骨头动态特性测试
发布日期:2019-07-09 14:43:52

非接触式激光多普勒测振法是生物力学研究中非常有力的工具,近期的试验通过3D扫描激光测振仪测定了盆骨的动态特性。该测试技术给出了出色的结果,尽管被测物几何形状错综复杂。

 

先容

工程师通常使用试验模态分析的方法去分析机械部件的振动特性。变形测试通常用来做参考来检查仿真模型。进来,有限元方法(FEM) 已经用来做医学应用的生物力学研究和建模。例如,为帮助骨科手术,不同的方法用来从计算机断层扫描成像(CT)数据生成实际的骨骼模型。同时,试验也用来做验证。验证的质量和结果模型显著依靠测试方法和测试所应用的技术。与工程科学不同的是,生物力学关注的焦点主要是生物材料。由于生物材料发生的复杂变化(干枯,分解),只有很短的时间做相关测试。因此,一个最优的测试方法需要确保准备新鲜的样品。

 

试验搭建

初始测试为了开发出最优的测试流程,使用处理过的盆骨。首先,需要为被测物搭建一个合适的悬吊设施。搭建时,需注意试验条件是“自由悬挂”。在橡胶绳的帮助下,被测的骨头被悬挂在测试台架上,这样,被测试的骨头刚体频率低于10 Hz。100 Hz以上,被测物可被认为是自由状态。电动激振器与被测物的连接以及被测物的隔振悬挂是尤其需要注意的。

 

校准与测试

3D 扫描激光测振仪 (PSV-400-3D) 用来测试髋骨的振动响应(图1, 2)。三个扫描头朝向三个已知的角度,可同时测得空间三个方向的振动响应(X, Y, Z)。当校正扫描头时,测试的校正点应尽可能的覆盖最大的体积。另外,为获得最好的测试结果,测试点分布应覆盖被测物的深度。基于这些准则,定义了6个校正点(图3 )。为了精确地在台架上测试,按以下步骤进行:

l  定义测试网格与坐标系

l  进行几何扫描

l  分配聚焦值


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图1 用弹性绳悬挂的髋骨(红点是激光聚焦点)


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图2 3D扫描激光测振仪试验搭建

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图3 试验台架上的校正点


测试的坐标系使用有限元模型的坐标系。因此,在进行CT扫描之前,需要在骨头上的特定点粘贴标记,用作校正点,这样可精确地将测试点的位置传递给有限元模型。为了测定最好的测试点,有限元模型分析结果用来做一个初步的估计,在骨头上位移最大的区域高亮显示。用激振器持续激励,激振力在连接点被引入到结构中,同时在测试点对响应(振动速度)进行测试。被测区域有两个 (图4),测试了传递函数,并叠加在一起,如图5,可见有5个共振峰。


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图4 处理后的测试区域  a)测试网格1   b)测试网格2


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图5 叠加的传函

结论和展望

基于目前的测试结果,从100 Hz 到2000 Hz 有5个模态振型,可帮助校正数字模型。测试方法和测试过程都大大地减少了工作时间和精力,满足了生物样品的保鲜要求,接近原位动力学参数。3D 扫描式激光测振仪初次用来测定髋骨的模态参数,给出了从前没有的精确的空间振动模型和分辨率。对比以前的方法,3D 激光测振仪是动力学分析和人类髋骨模型的一个重大的提升。

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