专利名称：一种在软骨力学性能测试中运用数字图像相关技术的方法
技术领域：
本发明涉及生物组织中软骨力学性能测试技术，特别是一种在在软骨力学性能测试中运用数字图像相关技术的方法。
背景技术：
随着计算机技术、现代光电子技术以及数字图像处理水平的发展，数字图像相关方法日益成为实验力学领域的一种重要的测试方法。生物组织不同于一般的材料， 相对其他材料，其独特性就在于它的结构复杂，组成多样。生物组织及软骨一般由流固耦合材料组成，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、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。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，全场性的特点。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。关节软骨是包围某些骨头表面末端的结缔组织。成人关节软骨，通常看上去是相对均衡的，而事实上关节软骨是由复杂材料构成，是不均一和各向异性的。关节软骨多相性和各向异性现象显然不仅在于它的结构和构成，而且在于它的生物力学性质。软骨在压缩和拉紧时都表现出极强的深度关联变化。了解软骨生物力学的性质和行为对了解关节连接的健康和病症是很重要的。目前关节软骨的力学性能实验主要来自离体软骨试件的拉伸或压缩试验，由于关节软骨固、液两相结构复杂，试件的获取、加工影响软骨力学性能结果的可靠性，在有关的文献报道中，实验得出的数据分散性强。这是由于试件脱离了原来不可分割的复杂环境。 也有采用带有软骨下骨的软骨进行实验，主要进行压缩实验，但这些实验仅是反映了软骨宏观本构关系的实验，关节软骨精细的结构按照胶原纤维分布排列方式可以分为三层，浅表层位于软骨表层，并组成滑动表面，胶原纤维与关节表面平行，软骨细胞长轴向与关节表面平行；中间层的纤维与表面呈一定角度交错分布；深层的胶原纤维直径更粗。这些实验中不同区域的力学性能并没有给出，宏观力学性能的特征也没有不同层区力学行为进行解释。因此采用数字相关技术研究关节软骨宏观力学性能和区域的力学性能，获得软骨宏观和微观的力学性能规律。采用数字相关技术研究关节软骨力学性能时，关节软骨横断面为图像采集面。普遍存在的问题是关节软骨质地白色，要采集图像面标志点，需要合适的深色微粒形成斑点特征；关节软骨尺寸较�。釉赝纷饔迷谌砉巧辖哟ゴσ鸨呓缧вΓ鹑砉橇ρ阅懿馐缘奈蟛睿涣硗馊砉俏鞴恬詈喜牧希砉遣馐允庇凶橹毫鞒觯共杉耐枷衲：跋觳捎檬窒喙氐氖凳庑┤钡阌跋炝巳砉橇ρ阅艿牟馐�。目前为止国内外采用数字图像相关技术进行宏观及微观两种角度测量的研究中，尽管突破了传统测试方法的种种局限，然而在解决边界效应对结果的影响、更好的模拟体内环境以及得到清晰可靠的结果问题上的权衡还不足。本发明就致力于解决这些方面的问题，使这种测试更完善可靠，结果更准确。
发明内容
本发明的目的旨在为克服现有技术的不足，而提供一种在软骨力学性能测试中运用数字图像相关技术的方法，该方法使可测量过程更接近人体的内部环境，测试结果更准确。本发明的技术方案
一种在软骨力学性能测试中运用数字图像相关技术的方法，步骤如下
1)取带有软骨下骨的软骨作为测试样本；
2)把测试样本用夹具固定，并对软骨的图像观察面用透明玻璃挡�。�
3)在软骨的图像观察表面嵌入深色纳米颗粒进行制斑，制斑密度为200-300颗/mm2；
