（机械设计及理论专业论文）关节软骨的力学性能测试及有限元仿真.pdf

摘要 关节软骨是一种粘弹性、非线性的结缔组织。其复杂的结构及组成决定了其本身独 特的力学特性。关节软骨的力学性能受到广泛关注，详细进行软骨的力学性能测试有重 要意义，因为这有助于揭示软骨组织新陈代谢的机理，还可以为临床软骨疾病的治疗和 软骨缺损修复等方面提供重要依据，进而促进临床软骨疾病研究的发展。因此本文以关 节软骨为研究对象，借助自行设计研究的加载装置、有限元仿真技术、s o l i d w o r k s 建模 软件及数字图像相关技术，综合生物力学和工程学理论，揭示其在常规工作环境中各项 力学指标的变化及规律。 为了对关节软骨这种复杂的生物组织的力学性能进行全面揭示，文章中的研究方法 采用当前较先进的数字图像相关技术进行实验，在体外提供近似于体内的环境，用实验 室研制的加载装置和夹具分别对新鲜软骨进行压缩、滑动和滚动加载，实验中采取有效 措施避免边界问题的影响，在软骨表面嵌入纳米颗粒制斑以便标记，从宏观和微观的角 度分析其受载过程中整体及各层区应力应变的变化。同时运用a n s y s 仿真软件对压缩和 滑动加载进行仿真，从理论和实践两方面阐述结果。 研究表明，关节软骨在直接压缩、滑动加载和滚动加载条件下呈现出不同的力学特 性，其应力应变值和变化趋势随压缩量、加载速度的不同而变化；由于其结构组成的特 殊性，不同层间的力学性质存在较大差异，其中表层变化最明显，中间层次之，深层最 稳定。另外，软骨在活体内所受载荷是连续的，在实验中发现多次加载过程中应变值整 体呈现出减小的趋势，这是软骨中水分转移和组织变形的结果。实验测试和仿真分析的 结果相符，使得理论和实践得以统一，共同研究了关节软骨受载荷下的独特力学性能。 研究中采用的方法和工具可在后续相关研究作为参考，结论中提供的信息可为关节 软骨临床疾病及运动保健的研究提供依据，有助于软骨力生物学的发展。 关键词：关节软骨力学测试数字图像相关技术夹具设计有限元法 a b s t r a c t a r t i c u l a rc a r t i l a g ei sak i n do fv i s c o e l a s t i c ，n o n l i n e a rc o n n e c t i v et i s s u e ，a n dt h ec o m p l e x s t n l c t l l r ea n dc o m p o s i t i o na 仃c c t si t su n i q u em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fa r t i c u l a rc a r t i l a g ei sw i d e l yc o n c e r n e da b o u t a n di ti si m p o r t a n tt o t e s tt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ec a r t i l a g ed e t a i l e d l yf o rr e v e a l i n gt h em e c h a n i s mo ft h ec a r t i l a g et i s s u e m e t a b o l i s m i tc a l la l s op r o v i d ei m p o r t a n tb a s i s f o rt h et r e a t m e n to fd i s e a s e sa n dc l i n i c a l c a r t i l a g er e p a i ra n dt h e np r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fc l i n i c a lc a r t i l a g ed i s e a s er e s e a r c h i n t h i sp a p e r , w eu s eb i o l o g i c a lm e c h a n i c sa n de n g i n e e r i n gt h e o r yt or e v e a lt h ec h a n g er u l eo f m e c h a n i c a lp a r a m e t e r si nn o r m a lc i r c u m s t a n c e s o u rr e s e a r c hi sd o n ew i t ht h ea i do fl o a d i n g d e v i c e sw h i c hd e s i g n e db yo u r s e l f , f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ，s o l i d w o r k s m o d e l i n gs o t h a r ea n dd i g i t a li m a g ec o r r e l a t i o nt e