基于LabVIEW的离体脊柱稳定性测量系统研究

发布时间：2017-05-28 11:06

  本文关键词：基于LabVIEW的离体脊柱稳定性测量系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：脊柱具有支撑和承受载荷的作用，它的生物力学性质一直是临床医生和科研人员的一项重要研究内容。对脊柱的三维运动稳定性进行精确、定量的描述，对于理解脊柱疾病损伤的发生机制从而确定合理的治疗方法、正确评估外科手术和植入器械对脊柱运动行为的影响有着极其重要的意义。然而，脊柱作为柔性的负载体，其运动方式复杂多样，这给脊柱的生物力学稳定性测量带来了不少困难。这也间接导致了以往的测量系统结构复杂、软件功能单一等问题。针对这些问题，，本文研制出了既简单又能真实准确地反映脊柱在生理状态下运动的测试系统，以LabVIEW为开发工具的软件系统，能够测量脊柱的应变、运动范围等信息，最后通过实验对系统的有效性进行验证。本研究的主要内容包括以下两个部分： ①设计一套由传感器、特制夹具、材料试验机、单片机等构成的脊柱应变测量系统。该系统能够模拟脊柱侧弯、前屈、后伸、轴向压缩等方向的运动，记录载荷、位移、应变等信息。基于LabVIEW平台开发的数据采集模块用于控制数据采集过程，数据综合模块用于整合传感器所测的应变信号和试验机记录的载荷、位移数据，分析显示模块对这些数据进行分析，获得直接反映脊柱稳定性的应变、刚度等特征参数。利用该系统对5具人体脊柱标本T12-L2节段进行稳定性测试获得了准确、可靠的测量数据。 ②设计一套由图像采集装置、特制夹具、材料试验机、PC机等构成的脊柱运动范围（Range of motion，ROM）测量系统。该系统能够实施侧弯、前屈、后伸、扭转等方向的加载。实验前在目标椎体中插入标记针，利用LabVIEW开发环境和图像处理技术，提取原始图像中的感兴趣区域（Region of Interest，ROI）,经过图像增强、形态学运算等步骤后，提取标记针的角度信息。实验中使用6具人体T7-T10节段脊柱标本，分别实施左\右侧弯、前屈、后伸、顺\逆时针扭转方向的加载，记录T8、T9椎体上的标记针角度信息。最终测得T8-T9节段的ROM从1Nm至5Nm表现为逐渐增加，且数值大小与前人的研究相符。 总之，本文所设计的脊柱稳定性性质测量系统，结构简单且操作性强，特别是软件部分界面友好功能齐全，弥补了以往采集和分析数据需要多个开发系统且操作繁琐的不足，为脊柱的生物力学测量提供了新的方法。这些系统为骨科医生及研究人员提供评价脊柱疾病损伤与手术方法的可靠工具。
【关键词】：脊柱 应变 运动范围 LabVIEW 图像处理技术
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R318.01
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 引言9-10
• 1.2 人体脊柱的运动测量方法研究进展10-12
• 1.2.1 测试模型种类10-11
• 1.2.2 国内外研究现状11-12
• 1.3 LabVIEW 在脊柱生物力学测量中的应用12-13
• 1.4 本课题的研究目的、内容和技术路线13-15
• 1.4.1 研究目的13
• 1.4.2 研究内容13-14
• 1.4.3 技术路线14-15
• 2 脊柱的稳定性机制及测量标准15-24
• 2.1 脊柱的稳定性机制15-17
• 2.1.1 椎体结构和骨密度15-16
• 2.1.2 椎间盘和椎间关节16
• 2.1.3 椎小关节16
• 2.1.4 韧带16-17
• 2.1.5 生理曲线17
• 2.2 脊柱的个体差异性17-18
• 2.2.1 遗传因素17-18
• 2.2.2 年龄18
• 2.2.3 负载历史18
• 2.3 脊柱的稳定性测试标准18-22
• 2.3.1 相关概念、术语和定义18-21
• 2.3.2 测试过程要求21-22
• 2.4 本章小结22-24
• 3 脊柱的应变直接测量系统24-37
• 3.1 测量系统的硬件设计24-27
• 3.1.1 应变式传感器24-26
• 3.1.2 配套夹具设计26
• 3.1.3 Instron 1011 万能材料试验机26-27
• 3.2 软件部分27-32
• 3.2.1 串口通信模块27-28
• 3.2.2 数据采集模块28-29
• 3.2.3 数据综合与分析显示模块29-32
• 3.3 生物力学测试实验32-35
• 3.3.1 标本制备32
• 3.3.2 生物力学测试32-33
• 3.3.3 实验结果33-35
• 3.3.4 讨论35
• 3.4 本章小结35-37
• 4 基于图像处理技术的脊柱运功范围测量系统37-52
• 4.1 基于 LabVIEW 的图像处理技术37-43
• 4.1.1 图像点运算37-39
• 4.1.2 图像二值化39
• 4.1.3 直方图变换39-40
• 4.1.4 图像二维卷积40-41
• 4.1.5 图像滤波41
• 4.1.6 形态学图像处理41-43
• 4.2 系统的硬件构成43-45
• 4.2.1 MTS 858 材料试验机43-44
• 4.2.2 配套夹具设计44-45
• 4.2.3 图像采集装置45
• 4.3 系统的软件设计45-48
• 4.3.1 提取感兴趣区域45-46
• 4.3.2 感兴趣区域图像增强46-47
• 4.3.3 标记针角度判定47-48
• 4.4 精度测量48
• 4.5 实验及结果48-51
• 4.5.1 标本制备48-49
• 4.5.2 生物力学测试49
• 4.5.3 实验结果49-50
• 4.5.4 讨论50-51
• 4.6 本章小结51-52
• 5 总结与展望52-54
• 5.1 结论52-53
• 5.2 后续工作展望53-54
• 致谢54-55
• 参考文献55-59
• 附录59

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本文编号：402504