骨生物力學(xué)特性測試系統(tǒng)

【作　者】郭占社，郭昭君，梁向黨

1 北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京市，100191

2 北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)國家重點實驗室，北京市，100191

3 解放軍總醫(yī)院骨科，北京市，100853

0　引言

骨折愈合是一個極其復(fù)雜的修復(fù)重建過程，受到體內(nèi)外諸多因素的影響，其中生物學(xué)環(huán)境和力學(xué)環(huán)境是影響骨折愈合十分重要的因素[1-3]。在骨折固定手術(shù)治療的基礎(chǔ)上，如何提供必要的應(yīng)力刺激，使骨折端產(chǎn)生合適的生物力學(xué)環(huán)境，減少骨不愈合等并發(fā)癥的發(fā)生，是非常有社會現(xiàn)實意義的課題[4-6]。目前許多研究人員都對此做了研究，但是所用力學(xué)實驗平臺和加載方法都類似，力學(xué)試驗機存在量程過大、載荷不夠準確的問題；而少數(shù)的幾個研究雖然測量了骨骼斷面位移的變化，但是所用方法過于老舊、精度較低[7-11]。

本文針對上述問題，研制了一種適用于骨生物力學(xué)特性評估的測試系統(tǒng)，能夠模擬人體骨折手術(shù)后力學(xué)狀態(tài)，分析骨骼及固定架所受外力與骨骼斷面位移關(guān)系，并能夠進行固定架的疲勞實驗，實時在線監(jiān)測并存儲數(shù)據(jù)，從而為骨科醫(yī)學(xué)研究提供實驗數(shù)據(jù)支撐和理論基礎(chǔ)。

1　測試系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作原理圖，如圖1所示。本生物力學(xué)實驗系統(tǒng)主要由三部分組成，包括機械位移平臺及伺服電機系統(tǒng)，傳感器及硬件電路系統(tǒng)，以及上位機軟件系統(tǒng)。伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動通過絲杠導(dǎo)軌轉(zhuǎn)換為直線運動，帶動位移平臺和夾具，對骨骼和固定架施加拉壓作用力，模擬真實環(huán)境中人體骨骼受到的軸向力，力的大小通過力傳感器和信號電路獲取。與此同時，激光位移傳感器實時精準地測量外部載荷作用下的骨骼斷面位移。通過上位機實時監(jiān)測和保存所有數(shù)據(jù)。

該測試系統(tǒng)不但可以實現(xiàn)在靜態(tài)力學(xué)條件下骨骼及其固定架體拉壓實驗，還可以進行疲勞特性實驗，對其施加循環(huán)載荷，來模擬人體長時間運動時骨骼及固定架的受力狀態(tài)，有效實現(xiàn)對其力學(xué)特性的全面綜合分析。

圖1　測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架圖Fig.1 Structure diagram of testing system

2　測試系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1　機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計包括運動平臺的設(shè)計、傳感器的選型和夾具的設(shè)計，用于實現(xiàn)載荷的施加和監(jiān)測。

（1）運動平臺設(shè)計

采用SolidWorks進行整個機械平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，如圖2所示，需要模擬人體脛骨所受外力，因此選用伺服電機配合絲杠、導(dǎo)軌來產(chǎn)生軸向拉壓力，設(shè)計承載軸向力不小于100 kg，能夠施加靜力載荷和循環(huán)載荷，實現(xiàn)多方面評估固定架的特性。

圖2　運動平臺結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the movement platform

（2）傳感器選型

隨著伺服電機和絲杠的轉(zhuǎn)動，平臺移動對骨骼施加軸向拉壓力。本設(shè)計選擇美國TRANSCELL公司的BAB-100M型的S型力傳感器作為軸向力的測量傳感器。該傳感器精度、靈敏度和分辨率都很高，輸出信號穩(wěn)定性好，有利于后續(xù)信號調(diào)理電路的處理和數(shù)據(jù)采集。

受力狀態(tài)下骨骼斷面會發(fā)生位移，考慮到截面尺寸和斷處縫隙都很小，而且相對位移不超過3 mm，因此選擇松下的HL-G1型激光位移傳感器，分辨率高達0.5 μm，對被測表面材料、粗糙度無苛刻要求，而且非接觸式測量不會引入外部力的干擾，保證了測量的精度。

