一种获取足底软组织粘弹性力学属性的方法技术

本发明专利技术公开了一种获取足底软组织粘弹性力学属性的方法，包括以下步骤：步骤1，搭建结合双平面荧光透视成像和分布式足底测力板的测试平台，并对测试平台采集到的图像进行校准；步骤2，获得受试者赤足于测试平台上行走情况下足部所有骨块的动态透视图像以及与其同步的足底各区域压力数据；步骤3，选择所研究软组织垂直方向上直接接触的骨块，获取每一采集帧下软组织的厚度，同步获取每一采集帧对应的骨块处各压力感应器的压力值和接触面积；步骤4，根据每一采集帧下软组织的厚度，计算患者赤足于实施测试平台上行走情况下每一采集帧下软组织纵向形变，之后计算软组织的应力和应变，利用已知的粘弹性材料模型，逆向求解其材料属性参数。料属性参数。料属性参数。

【技术实现步骤摘要】
一种获取足底软组织粘弹性力学属性的方法


[0001]本专利技术涉及糖尿病足溃疡领域，具体涉及一种获取足底软组织粘弹性力学属性的方法。

技术介绍

[0002]糖尿病会导致患者足部的软组织结构和功能发生变化。目前关于糖尿病对于足底软组织力学属性的影响，存在众多不完全一致的结论与看法。现有主流研究认为，糖尿病会导致蛋白质的非酶糖基化作用，胶原蛋白分子的交联物的积累，纤维密度增加，因而软组织发生硬化。从宏观材料力学属性的角度看，糖尿病患者脚的软组织相对正常人更硬，分配压力的能力较低，足底软组织会产生比正常人更显著的应力集中。现有研究表明，糖尿病患者的足底软组织的硬度约为正常人的1.1到1.6倍，站立时深部软组织的局部应力最高可以达正常人的8倍，粘弹性阻尼系数降低约30％
‑
40％，能量耗散率显著增加50％以上。更硬的软组织对足底压力的耐受性较差，是糖尿病患者皮肤破裂，出现足溃疡的重要因素之一。
[0003]目前许多研究指出，糖尿病足中脂肪颗粒萎缩以及细胞外液的减少造成组织液相占比减少可能是足跟脂肪垫粘性模量降低的原因之一，所以粘弹性相较于其他力学属性，更能敏感地反映软组织的病理情况。因此，足部软组织粘弹性力学属性的变化被认为是足部溃疡的前兆，是量化糖尿病足健康状况和检测糖尿病足溃疡的发生风险的重要标准。对研制可以匹配病人特异性足底材料和几何形状的高压卸载防护鞋垫具有重要意义。
[0004]目前，对人体组织的材料属性测量多为离体测量。如中国专利CN2102511U介绍了一种离体的生物材料力学特性测试装置，将生物材料于给定的溶液中进行材料拉伸实验。也有专利在离体环境下模拟生物体内环境，如中国专利CN203432896U介绍了一种模拟生物体环境进行材料力学性能测试的体液循环装置。其制造了一种可以调控温度，体液的设备，用来模拟生物植入材料在植入生物体后的力学性能。然而这些测量方法为离体测试，虽然可以对物质进行安全研究，但因为不考虑体内生物动力学因素(身体如何运输和代谢药物和毒素)，而且实验成果无法立刻转化应用于活体，所以存在应用的局限性。也有部分装置可以用于人体软组织材料属性活体测量，如中国专利CN205890356U提供了一种表面压痕试验设备，可以提供一种非侵入性的测量活体软组织材料属性的方法。然而该设备很难保证真正生理状态下的应变率。而且测试深度受到限制，当测试深度较大时，其测试条件与正常生理状态相差较大。测量时需要病人单脚朝上，造成测量不便。