c h n o l o g y t or e v e a lt h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fa r t i c u l a rc a r t i l a g e ，i nt h i sr e s e a r c hw ed ot h e e x p e r i m e n tu s i n gd i g i t a li m a g er e l e v a n tt e c h n o l o g yw h i c hi sa d v a n c e dc u r r e n t l y a p p l y i n g c o m p r e s s e d , s l i d i n ga n dr o l l i n gl o a dt of r e s hc a r t i l a g ew i t l ll o a d i n gd e v i c e sa n df i x t u r ew h i c h d e s i g n e db yo u ro w nt e a mi nv i t r ow h i c hi ss i m i l a rt ot h a ti nt h eb o d ye n v i r o n m e n t i n e x p e r i m e n t sw e t a k ee f f e c t i v em e a s u r e st oa v o i dt h ee f f e c to fb o u n d a r yp r o b l e ma n dm a r kt h e s p o tw i t hn a n o p a r t i c l e si nc a r t i l a g es u r f a c et oa n a l y s i st h ew h o l ea n de a c hl a y e r sc h a n g eo f s t r e s sa n ds t r a i ni nl o a d i n gf r o mt h em a c r o s c o p i ca n dm i c r o s c o p i cp e r s p e c t i v e s w ea l s ou s e s i m u l a t i o ns o f t w a r eo fa n s y st os i m u l a t ec o m p r e s sa n ds l i d i n gl o a df o re x p l a i n i n gt h e r e s u l t sf r o mb o t l lt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a la s p e c t s r e s e a r c hs h o w st h a t , i nd i r e c tc o m p r e s s i o n , s l i d i n ga n dr o l l i n gl o a d i n g ,a r t i c u l a r c a r t i l a g ep r e s e n t sd i f f e r e n tm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i e s ，a n d i t ss t r e s sa n ds t r a i nv a l u e c h a n g e si nd i f f e r e n tc o m p r e s s i o na n dl o a d i n gs p e e d f o ri t sp e c u l i a rs t r u c t u r e ，m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sb e t w e e nd i f f e r e n tl a y e r sd i f f e rg r e a t l yw h i c hc h a n g e so b v i o u s l yi ns u r f a c el a y e r , l a t e rt h em i d d l el a y e ra n dt h ed e e pl a y e ri ss t a b l e i na d d i t i o n ，t h el o a di nv i v oi sc o n t i n u o u s ， i nt h ee x p e r i m e n tw ef i n dt h a ts t r a i nv a l u eo ft h ew h o l ec a r t i l a g er e d u c e dd u r i n gt h el o a d i n g p r o c e s so fe a c ht i m e t l l i si st h er e s u l t so fo r g a n i z a t i o nd e f o r