（3）夾具設(shè)計

由于研究對象是人體或者動物的骨骼及固定架，所以設(shè)計專用夾具將其穩(wěn)定地固定在運動平臺上，結(jié)構(gòu)如圖3所示，由夾具底板、后擋板、上擋板和螺栓螺母組成，雙向夾持保證骨骼與夾具之間不會發(fā)生相對位移。兩個夾具分別夾持被測骨骼的兩端，一個與傳感器連接，另一個安裝在平移臺上，受電機和絲杠驅(qū)動，從而將軸向力施加到骨骼一端，模擬真實情況下的骨骼受力環(huán)境。

圖3　骨骼固定夾具Fig.3 The fi xture of bone

機械測試平臺整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　機械平臺整體結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of the mechanical platform

2.2　硬件電路設(shè)計

如圖5所示，整個硬件電路系統(tǒng)包括力傳感器信號處理電路模塊、激光位移傳感器信號轉(zhuǎn)換模塊、伺服電機控制模塊、電源模塊等部分。激光位移傳感器內(nèi)部采用高精度的信號處理電路，實時監(jiān)測骨骼斷面的位移，經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換后按照串口協(xié)議傳輸?shù)缴衔粰C軟件；伺服電機控制模塊用于控制伺服電機的運動；上位機通過串口通信控制伺服電機控制器的功能狀態(tài)，從而控制伺服電機。電源模塊為電路系統(tǒng)各部分提供相應(yīng)的電源。

圖5　硬件電路系統(tǒng)框圖Fig.5 Structure diagram of the hardware circuit system

為保證力傳感器的高精度測量，采用高速、精確的24位AD設(shè)計高性能的力傳感器信號處理電路，有效避免多級電路噪聲及非線性問題。力傳感器信號電路采用差分對布線，盡可能減少其他信號的干擾。

2.3　軟件系統(tǒng)設(shè)計

上位機軟件系統(tǒng)界面，如圖6所示，主要功能區(qū)域分為三部分：伺服電機控制區(qū)域、激光位移傳感器區(qū)域和力傳感器區(qū)域。伺服電機控制區(qū)域可以設(shè)置伺服電機的運動模式、速度、絕對位移、相對位移等參數(shù)，方便精準地控制運動平臺的移動。激光位移傳感器區(qū)域和力傳感器區(qū)域都各自具有獨立的選擇串口及波特率、保存數(shù)據(jù)、實時顯示等功能，通過串口通信實時獲取激光位移傳感器和力傳感器的測量結(jié)果，便于數(shù)據(jù)的觀測、存儲和后續(xù)復(fù)雜處理。

圖6　上位機軟件系統(tǒng)界面Fig.6 Interface of the software system

3　測試系統(tǒng)實驗研究

為了評估測試系統(tǒng)的性能，進行了傳感器標定實驗、力學(xué)加載實驗和疲勞拉壓實驗。

3.1　標定實驗

力傳感器標定系統(tǒng)由砝碼、信號采集處理電路、上位機軟件和穩(wěn)壓電源組成，采用500 g的標準砝碼作為載荷。測量值和標準值之間關(guān)系以及對應(yīng)的線性擬合曲線，如圖7所示。

圖7　力傳感器標定擬合曲線Fig.7 Fitting line of force sensor calibration

采用最小二乘法，得到兩者間的線性關(guān)系如式(1)所示。

根據(jù)曲線和式(2)可知，兩者之間具有良好的線性關(guān)系，說明本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的載荷測量，滿足骨生物力學(xué)特性的研究。

3.2　力學(xué)加載實驗

為了驗證和評估本實驗系統(tǒng)在研究骨生物力學(xué)中的性能，設(shè)計了實物力學(xué)特性研究實驗。實驗選取山羊腿骨作為實驗對象，采用醫(yī)用不銹鋼固定架和螺釘固定，中間處加工出4.5 cm的缺口，一端粘合激光反射條，便于端面位移的測量。在骨骼的兩端用樹脂包裹，構(gòu)造出規(guī)則的結(jié)構(gòu)，通過夾具穩(wěn)定牢固的夾持。整個待測骨骼長30 cm，如圖8所示。

