铝壳电机和铁壳电机:脉冲响应法在骨生物力学研究中的应用*

脉冲响应法在骨生物力学研究中的应用*

作者:作者：祝郁    作者单位：中国航天员科研训练中心,北京 100094 来源：医学期刊 / 医药科学综合收藏本文章

【摘要】  骨骼是人体的重要支撑结构。在骨力学特性的研究中脉冲响应法是一种振动分析技术可用来分析人体骨骼的动态特征。随着信号处理技术和计算机的不断发展，这种振动分析技术，也被越来越多地应用在骨生物力学研究中。本文就该方法基本原理以及在骨生物力学中的研究进展作简要的叙述。

【关键词】  脉冲响应 生物力学 骨折愈合评估

    Application of Impulse Response Method in Bone Biomechanics Research.ZHU Yu，LIU Bingkun.Space Medicine & Medical Engineering,2008,21(3):295～298

    Abstract: Bones are important supporting structure of human body. People are attached to very active research on mechanical properties of bones. Impulse response method is a kind of vibration analysis technology which can be used to analyze  dynamic characteristics of human bones. Along with the continuous development of signal processing and computer technology, impulse response method is applied more and more in bone biomechanics research. The basic principle of impulse response method and its progress in bone biomechanics research are briefly summarized in this paper.

    Key words:impulse response;bone biomechanics;fracture healing assessment

    Address reprint requests to:LIU Bingkun.China Astronaut Research and Training Center,Beijing 100094,China

    任何物体的振动信号均包含了丰富的信息，物体的质量、材料、形状、结构等的改变都会引起其振动响应信号的变化。骨组织随着增龄及发生病变或者骨折后，其振动特性也将会发生变化［1］。随着信号处理技术和计算机的不断发展，脉冲响应法这种振动分析技术，也被越来越多地应用在骨生物力学研究中。

    概  述

    脉冲响应法是一种快速的振动分析方法，该方法首先应用在工程学中，在研究机械和结构动态性能等方面已经取得很大发展。由于该方法具有经济、简捷等优点，在骨科研究中也得到越来越多的应用。简单地说，脉冲响应法可分为3个步骤：激振、信号采集和信号处理。通过在待测物体上作用一个激振力（一般此力是用电动激振或力锤锤击方式产生），激起物体的瞬态响应，并通过传感器采集到激励和响应的时域信号，同时也可以利用快速傅立叶变换（FFT），将时域信号变换到频域内，求出相应的固有频率、传递函数等描述物体固有特性的参数，再进行模态识别。通过这种方法不仅可以预测物体在各种载荷下的响应，也可以为检测物体损伤或变化提供依据。

    脉冲响应法的测试方法一般是用带力传感器和加速度传感器的阻抗头单点测试以及用带力传感器的力锤及一个（或多个）加速度传感器的两点或多点测试，只要测出输入力信号和输出加速度信号，就能分析骨的固有频率、传递函数等物理参数和骨力学特性的关系。这种方法设备简单，方法灵活，试验效率较高，而且可以直接现场测试。在工程中，该方法由于激励能量小，对大型结构不能激起所有模态的不足之处在骨生物力学研究中却可以忽略，因为无论人或动物的骨骼都比较小，容易激励，而且研究中感兴趣的是骨的低频特性。

    骨是一种生物材料，同工程材料类似，其强度也取决于其材料特性和结构特性。同时骨又不同于工程材料，最大的区别在于骨是有生命的，在其内部不断地进行着骨重建。在骨重建过程中，骨形态及其结构受到生物学和力学法则的调控，符合Wolff提出的骨的功能适应性原理。成熟后的骨在正常的生理状态下，骨吸收和骨形成之间是一种动态平衡，而雌性激素减少、疾病、废用等因素会引起过度骨重建及骨重建中骨吸收和骨形成之间的失衡，使骨骼出现微损伤,强度降低，最终发生骨折。由于骨骼内部骨重建这一动态活动的存在，对骨骼如果只局限于静止状态和长时限的力学观察，就不能准确地反映骨力学状态的变化。脉冲响应法简单灵活，能够现场测试，适合监测骨力学状态的变化。例如胫骨骨折后，骨重建加快，通过对在体胫骨的脉冲响应分析就可以监测骨刚度和骨折愈合程度［2］。

    研究进展

　　早在1932年，Lipmann［3］就研究用叩诊术（即通过叩击骨，借助听诊器判断声强的变化）来评价骨折愈合程度。目前叩诊术早已广泛应于临床，它算是脉冲响应法最早的简单应用，但它用于采集信号的不是传感器，而是医生的耳朵，所以判断的准确性与医生的经验密切相关。随着振动分析技术的引入，促进人们更客观地研究骨生物力学特性。

