非接觸式激光多普勒測振法是生物力學(xué)研究中非常有力的工具，近期的試驗通過3D掃描激光測振儀測定了盆骨的動態(tài)特性。該測試技術(shù)給出了出色的結(jié)果，盡管被測物幾何形狀錯綜復(fù)雜。
介紹
工程師通常使用試驗?zāi)B(tài)分析的方法去分析機械部件的振動特性。變形測試通常用來做參考來檢查仿真模型。進來，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算機斷層掃描成像(CT)數(shù)據(jù)生成實際的骨骼模型。同時，試驗也用來做驗證。驗證的質(zhì)量和結(jié)果模型顯著依靠測試方法和測試所應(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），只有很短的時間做相關(guān)測試。因此，一個最優(yōu)的測試方法需要確保準(zhǔn)備新鮮的樣品。
試驗搭建
初始測試為了開發(fā)出最優(yōu)的測試流程，使用處理過的盆骨。首先，需要為被測物搭建一個合適的懸吊設(shè)施。搭建時，需注意試驗條件是“自由懸掛”。在橡膠繩的幫助下，被測的骨頭被懸掛在測試臺架上，這樣，被測試的骨頭剛體頻率低于10 Hz。100 Hz以上，被測物可被認為是自由狀態(tài)。電動激振器與被測物的連接以及被測物的隔振懸掛是尤其需要注意的。
校準(zhǔn)與測試
3D 掃描激光測振儀 (PSV-400-3D) 用來測試髖骨的振動響應(yīng)(圖1, 2)。三個掃描頭朝向三個已知的角度，可同時測得空間三個方向的振動響應(yīng)(X, Y, Z)。當(dāng)校正掃描頭時，測試的校正點應(yīng)盡可能的覆蓋最大的體積。另外，為獲得最好的測試結(jié)果，測試點分布應(yīng)覆蓋被測物的深度。基于這些準(zhǔn)則，定義了6個校正點(圖3 )。為了精確地在臺架上測試，按以下步驟進行：
l 定義測試網(wǎng)格與坐標(biāo)系
l 進行幾何掃描
l 分配聚焦值
圖1 用彈性繩懸掛的髖骨（紅點是激光聚焦點)
圖2 3D掃描激光測振儀試驗搭建
圖3 試驗臺架上的校正點
測試的坐標(biāo)系使用有限元模型的坐標(biāo)系。因此，在進行CT掃描之前，需要在骨頭上的特定點粘貼標(biāo)記，用作校正點，這樣可精確地將測試點的位置傳遞給有限元模型。為了測定最好的測試點，有限元模型分析結(jié)果用來做一個初步的估計，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，激振力在連接點被引入到結(jié)構(gòu)中，同時在測試點對響應(yīng)（振動速度）進行測試。被測區(qū)域有兩個 (圖4)，測試了傳遞函數(shù)，并疊加在一起，如圖5，可見有5個共振峰。
圖4 處理后的測試區(qū)域 a)測試網(wǎng)格1 b)測試網(wǎng)格2
圖5 疊加的傳函
結(jié)論和展望
基于目前的測試結(jié)果，從100 Hz 到2000 Hz 有5個模態(tài)振型，可幫助校正數(shù)字模型。測試方法和測試過程都大大地減少了工作時間和精力，滿足了生物樣品的保鮮要求，接近原位動力學(xué)參數(shù)。3D 掃描式激光測振儀初次用來測定髖骨的模態(tài)參數(shù)，給出了從前沒有的精確的空間振動模型和分辨率。對比以前的方法，3D 激光測振儀是動力學(xué)分析和人類髖骨模型的一個重大的提升。
