【作 者】侯增濤，楊朝嵐，徐大眾，張琴麗，尚鵬中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院，深圳市，518055

0 引言

在進行人工關(guān)節(jié)和醫(yī)療器械的研發(fā)過程中，對植入體進行生物力學(xué)性能評價是不可或缺的一個過程[1]。國外憑借著先進的設(shè)備和人才，有大量的人做人工關(guān)節(jié)方面的生物力學(xué)實驗[2-4]。目前國內(nèi)這方面的研究尚處于起步階段，相應(yīng)的生物力學(xué)測試設(shè)備和測試手段都很缺乏[5-6]。

清華大學(xué)的吳劍等[7-8]利用LED型的光學(xué)捕捉設(shè)備進行過人工椎間盤的力學(xué)性能測試，他們所搭建的系統(tǒng)只能測量相對運動角度值，沒有自己的夾具，關(guān)節(jié)中心線與力學(xué)試驗機的軸線在一條直線上，模擬運動不自然，標(biāo)記點識別時，存在漂移現(xiàn)象，會嚴重影響實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。清華大學(xué)的閻志進等[9]在此基礎(chǔ)上進行了改進，利用夾具將椎體的中心從試驗機的軸心線上平移了出來，模擬更自然，不過，他們使用的還是LED型的光學(xué)捕捉設(shè)備，每臺設(shè)備最多只能檢測4個點的實時坐標(biāo)位置，需要同時使用多臺設(shè)備，布大量冗長的線，對不同坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換融合，使用繁雜困難。

在以往的研究基礎(chǔ)之上，本文做了部分的改進和創(chuàng)新。采用帶有光過濾功能的雙目視覺設(shè)備進行關(guān)節(jié)的運動角度測量，以此既省去了冗繁的布線又極大地降低了標(biāo)記點的漂移。同時，關(guān)節(jié)間加載上薄膜壓力傳感器可將關(guān)節(jié)間壓力值輸出，以獲得全面的有用數(shù)據(jù)。

1 方法

1.1 系統(tǒng)簡介

一個完整的人工關(guān)節(jié)力學(xué)測試系統(tǒng)主要包括兩個部分，分別為機械力加載系統(tǒng)和參數(shù)測量系統(tǒng)。機械力加載系統(tǒng)由力的加載設(shè)備和夾具構(gòu)成；參數(shù)測量系統(tǒng)由關(guān)節(jié)運動捕捉設(shè)備、傳感器和采集卡構(gòu)成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 夾具的設(shè)計和使用

因為人工關(guān)節(jié)所在的標(biāo)本要進行彎曲試驗，而力學(xué)試驗機只能加載軸中心方向的力，所以需要有一個夾具使標(biāo)本平移出力學(xué)試驗機的軸中心，這樣當(dāng)加載力的時候，標(biāo)本就會受因到外部力矩而彎曲，此力矩可通過集成在夾具上的位移傳感器和角度傳感器獲得。夾具的結(jié)構(gòu)和使用分別如圖2和圖3所示。傳感器為線性電阻型，利用電阻的分壓原理來測量位移和角度，精度為1%。

圖1 人工關(guān)節(jié)力學(xué)測試系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Integrated framework of the biomechanics system

圖2 夾具結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the fi xture

圖3 夾具的使用Fig.3 Usage of the fi xture

1.3 雙目視覺捕捉儀的工作原理和使用

雙目視覺捕捉儀由雙目攝像機和濾光片組成，濾光片只允許通過特定波段的紅外光，該波段的紅外光由球形標(biāo)記點發(fā)出。球形標(biāo)記點上涂有一層紅外反射膜，有自然光照射時，會發(fā)出該波段的紅外光。當(dāng)攝像機工作的時候，只讓該波段的光通過目鏡，很好地排除了環(huán)境光的影響，提高了視覺捕捉的精度與效率。

1.3.1 雙目視覺定位原理

雙目立體視覺三維測量是基于視差原理(圖4)。

圖4 雙目立體成像原理Fig.4 The principle of binocular stereo vision

其中基線距B為兩攝像機的投影中心連線的距離；相機焦距為f。

設(shè)兩攝像機在同一時刻觀看空間物體的同一特征點P(xc, yc, zc)，分別在“左眼”和“右眼”上獲取了點P的圖像，它們的圖像坐標(biāo)分別為Pleft=(Xleft, Yleft)，Pright=(Xright, Yright)。

現(xiàn)兩攝像機的圖像在同一個平面上，則特征點P的圖像Y坐標(biāo)相同，即Yleft=Yright=Y，則由三角幾何關(guān)系得到：

則視差為：Disparity=Xleft-Xright。由此可計算出特征點P在相機坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)為：

因此，左相機像面上的任意一點只要能在右相機像面上找到對應(yīng)的匹配點，就可以確定出該點的三維坐標(biāo)。這種方法是完全的點對點運算，像面上所有點只要存在相應(yīng)的匹配點，就可以參與上述運算，從而獲取其對應(yīng)的三維坐標(biāo)。

