基于CT的组织或材料内部三维变形测量系统及测量方法.pdf

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1、(10)授权公告号 CN 102293658 B (45)授权公告日 2014.04.16 CN 102293658 B (21)申请号 201010219168.3 (22)申请日 2010.06.25 A61B 6/03(2006.01) G01B 15/06(2006.01) (73)专利权人 卢世璧 地址 100853 北京市复兴路 28 号解放军总 医院骨科研究所 (72)发明人 卢世璧 汪爱媛 马少鹏 彭江 马沁巍 刘力强 范猛 孟昊业 眭翔 郭旭 许文静 郭全义 (74)专利代理机构 北京君尚知识产权代理事务 所 ( 普通合伙 ) 11200 代理人 余长江 JP 特开 2003。

2、-247922 A,2003.09.05, 说明 书摘要、 说明书第 91 段、 权利要求 1,6、 附图 13. CN 2611895 Y,2004.04.14, 全文 . CN 2924518 Y,2007.07.18, 全文 . (54) 发明名称 基于 CT 的组织或材料内部三维变形测量系 统及测量方法 (57) 摘要 本发明涉及一种基于 CT 的组织或材料内部 三维变形测量系统及测量方法， 属于新型医疗及 科研检测仪器技术领域。本发明的方法为 ： 1) 将 固定有标本的微型力学加载装置放置于 CT 扫描 腔内 ； 所述微型力学加载装置的测试腔支架为可 透 X 线支架 ； 2) 分别扫。

3、描有力加载和无力加载时 该标本的三维图像 ； 3) 对两次扫描的三维图像数 据进行体图像相关分析， 获得该标本内部的三维 变形场。本系统包括微型力学加载装置、 CT 机和 数据处理单元 ； 所述微型力学加载装置的测试腔 支架为可透X线支架。 与现有技术相比， 本发明能 为实时观测测试件的微观影像学及生物力学实验 提供可靠的试验基础， 同时具有结构简单、 可靠性 好、 适用面广的特点。 (51)Int.Cl. (56)对比文件 审查员 宋含 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 (10)授权。

4、公告号 CN 102293658 B CN 102293658 B 1/1 页 2 1. 一种基于 CT 的组织或材料内部三维变形测量系统， 包括微型力学加载装置、 CT 机 和数据处理单元 ； 所述数据处理单元分别与所述 CT 机、 所述微型力学加载装置连接 ； 所述 微型力学加载装置位于所述 CT 机的检测腔中 ； 其特征在于， 所述微型力学加载装置包括加 载装置固定座、 加载电机模块、 载荷及位移传感器、 夹具适配模块、 测试腔支架、 高度可调的 底盘 ； 其中， 所述测试腔支架为可透 X 线支架 ； 所述加载装置固定座上装有所述加载电机模 块 ； 所述测试腔支架的一端安装于所述加载电机。

5、模块的一侧 ； 所述测试腔支架的另一端与 所述高度可调的底盘连接 ； 所述夹具适配模块活动连接于所述测试腔支架上 ； 所述载荷及 位移传感器位于所述加载电机模块与所述夹具适配模块之间， 且其与所述加载电机模块连 接。 2.如权利要求1所述的基于CT的组织或材料内部三维变形测量系统， 其特征在于所述 微型力学加载装置的测试腔支架为碳纤维杆支架、 或聚甲醛支架、 或聚醚醚酮支架。 3.如权利要求1所述的基于CT的组织或材料内部三维变形测量系统， 其特征在于所述 夹具适配模块的边缘上设有与所述测试腔支架相匹配的孔， 通过匹配的孔串接于所述测试 腔支架上。 4.如权利要求3所述的基于CT的组织或材料内。

6、部三维变形测量系统， 其特征在于所述 夹具适配模块为一圆柱状结构 ； 所述测试腔支架包括四根碳纤维杆 ； 所述夹具匹配模块边 缘设有四个与所述碳纤维杆相匹配的孔。 5.如权利要求4所述的基于CT的组织或材料内部三维变形测量系统， 其特征在于所述 碳纤维杆支架的四根碳纤维杆相互平行且垂直于所述加载电机模块的侧面。 6.如权利要求1所述的基于CT的组织或材料内部三维变形测量系统， 其特征在于所述 夹具适配模块上设有若干夹具接口 ； 所述 CT 机为医用 CT 机或显微 CT 机。 7.一种如权利要求1所述基于CT的组织或材料内部三维变形测量系统的测量方法， 其 步骤为 ： 1） 将固定有标本的微型。

