脊柱生物力学加载控制及检测装置的研究与开发

摘要

脊柱生物力学测试研究对于了解和掌握脊柱的功能以及正确评估脊柱损伤、外科手术对其运动行为的影响有着重要的意义。对脊柱生物力学的测试研究包括对脊柱的加载方法及对脊柱运动状态的描述两个方面。‘对脊柱的加载方法经历了从逐级加载到连续加载的过程；而对脊柱运动状态的测量经历了从二维测量到三维测量、从简单到复杂、从估算到精确计算的过程。本文研究与开发一种脊柱生物力学加载控制及检测装置，实现对受测脊柱的自动加载，使脊柱发生前屈、后伸、左右侧弯、纵向加压和扭转运动，同时可测量脊柱在运动过程中，所受的压力、扭力大小及运动状态。 论文研究的主要内容及特色如下： (1)针对脊柱生物力学测试研究现状，分析国内外相关文献资料，总结现有的测试研究方法并对其进行了综述。 (2)设计并搭建了脊柱生物力学加载控制及检测装置，描述了装置的工作原理和组成。该装置采用持续性加载方式进行加载，并控制好加载速度，可用于测量脊柱前屈、后伸、左右侧弯、纵向加压和扭转等空间三维运动状态及运动中所受的压力和扭力。 (3)设计并构建了自动加载驱动设备。自动加载驱动设备从脊柱运动力学特点入手，选择了合适的同步电机；并研制了加载控制电路，控制脊柱的运动方式，从而可实现受测脊柱的三维六个自由度的运动。 (4)开发了基于自动加载电路的单片机加载控制程序。将单片机作为同步电机下位机控制器，通过串口接收PC机传来的控制命令，驱动脊柱运动，构造灵活、编程控制方便，为实验系统提供了有效的控制手段。 (5)设计并构建了脊柱运动及受力状态测量设备。选择适合的压力、扭力传感器，开发单片机控制电路、小信号放大器，应用PC机并配合多功能数据采集卡完成数据采集与处理。该测量设备能够实现对作用于脊柱载荷大小的测量以及对脊柱在该载荷作用下空间三维运动的跟踪定位两部分功能。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1脊柱生物力学

1.1.1脊柱生物力学的定义

1.1.2脊柱结构特征

1.1 3脊柱的运动特点与脊柱生物力学测试

1.1.4脊柱生物力学测试的测量模型

1.2脊柱生物力学测试研究背景

1.2.1.放射线测量方法

1.2.2.超声波定位测量法

1.2.3.光电测量方法

1.2.4.传感器测量方法

1.2.5.其他常用测量方法

1.2.6加载方法

1.3本章小结

2脊柱生物力学加载控制及检测装置

2.1脊柱生物力学加载控制及检测装置工作原理

2.2脊柱生物力学加载控制及检测装置的构成

2.2.1装置操作台

2.2.2自动加载驱动设备

2.2.3脊柱运动及受力状态测量设备

2.2.4基于PC的虚拟测试仪器

2.3本章小结

3脊柱生物力学自动加载驱动设备

3.1自动加载驱动设备整体设计

3.2加载控制电路

3.3永磁低速同步电机

3.4自动加载驱动设备加载控制软件设计与开发

3.4.1同步电机控制协议

3.4.2单片机控制程序

3.5本章小结

4脊柱运动及受力状态测量设备

4.1脊柱运动及受力状态测量设备总体设计

4.2多功能数据采集卡

4.3脊柱运动状态信号检测

4.3.1传感器的标定与校准

4.3.2压力信号检测

4.3.3扭力信号检测

4.3.4脊柱运动空间位移信号检测

4.4小信号放大器

4.4.1信号放大技术

4.4.2小信号放大器使用

4.5本章小结

5总结与展望

5.1总结

5.2展望

附录：

参考文献

在读期间发表的论文

致谢