m a t i o na n dw a t e rt r a n s f e ri n c a r t i l a g e r e s u l t so ft h ee x p e r i m e n tt e s ta r ec o n s i s t e n tw i t hs i m u l a t i o na n a l y s i sr e s u l t s ，w h i c h m a k et h et h e o r ya n dt h ep r a c t i c et ou n i t y t h e yb o t hr e v e a lt h eu n i q u em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fa r t i c u l a rc a r t i l a g eu n d e rl o a d i n g t h em e t h o d sa n dt o o l su s e di nt h i ss t u d yc a nb eu s e di ns u b s e q u e n tr e s e a r c ha sr e f e r e n c e ， i n f o r i l l a t i o no ft h ec o n c l u s i o nc a l lp r o v i db a s i sf o rc l i n i c a ld i s e a s eo fa r t i c u l a rc a r t i l a g ea n d s p o r t sh e a l t hc a r er e s e a r c h i ti sh e l p f u lt ot h ed e v e l o p m e n to fc a r t i l a g ef o r c eb i o l o g y k e yw o r d s ：a r t i c u l a rc a r t i l a g e ，m e c h a n i c a lt e s t ，d i g i t a li m a g ec o r r e l a t i o n , f i x t u r ed e s i g n ， f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 关节软骨是一种特殊的结缔组织，位于关节两端的关节面位置，并在其所处的生理 部位为关节的活动提供低磨损和摩擦的光滑界面，起着缓冲震荡，传递载荷等不可替代 的作用n 2 1 。鉴于以上的功能，为适应多变的力学环境，关节软骨具有复杂的结构。软骨 的生长、发育和维持j 下常生理功能都需要载荷的作用，因此，探索关节软骨的力学行为， 不仅有助于揭示软骨组织新陈代谢的机理口1 ，而且可以为临床软骨疾病治疗和软骨缺损 修复等方面提供依据，同时对人工软骨结构组成、人工构建、力学功能评价有重要意义。 然而，由于软骨是种复合材料，其中胶原纤维的分布和其超微结构的取向是决定 软骨力学性能的一关键因素，胶原纤维在承受一定范围的静态或动态载荷时所表现的方 向性，与它所受的力的平衡性和组织的微观结构紧密相关。关节软骨按照胶原纤维分布 排列方式可以分为三层n 1 ( 图1 - 1 ) ：分别是位于软骨表层组成滑动表面的浅表层，中间 层和深层。各层的胶原纤维分别是：平行于关节表面，交错于关节表面和垂直于关节表 面三种走向。各层纤维的大小也各不相同。正是由于这种复杂结构，在承受载荷的过程 中，各层区之间的变形情况并不统一。软骨的力学性能就是由其复杂的结构和组成决定 的，并且关节软骨的非线性和各向异性特性，不仅体现在它的结构和组成，而且体现于 它的生物力学性质中。 1 2 关节软骨的力学性能的重要性 关节软骨由固相基质、少量细胞和问质液组成。固相基质本身是多孔的复合材料， 由蛋白聚糖、胶原纤维和糖蛋白等组成。软骨这种无血管组织中的液体随着作用在组织 上的外界应力变化而流动来获取营养晦1 。所以，研究关节软骨应力一应变的关系，能够在 一定程度上掌握软骨传递载荷的特性，同时能够了解正常组织和病变组织的区别。从微 观上看，力学性能能影响细胞、组织、器官的生理活动，同时对细胞因子分泌、分子水 平基因的表达也会产生影响旧。 软骨组织因其力学传递的功能，成为人体的支架不可或缺的重要部分，其生长、发 育及对j 下常生理功能的维持都需要载荷的作用。因此，力学环境在软骨生理过程中起着 重要的的调节作用。软骨组织结构、力学功能的维持和发展，直接受到载荷对软骨细胞 和细胞外基质的生物学效应的影响n 1 。大量研究表明，软骨在被压缩和拉紧时都表现出 极强的深度关联变化哺1 。 第一章绪论 1 3 国内外研究现状 图1 - 1 关节软骨结构示意图 正如前文所述，鉴于关节软骨特殊的结构特征和独特的力学功能，特别是其在人体 正常生理作用中的重要作用，多年来，广大的国内外学者运用各种方法和先进技术致力 于研究其结构和功能的特点，以及两者之间错综复杂的关系，力在寻求可以为关节软骨 疾病提供有价值的依据的规律和结论，并取得了不朽的成就。下面就这方面的研究状况 进行一些整理。 