人体颈椎力学特性测试实验装置的研制

1　引　言

人体颈椎力学特性分析在医学研究领域具有非常重要的意义。人体颈椎受力复杂,其力学特性很难用纯粹的数学模型描述得清楚,医学上往往采用实验的手段测试出重要的、关心的力学特性值,作为研究的原始数据。而测试结果的精度和可信度的高低与实验设备密切相关。所以,一套高精度的实验装置是人体颈椎力学特性研究不可缺少的工具。而此类实验测试装置目前采用国外的成套设备居多,价格昂贵。国内设备的加载装置多为机械机构、指针示数,易产生人为读数误差,影响测试精度。本文研制的实验装置是为颈椎力学特性测试专门研制的,它安装在通用万能材料实验机工作台上,可实现人体颈椎的快速装卸、数据自动采集、处理的功能,测试精度高,费用低,成功地测试了南通医学院12具人体颈椎在不同工况下的力学特性,实验数据好。该实验装置在生物力学特性测试领域有推广应用价值。

2　人体颈椎的运动简化

人体颈椎的运动比较复杂,医学上关心的是人体颈椎(见图1(a))第1颈椎到第7颈椎的主要运动:前、后屈伸运动(见图1(b),F为人体颈椎所受的力);左、右侧屈运动;左、右回旋运动(见图1(c),T为人体颈椎所受的扭矩)。所以,该实验装置的设计能够实现上述的运动,并能在相同的运动状态下对人体颈椎的力学特性分正常、损伤及固定三种情况进行测试、分析和比较。

3　实验装置总体构成

该实验装置总体构成框图(见图2)和实物(见图3)包括高精度的机械装夹机构和传感器、数据采集、处理、分析的微机控制台两部分。它借助于通用万能材料机提供加载的动力源。

　　机械装夹机构的功能是既可以对研究对象实现快速、精确定位和夹紧,又能完成研究对象所需的运动。微机控制台的功能是通过光电编码器和力传感器产生研究对象在机械装夹机构中的位移、转角、受力信号,该信号经过处理进入微机,在交互界面下实现实验的过程控制和数据处理、分析。

4　人体颈椎力学特性的测试

4.1　前后屈伸、左右侧屈运动力学特性的测试

前屈伸,人体颈椎的第7颈椎固定在实验装置上如图4所示,第1颈椎左右两侧各固定一个圆盘,两条钢丝形成两个闭环对称缠绕在实验装置上,当通用万能材料实验机的动横梁上升时,光电编码器记录动横梁位移S,力传感器记录载荷P,人体颈椎的前屈伸运动可以简化为悬臂梁的弯曲,通过张紧的钢丝和圆盘实现人体颈椎的前屈伸运动,具体的关系为:

ΔM=ΔFh=ΔF1h1-ΔF2h2=12ΔP2R=ΔPR(1)

式中:ΔM为人体颈椎所受的弯矩;ΔF为人体颈椎所受的集中力;ΔF1、ΔF2为钢丝张力;h为人体颈椎高;h1、h2分别为圆盘上、下缘到固定点距离;R为圆盘半径。