人工关节力学性能测试软件系统的研发

【作 者】侯增涛，渠元菊，杨朝岚，徐大众，张琴丽，张爽，尚鹏

1 中国科学院深圳先进技术研究院，深圳市，518055 2 上海交通大学，上海市，201100 3 苏州热工研究院有限公司，苏州市，215000

0 引言

在人工关节和医疗器械的研发过程中，对植入体进行生物力学性能评价是不可或缺的一个过程[1]。国外凭借着先进的设备和人才，有大量的人做人工关节方面的生物力学实验[2-3]。国内这方面的研究比较少，在相关软件方面的研究更少[4-5]。试验所需的软件主要靠拼凑，因硬件厂家的不同，通常一次试验需要同时使用好几款软件，且往往所得到的参数并不是直接想要的数据，需要另外专门进行处理。

清华大学的吴剑等[6-7]利用LED型的光学捕捉设备进行过人工椎间盘的力学性能测试，未对测试软件进行专门的研究和展示。清华大学的阎志进等[8]曾利用商业化的LabView软件平台开发了一套颈椎的生物力学测试系统，因必须运行在LabView之上，而LabView软件费用较高，且对硬件要求苛刻，往往需要再购买费用高昂的硬件。本文利用最基本的软件开发工具VC++6.0，开发了一套能独立运行于Windows平台的集成化软件测试系统。

本系统能精确地获得关节间的空间位置，且能快速实时地显示关节运动角度、关节间压力和外加力矩值。通过对标本的测试和数据分析，验证了本系统的有效性和可靠性。

1 方法

1.1 系统简介

一个完整的人工关节力学测试系统包括硬件和软件两个部分。经过多年的积累，硬件部分的架构已经成熟，主要包括以下几个部分：力试验机和夹具、关节运动捕捉设备、力矩和内压力传感器、USB数据采集卡和电脑。硬件系统如图1所示。

图1 人工关节力学测试硬件系统Fig.1 Integrated hardware system of the biomechanics system

软件系统主要是配合相应的硬件系统进行多种力学性能参数的采集、保存和处理。由于缺乏软件方面的研究，目前，软件系统的组成比较散乱，一般都是几款软件一起使用，几乎没有集成化的、能独立运行的应用。

1.2 软件设计

软件主要负责数据通信、处理和显示。直接与其通信的硬件为USB数据采集卡和关节运动捕捉设备，通信方式虽然都为串口通信，但因关节运动捕捉设备采用的是加密的串口通信协议，所以软件的通信分为两部分。其工作流程如图2所示。

图2 软件工作流程图Fig.2 Flow chart of the software

1.3 算法

由于每个刚体是用一个点坐标和四元素表示的，发生空间移动之后，在同一直线上的另一个点的坐标需要进行空间转换计算才能得到。

设所得的四元素为：Q= (Q0, Qx, Qy, Qz)

则旋转矩阵为:

其中：

设旋转后的三维坐标点P=(x, y, z)，已知的旋转前的三维坐标点P0=(x0, y0, z0)，则：

1.4 数据处理

设(xi, yi, zi)和(x'i, y'i, z'i)为t时刻和t+△t时刻的三维坐标值，其中i=1, 2, 3, ..., 为标记点从左到右，从上到下的标号。

关节屈伸和左右弯曲运动时，t+△t时刻各节椎体在矢状面内的运动角度为：

其中j=1, 2, 3, ..., n，n为运动关节的节段数。

关节左右旋转运动时椎体的运动角度为：

则椎体的相对运动角度可表示为：

关节总的运动角度α为：

2 结果和讨论

实验的目的是实时准确地测得关节间的相对运动以及加载力矩和内力的情况，这就需要硬件设备能实时准确地测得标记点的空间运动位置，减少标记点的位置漂移，同时把传感器的电压信号也实时稳定地传给电脑。

我们对30组不同坐标的标记点进行了测量。测量值与实际值相比：x，y方向的误差在0.15 mm范围内，z方向的误差在0.3 mm范围内。该误差范围完全能够满足行业要求。本文对线位移、角位移和压力值分别做了30组的测量对照：线位移、角位移的误差范围在2%以内，压力值的误差范围在6%以内。这些测量值的误差除了传感器本身的制造误差之外还有硬件采集系统累加产生的误差，无法避免，6%的压力值误差能够满足实验要求。

在进行了各分项的性能测试之后，我们又对整个硬件系统的可靠性进行了验证。实验标本为7节的牛颈椎，三四节椎体之间放入薄膜压力传感器，用伍德合金将牛颈椎与夹具固在一起，放在力学试验机上模拟椎体的三维运动。测试结果如图3所示。

图3 关节空间三维运动轨迹Fig.3 3D motion trajectory of the joint

所得曲线连续，标记点无位置漂移，位置坐标、传感器各项数据稳定在误差范围之内，且数据输出无遗漏。

3 结论

试验结果表明，本系统能有效地用于人工关节生物力学的离体实验测试。本软件测试系统能实时准确地对多种力学性能参数进行采集和数据保存，并能以图形化的方式显示运动轨迹和处理结果。本软件系统集成化程度比较高，易于使用，相较于以往的软件系统，对商业化软件的依赖程度也更低，有利于人工关节性能测试行业的发展。