1 3 1 实验研究 实践是检验真理的唯一标准，特别是科学研究中，更需要各种各样的实验才能通过 可靠的符合实际的数据得到结论。在对关节软骨的力学性能进行测试这一研究领域，广 大研究者从不同角度做了不计其数的实验，大致分为以下几种： ( 1 ) 传统拉压试验 这种方法是把软骨看做普通的机械材料，通过拉伸( 图卜2 ) 、压缩( 图卜3 ) 等传 统加载方式对其进行力学测试，从而得出一些宏观尺度的结论。如e 1 1 i o t td m 等人u 引 通过对人体软骨的拉伸发现，软骨的拉伸应力与应变呈非线性关系；孟维春等人n 羽对人 体关节软骨进行压缩试验后发现，软骨的应力一应变曲线呈非线性指数关系，随应力的 增加，瞬时弹性模量值增大。 ( 2 ) 压痕测试 压痕测试广泛应用于软骨生物力学测试中。该方法采用一某种尺寸和形状( 如平面端 筒或球体) 的压头尖端压在软骨表面，导致其凹陷( 图卜4 ) ，在此过程中测量压痕随时间 的变化。如张均一等n 钉分别对人和狗的关节软骨在保持原位的情况下测量了其力学性 能。压痕试验具有无损、快速的性质，因而被用为了诊断工具，例如将其与关节镜结合 测量软骨的力学行为，进而诊断关节疾病n 5 1 副。但是压头的直径和形状、软骨的厚度以 及压头与软骨表面间的边界效应都对所测得的力学性能有影响，因此，采用压痕测试获 得的软骨力学性能存在不确定性，需要利用理论模型对其实验结果进行分析m q 钔。 第一章绪论 夹具 a 单向拉伸试验 c a m l a g e 神施 s a m p l e ” 图卜2 拉伸试验示意图 l o a d 蘩 a 非约束压缩试验 图 - 3 压缩试验示意图 b 舣向拉伸试验 i n d e n t e r ；。眵 一i 逸鎏? ；、 c a r t i l a 旧g e 蕊，蕊蠡蠢饕 笺s u b c h o n d r a i 影 ， b o n e 謦 毫2 皂，萼嘞拣? ；穗 图卜4 压痕试验示意图 c o n f i n i n gc h a m b e r b 围限压缩试验 ( 3 ) 渗透加载试验 渗透加载试验是在充分展现软骨膨胀行为的基础上，表征材料力学参数的试验方 法。对于尺寸很小的软骨，无法采用普通的力学实验测量其力学性能，故常采用渗透加 载实验来替代拉压试验来获得啪1 。研究表明，采用渗透加载实验获得的单轴模量反映出 软骨的膨胀压与其力学刚度的平衡，并与单轴拉伸试验获得的模量基本吻合口。而且渗 透加载实验中，渗透介质的离子浓度对关节软骨压缩性能的影响大于对其拉伸性能的影 响2 2 1 。 采用以上实验方法进行力学测试在一定程度上可以反映关节软骨的一些力学性能， 羁竺 罄一 黪r 吨 要 第一章绪论 但大多得出的是宏观上整体的应力应变关系，若对于一般材料而言，这或许足以反映其 力学性质，然而由于软骨的结构复杂且组成特殊，要对其力学性能进行全面阐述，还需 从微观角度对其不同层区进行深入研究。 1 3 2 仿真研究 有限元法的出发点是对一般结构用其中若干点的位移来决定位移场、应变场及应力 场，这来源于结构力学中的矩阵位移法。从这罩结合变分原理即得到格式标准的数值离 散法一一有限元法心驯。随着计算机技术的迅猛发展，有限元分析( f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，f e a ) 已经从最初计算生物组织模型应力应变场的分布情况，发展到模拟系 统以便预测组织分化路径及过程的阶段。因为有限元法的计算精度高、适应性强、计算 格式规范统一，因此其计算结果已经成为各种工业产品设计及性能评估的可靠依据，是 工程设计中不可缺少的重要方法之一。在稳定性分析、传热分析、应力应变分析、电磁 场分析、流体分析等领域都发挥着重要的作用心4 1 。所以，有限元软件在生物力学中的应 用也日益广泛。 图1 - 5 带损伤的股骨( 上) 和胫骨( 下) 轴对称数值模拟模型 当然，有限元技术也就被用来分析关节软骨的力学行为。由于软骨的材料特性，有 限元分析中所使用的力学模型经历了从单相介质到多相介质，从弹性到粘弹性，从线性 到非线性的发展过程，并在此过程中得到了关节软骨不同条件下的宏观力学性能。然而， 关于软骨微观层区间力学行为的有限元分析甚少。近来，b e l lj s 等人心韧采用线弹性模 型，考虑固体相纤维的取向与载荷值的关系，把软骨结构假设为各向同性和均匀的、各 向同性和不同层的，以及各向异性和不同层的三种，对关节软骨中固体相稳定阶段的小 变形进行了模拟。但是因为采用的力学模型为线弹性，所以模拟结果并不能准确显示软 骨内部的长期应力分布。j z w u 等运用有限元技术，研究了关节软骨植入体插入的深 度对应力应变分布的影响，并对此情况做了相关的有限元模拟啪1 ( 图1 - 5 ) 。 s a l v a t o r ef e d e r i c o 阳7 等运用有限元法构建出一种关节软骨模型，该模型是一种横 第一章绪论 向各相同性且各项均匀的微观结构统计学模型。运用数学工具，结合关节软骨的微观结 构，模型的横向平面与软骨的内部和表层平行，经证明此模型软骨从深层到表面的轴向 弹性模量是递减的，这与实验结果相符合。与传统的线性、各相同性、均匀的软骨模型 相比，此模型更具微观特性，对软骨的描述更加精确。