7、力学加载装置放置于 CT 机的检测腔内 ； 所述微型力学加载装 置的测试腔支架为可透 X 线支架 ； 2） 在无力加载状态时利用所述 CT 机扫描该标本， 得到一三维图像 ； 3） 启动所述微型力学加载装置对该标本施加应力或变形， 并利用所述 CT 机扫描有力 加载状态时该标本的三维图像 ； 4） 对 2） 、 3） 两次扫描的三维图像数据进行体图像相关分析， 获得该标本内部的三维变 形场。 8. 如权利要求 7 所述的测量方法， 其特征在于所述微型力学加载装置的测试腔支架为 碳纤维杆支架、 或聚甲醛支架、 或聚醚醚酮支架。 9. 如权利要求 7 或 8 所述的测量方法， 其特征在于所述微型力。

8、学加载装置对该标本匀 速地施加应力 ； 所述 CT 机为医用 CT 机或显微 CT 机。 权 利 要 求 书 CN 102293658 B 2 1/5 页 3 基于 CT 的组织或材料内部三维变形测量系统及测量方法 技术领域 0001 本发明涉及一种基于 CT 或显微 CT 的三维成像系统， 尤其涉及一种对组织或材料 内部进行加载及变形测量的系统及其测量方法， 属于新型医疗及科研检测仪器技术领域。 背景技术 0002 一直以来医用 CT 及高分辨率显微 CT 的功能还仅限于对组织器官的影像进行观 察， 然而如何实现 CT 扫描与加载同步进行， 从而利用普通 CT 或显微 CT 成像原理观测材料。

9、 内部的变形、 受力或断裂等过程， 并通过加载前后 CT 图像的三维相关分析， 实现对各类材 料内部三维微观变形的测量一直没有得到解决， 尤其是对骨骼系统的测量和分析， 由于其 在体内具有支撑和运动的功能， 所以骨骼系统的载荷传递功能对骨病的发病机理和诊断及 治疗有着重要的意义。 0003 在工业、 地质矿产研究领域， 采用在万能材料试验机的实验平台上组装 CT 扫描系 统， 从而实现对岩石、 矿物等材料断裂方式的观测。 0004 在此基础上， 我们将该技术设想引入到医用 CT 甚至高分辨率显微 CT 等体内评 价系统， 同时利用 CT 图像的相关分析技术， 实现动态、 实时观测体内组织器官尤。

10、其是骨组 织的受力分布及载荷变形关系， 可广泛应用于疾病诊断、 疗效评价、 临床基础研究等相关领 域。 0005 然而目前， 进行材料力学测试的加载装置通常体积较大， 无法放置在医用 CT 及 显微 CT 中进行实时力学加载 ； 同时由于加载装置主要为金属构成， 而产生严重的金属伪 影， 无法得到标本的清晰影像学资料。因而现有设备均不能直接应用于医用 CT 尤其是 Mirco-CT 内进行加载状态下的实时 CT 扫描。 发明内容 0006 为了克服现有的力学加载装置体积和医用 CT 及 Micro-CT 检查要求的不匹配， 以 及避免装置本身对于X射线成像的干扰， 本发明的目的在于提供一种基于。

11、CT的组织或材料 内部三维变形测量系统及测量方法。 0007 本发明的系统包括微型力学加载装置及 CT 机和数据处理单元 ； 该系统中的微型 力学加载装置不仅在关键部分可透 X 射线， 避免对标本的影像清晰程度造成干扰， 而且其 设计结构及体积大小可适用于目前市场上现有的动物活体高分辨率显微 CT 系统， 本发明 的系统可实现 CT 扫描与加载同步进行， 利用普通 CT 或显微 CT 成像原理观测材料内部的变 形、 受力或断裂过程等 ； 并通过加载前后 CT 图像的三维相关分析， 从而实现对生物体或标 本受力状态下的内部微观形貌、 断裂方式观测， 再通过对 CT 三维重建图像的相关分析等图 像。