4)将夹具的左右夹持部位固定在微型拉力机上实行加载，在加载过程中保持固定了软骨的夹具浸没在盛有生理盐水的玻璃器皿中。所述深色纳米颗粒为黑色NiO纳米颗粒，粒径为10纳米。所述生理盐水为重量百分比浓度为0. 9%的氯化钠水溶液。所述夹具包括右夹持部件、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夹具固定，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；透明玻璃设于上板下表面的矩形凹面内，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；盛有生理盐水的玻璃器皿位于夹具的下面；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。本发明的技术分析
在测试中采用上述优化方法，在对软骨进行加载时，对其观察表面用透明玻璃挡�。员苊獯沉ρР馐怨讨斜呓缧вΧ越峁既沸缘挠跋欤也挥跋於圆馐怨探腥∏逦鄄欤唤擅卓帕Ｇ度肫涔鄄毂砻娼兄瓢撸蛊湓谑茉毓讨兴嫒砉亲陨矸⑸奖湫危阌诒昙牵玫街惫圩既返慕峁笮莘治龊痛泶蚝没。辉诩釉毓讨斜３秩砉墙辉谏硌嗡校砉侵凶橹航胙嗡胁换嵊跋觳杉枷瘢以谏硌嗡锌墒蛊涫茉鼗肪掣咏谌颂迥诨肪�。本发明的有益效果是运用先进的数字图像相关技术对软骨的力学性能进行测试，使测试环境接近人体内正常工作环境，避免了运用该技术时典型的边界问题对测试结果的影响，并且为有效地结合数字图像相关技术针对软骨这种特殊材料在其观察表面人工制斑，从而得到清晰的图像便于后续数据分析和处理。
图1为直接对软骨进行加载时采集的图像。图2为用玻璃挡住观测表面避免边界问题影响后采集的图像。图3为在观察表面制斑后采集的图像。图4为夹具三维结构示意图。图5为夹具的右夹持部件三维结构示意图。图6为夹具的左夹持部件三维结构示意图。图7为夹具工作状态俯视图。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- I、8- II .连接螺孔 9.调节螺孔 10.凹槽
11.圆弧凸面 12.软骨 13.透明玻璃 14.玻璃器皿。
具体实施例方式实施例
一种在软骨力学性能测试中运用数字图像相关技术的方法，该实施例中测试样本所用的夹具，如图4所示，包括右夹持部件1、左夹持部件2和夹板3组成，右夹持部件1，如图5 所示，呈U型结构，右夹持部件1的上板设有观察窗4和两个螺栓通孔5，上板设有观察窗部位的下表面设有矩形凹面6，右夹持部件1的下板上面设有截面为矩形的凸键7，上板右端面设有两个连接螺孔8- I，前侧板设有两个调节螺孔9 ；左夹持部件2，如图6所示，呈阶梯形板件结构，左夹持部件2位于右夹持部件1呈U型结构的上板和下板之间，左夹持部件 2下表面设有截面为矩形的凹槽10并与右夹持部件1的凸键7滑动配合，左夹持部件2的前侧面设有半圆形圆弧凸面11用于对软骨12进行加载，左夹持部件2的左端面设有两个连接螺孔8- II ；夹板3呈矩形，位于右夹持部件1上板的下面，夹板3上设有两个螺栓通孔并与右夹持部件1上板的两个螺栓通孔5相配合，软骨12置于右夹持部件1上板和夹板之间并通过螺栓与夹具固定，通过在右夹持部件1前侧板的两个调节螺孔9内旋入螺钉深度调节软骨12的压缩量；透明玻璃13设于上板下表面的矩形凹面6内，透明玻璃13的厚度和宽度与矩形凹面6相同，透明玻璃13插入矩形凹面6后通过软骨12的挤压被固定；盛有生理盐水的玻璃器皿14位于夹具的下面，如图7所示；夹具通过右夹持部件1上板右端面的两个连接螺孔8- I和左夹持部件2左端面的两个连接螺孔8- II用螺钉与微型拉力机连接。利用上述夹具并采用本方法对猪滑车部位关节软骨进行力学性能测试，步骤如下
1)取新鲜的猪滑车部位关节软骨，将其修成长6cm、宽3cm、厚度约为2cm的测试样本，；
2)把测试样本用前述夹具固定，同时通过软骨挤压固定好透明玻璃以避免边界问题和便于观察；
