[发明专利]基于3D打印的关节内压力和骨骼非接触应变测量系统

说明书

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。

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。