骨骼是人體生存和運動的支柱，起到支撐和保護身體的作用。人體骨骼各種形狀經(jīng)長期演化形成，具有復(fù)雜的內(nèi)在和外在結(jié)構(gòu)，使骨骼在減輕重量的同時能夠保持堅硬。

    骨骼組織成分之一為礦物質(zhì)，為各向異性、非均勻材料，其機械性能受多種因素的影響。在研究骨骼材料性能時，需進行應(yīng)力應(yīng)變測試，來驗證在運動狀態(tài)下，骨骼各部位的變形、抗沖擊能力及最大承受力。

    骨胳材料測量需求

    當外力施加于骨胳時，骨胳結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，并有復(fù)雜的變化，采用形態(tài)近似規(guī)則的樣本來確定骨組織的材料力學(xué)性能，更好地掌握生物材料或非生物材料組成的構(gòu)件的力學(xué)性能。

    某研究機構(gòu)檢測中心，擬通過具代表性的拉伸測試手段，采用新拓三維XTDIC三維光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)，測試類似骨頭材料—雞脛骨拉伸過程中結(jié)構(gòu)的變形，獲取骨材料的力學(xué)性能，用于材料性能的有限元模擬，醫(yī)用骨科新材料的研發(fā)和生產(chǎn)。

    面臨的測試難題

    骨是非均勻的、各向異性的復(fù)合材料，它的力學(xué)性能比如楊氏模量、拉伸性能、粘彈性，特別是在破壞時的極限應(yīng)力和應(yīng)變等，不僅與復(fù)合材料本身的組分及組分含量有關(guān)，也與其構(gòu)造有關(guān)。傳統(tǒng)的接觸式測量，在應(yīng)用上存在著不少的局限性：

    1、應(yīng)變片只能測量單點單向的應(yīng)變，不能進行全場檢測。

    2、應(yīng)變片只能是憑借仿真和模擬結(jié)果，預(yù)估應(yīng)變位置然后進行粘貼，存在較大誤差。

    3、無法測試材料特定位置的應(yīng)變情況，各異向性動態(tài)實時變化

    三維光學(xué)應(yīng)變測量方案

    該檢測中心采用類似骨頭材料—雞脛骨標本進行拉伸應(yīng)變測試，通過模擬脛骨負載狀態(tài)，驗證脛骨受拉變形情況及抗拉能力。XTDIC系統(tǒng)可支持各種應(yīng)變測量，并可進行實時的應(yīng)力應(yīng)變計算，適用于各種條件下的采集需求。

    由于雞脛骨尺寸較小，新拓三維技術(shù)工程師采用光學(xué)體式顯微鏡，對雞脛骨觀測區(qū)域進行放大，能夠觀測到更細節(jié)的特征。

    通過調(diào)整脛骨相對于加載實驗機的相對角度，模擬脛骨拉伸運動的情況，使其復(fù)現(xiàn)脛骨在正常運動中的受力工況，進而了解其不同部位的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

    XTDIC應(yīng)變測量系統(tǒng)，在立體顯微鏡的輔助下，在加載過程中進行數(shù)據(jù)采集和后處理，從而得到所需的數(shù)據(jù)。此種方法測得的數(shù)據(jù)能夠反映骨骼應(yīng)力分布的真實客觀情況，并自動記錄和分析處理數(shù)據(jù)。

    XTDIC系統(tǒng)軟件可輸出三維色譜云圖，清晰地觀測到位移、應(yīng)變場的變化趨勢。

    脛骨拉伸位移場

    脛骨加載應(yīng)變場

    從以上測量結(jié)果可以看出，利用XTDIC三維光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)，在拉伸加載過程中，可測量骨胳組織的性能（如楊氏模量、強度）和幾何參數(shù)，計算出雞脛骨的軸向拉伸強度和剛度，以便于更好地掌握復(fù)雜骨胳材料的力學(xué)性能。

    基于測量數(shù)據(jù)，可用于在生物力學(xué)的研究中驗證有限元分析，實現(xiàn)在宏觀和微觀層次研究骨的力學(xué)性能，這種有限元分析與驗證方法正在逐漸地被骨胳材料研究、臨床應(yīng)用研究領(lǐng)域接受并應(yīng)用。