技术实现思路

[0005]本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种获取足底软组织粘弹性力学属性的方法。
[0006]本专利技术提供了一种获取足底软组织粘弹性力学属性的方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，搭建结合双平面荧光透视成像和分布式足底测力板的测试平台，并对测试平台采集到的图像进行校准；步骤2，获得受试者赤足于测试平台上行走情况下足部所
有骨块的动态透视图像，以及与其同步的足底各区域压力数据；步骤3，选择所研究软组织垂直方向上直接接触的骨块，根据测力板的空间位置和骨块的空间位置，获取每一采集帧下软组织的厚度，同步获取每一采集帧对应的骨块处各压力感应器的压力值和接触面积；步骤4，根据每一采集帧下软组织的厚度、计算患者赤足于实施测试平台上行走情况下每一采集帧下软组织纵向形变，之后计算软组织的应力和应变，利用已知的粘弹性材料模型，逆向求解其材料属性参数。
[0007]在本专利技术提供的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，测试平台包括C型臂X光机、分布式足底测试板以及行走平台，C型臂X光机的数量为两个，位于行走平台的一侧，且互成一定角度摆设，使两套C型臂X光机的透视交点位于行走平台的中间位置，并于该位置上放置足底测试板。
[0008]在本专利技术提供的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3中，骨块至少为跟骨、趾骨以及跖骨中的任意一种。
[0009]在本专利技术提供的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3中，骨块为跟骨，步骤3中具体包括以下步骤：步骤3
‑
1，将通过CT扫描获得的患者跟骨与校准后透视图像上跟骨的轮廓完全重合，确定跟骨的空间位置；步骤3
‑
2，获得患者赤足于测试平台上行走情况下，足跟触地至足跟离地即步态周期中足跟软组织受力全过程这一时间段内中每一采集帧对应的足跟软组织厚度h
n
；步骤3
‑
3，同步获取每一采集帧对应的各压力感应器的压力值和接触面积，计算得到足跟区域传感器的合力，为足底力F
n
，计算足跟区域传感器的接触面积之和为接触面积S
n
；步骤3
‑
4，将足跟触地即软组织形变δ
n
＝0时的足跟软组织厚度记为h0，即为非负重情况下足跟软组织厚度，将该时刻记为0，记录之后每一采集帧对应时间为t
n
。
[0010]在本专利技术提供的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤4中，计算软组织的应力σ
n
和应变ε
n
的方法为：
[0011][0012]δ
n
＝h0‑
h
n
[0013][0014]在本专利技术提供的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤4中，利用KelvinVoigt粘弹性材料属性模型或Ogden超弹性材料属性模型，逆向求解其材料属性参数。
[0015]在本专利技术提供的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤4中，采用Kelvin Voigt粘弹性材料属性模型，该模型用来将足跟软组织模拟为线性弹簧与非线性阻尼器的并联结构：足跟软组织与弹簧、阻尼器三者应变相同，应力等于弹簧与阻尼器应力之和。
[0016]在本专利技术提供的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法中，还可以具有这样的特征：其中，逆向求解材料属性参数的计算过程如下：首先，计算每一采集帧时刻的应变，求解由ε
n
和t
n
绘制ε
‑
t曲线，拟合，并求解每一t
n
点斜率即可得到每一时刻的应变率
其次，求解每一采集帧时刻的弹性模量E
n
，求解公式如下：
[0017][0018]最后，由KelvinVoigt粘弹性材料模型应力、应变以及应变率的关系：
[0019][0020]利用最小二乘法原理，带入所求的ε
n
，σ
n
，拟合出粘性模量η，弹性模量E。
[0021]专利技术的作用与效果
[0022]根据本专利技术所涉及的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法，因为具体过程为：步骤1，搭建结合双平面荧光透视成像和分布式足底测力板的测试平台，并对测试平台采集到的图像进行校准；步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种获取足底软组织粘弹性力学属性的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，搭建结合双平面荧光透视成像和分布式足底测力板的测试平台，并对所述测试平台采集到的图像进行校准；步骤2，获得受试者赤足于所述测试平台上行走情况下足部所有骨块的动态透视图像，以及与其同步的足底各区域压力数据；步骤3，选择所研究软组织垂直方向上直接接触的骨块，根据测力板的空间位置和所述骨块的空间位置，获取每一采集帧下软组织的厚度，同步获取每一采集帧对应的骨块处各压力感应器的压力值和接触面积；步骤4，根据所述每一采集帧下软组织的厚度，计算患者赤足于实施测试平台上行走情况下每一采集帧下软组织纵向形变，之后计算软组织的应力和应变，利用已知的粘弹性材料模型，逆向求解其材料属性参数。2.根据权利要求1所述的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法，其特征在于：其中，步骤1中，所述测试平台包括C型臂X光机、分布式足底测试板以及行走平台，所述C型臂X光机的数量为两个，位于所述行走平台的一侧，且互成一定角度摆设，使两套C型臂X光机的透视交点位于所述行走平台的中间位置，并于该位置上放置所述足底测试板。3.根据权利要求1所述的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法，其特征在于：其中，步骤3中，所述骨块至少为跟骨、趾骨以及跖骨中的任意一种。4.根据权利要求3所述的获取足底软组织粘弹性力学属性的方法，其特征在于：其中，步骤3中，所述骨块为跟骨，所述步骤3中具体包括以下步骤：步骤3
‑
1，将通过CT扫描获得的患者跟骨与校准后透视图像上跟骨的轮廓完全重合，确定跟骨的空间位置；步骤3
‑
2，获得患者赤足于测试平台上行走情况下，足跟触地至足跟离地即步态周期中足跟软组织受力全过程这一时间段内中每一采集帧对应的足跟软组织厚度h
n
；步骤3
‑
3，同步获取每一采集帧对应的各压力感应器的压力值和接触面积，计算得到足跟区域传感器的合力，为足底力F
...

【专利技术属性】
技术研发人员：滕兆麟，张星语，陈文明，耿翔，马昕，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：