在本研究的有限元仿真中，就利 用该模型定义了关节软骨的各向参数，并得到了预期的效果。 1 3 3 目前国内外研究所存在的问题 经过多年国内外广大学者的不懈努力，人类对于关节软骨这一特殊组织的了解越来 越深入，其功能和结构的密切关系也得到了很大的关注和研究。特别是其力学性能对本 身运动模式的关键作用受到更加深入的探索。但是任何科学成就的取得都是曲折的，对 关节软骨的力学性能测试也是如此。通过传统的测试方法可以看出，其存在的问题主要 集中在以下几方面： ( 1 ) 由于软骨结构具有不同于一般材料的复杂性，以上实验方法的结果分散性较大。 ( 2 ) 传统的测试方法测得的结果仅仅反映了软骨力学性能的宏观本构关系，而对于 其各个层区在同一载荷下的变形的具体情况并没有得到相应结果，这对于关节软骨这种 层问结构区别明显的复杂材料来说，这样的分析显然是不精确的。 ( 3 ) 单纯的实验是一种探索性的研究，对于关节软骨这种复杂结构的测试，其结果 还需进行理论验证。 ( 4 ) 在进行软骨力学性能测试的过程中，若选用数字图像相关技术，可实现很大的 突破，但是图像的标记物需慎重选取而且要避免边界效应对实验结果的影响，所选取的 用于分析实验结果的图像区间及试件的夹持模式也需严格考虑。 ( 5 ) 进行理论验证的过程中，建立一个合理的理论模型应考虑关节软骨的粘弹性、 非线性以及胶原纤维受载后不同层区的变化。 1 4 本论文的研究内容、特色及创新 1 4 1 研究内容 本研究以关节软骨为研究对象，在体外模拟软骨体内的应力环境，分别对其进行直 接压缩、滑动和滚动加载，且分别控制每种加载条件下的压缩量和加载速度( 符合关节 软骨在体内进行正常生理过程的情况) ，将加载过程运用数字图像相关技术采集图像和 数据，最后将采集到的图像和数据信息进行对比分析，整理并总结出关节软骨在不同载 荷条件、压缩量和加载速度下的位移和应变规律，从宏观和微观尺度详细描述这些规律。 实验依托实验室现有的设备，包括微型力学拉力机，课题组自行研制的滚动加载装 置和数字图像相关方法分析软件。在此基础上，为了将软骨更好地固定，本研究根据现 有设备的尺寸和实验需达到的目的，运用机械设计方法和s o l i d w o r k s 软件设计定制了 专用于滑动加载和滚动加载的央具。 除实验研究外，运用a n s y s 有限元分析软件对关节软骨在直接压缩和滑动加载的个 第一章绪论 别压缩量下的过程进行模拟仿真，从理论角度分析其在正常生理过程中的力学性能。 1 4 2 特色及创新点 本研究从宏观和微观两种角度针对关节软骨在生理载荷( 滚压、压缩和滑动载荷) 作用下的力学性能进行全面探索，这在以往的研究中尚存在一定空白。 研究采用了非接触式数字图像相关技术进行实验。且针对现有应用中的不足，提出 了相应的解决措施，从而丰富和完善了该方法在生物力学领域应用的技巧，并将此系列 措施整理成发明专利，为同后广大学者的研究提供帮助。 研究为达到预期的实验目的结合现有实验设备设计定制了专用的央具，保障实验的 顺利进行。 运用有限元仿真技术，从理论角度分析直接压缩和滑动载荷下关节软骨的应变场及 应力场，总结其规律。 第二章数字图像相关技术及其戍刚进展 2 1 简介 第二章数字图像相关技术及其应用进展 数字图像相关方法是一种利用视觉技术跟踪物体表面图像子区域的运动形态，推算 物体变形的位移和变形的非接触的光学变形测量方法。数字图像相关方法可分为两部 分，一部分是通过c c d 摄像机就被侧物体的位移和变形前后的图像记录下来，另一部分 是对采集的图像做灰度场的相关计算，在通过插值等方法求得相应点的亚像素位移啪删。 该方法的基本原理是首先用图像采集系统收集到物体在指定的运动条件下变形前后的 两幅数字图像，从这两幅图像之间找出它们的对应关系，通过这种关系把变形测量问题 转化为数字化相关计算过程，最后用一种高效的搜索算法求解进而获得分析对象的位移 和应变啪侧。该方法于上个世纪8 0 年代初由美国南卡罗来纳大学的w h p e t e r 和 w f r a n s o n 1 及日本i y a m a g u c h i 1 等人同时独立提出陋卿。多年以来国内外的实验力 学工作者对这一方法的理论研究和应用研究等方面开展了大量工作，并取得了重要的研 究成果驯。 2 2 在生物力学领域的应用情况 现在，数字图像相关方法的应用日臻完善，随着其各个技术环节的逐步改进，它的 应用领域正在不断扩大州劓。无论在固体力学、断裂力学、流体力学、生物力学还是复 杂材料本构关系的确定以及无损检测等领域都得到了广泛的关注，并且已经取得了一定 的研究进展。 生物组织是一种多复合材料，相对其他材料，其本身具有粘弹性，且不同位置力学 性能又有差别，它的活体力学环境非常复杂，在对其力学性能进行测试的过程中要求较 严格。合适的力学测试关系到对组织各方面性能的了解，以及体外培养、疾病治疗以及 医疗事业的发展等重要的领域。而鉴于数字图像相关技术优良的测量优势，恰能在很大 程度上满足对生物组织的测试。因此，近些年越来越多的国内外研究者运用这一方法对 自己的研究对象进行测试，并取得了可观的成就。下面就其具体应用进展情况进行简要 介绍。 2 2 1 在木材力学测试中的应用 木材常见的力学测试有压缩、拉伸和弯曲载荷下对其变形规律的测试，这对了解木 材的基本力学性质有重要的意义。