一种脊柱生物力学与活动度测试装置及方法与流程

1.本发明涉及脊柱检测分析技术领域，更具体地说，它涉及一种脊柱生物力学与活动度测试装置及方法。


背景技术：

2.目前，脊柱生物力学与活动度测试多采用单轴或双轴的万用生物力学机，缺乏多自由度的脊柱生物力学试验机，限制了脊柱生物力学与活动度测试的开展。一般万用力学试验机存在两方面的缺陷，其一，只能开展单轴垂直方向的压缩与拉伸力学试验；其二，试验机不能直接计算椎体生理活动状态的活动度(rom)。然而对于人体在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转与右旋转六种生理状态而言，以上试验机与装置都难以同时满足六种脊柱活动的力学测试需求，同时活动度(rom)也不能进行测量，整体效果不佳。据此，本发明提出了一种脊柱生物力学与活动度测试装置及方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种脊柱生物力学与活动度测试装置及方法，通过对测试装置进行多自由度的调整，从而使试验机通过测试装置将弯曲、扭转力施加在脊柱模型上，配置力学试验机和三维应变光学测量系统获取力学数据和形变信息，从而实现脊柱对应的力学和活动度的测量。
4.为解决上述技术问题，本发明的目的是这样实现的：本发明所涉及的一种脊柱生物力学与活动度测试装置，包括设置在被测脊柱两端的夹具，夹具上设有实现其六自由度运动的调整机构；
5.包括提供拉压和/或扭转的力学试验机；
6.还包括获取图形和采集形变数据的三维应变光学测量系统。
7.本发明进一步设置为：所述夹具包括底盖，底盖上设有由两半圆套筒拼合而成的圆套筒，圆套筒的一端可拆卸连接在所述底盖上、另一端可拆卸连接有限制两半圆套筒分离的环形箍圈，所述底盖、圆套筒和环形箍圈间形成一内部掏空且供被测脊柱一端埋入的包埋腔。
8.本发明进一步设置为：所述调整机构包括与力学试验机实现连接的安装部，安装部上设有测试臂，测试臂上设有沿其长度方向作往复滑动的力臂调整块，力臂调整块上转动连接有倾斜调整块，所述夹具转动连接在倾斜调整块上；
9.所述调整机构还包括限制力臂调整块相对测试臂作滑动、限制倾斜调整块相对力臂调整块作转动、限制夹具相对倾斜调整块作转动的锁紧机构。
10.本发明进一步设置为：所述夹具的转动轴线与倾斜调整块的转动轴线相互垂直设置。
11.本发明进一步设置为：所述倾斜调整块的转动轴线与力臂调整块的滑动轨迹相互平行设置。
12.一种根据脊柱生物力学与活动度测试装置的测试方法，包括以下测试步骤：
13.s1.通过夹具对脊柱模型的两端进行包埋固定，使脊柱模型处于自然状态，在脊柱模型的表面进行暗点喷涂，并布置三维应变光学测量系统测量所需的标识点；
14.s2.将调整机构和夹具安装到力学试验机上，改变夹具位置，通过试验机施加弯矩/扭矩，从而改变脊柱模型的状态，使其呈现所需要的弯曲/扭转状态；
15.s3.通过力学试验机采集并记录试验过程中脊椎模型的力学数据，通过三维应变光学测量系统采集并记录脊柱模型的变化图像和形变数据；
16.s4.重复改变脊柱模型的状态，记录多组数据，进行分析；
17.s5.进一步地，通过移动夹具，改变力臂长度，可以调整脊柱模型的弯曲/扭转程度。
18.综上所述，本发明具有以下有益效果：
19.1.通过调整机构在六自由度上对夹具进行调整，从而使脊柱模型表现出所需的扭转和弯曲状态，通过三维应变光学测量系统获取状态图像和形变数据，以此数据为基础，进行生物力学和活动度测量，解决了脊柱试验活动度难以测量的问题，提高了活动度测量的效率，并能够根据需求多次充足试验，进一步提高试验数据收集客观准确度；
20.2.利用通过调整机构，带动夹具调整相对于另一夹具的方位和夹角，带动脊柱模型进行弯曲动作，实现模拟人体的前屈、后伸、左侧弯和右侧弯的活动状态；
21.3.利用调整机构带动夹具，使夹具能绕轴线转动，带动脊柱模型进行扭转动作，实现模拟人体在左转身和右转身的活动状态；
22.4.还原人体在实际活动中各种动作状态下的脊柱状态，从而方便的完成在多种生理活动下的力学分析，并准确实现活动度的测量。
附图说明
23.图1是本发明的整体结构示意图；
24.图2是本发明用于体现调整机构的结构示意图；
25.图3是本发明用于体现夹具的结构示意图；
26.附图标记说明：1.力学试验机；2.三维应变光学测量系统；3.底盖；4.圆套筒；5.环形箍圈；6.安装部；7.测试臂；8.力臂调整块；9.倾斜调整块。
具体实施方式
27.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明专利要求的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.下面结合附图和优选实施例对本发明进一步说明。
29.实施例1
