生物仿真材料硬度测试系统的研究

    1  引 言

    随着现代科学技术和现代生物技术的飞速发展和相互结合，在许多生产、科研、医学、航天活动中，出现了越来越多的生物仿真材料用于特殊环境的情况。如用汽车假人代替真人进行碰撞实验，以获取重要的碰撞实验参数；在航空航天事业中用航空假人代替飞行员完成某些实验；飞机的飞行员弹射座椅的弹射实验；直升机泊地时飞行员的受力实验；在核辐射区域放置假人进行核辐射数据采集；用生物仿真材料制作人工器官等等。目前用于仿真假人制作材料的研究已经取得了一定进展，在我国某些领域已用生物仿真材料成功地制作出了仿真假人。但制作仿真假人的材料应怎样才能尽可能地和真人相似，从而获得更加科学有效的等效性呢？这是一个极其重要的研究课题。因此，实现对科学假人生物仿真材料的材料力学性能的测试研究是仿真假人研究中一项重要的内容。它能为不断完善仿真假人的研究和制作提供科学的依据，使之更具有同真人等效地性能。

    生物仿真材料的测试内容主要包括生物性能、物理性能、化学性能、力学性能等方面的测试，如强度、硬度、弹性模量、密度、电阻率、成分、材料等，其相应的测试方法也各种各样。本测试系统研究的目的在于实现对生物组织和仿真材料硬度的测试，这是属于生物力学性能的测试。

    2  测试系统的工作原理

    本测试系统可以用两种方法实现材料硬度的测试。两种方法所采用的硬件相同，其不同之处在于软件的程序处理部分。

    2.1  方法一:Matlab软件和计算机数据采集系统相结合的方法

    2.1.1测试原理

    测l试系统主要部件包括一台容栅尺测试仪、一台数据转换器和一台9针插槽串口计算机。测试仪采用容栅尺传感器作为信号采集部件，对所测的生物组织施加一恒力，获取应变一时间信息，再经鉴相、细分、A/D转换、将模拟信号转换成数字信号，传送到计算机处理，其测试框图见图1。

    测试仪取源于邵氏硬度计的设计方案。测头装有一根弹簧，固定测头弹簧的最大景程为2.54mm，与之对应的材料邵氏硬度为100。弹簧采用特殊合金材料，在小范围内应力变化很小。对于不同测试对象而言，由于是比较测景，为简化起见，将弹簧产生的压力视作恒力。测头前部采用聚酷类材料，与生物组织接触时不会产生大的伤害。据此可以测出恒力作用下不同生物组织的应变景。

    测得的应变景是位移信号，经测试仪内集成电路转换成数字信号，可以通过测试仪上的液品显示窗反映出来。测试仪上有一个非标准的数据输出口，木系统选取一台SI-lA型数据转接器将串行数据转换成符合RS-232传输要求的信号。此数据转换器利用单片机为处理核心实现电平转换、整形，并定时向计算机输送一个数据。数据采用异步通信格式传输。通信I}}议为:数据位为8，波特率为9600bitls，一位停i h:位，无校验位。一个完整的测景数据为九个数字。