骨生物力学特性测试系统

【作　者】郭占社，郭昭君，梁向党

1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京市，100191

2 北京航空航天大学虚拟现实与系统国家重点实验室，北京市，100191

3 解放军总医院骨科，北京市，100853

0　引言

骨折愈合是一个极其复杂的修复重建过程，受到体内外诸多因素的影响，其中生物学环境和力学环境是影响骨折愈合十分重要的因素[1-3]。在骨折固定手术治疗的基础上，如何提供必要的应力刺激，使骨折端产生合适的生物力学环境，减少骨不愈合等并发症的发生，是非常有社会现实意义的课题[4-6]。目前许多研究人员都对此做了研究，但是所用力学实验平台和加载方法都类似，力学试验机存在量程过大、载荷不够准确的问题；而少数的几个研究虽然测量了骨骼断面位移的变化，但是所用方法过于老旧、精度较低[7-11]。

本文针对上述问题，研制了一种适用于骨生物力学特性评估的测试系统，能够模拟人体骨折手术后力学状态，分析骨骼及固定架所受外力与骨骼断面位移关系，并能够进行固定架的疲劳实验，实时在线监测并存储数据，从而为骨科医学研究提供实验数据支撑和理论基础。

1　测试系统工作原理

系统工作原理图，如图1所示。本生物力学实验系统主要由三部分组成，包括机械位移平台及伺服电机系统，传感器及硬件电路系统，以及上位机软件系统。伺服电机的旋转运动通过丝杠导轨转换为直线运动，带动位移平台和夹具，对骨骼和固定架施加拉压作用力，模拟真实环境中人体骨骼受到的轴向力，力的大小通过力传感器和信号电路获取。与此同时，激光位移传感器实时精准地测量外部载荷作用下的骨骼断面位移。通过上位机实时监测和保存所有数据。

该测试系统不但可以实现在静态力学条件下骨骼及其固定架体拉压实验，还可以进行疲劳特性实验，对其施加循环载荷，来模拟人体长时间运动时骨骼及固定架的受力状态，有效实现对其力学特性的全面综合分析。

图1　测试系统总体结构框架图Fig.1 Structure diagram of testing system

2　测试系统总体设计

2.1　机械结构设计

机械结构设计包括运动平台的设计、传感器的选型和夹具的设计，用于实现载荷的施加和监测。

（1）运动平台设计

采用SolidWorks进行整个机械平台的结构设计和优化，如图2所示，需要模拟人体胫骨所受外力，因此选用伺服电机配合丝杠、导轨来产生轴向拉压力，设计承载轴向力不小于100 kg，能够施加静力载荷和循环载荷，实现多方面评估固定架的特性。

图2　运动平台结构图Fig.2 Structure of the movement platform

（2）传感器选型

随着伺服电机和丝杠的转动，平台移动对骨骼施加轴向拉压力。本设计选择美国TRANSCELL公司的BAB-100M型的S型力传感器作为轴向力的测量传感器。该传感器精度、灵敏度和分辨率都很高，输出信号稳定性好，有利于后续信号调理电路的处理和数据采集。

受力状态下骨骼断面会发生位移，考虑到截面尺寸和断处缝隙都很小，而且相对位移不超过3 mm，因此选择松下的HL-G1型激光位移传感器，分辨率高达0.5 μm，对被测表面材料、粗糙度无苛刻要求，而且非接触式测量不会引入外部力的干扰，保证了测量的精度。

（3）夹具设计

由于研究对象是人体或者动物的骨骼及固定架，所以设计专用夹具将其稳定地固定在运动平台上，结构如图3所示，由夹具底板、后挡板、上挡板和螺栓螺母组成，双向夹持保证骨骼与夹具之间不会发生相对位移。两个夹具分别夹持被测骨骼的两端，一个与传感器连接，另一个安装在平移台上，受电机和丝杠驱动，从而将轴向力施加到骨骼一端，模拟真实情况下的骨骼受力环境。