1.3.2 標(biāo)記點的剛體化使用

標(biāo)記點采用11 mm的鍍膜小球，顏色大小全部一致。為了能反映出關(guān)節(jié)的空間運動情況，必需把標(biāo)記點剛體化，每3個小球可構(gòu)成一個剛體，如圖5所示。小球的相對位置不同，剛體就不同，每個關(guān)節(jié)上沿垂直于軸線方向安裝一個剛體即可反映出該關(guān)節(jié)的空間運動情況。使用前，每個剛體需要在設(shè)備上進行注冊，小球間的距離和連線的角度是主要注冊對象，設(shè)備會將這些數(shù)據(jù)存成一個模板，運動的時候，進行模板匹配即可識別出不同的剛體進而獲得關(guān)節(jié)的運動數(shù)據(jù)。

圖5 剛體Fig.5 Rigid marker tool

1.4 傳感器的工作原理和使用

力傳感器采用的是上海邑城設(shè)備公司的薄膜傳感器，厚度為0.2 mm，所能承受的壓力范圍為0到10 000 N，精度1.2%，如圖6所示。壓力標(biāo)記儀如圖7所示。

圖6 薄膜壓力傳感器Fig.6 Thin fi lm pressure sensor

圖7 壓力標(biāo)記儀Fig.7 Pressure marker

壓力傳感器不是線性的，使用前需先找出電壓和壓力間的擬合函數(shù)。利用壓力標(biāo)記儀我們得到如表1所示的數(shù)值。

表1 薄膜壓力傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)Tab.1 Calibration data of thin fi lm pressure sensor

應(yīng)用最小二乘法對以上數(shù)據(jù)進行擬合，根據(jù)薄膜壓力傳感器的特性和表1中的數(shù)據(jù)，設(shè)擬合曲線為：

為了使擬合的近似曲線能盡量反映所給數(shù)據(jù)的變化趨勢，要求在所有數(shù)據(jù)點上的偏差之和盡量小。為達到上述目標(biāo)，可以令上述偏差的平方和最小，即：

函數(shù)的極值點出現(xiàn)在偏導(dǎo)數(shù)的零點，對a0、a1、a2求偏導(dǎo)數(shù)，令這兩個偏導(dǎo)數(shù)等于零，可得：a0=0.47；a1=1.262；a2=0.001 1。所以擬合函數(shù)為：y=0.001 1x2+1.262x+0.47，其中：y為力(N)，x為電壓（mV）。

1.5 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集卡采用的是阿爾泰公司的USB5935模塊，通過USB轉(zhuǎn)串口方式與電腦通信，測量精度0.1%。該模塊提供有API函數(shù)，進行簡單的編程即可在電腦上獲得試驗數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果和討論

實驗的目的是實時準(zhǔn)確地測得關(guān)節(jié)間的相對運動以及加載力矩和內(nèi)力的情況，這就需要硬件設(shè)備能實時準(zhǔn)確地測得標(biāo)記點的空間運動位置，減少標(biāo)記點的位置漂移，同時把傳感器的電壓信號也實時穩(wěn)定地傳給電腦。

我們對30組不同坐標(biāo)的標(biāo)記點進行了測量。測量值與實際值相比：X，Y方向的誤差在0.15 mm范圍內(nèi)，Z方向的誤差在0.3 mm范圍內(nèi)。該誤差范圍完全能夠滿足行業(yè)要求。本文對線位移、角位移和壓力值也分別做了30組的測量對照：線位移、角位移的誤差范圍在2%以內(nèi)，壓力值的誤差范圍在6%以內(nèi)。這些測量值的誤差除了傳感器本身的制造誤差之外還有采集系統(tǒng)累加產(chǎn)生的誤差，無法避免，6%的壓力值誤差能夠滿足實驗要求。

在進行了各分項的性能測試之后，我們又對整個硬件系統(tǒng)的可靠性進行了驗證。實驗標(biāo)本為七節(jié)的牛頸椎，三四節(jié)椎體之間放入薄膜壓力傳感器，用伍德合金將牛頸椎與夾具固定在一起，放在力學(xué)試驗機上模擬椎體的三維運動。經(jīng)過30次連續(xù)反復(fù)測量，標(biāo)記點無位置漂移，位置坐標(biāo)、傳感器各項數(shù)據(jù)穩(wěn)定在誤差范圍之內(nèi)，且數(shù)據(jù)輸出無遺漏。

3 結(jié)論

該系統(tǒng)彌補了以往人工關(guān)節(jié)生物力學(xué)性能測試的不足，運動的模擬更自然，所檢測數(shù)據(jù)也更全面。同時該系統(tǒng)的性能也比以前有所提升，在保證相同測量精度的前提下，能實時穩(wěn)定地輸出相關(guān)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能有效地用于人工關(guān)節(jié)生物力學(xué)的離體實驗測試。