醫(yī)學(xué)三維重建是醫(yī)療系統(tǒng)的重要組成部分，體骨組織進(jìn)行三維重建是假肢外科的一部分，骨組織是一種具有復(fù)雜層級(jí)結(jié)構(gòu)的生物復(fù)合材料，能夠承重、提供生長(zhǎng)附著，以及傳遞載荷實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，對(duì)人體生命健康與運(yùn)動(dòng)極為重要。

  現(xiàn)實(shí)中人體骨胳材料遭受意外傷害的情況日益增多，極大削弱了其力學(xué)性能及服役可靠性，給人類生命造成了極大的威脅，同時(shí)也增加了社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

  因此，研究骨材料在服役載荷工況下的力學(xué)性能在變形機(jī)理，不僅對(duì)骨材料服役性能預(yù)測(cè)評(píng)估具有重要指導(dǎo)意義，同時(shí)能夠?yàn)椴煌d荷模式下骨破壞的潛在原因追溯分析，為仿生骨替代材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及組分配比提供數(shù)據(jù)參考。

  骨組織及相似骨材料力學(xué)性能測(cè)量，是骨生物力學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)基礎(chǔ)研究，有利于解決臨床醫(yī)學(xué)上的骨折、植入物松動(dòng)和骨重建等力學(xué)問題。

  面臨的測(cè)試難題

  骨是非均勻的、各向異性的復(fù)合材料，骨是由膠原纖維和羥基磷灰石組成的復(fù)合材料，表現(xiàn)出不均勻性和各向異性。

  該檢測(cè)中心過去采用的是傳統(tǒng)測(cè)量方法對(duì)相似骨材料進(jìn)行測(cè)量，在應(yīng)用上存在著不少的局限性：

  1、只能進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，無(wú)法觀測(cè)材料的動(dòng)態(tài)演變過程

  2、無(wú)法測(cè)試材料特定位置的應(yīng)變情況，各異向性動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)變化

  3、無(wú)法實(shí)時(shí)計(jì)算屈服強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)，無(wú)法輸出應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

  新拓三維DIC應(yīng)變測(cè)量技術(shù)，是一種非接觸式的高精度位移、用于全場(chǎng)形狀、變形、運(yùn)動(dòng)測(cè)量的方法，可實(shí)時(shí)記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)的全過程，數(shù)據(jù)可追溯，可重復(fù)利用;對(duì)于大變形、各向異性的材料、力學(xué)性能數(shù)據(jù)計(jì)算的實(shí)驗(yàn)，DIC技術(shù)具備明顯的優(yōu)勢(shì)。

  1、相似骨骼材料壓縮

  骨組織力學(xué)性能測(cè)量，有利于解決臨床醫(yī)學(xué)上的骨折、植入物松動(dòng)和骨重建等力學(xué)問題。通過具代表性的壓縮測(cè)試手段，分析類似骨頭材料受壓過程中結(jié)構(gòu)的變形，獲取類似骨材料的力學(xué)性能參數(shù)，可方便用于有限元模擬，新材料的研發(fā)和生產(chǎn)。

  通過計(jì)算分析得出，壓縮力在相似骨材料內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力和壓應(yīng)變，材料受壓縮后縮短，壓應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，代表試件受到擠壓符合實(shí)際情況，然后從位移場(chǎng)可以清晰看到壓縮的位移量。

  ?骨材料壓應(yīng)力

  ?骨材料壓應(yīng)變

  ?壓縮位移量

  2、脛骨骨骼標(biāo)本拉伸測(cè)試

  采用類似骨頭材料—雞脛骨標(biāo)本進(jìn)行拉伸應(yīng)變測(cè)試，通過模擬脛骨負(fù)載狀態(tài)，驗(yàn)證脛骨受拉變形情況及抗拉能力。XTDIC系統(tǒng)可支持各種應(yīng)變測(cè)量，并可進(jìn)行實(shí)時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算，適用于骨骼材料在各種負(fù)載條件下的圖像采集需求。

  由于雞脛骨尺寸較小，XTDIC系統(tǒng)搭配光學(xué)體式顯微鏡，對(duì)雞脛骨觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行放大，能夠觀測(cè)到更細(xì)節(jié)的特征，所測(cè)數(shù)據(jù)能夠反映骨骼應(yīng)力分布的真實(shí)客觀情況，并自動(dòng)記錄和分析處理數(shù)據(jù)，可輸出三維色譜云圖，清晰地觀測(cè)到位移、應(yīng)變場(chǎng)的變化趨勢(shì)。

  在拉伸加載過程中，可測(cè)量骨胳組織的性能(如楊氏模量、強(qiáng)度)和幾何參數(shù)，計(jì)算出雞脛骨的軸向拉伸強(qiáng)度和剛度，以便于更好地掌握復(fù)雜骨胳材料的力學(xué)性能。

  脛骨拉伸位移場(chǎng)

  脛骨加載應(yīng)變場(chǎng)

  3、脊椎骨標(biāo)本壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲測(cè)試

  脊柱類問題主要是脊柱疾病包括各類畸形、骨折以及退化、椎體與椎間盤脫位等。采用羊椎骨進(jìn)行彎曲、擺動(dòng)、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)由新拓三維應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和后處理，分析骨胳應(yīng)力分布情況，并自動(dòng)記錄和分析處理數(shù)據(jù)，測(cè)出羊脊椎骨節(jié)段應(yīng)變的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)。

  通過調(diào)整骨骼相對(duì)于壓力機(jī)的相對(duì)角度，模擬人體骨胳負(fù)載及運(yùn)動(dòng)的情況，使其復(fù)現(xiàn)人體在運(yùn)動(dòng)中的脊椎骨骼受力工況，進(jìn)而了解其不同部位的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

  通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，脊椎骨在承受扭轉(zhuǎn)、彎曲的載荷作用下，呈現(xiàn)出多向性的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證有限元仿真中，脊椎骨的承載能力和材料屬性。根據(jù)動(dòng)物脊椎試驗(yàn)數(shù)據(jù)，模擬了人類脊椎在載荷狀態(tài)下的各部分變化情況,。

  加載前標(biāo)定和采集準(zhǔn)備

  點(diǎn)位移規(guī)矩追蹤

  當(dāng)人體骨骼上下或左右運(yùn)動(dòng)時(shí)，其關(guān)節(jié)粘膜會(huì)產(chǎn)生摩擦。當(dāng)運(yùn)動(dòng)劇烈時(shí)，則有可能引起骨折等損傷。采用骨骼或相似骨骼材料進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變模擬試驗(yàn)，利用新拓三維3D-DIC測(cè)量技術(shù)，可精確地測(cè)量骨骼材料各組分的位移、應(yīng)變數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于骨骼疾病防治、骨骼缺損修復(fù)以及人工骨骼材料研制等，都具有重要的科學(xué)意義，并且對(duì)骨骼疾病的臨床治療提供指導(dǎo)意義。