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

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。本发明专利技术的有益效果是：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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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；关节软骨尺寸较小，加载头作用在软骨上接触处引起边界效应，引起软骨力学性能测试的误差；另外软骨为流固耦合材料，软骨测试时有组织液流出，使采集的图像模糊，影响采用数字相关的实施，这些缺点影响了软骨力学性能的测试。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。本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在为克服现有技术的不足，而提供，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。本专利技术的技术方案，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。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。本专利技术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住，以避免传统力学测试过程中边界效应对结果准确性的影响，且不影响对测试过程进行全场清晰观察；将纳米颗粒嵌入其观察表面进行制斑，使其在受载过程中随软骨自身发生同步变形，便于标记，进而得到直观准确的结果，为后续数据分析和处理打好基础；在加载过程中保持软骨浸没在生理盐水中，软骨中组织液进入盐水中不会影响采集图像，而且在生理盐水中可使其受载环境更接近于人体内环境。本专利技术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。附图说明图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，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前侧板的本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张春秋，王玉主，高丽兰，门玉涛，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：12