数字图像相关方法在木材力学中的应用是从木材的蠕 变开始的3 。多年来的研究使研究者们达成的共识有：( 1 ) 木材非均匀性。( 2 ) 各向异 第二章数字图像相关技术及其应用进展 性。在对木材进行力学测试的实践中，除了对此方法的积极运用，研究者们还充分借助 其他相关知识优化测量方法。如刘美华等h 副基于c + + 设计，开发出了一套软件，用于数 字图像程序的开发，通过对水曲柳这种木材的测试证实了程序的可行性和高精度。孙艳 玲等h 钔第次把有限元方法中的位移模式引入到数字图像相关测试的位移场和应变场 的相关运算中，提出了4 结点等参位移模式和8 结点等参位移模式这些更适合具体变形 的方法。同时首次把复杂变形的数值模拟用到这两种新的位移模式里，从而进一步验证 了其正确性及广泛的适用范围。 2 2 2 在牙科研究中的应用 苏俭生等h 7 ，用数字图像相关方法测量了牙科陶瓷材料的弹性模量。张东升等h 8 。4 明用 控制计算机、微型机械加载机构、光学体视显微镜及图像采集系统组成的测试系统 m t f - 1 0 0 对人牙本质断裂力学行为进行了研究( 图2 1 ) 。实验证明，在保持水分的状态 下牙本质呈现出的特性类似于粘弹性材料，在脱水后则会变脆。鲁成林等嘞1 以折裂率最 高的第一磨牙为研究对象，将其由环氧胶粘接在加载设备上，在咬合面采用位移加载模 式施加触压载荷。为了便于分析，在试件上喷涂了随机分布的黑色散斑，由此比较了两 种瓷冠的破坏形式。研究发现中央窝处施加触压载荷时烤瓷熔附金瓷冠多以加载附近的 锥形裂纹引发瓷冠破坏，全瓷冠容易在受压点下方的内衬产生放射状裂纹直接导致瓷冠 破坏。 图2 1 牙本质紧凑拉伸试件( a ：试件取材部位) ；牙本质紧凑拉伸试件的加载方式 4 s l 2 2 3 心血管力学性能测试中的应用 s t o n e yg g 畸1 1 从刚屠宰的牛心血管取材，安装到夹具后，在表面喷涂较薄的快干气溶 胶以制造随机分布的散斑场，这里忽略了胶对血管力学性能的影响。在加载过程中，用 装载试件表面法向的电视摄象机采集图像，最后利用图像相关算法分析物面的变形，并 与实验力相组合，形成了材料的应力一应变曲线，此研究发现动脉的环向和轴向具有明 显的力学差异。 t o d dc d o e h r i n g 等隋2 1 用由一个微型加载夹具、视频成像系统，与一台个人电脑来控 制负载和数据采集的m s t s 进行单轴斜坡应力松弛测试实验，实验材料为新鲜的猪主动脉 瓣切条和一个处理过的牛心包膜切片( 图2 - 2 ) 。在m s t s 中输入正弦信号夹住样本，应用 一序列的位移来进行应力松弛和斜坡测试。在拉伸中，不断滴加磷酸盐以维持水合作用。 8 第二章数字图像相关技术及其应川进展 实验结果，所有样本显示出典型非线性弹性和粘性现象。 ( a ) 4 0 一b , 0 ： 一 嚣2 0 已 函 t 0 ( c ) 图2 2 ( a ) m s t s 控制图形用户界面和装载夹具；( b ) 两种样本的无标记跟踪和拉格朗日应变； ( c ) 主动脉瓣尖及牛心包膜的应力应变曲线【5 2 】 2 2 4 骨及软骨应变测试中的应用 骨应变的测试一直以来都是骨科专家为了更好的了解骨的受力状态及生长情况的参 考指标。l i a n x i a n gy a n g 等嘞3 用三维数字图像相关方法测量了小鼠的股骨应变分布( 图 2 3 ) 。测量结果显示，在股骨干处的应变比远端骨骺处，且干骨的主应变小于新鲜骨， 这可能是因为干样本的硬化的原因( 图2 - 4 ) 。 b 图2 3 应变测量系统 l 墨目 豳一 h 闲m一薯司镧 一爨 羹 雾 豳h 圈i|；1潮誓溪蒸闺蔼 i繁濑。一 _、划一o 第二章数字幽像相关技术及其戍川进展 | 一一麓：! p a v e ls z t e f e k 酾钔等于近期用该方法跟踪关节表面的散斑来确定小鼠胫骨膝关节在 压缩载荷下的表面应变( 图2 - 5 ) 。结果表现出非均匀应变的图像中高应变( 0 5 ) 的孤立 区域，尤其是在内侧。结构适应后，胫骨表面的应变更加均匀，特别是在有峰值应变的 内侧，由0 5 减少到0 3 。由于数字图像相关技术检测整个表面的局部应变，它使人 们更易理解在适应过程中应变刺激如何影响骨的响应。 s p e c k l ep a t t er n b e f o r ed e f o r m a t i o n d u r i n gd e f o r m a t i o n 图2 5 用数字图像相关技术跟踪加载过程中的散斑图5 4 1 c h r i s t o p h e rc - b w a n g 等降5 7 1 运用数字图像相关技术对关节软骨的力学性能进行了 研究( 图2 - 6 ) 。通过采集到的样本变形图像进行分析，未成年牛腕骨关节软骨的弹性模 量和泊松比得以确定，并发现关节表面最小且从表面到深层逐渐增加。随着压缩应力的 增加，泊松比逐渐减少。这种泊松比随深度增加的明显改变与理论模型是一致的。该研 究团队在随后的研究中又充分应用该技术和实验方法，对关节软骨在动态变形加载中所 反映的糖蛋白和胶原含量及分布情况进行了研究，证明在动态载荷下胶原分布的改变造 成泊松比的变化嘲1 ，进而影响软骨的力学性能( 图2 7 ) 。 