將待測骨骼通過運動平臺的夾具緊密固定，通過上位機軟件逐漸增加載荷，觀察數(shù)據(jù)的變化，保存力和位移的測量結(jié)果。力與位移的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖8　力學(xué)加載實驗Fig.8 Experiment of force loading

圖9　力與位移的關(guān)系曲線Fig.9 Relationship of force and displacement

進行線性擬合，得到關(guān)系式(3)和(4)。

由結(jié)果可知，軸向力作用下，微小的斷面位移與施加的軸向力基本為線性關(guān)系，驗證了系統(tǒng)的可行性。在60 kg極限載荷條件下，位移在毫米量級，說明固定架的靜態(tài)安全特性符合要求。

3.3　疲勞測試實驗

利用該測試系統(tǒng)，對骨骼及固定架進行了疲勞測試，模擬骨折患者術(shù)后行走、架體在反復(fù)受力后的狀態(tài)，加載頻率為1 Hz，載荷為50 kg，循環(huán)次數(shù)為18 000，測試完成后，對系統(tǒng)是否牢固進行了檢驗，結(jié)果如圖10所示。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)仍然非常牢固地結(jié)合在一起，說明該系統(tǒng)能夠良好地用于對骨骼及其固定架的力學(xué)特性測試。

圖10　疲勞特性評估試驗結(jié)果Fig.10 Result of fatigue test for evaluating properties

4　總結(jié)

本文針對骨折愈合中的應(yīng)力遮擋問題，研制了一種新型生物力學(xué)實驗系統(tǒng)，并進行了骨骼生物力學(xué)實驗和疲勞往復(fù)拉壓實驗，驗證了系統(tǒng)的優(yōu)良性能。力數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)都被實時采集和保存，為骨骼和固定架的力學(xué)研究提供了實驗支撐和理論基礎(chǔ)。

[1]張峰. 體外軸向應(yīng)力促進山羊脛骨骨折愈合相關(guān)力學(xué)參數(shù)的實驗研究[D]. 廈門: 廈門大學(xué), 2015.

[2] Morgan E F, Palomares K T S, Gleason R E, et al. Correlations between local strains and tissue phenotypes in an experimental model of skeletal healing[J]. J Biomech, 2010, 43(12): 2418-2424.

[3]劉振東, 秦泗河. 鎖定鋼板的應(yīng)力遮擋效應(yīng)[J]. 中國矯形外科雜志, 2014, 22(10): 952-956.

[4]鐘華, 張余, 賴坤聰, 等. 用于骨科應(yīng)力遮擋效應(yīng)研究的帶骨痂有限元模型設(shè)計[J]. 中國骨科臨床與基礎(chǔ)研究雜志, 2011, 3(2):149-152.

[5]周偉, 孫庚林. 頜骨骨折堅強內(nèi)固定后應(yīng)力遮擋效應(yīng)的研究進展[J]. 現(xiàn)代口腔醫(yī)學(xué)雜志, 2010, 24(1): 72-74.

[6]趙新文. 鎖定鋼板應(yīng)力遮擋效應(yīng)的實驗研究[D]. 西安：第四軍醫(yī)大學(xué), 2012.

[7]吳興旺. 不同固定方法固定脛骨遠端骨折生物力學(xué)研究[D]. 石家莊：河北醫(yī)科大學(xué), 2012.

[8]劉強. 循環(huán)載荷條件下模擬腰椎扳法對椎間盤內(nèi)壓的影響[D].北京：中國中醫(yī)科學(xué)院, 2013.

[9]顧霄鵬. 新型單邊多平面多軸可調(diào)式骨外固定器的研制與生物力學(xué)實驗[D]. 南昌: 南昌大學(xué)醫(yī)學(xué)院, 2015.

[10] 王國棟. 骶前蝶形接骨板的設(shè)計研制與生物力學(xué)研究及有限元分析和臨床對比研究[D]. 濟南：山東大學(xué), 2014.

[11] 王美, 趙文, 申慶民, 等. 新型外固定系統(tǒng)在脛骨骨折上的生物力學(xué)研究[J]. 局解手術(shù)學(xué)雜志, 2016, 25(10): 742-744.