3)在软骨的图像观察表面嵌入粒径为10纳米的黑色NiO纳米颗粒进行制斑，制斑密度为 200-300 颗 /mm2 ；
4)将夹具通过左、右夹持部位两端的连接螺孔与微型拉力机固定，在微型拉力机的拉力下通过左夹持部件的半圆形圆弧凸面对软骨进行加载，在加载过程中保持固定了软骨的夹具浸没在盛有重量百分比浓度为0. 9%生理盐水的玻璃器皿中，打开控制软件和采图程序，边对软骨进行滑动加载边采集图像，最后将采集到的图像和力曲线数据保存，以备后续处理和分析。 实验结果证明在直接对软骨进行加载时，如图1所示，由图像采集到的数据相关系数约在0. 9左右，但是由于这种情况的实验结果可信度受到质疑，即使相关系数较高， 仍需改进；避免了边界问题对结果的影响之后，如图2所示，由于软骨受挤压，内部的组织液溢出影响视觉效果，使采集到的图像清晰度不够，进而导致相关系数下降，而相关系数是数字图像相关技术中对处理结果精确度影响很大的因素，因此这样的改进仍是有很大的缺陷；采用所述发明的测试方法，如图3所示，图像的清晰度得到了保证，达到了所述权利要求的标准，并且图像数据的相关系数与直接加载相近，这使得测试结果更准确，实验结果更有说服力。
权利要求
1.一种在软骨力学性能测试中运用数字图像相关技术的方法，其特征在于步骤如下1)取带有软骨下骨的软骨作为测试样本；2)把测试样本用夹具固定，并对软骨的图像观察面用透明玻璃挡住；3)在软骨的图像观察表面嵌入深色纳米颗粒进行制斑，制斑密度为200-300颗/mm2；4)将夹具的左右夹持部位固定在微型拉力机上实行加载，在加载过程中保持固定了软骨的夹具浸没在盛有生理盐水的玻璃器皿中。
2.根据权利要求1所述在软骨力学性能测试中运用数字图像相关技术的方法，其特征在于所述深色纳米颗粒为黑色NiO纳米颗粒，粒径为10纳米。
3.根据权利要求1所述在软骨力学性能测试中运用数字图像相关技术的方法，其特征在于所述生理盐水为重量百分比浓度为0. 9%的氯化钠水溶液。
4.根据权利要求1所述在软骨力学性能测试中运用数字图像相关技术的方法，其特征在于所述夹具包括右夹持部件、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夹具固定，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；透明玻璃设于上板下表面的矩形凹面内，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；盛有生理盐水的玻璃器皿位于夹具的下面； 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。
全文摘要
一种在软骨力学性能测试中运用数字图像相关技术的方法，步骤如下1)取带有软骨下骨的软骨作为测试样本；2)把测试样本用夹具固定，并对软骨的图像观察面用透明玻璃挡住；3)在软骨的图像观察表面嵌入深色纳米颗粒进行制斑；4)将夹具的左右夹持部位固定在微型拉力机上实行加载，在加载过程中保持固定了软骨的夹具浸没在盛有生理盐水的玻璃器皿中。本发明的有益效果是运用先进的数字图像相关技术对软骨的力学性能进行测试，使测试环境接近人体内正常工作环境，避免了运用该技术时典型的边界问题对测试结果的影响，并且为有效地结合数字图像相关技术针对软骨这种特殊材料在其观察表面人工制斑，从而得到清晰的图像便于后续数据分析和处理。
文档编号G01N3/04GK102353589SQ201110191699
公开日2012年2月15日 申请日期2011年7月11日 优先权日2011年7月11日
发明者张春秋, 王玉主, 门玉涛, 高丽兰 申请人:天津理工大学
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