非接觸式激光多普勒測(cè)振法是生物力學(xué)研究中非常有力的工具，近期的試驗(yàn)通過3D掃描激光測(cè)振儀測(cè)定了盆骨的動(dòng)態(tài)特性。該測(cè)試技術(shù)給出了出色的結(jié)果，盡管被測(cè)物幾何形狀錯(cuò)綜復(fù)雜。
介紹
工程師通常使用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的方法去分析機(jī)械部件的振動(dòng)特性。變形測(cè)試通常用來做參考來檢查仿真模型。進(jìn)來，有限元方法(FEM) 已經(jīng)用來做醫(yī)學(xué)應(yīng)用的生物力學(xué)研究和建模。例如，為幫助骨科手術(shù)，不同的方法用來從計(jì)算機(jī)斷層掃描成像(CT)數(shù)據(jù)生成實(shí)際的骨骼模型。同時(shí)，試驗(yàn)也用來做驗(yàn)證。驗(yàn)證的質(zhì)量和結(jié)果模型顯著依靠測(cè)試方法和測(cè)試所應(yīng)用的技術(shù)。與工程科學(xué)不同的是，生物力學(xué)關(guān)注的焦點(diǎn)主要是生物材料。由于生物材料發(fā)生的復(fù)雜變化（干枯，分解），只有很短的時(shí)間做相關(guān)測(cè)試。因此，一個(gè)最優(yōu)的測(cè)試方法需要確保準(zhǔn)備新鮮的樣品。
試驗(yàn)搭建
初始測(cè)試為了開發(fā)出最優(yōu)的測(cè)試流程，使用處理過的盆骨。首先，需要為被測(cè)物搭建一個(gè)合適的懸吊設(shè)施。搭建時(shí)，需注意試驗(yàn)條件是“自由懸掛”。在橡膠繩的幫助下，被測(cè)的骨頭被懸掛在測(cè)試臺(tái)架上，這樣，被測(cè)試的骨頭剛體頻率低于10 Hz。100 Hz以上，被測(cè)物可被認(rèn)為是自由狀態(tài)。電動(dòng)激振器與被測(cè)物的連接以及被測(cè)物的隔振懸掛是尤其需要注意的。
校準(zhǔn)與測(cè)試
3D 掃描激光測(cè)振儀 (PSV-400-3D) 用來測(cè)試髖骨的振動(dòng)響應(yīng)(圖1, 2)。三個(gè)掃描頭朝向三個(gè)已知的角度，可同時(shí)測(cè)得空間三個(gè)方向的振動(dòng)響應(yīng)(X, Y, Z)。當(dāng)校正掃描頭時(shí)，測(cè)試的校正點(diǎn)應(yīng)盡可能的覆蓋最大的體積。另外，為獲得最好的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試點(diǎn)分布應(yīng)覆蓋被測(cè)物的深度?；谶@些準(zhǔn)則，定義了6個(gè)校正點(diǎn)(圖3 )。為了精確地在臺(tái)架上測(cè)試，按以下步驟進(jìn)行：
l 定義測(cè)試網(wǎng)格與坐標(biāo)系
l 進(jìn)行幾何掃描
l 分配聚焦值
圖1 用彈性繩懸掛的髖骨（紅點(diǎn)是激光聚焦點(diǎn))
圖2 3D掃描激光測(cè)振儀試驗(yàn)搭建
圖3 試驗(yàn)臺(tái)架上的校正點(diǎn)
測(cè)試的坐標(biāo)系使用有限元模型的坐標(biāo)系。因此，在進(jìn)行CT掃描之前，需要在骨頭上的特定點(diǎn)粘貼標(biāo)記，用作校正點(diǎn)，這樣可精確地將測(cè)試點(diǎn)的位置傳遞給有限元模型。為了測(cè)定最好的測(cè)試點(diǎn)，有限元模型分析結(jié)果用來做一個(gè)初步的估計(jì)，在骨頭上位移最大的區(qū)域高亮顯示。用激振器持續(xù)激勵(lì)，激振力在連接點(diǎn)被引入到結(jié)構(gòu)中，同時(shí)在測(cè)試點(diǎn)對(duì)響應(yīng)（振動(dòng)速度）進(jìn)行測(cè)試。被測(cè)區(qū)域有兩個(gè) (圖4)，測(cè)試了傳遞函數(shù)，并疊加在一起，如圖5，可見有5個(gè)共振峰。
圖4 處理后的測(cè)試區(qū)域 a)測(cè)試網(wǎng)格1 b)測(cè)試網(wǎng)格2
圖5 疊加的傳函
結(jié)論和展望
基于目前的測(cè)試結(jié)果，從100 Hz 到2000 Hz 有5個(gè)模態(tài)振型，可幫助校正數(shù)字模型。測(cè)試方法和測(cè)試過程都大大地減少了工作時(shí)間和精力，滿足了生物樣品的保鮮要求，接近原位動(dòng)力學(xué)參數(shù)。3D 掃描式激光測(cè)振儀初次用來測(cè)定髖骨的模態(tài)參數(shù)，給出了從前沒有的精確的空間振動(dòng)模型和分辨率。對(duì)比以前的方法，3D 激光測(cè)振儀是動(dòng)力學(xué)分析和人類髖骨模型的一個(gè)重大的提升。