f r a n kh e u e r 畸刚等用这种方法获得软组织的表面应变。经过多项确认实验，系统的精 确度在垂直方向应变达到0 1 0 ，剪切和圆周方向的应变达到0 1 6 。这对于了解软 组织及骨骼肌等结构在载荷作用下的的应变分布是相当重要的，而且有助于更好的认识 生物结构在诸如骨折康复过程中的机械载荷情况。所得数据也可在有限元模型的校准中 应用。 第二章数字图像相关技术及其应用进展 图2 - 6 倒置显微镜和定制的压缩加载装置田1 1 7 l 圈譬 卜嗣譬 嗣鬟缀溯蠢 麓，溱 漕嘏 m i n i m u mp r i n c i p a s u a i nd i m c t i o n 、0 一 z o 。 一d e p t ho ra x i a ld i r e c t i o n 图2 7 关节软骨样本在压缩量为5 、1 0 和1 5 时的应变场阿1 由于特殊的层区结构，成年动物的关节软骨具有深度依赖的机械和生物特性。未成 年动物及组织工程软骨的压缩模量低于成年人。t r a v i s j k l e i n t j 等所作的研究就是为 了确定这样的组织是否体现出深度依赖的压缩特性，并分析随深度的改变这种特性与细 胞捧列和组成的关系( 图2 - 8 ) 。结论为胎牛和新生牛关节软骨的压缩模量随深度从表层 的0 1 m 到深层的l m m 以4 - 5 的因数增加，同样，粘多糖和胶原质的含量也随深度增加， 这与模数相关。相反的是由关节软骨表面和中间区域的阶层和混合细胞形成的组织工程 化软骨在构建表面表现出类似的柔软区域。未成熟软骨的性能可为培养用于修复缺损的 组织工程软骨提供模板。 n a d e e n0 c h a h i n e 等h 2 3 致力于探究软骨细胞的变形行为和其在瞬间载荷下的微环 境情况，以明确施加动态变形和细胞应变的关系( 图2 9 ) 。研究得出的结论为：在加载 过程中，软骨细胞的力传导可能很大意义上由应变扩大机制引起。在随后进行的对该测 试的有限元仿真结果中也证实了这点。 在l b i a n 呻1 所作的研究中用幼牛的软骨移植体分别在化学介质和血清补充介质中 培养六个星期。分别在第0 ，1 4 ，2 8 ，4 2 天用定制的测试设备进行力学性能的评估，在压 缩量为1 0 的围限压缩中确定其杨氏模量。在样本的切割面用动态优化数字图像相关技 术确定局部变形场，随后对图像进行分析处理得到对比结果：在化学介质中培养的移植 体机械性能和生化含量都在2 周后加强并随后细胞生存能力保持稳定。而在血清补充介 第二章数字图像相关技术及其应州进展 质中培养的移植体其机械性能和生化含量均降低了7 0 同时还有生化含量方面的损失。 这些结果表明同种异体移植体可在化学介质培养中得到维持。 一一| ；：蚕i 。? ；蔫豳啊 圈 。一j 浔l 一 图2 - 8 限制压缩下胎牛及新生牛的图像，其中a 、d 压缩量为0 9 6 ；b 、e 压缩量为1 0 ；c 、f 压缩量 为2 0 呦1 图2 - 9 动态显微镜加载装置8 订 与关节软骨一样，同软骨相连的其他组织的性能同样会对整个关节的正常工作起着 重要的作用，膝关节处的韧带就是这样一种结构。刘敏m ，等选用具有代表性的新鲜膝关 节利用数字图像相关法测定了膝关节的纤维应变。分析结果表明膝关节的屈曲是松弛一 紧张一松弛、紧张一松弛一紧张的循环过程，前外侧束和后内侧柬的纤维束交替成为“功 能束，起到防止胫骨后移的作用。 数字图像相关方法在生物组织力学性能测试方面的应用不仅仅局限于天然生物材料 本身，人造生物材料的相关测试也需要用这种方法进行。赵巍等哺朝应用数字图像相关方 法测量了羟基磷灰石( 骨替代材料) 的弹性模量、泊松比以及压缩极限应力。实验最后 得出的应力一应变曲线显示了良好的线性关系，同时间接证明了测量结果的可靠。 2 3 在本课题中的应用 由于数字图像相关方法具有测量光路简单，对测量环境的要求较低，测量的速度快、 精度高，易操作，非接触，测量范围大，对光源功率要求低，对被测物体没有附加质量 等特点。而这些优势特别是非接触性及全场测量的特点对软骨组织这种在测量时不宣破 坏其基本结构和生理机能的脆弱组织的力学性能测试非常合适。因此借鉴上述研究人员 第二章数字图像相关技术及其应朋进展 的研究方法以及对数字图像相关方法的应用，综合考虑关节软骨的材料特点，在本课题 的研究中也运用该方法进行实验。实验中，将新鲜软骨用特制的夹具固定在微型力学拉 力机上，通过m a xt e s t 软件控制加载速度，同时用c c d 摄像机采集软骨受载荷作用过程 的变形图像，最后用光学实验数字图像分析系统根据图像信息得出各种载荷情况下的相 应数据和规律( 图2 1 0 ) 。 蠢銎压缩 苎霎旨、 复墨 萋麓溺滚压 “。；鹣蓄澎一；， 缓熬r 萱蠢魈蜊 盈荔 ；茹弹恸麓簟塑遵基 图2 - 1 0 关节软骨力学行为的实验示意图 数字图像相关方法除在以上生物组织的力学性能测试中得以应用外，鉴于其测量的 优势和运用方法的普及和扩展，越来越多的专家学者将其应用领域扩展到更深更广的方 面，例如一些医学工作者正在对眼球的相关组织研究中利用这种技术提取相关信息，这 可以说是很有创新意义且具有突破性的。 