图3　骨骼固定夹具Fig.3 The fi xture of bone

机械测试平台整体结构如图4所示。

图4　机械平台整体结构图Fig.4 Structure of the mechanical platform

2.2　硬件电路设计

如图5所示，整个硬件电路系统包括力传感器信号处理电路模块、激光位移传感器信号转换模块、伺服电机控制模块、电源模块等部分。激光位移传感器内部采用高精度的信号处理电路，实时监测骨骼断面的位移，经过协议转换后按照串口协议传输到上位机软件；伺服电机控制模块用于控制伺服电机的运动；上位机通过串口通信控制伺服电机控制器的功能状态，从而控制伺服电机。电源模块为电路系统各部分提供相应的电源。

图5　硬件电路系统框图Fig.5 Structure diagram of the hardware circuit system

为保证力传感器的高精度测量，采用高速、精确的24位AD设计高性能的力传感器信号处理电路，有效避免多级电路噪声及非线性问题。力传感器信号电路采用差分对布线，尽可能减少其他信号的干扰。

2.3　软件系统设计

上位机软件系统界面，如图6所示，主要功能区域分为三部分：伺服电机控制区域、激光位移传感器区域和力传感器区域。伺服电机控制区域可以设置伺服电机的运动模式、速度、绝对位移、相对位移等参数，方便精准地控制运动平台的移动。激光位移传感器区域和力传感器区域都各自具有独立的选择串口及波特率、保存数据、实时显示等功能，通过串口通信实时获取激光位移传感器和力传感器的测量结果，便于数据的观测、存储和后续复杂处理。

图6　上位机软件系统界面Fig.6 Interface of the software system

3　测试系统实验研究

为了评估测试系统的性能，进行了传感器标定实验、力学加载实验和疲劳拉压实验。

3.1　标定实验

力传感器标定系统由砝码、信号采集处理电路、上位机软件和稳压电源组成，采用500 g的标准砝码作为载荷。测量值和标准值之间关系以及对应的线性拟合曲线，如图7所示。

图7　力传感器标定拟合曲线Fig.7 Fitting line of force sensor calibration

采用最小二乘法，得到两者间的线性关系如式(1)所示。

根据曲线和式(2)可知，两者之间具有良好的线性关系，说明本系统能够实现高精度的载荷测量，满足骨生物力学特性的研究。

3.2　力学加载实验

为了验证和评估本实验系统在研究骨生物力学中的性能，设计了实物力学特性研究实验。实验选取山羊腿骨作为实验对象，采用医用不锈钢固定架和螺钉固定，中间处加工出4.5 cm的缺口，一端粘合激光反射条，便于端面位移的测量。在骨骼的两端用树脂包裹，构造出规则的结构，通过夹具稳定牢固的夹持。整个待测骨骼长30 cm，如图8所示。

将待测骨骼通过运动平台的夹具紧密固定，通过上位机软件逐渐增加载荷，观察数据的变化，保存力和位移的测量结果。力与位移的关系曲线如图9所示。

图8　力学加载实验Fig.8 Experiment of force loading

图9　力与位移的关系曲线Fig.9 Relationship of force and displacement

进行线性拟合，得到关系式(3)和(4)。

由结果可知，轴向力作用下，微小的断面位移与施加的轴向力基本为线性关系，验证了系统的可行性。在60 kg极限载荷条件下，位移在毫米量级，说明固定架的静态安全特性符合要求。

3.3　疲劳测试实验

利用该测试系统，对骨骼及固定架进行了疲劳测试，模拟骨折患者术后行走、架体在反复受力后的状态，加载频率为1 Hz，载荷为50 kg，循环次数为18 000，测试完成后，对系统是否牢固进行了检验，结果如图10所示。结果表明，该结构仍然非常牢固地结合在一起，说明该系统能够良好地用于对骨骼及其固定架的力学特性测试。

图10　疲劳特性评估试验结果Fig.10 Result of fatigue test for evaluating properties

4　总结

本文针对骨折愈合中的应力遮挡问题，研制了一种新型生物力学实验系统，并进行了骨骼生物力学实验和疲劳往复拉压实验，验证了系统的优良性能。力数据和位移数据都被实时采集和保存，为骨骼和固定架的力学研究提供了实验支撑和理论基础。

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