.根据权利要求6所述的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法，其特征在于：
其中，步骤4中，采用所述Kelvin Voigt粘弹性材料属性模型，该模型用来将足跟软组织模拟为线性弹簧与非线性阻尼器的并联结构：足跟软组织与弹簧、阻尼器三者应变相同，应力等于弹簧与阻尼器应力之和。
8.根据权利要求6所述的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法，其特征在于：
其中，逆向求解材料属性参数的计算过程如下：
首先，计算每一采集帧时刻的应变，求解
由εn和tn绘制ε-t曲线，拟合，并求解每一tn点斜率即可得到每一时刻的应变率/>
其次，求解每一采集帧时刻的弹性模量En，求解公式如下：
最后，由KelvinVoigt粘弹性材料模型应力、应变以及应变率的关系：
利用最小二乘法原理，带入所求的εn，
σn，拟合出粘性模量η，弹性模量E。/>
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| CN202310137497.0A CN116172597A (zh) | 2023-02-20 | 2023-02-20 | 一种获取足底软组织粘弹性力学属性的方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117233085A (zh) * | 2023-11-14 | 2023-12-15 | 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 | 一种冰层粘附力测试装置及方法 |
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2023
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117233085A (zh) * | 2023-11-14 | 2023-12-15 | 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 | 一种冰层粘附力测试装置及方法 |
| CN117233085B (zh) * | 2023-11-14 | 2024-01-12 | 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 | 一种冰层粘附力测试装置及方法 |
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