30.参见图1至3所示，本实施例所涉及的一种脊柱生物力学与活动度测试装置，包括设置在被测脊柱两端的夹具，夹具上设有实现其六自由度运动的调整机构；包括提供拉压和/或扭转的力学试验机1；还包括获取图形和采集形变数据的三维应变光学测量系统2。
31.进一步的，所述夹具包括底盖3，底盖3上设有由两半圆套筒拼合而成的圆套筒4，圆套筒4的一端可拆卸连接在所述底盖3上、另一端可拆卸连接有限制两半圆套筒分离的环形箍圈5，所述底盖3、圆套筒4和环形箍圈5间形成一内部掏空且供被测脊柱一端埋入的包埋腔。其中，圆套筒4通过螺钉实现与底盖3间的连接；环形箍圈5也通过螺钉实现与圆套筒4间的连接。
32.进一步的，所述调整机构包括与力学试验机1实现连接的安装部6，安装部6上设有测试臂7，测试臂7上设有沿其长度方向作往复滑动的力臂调整块8，力臂调整块8上转动连接有倾斜调整块9，所述夹具(图中未标记)转动连接在倾斜调整块9上；所述调整机构还包括限制力臂调整块8相对测试臂7作滑动、限制倾斜调整块9相对力臂调整块8作转动、限制夹具相对倾斜调整块9作转动的锁紧机构。其中，力臂调整块8上的锁紧机构为螺纹连接其上的锁紧螺钉，通过旋紧锁紧螺钉，使锁紧螺钉的端部抵住测试臂7，便可限制力臂调整块8相对测试臂7作滑动；倾斜调整块9与力臂调整块8间、夹具与倾斜调整块9间均通过转动销轴连接，转动销轴的一端设置限制其轴向移动的限位结构、另一端螺纹连接起抱紧作用的锁紧螺母。通过对锁紧螺母的旋紧，便可限制倾斜调整块9相对力臂调整块8作转动、限制夹具相对倾斜调整块9作转动，达到对调整角度的锁死效果。
33.进一步的，所述夹具的转动轴线与倾斜调整块9的转动轴线相互垂直设置。
34.进一步的，所述倾斜调整块9的转动轴线与力臂调整块8的滑动轨迹相互平行设置。
35.一种根据脊柱生物力学与活动度测试装置的测试方法，包括以下测试步骤：
36.s1.通过夹具对脊柱模型的两端进行包埋固定，使脊柱模型处于自然状态，在脊柱模型的表面进行暗点喷涂，并布置三维应变光学测量系统测量所需的标识点；
37.s2.将调整机构和夹具安装到力学试验机上，改变夹具位置，通过试验机施加弯矩/扭矩，从而改变脊柱模型的状态，使其呈现所需要的弯曲/扭转状态；
38.s3.通过力学试验机采集并记录试验过程中脊椎模型的力学数据，通过三维应变光学测量系统采集并记录脊柱模型的变化图像和形变数据；
39.s4.重复改变脊柱模型的状态，记录多组数据，进行分析；
40.s5.进一步地，通过移动夹具，改变力臂长度，可以调整脊柱模型的弯曲/扭转程度。
41.在本实施方案中，通过将脊柱模型的两端分别包埋到对应夹具的包埋腔内，对包埋腔内填充凝固物，从而使脊柱模型与夹具间形成连接，达到固定的效果。当测试完毕后，可通过先行拆除环形箍圈5，再将圆套筒4从底盖3上拆除，从而分离两半圆套筒，将填入包埋腔内的凝固物携脊柱模型实现分离。
42.对于调整机构，可通过调整夹具相对倾斜调整块9间的转动角度以及倾斜调整块9相对力臂调整块8间的转动角度，从而实现脊柱模型两端施力源朝向的调整，达到多自由度的调节效果。并且在当脊柱测试时，力学试验机施加垂直向上或向下的载荷，由于调整机构可以控制夹具距离测试装置中心的距离，因此可产生一个偏心的力矩。脊柱模型受到力矩后，上端夹具经自由度调整后，可实现脊柱模型的前屈、后伸运动，下端夹具经自由度调整后，可实现脊柱模型的左侧弯、右侧弯运动。
43.当进行脊柱扭转测试时，力学试验机施加一个扭转载荷，通过调整机构将夹具轴
心调整与试验机轴线重合，通过垫块消除测试装置其他4个自由度，即可实现左旋转、右旋转运动。
44.其中，在单个自由度调整完毕时，可使用垫块辅助，对夹具的运动范围进行限制，从而减少测试装置的自由度。
45.在上述的测试方法中，涉及的三维应变光学测量系统，其正对力学试验机和测试机构，通过在脊柱模型上喷涂暗斑，并粘贴亮斑标识点，通过光学摄像机识别，记录椎体测试中的形变，在获取后进行计算，得到活动度的相关数据；
46.对于力学传感器，为力学试验器自带，在脊柱模型发生扭转、弯曲时，其受到的载荷也会发生变化，通过力学传感器采集椎体测试时的生物力学数据，能够为生物力学分析领域提供充足的生物力学数据和活动度数据基础。
47.如无特殊说明，本发明中，若有术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系是基于实际所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此本发明中描述方位或位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以结合实施例，并根据具体情况理解上述术语的具体含义。
48.除非另有明确的规定和限定，本发明中，若有术语“设置”、“相连”及“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
49.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。