12、处理手段， 实现对物体三维变形或应力场的分析计算。 0008 本发明的技术方案为 ： 0009 一种基于 CT 的组织或材料内部三维变形测量方法， 其步骤为 ： 0010 1) 将固定有标本的微型力学加载装置放置于 CT 扫描腔内 ； 所述微型力学加载装 说 明 书 CN 102293658 B 3 2/5 页 4 置的测试腔支架为可透 X 线支架 ； 0011 2) 在无力加载状态时利用所述 CT 扫描该标本， 得到一三维图像 ； 0012 3) 启动所述微型力学加载装置对该标本施加一定的应力或变形， 并利用所述 CT 扫描有力加载状态时该标本的三维图像 ； 0013 4) 对 2)、 3)。

13、 两次扫描的三维图像数据进行体图像相关分析， 获得该标本内部的三 维变形场。 0014 进一步的， 所述微型力学加载装置的测试腔支架为碳纤维杆支架、 或聚甲醛支架、 或聚醚醚酮支架。 0015 进一步的， 所述微型力学加载装置对该标本匀速地施加应力 ； 所述CT为医用CT机 或显微 CT 机。 0016 一种基于 CT 的组织或材料内部三维变形测量系统， 其特征在于包括微型力学加 载装置、 CT 机和数据处理单元 ； 所述数据处理单元分别与所述 CT 机、 所述微型力学加载装 置连接 ； 所述微型力学加载装置位于所述 CT 机的检测腔中 ； 所述微型力学加载装置的测试 腔支架为可透 X 线支架。

14、。 0017 进一步的， 所述微型力学加载装置的测试腔支架为碳纤维杆支架、 或聚甲醛支架、 或聚醚醚酮支架。 0018 进一步的， 所述微型力学加载装置包括加载装置固定座、 加载电机模块、 载荷及位 移传感器、 夹具适配模块、 测试腔支架、 高度可调的底盘 ； 所述加载装置固定座上装有所述 加载电机模块 ； 所述测试腔支架的一端安装于所述加载电机模块的一侧 ； 所述测试腔支架 的另一端与所述高度可调的底盘连接 ； 所述夹具适配器模块活动连接于所述测试腔支架 上 ； 所述载荷及位移传感器位于所述加载电机与所述夹具适配模块之间， 且其与所述加载 电机模块连接。 0019 进一步的， 所述夹具适配模。

15、块的边缘上设有与所述测试腔支架相匹配的孔， 通过 匹配的孔串接于所述测试腔支架上。 0020 进一步的， 所述夹具适配模块为一圆柱状结构 ； 所述测试腔支架包括四根碳纤维 杆 ； 所述夹具匹配模块边缘设有四个与所述碳纤维杆相匹配的孔。 0021 进一步的， 所述碳纤维杆支架的四根碳纤维杆相互平行且垂直于所述加载电机模 块的侧面。 0022 进一步的， 所述夹具适配模块上设有若干夹具接口 ； 所述CT机为医用CT机或显微 CT 机。 0023 本发明的微型力学加载装置的体积为针对不同 CT 或 Micro-CT 检测腔的大小 设计， 微型力学加载装置与 CT 机的检测腔相匹配， 可以用于在加载状。

16、态下材料的 CT 或 Micro-CT 的检测。微型力学加载装置的测试腔部分外周支架选用可透 X 线的高强度材料， 如碳纤维、 聚甲醛、 聚醚醚酮等， 可以透 X 线且对测试腔内测试物的 X 线成像没有干扰。 0024 本发明中测试腔是测试进行的场所， 用于放置测试件 ； 针对不同测试件， 测试腔内 可通过适配接口连接不同的夹具， 实现对测试件的拉、 压、 弯、 扭等测试。 并可以调整力学加 载轴和测试物所成的角度。 碳纤维杆支架使加载模块可以沿碳纤维杆滑动对测试件加压和 拉伸， 并可以通过载荷传感器来感知测试物受力的精确数值， 通过位移感应器感应位移变 化， 即测试件受力后的形态改变。 说 。