科学研究是不断发现新问题并解决问题的过程，在该方法的实践应用上，也会出现 一些意想不到的问题，这就需要对测量技术进行改进。如生物体是流固耦合体，受力后 如何不影响视觉图片，以及对于以采集图片为重要分析资源的该方法，如何把生物组织 这种标记不明显的材料的变形信息精确采集都是我们需要深入考虑并逐步解决的。 生物组织的工作环境是动态而复杂的，为使力学测量的结果更接近组织在体内正常 工作的情况，一定程度的动态测量是必不可少的，数字图像相关技术在这方面的限制并 不苛刻。因此在以后的运用中，我们有信心实现动态情形下的数据采集，从而更深入的 研究各种复杂组织的力学性能。 尽管作为一种非传统测量方法，它的测量结果还有一定的误差，但是随着算法的优 化和处理分析系统的升级以及其它相关领域的快速发展，数字图像相关方法的优越性会 更加明显，测量结果会更加准确、清晰和有效。可以相信随着现代科技的发展和凭借人 类无穷的智慧，在不远的将来，我们一定可以将其运用自如。 。蘑簿繁 第三章加载装置及夹具的设计 第三章加载装置及夹具的设计 关节在生理载荷环境中具有支撑、减少接触应力，使对应关节面以最小摩擦力和磨 损进行相对运动的功能。两关节面相互接触，有两种相对运动，即滑动和滚动1 。人在 行走时膝关节中滚动和滑动同时存在( 图3 一1 ) ，其中滚动约占6 0 ，滑动约占4 0 ，且 每种运动都会对关节面造成一定程度的压缩；滚动速度为0 1 5 c m s ，滑动速度为 o - 3 5 c m s 7 1 。因此，研究关节软骨的力学性能，模拟其生理载荷时，要从三种载荷条 件下着手，即直接压缩、滚动和滑动。 k o f 孵釉诲攀k 购 p 舰畦a lc o 嘴y ! ep l a a rs 廿a i 似鬣翻 黑一凡 。s 8 蝴? j 。4 耐 ” 4 b 黔。； 谶n ： 图3 - 1 在行走过程中膝关节接触处相对滚动和滑动的速度 3 1 设计目的及方案 对软骨施加上述载荷，需要相应的加载装置。目前实验室的现有加载设备有微型拉 力机( 图3 2 ) 、课题组自行研制的滚动加载装置( 图3 - 3 ) ，上述装置可对关节软骨施 加直接压缩和滚动加载，为满足实验要求，还需根据现有条件设计定制滑动加载装置。 另外，在实验过程中，应该保证除所需载荷带来的运动外，软骨没有其他附加位移，以 确保实验结果的准确。因此实现软骨和加载装置之间的牢固固定，是实验成功的必要保 证。目前的滚动加载装置能够进行滚动加载，然而为将载荷正常的传递给软骨，现有的 实验条件不能满足这一需求，还需设计定制相应的夹具。下面就针对这两方面的需求进 行了设计研究。 3 2 滑动加载装置的设计 3 2 1 装置工作要求 滑动加载装置首先应实现对软骨施加滑动载荷，这一过程涉及到软骨的夹持固定、 第三章加载装置及夹具的设计 压缩量的控制和驱动的实现三方面的内容。其次，由于实验采用数字图像相关技术，装 置还需满足该技术所必须的相应条件，即软骨的受载面应能通过c c d 直接观察到，以便 采集软骨受载过程的图像信息；由于记录的图像直接反应软骨的位移信息，考虑到材料 力学中的边界效应问题，也应采取措施避免软骨观察表面的这一现象。再次，为使软骨 在受载过程中所处环境与体内环境接近，应考虑保持将其浸没在生理赫水中，这对装置 整体的尺寸也提出了约束要求。 图3 2 微型拉力机 图3 - 3 滚动加载装置 3 2 2 设计成型 综合考虑上述工作要求，经全面分析和多方面改进，在导师的耐心指导下，设计并 第三章加载装置及夹具的设计 定制了下面的滑动加载装置( 图3 4 ) 。 图3 4 滑动加载装置( 图中：1 右夹持部件2 左夹持部件3 夹板 4 观察窗5 螺栓 通孔6 矩形凹面7 凸键8 一i 、8 - i i 连接螺孔 9 调节螺孔1 0 凹槽1 1 圆弧凸面) 装置由右夹持部件、左夹持部件和夹板组成，右夹持部件呈u 型结构，右夹持部件 的上板设有观察窗和两个螺栓通孔，上板设有观察窗部位的下表面设有矩形凹面，右夹 持部件的下板上面设有截面为矩形的凸键，上板右端面设有两个连接螺孔，前侧板设有 两个调节螺孔：左夹持部件呈阶梯形板件结构，左夹持部件位于右夹持部件呈u 型结构 的上板和下板之间，左夹持部件下表面设有截面为矩形的凹槽并与右夹持部件的凸键滑 动配合，左夹持部件的前侧面设有半圆形圆弧凸面用于对软骨进行加载，左夹持部件的 左端面设有两个连接螺孔：夹板呈矩形，位于右夹持部件上板的下面，夹板上设有两个 螺栓通孔并与右夹持部件上板的两个螺栓通孔相配合，软骨置于右夹持部件上板和夹板 之间并通过螺栓与装置固定，通过在右夹持部件前侧板的两个调节螺孔内旋入螺钉深度 调节软骨的压缩量；矩形凹面用于插入透明玻璃，用于避免边界效应对实验的影响：透 明玻璃的厚度和宽度与矩形凹面相同，透明玻璃插入矩形凹面后通过软骨的挤压被固 定；夹具通过右夹持部件上板右端面的两个连接螺孔和左夹持部件左端面的两个连接螺 孔用螺钉与微型拉力机连接，从而通过拉力机的控制软件实现对装置的驱动。 第三章加载装置及夹具的设计 3 2 3 可行性分析 设计的装置基本满足所需实现的工作要求：与驱动装置的连接稳定，可在驱动软件 的控制下通过两端的相对运动实现滑动加载( 图3 - 5 ) ；