17、明 书 CN 102293658 B 4 3/5 页 5 0025 与现有技术相比， 本发明的有益效果是 ： 0026 1、 能为实时观测测试件的微观影像学及生物力学实验提供可靠的试验基础。 0027 2、 夹具适配模块可接配各类夹具， 可以在一定范围内任意确定对于测试件的力学 加载方向， 从而可以观察多种力学加载方向下的不同影响。 0028 3、 本装置测试腔部位主要构件为碳纤维结构， 保证可以进行 CT 或 Micro-CT 的扫 描且对于测试件成像没有干扰。 0029 4、 本装置的力学加载可进行程序控制， 可以提供不同力量及幅度的加载， 配合夹 具提供的角度， 可以充分模拟各种生理和病。

18、理状态。 0030 5、 本装置配备载荷及位移传感器， 从而可以准确的感知力学及作用轴方向的形态 改变， 并与电脑相连， 通过程序进行实时的记录和分析。将此数据与 CT 图像数据相结合， 可 以获得相对应的实时生物力学及微观形态改变资料。 0031 6、 本装置结构简单， 加工成本低， 可靠性好， 能够对各类骨标本、 生物材料及其他 非均质材料进行检测， 适用面广。 附图说明 0032 图 1、 本发明微型力学加载装置的结构示意图 ； 0033 图 2、 本发明微型力学加载装置与 CT 结合的结构示意图 ； 0034 图 3、 松质骨块标本示意图 ； 0035 图 4、 加载及 CT 扫描示意。

19、图 ； 0036 图 5、 加载前后松质骨块显微 CT 原始图像 ； 0037 (A) 加载前， (B) 加载后， 0038 图 6、 200N 载荷时松质骨块三维位移场 ； 0039 (A)U 场位移， (B)V 场位移， (C)W 场位移， 0040 图 7、 股骨上端固定及加载方式 ； 0041 (A) 内收 5， (B) 前倾 30， 0042 图 8、 犬股骨头加载前后显微 CT 断层图像 ； 0043 (A) 加载前， (B) 加载后， 0044 图 9、 300N 载荷时犬股骨头三维位移场 ； 0045 (A)U 场位移， (B)V 场位移， (C)W 场位移。 具体实施方式 0。

20、046 现结合附图对本发明进行进一步的详细描述 ： 0047 本发明的微型力学加载装置如图1所示， 其为可透射X线的微型力学加载装置， 其 包括一加载装置固定座、 加载电机模块、 载荷及位移传感器、 夹具适配模块、 由若干碳纤维 杆构成的碳纤维杆支架、 高度可调的底盘。 0048 加载装置固定座上具有与 Micro-CT 检测腔相匹配固定的螺钉孔， 用于将微型力 学加载装置固定在 CT 上。 0049 加载装置固定座上装有加载电机模块， 加载电机模块由可程序控制的专用电机构 成， 通过程序控制加载电机模块， 加载电机模块用于对测试物进行可控的力学加载。 说 明 书 CN 102293658 B。

21、 5 4/5 页 6 0050 加载电机模块与载荷及位移传感器连接， 载荷及位移传感器与电脑相连接， 载荷 及位移传感器将感应到的加载力度和状态改变同步传送到电脑， 通过电脑进行记录和分 析。 0051 加载电机模块的一侧安装有由四根碳纤维杆构成的碳纤维杆支架， 碳纤维杆支架 的另一侧与高度可调的底盘连接。 0052 夹具适配器模块为一圆柱状结构， 其边缘上设有与碳纤维杆支架相匹配的四个 孔， 夹具适配器接口通过其上的四个孔安装到碳纤维杆支架上， 其与碳纤维杆支架为活动 连接， 夹具适配器可在碳纤维杆上自由滑动 ； 夹具适配器模块的一个端面与载荷及位移传 感器相连接， 用于接收加载电机模块施加。

22、的力 ； 夹具适配器模块的另一个端面与高度可调 的底盘之间的空间构成一测试腔。 夹具适配模块上设有若干夹具接口， 可接配各类夹具， 实 现不同力学加载。 0053 本发明中测试腔是进行测试的场所， 用于放置测试件 ； 针对不同测试件， 测试腔内 可通过适配接口连接不同的夹具， 实现对测试件的拉、 压、 弯、 扭等测试， 并可以调整力学加 载轴和测试物所成的角度。 碳纤维杆支架使加载模块可以沿碳纤维杆滑动对测试件加压和 拉伸， 并可以通过载荷传感器来感知测试物受力的精确数值， 通过位移感应器感应位移变 化， 即测试件受力后的形态改变。 0054 本发明的系统， 即微型力学加载装置与 CT 结合的。

23、结构示意图如图 2 所示， 包括一 CT 机、 微型力学加载装置和数据处理单元， CT 机、 微型力学加载装置分别与数据处理单元 连接。当采用本发明的三维变形测量系统进行试验时， 先调整测试腔有效测试空间的大小 与测试件及扫描区域相匹配， 然后通过夹具适配模块上的接口将选定的夹具连接到夹具适 配模块上， 再按照预定的加载方向， 使用夹具将测试件固定。 将整个微型力学加载装置固定 于医用 CT 或 Micro-CT 检测腔内， 使用 CT 机的预扫描功能调整好测试腔位置。进行 CT 或 Micro-CT 扫描记录力学加载前测试件的内部微观影像学表现， 然后启动加载电机模块的控 制程序进行逐步的力。

24、学加载， 根据程序控制力学加载的程度。载荷及位移传感器感应所受 力的大小和状态变化， 并将数据传送至电脑， 同时进行 CT 或 Micro-CT 扫描， 实现生物力学 和微观影像学的同步测量。利用测试件加载前后的断层扫描影像数据， 采用体图像相关技 术进行匹配和搜索， 最终得到测试件内部三维位移场和应变场。 0055 不同的力学加载方式及幅度， 会对复杂结构测试件内部结构产生不同的影响。本 发明系统就是通过特殊力学加载装置， 使 CT 或显微 CT 可以对变形后的骨材料或其它非均 质材料进行断层扫描， 通过微观影像学观察不同载荷情况下测试件微观结构的改变状态， 通过三维图像分析技术获得复杂结构。

25、材料的微观生物力学特性， 为进一步了解测试件的微 观结构与力学特性的关系提供检测手段。 0056 实验一 ： 松质骨骨块标本的内部微观压缩变形测量 0057 实验材料 ： 猪股骨髁松质骨制备成 13mm13mm20mm 骨块标本 ； 加载装置的上下 适配模块分别连接两个圆柱形平面压缩夹具， 骨块标本平行放置于压缩夹具之间， 使骨块 长轴方向平行于加载方向。( 如图 3) 0058 实验方法 ： 加载装置及测试骨块放置于显微 CT 扫描腔内 ( 图 4)， 启动控制软件控 制加载电机匀速加载， 分别在加载前 (10N) 及 200N 载荷时保持稳定， 并分别进行显微 CT 扫 描。 对两次扫描的。

26、三维图像数据进行体图像相关分析， 可获得松质骨内部三维变形场分布。 说 明 书 CN 102293658 B 6 5/5 页 7 0059 实验结果如图 5、 6 所示， 其中， 图 5 为加载前松质骨块显微 CT 原始图像， 图 6 为 200N 载荷时松质骨块三维位移场。 0060 实验二 ： 站立相股骨上端三维变形场测量 0061 实验材料 ： 以正常犬股骨上端标本为研究对象， 模拟生理载荷作用下的股骨上端 受力状态。 加载端接配模拟髋臼的夹具， 并与股骨头相配合， 底端用牙托粉将股骨按照犬站 立相的解剖角度进行固定 ( 如图 7 所示 )。 0062 实验方法 ： 将固定好的标本连同加。

27、载装置一起放置于显微 CT 扫描腔内， 在无加载 的状态时进行首次显微 CT 扫描 ； 启动控制软件控制加载电机匀速加载， 到 300N 时保持稳 定， 并进行二次显微 CT 扫描。对两次扫描的三维图像数据进行体图像相关分析， 可获得犬 股骨头内部三维变形场。 0063 实验结果如图 8、 9 所示， 其中图 8 为犬股骨头加载前后显微 CT 断层图像， 图 9 为 300N 载荷时犬股骨头三维位移场。 说 明 书 CN 102293658 B 7 1/4 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102293658 B 8 2/4 页 9 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102293658 B 9 3/4 页 10 图 6 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 102293658 B 10 4/4 页 11 图 9 说 明 书 附 图 CN 102293658 B 11 。