    固有频率是描述物体振动特性的重要参数，在对骨折、骨质疏松等的研究中发现它能够反映骨力学特性［45］。骨折骨在愈合过程中，其强度不断增加，但强度测定只能在实验室中对离体骨进行，而刚度是与强度有关的［6］，通过脉冲响应法分析在体骨的固有频率等可以判断刚度变化［7］。Doemland等［8］用小锤叩击，单点测试研究了人体正常胫骨和骨折胫骨的频率响应，发现两者的振动频率存在明显的差异，认为根据其固有频率偏差可估计骨折的愈合程度。Lim等［9］用阻抗头单点测试骨折胫骨，观察到在骨折愈合过程中测得固有频率逐渐增加，12周后由刚骨折时正常肢固有频率的一半增为80%，同时他们还注意到：骨折后软组织红肿使测试结果中出现了一个附加的低频峰。还有学者［1０］将测得的胫骨骨折肢和对照肢的固有频率比值称为胫骨刚度指数TSI(tibial stiffness index)，并根据临床诊断及X检查将骨折愈合程度量化为20分值的胫骨骨折值TFS(tibia fracture score)，回归分析发现TSI和TFS有明显的相关性。为模拟骨折愈合过程，Nakatsuchi等［1１］对离体胫骨进行脉冲响应测试，并通过在实验产生的骨折缝隙中填充黏合剂来模拟骨折愈合，实验发现骨的固有频率和黏合剂的硬度变化有很好的相关性，特别是在黏合剂固化初期，固有频率是稳步增加的，而且在添加各种不同体外固定器后，这种相关性依然存在。

    骨质疏松以骨量减少、骨组织显微结构退化为特征，会直接影响骨的物理性质。Jurist［12］最早对骨质疏松病症进行研究时发现女性在45岁以后尺骨固有频率变化不同于男性。Mallikarjun等［13］用带力传感器小锤敲击，双加速度计拾振对患骨质疏松妇女胫骨进行试验研究，发现胫骨的固有频率与跟骨硬度指标SI、骨密度T值都有很好的正相关，而与年龄也有较明显的负相关。

    近些年来在口腔生物力学研究中发现，牙齿（也包括义牙及种植体）的固有频率与其结构强度、松动度、疲劳寿命都有一定的关系［1415］，而且牙齿作为唯一暴露在软组织外的骨骼，使用脉冲响应法在体分析其振动特性时，软组织的影响较小。国内李明勇等［16］使用微型压电传感器、力锤和动态信号分析仪制成一种牙用振动固有频率测量仪，可以测定天然牙、义齿以及种植体的固有频率,进一步可以分析牙的结构强度、松动度、疲劳寿命等一系列问题。

    除了用脉冲响应法分析固有频率外，许多学者也研究传递函数、互谱主频等振动参数。特别是在评估骨折愈合方面，英国Collier等［17］建立了一套测试胫骨机械传递函数的装置，测量其输入输出阻抗在骨折愈合过程中的变化。国内刘振田等［18］利用振动模态分析中的灵敏度方法，采用两点测试研究断骨生长期的传递特性，发现在骨折最初的6 wk内，传递函数模值增加最为明显，但左右肢对照测试结果存在差异。钱盛友［19］认为单点测试不能准确反映骨的整体特征，而双点测试时，力和加速度信号无法在时域上进行比较，所以采用了双加速度传感器拾振对加速度传递函数进行了研究，结果表明随着骨折的愈合，骨折骨传递函数主频逐步增大并接近正常骨传递函数主频，但测试时要求测试系统保持相同的测试条件。另外也有学者［20］采用双加速度传感器拾振测试分析骨的低频频谱特性，认为互谱能够给出两测点间的能量变换，受测试仪器和待测系统的影响较小。在跟踪测试骨折病人中发现骨折程度愈严重，互谱主频越低，随着骨折的愈合，骨折骨和正常骨的互谱振动的主频偏差逐步减小，并接近正常值。

    激振后应力波在骨中的传播速度也是反映骨特性的有价值的参数。根据波的传播速度与介质的密度有关，陈执平等［21］用安有测力传感器的小锤轻轻敲击人体胫骨内踝,同时安在胫骨内侧髁的检波传感器接收波动信号，通过分析激励信号和响应信号的起始时差△t和波传递的距离(内踝到内侧髁的长度)L,求得波的传播速度V=L/△t，实验认为测试可重复性好,能够利用速度的快慢有效判断早期骨密度的改变。Flynn等［22］研究认为胫骨的应力波速可以反映其硬度，并对比了两种测定波速的方法（一种是在时域内根据波形的峰值，另一种是在频域内根据相位），结果发现峰值测定法比相位测定法可靠性更高。

    建立骨的动力学模型不仅可以预测它在各种载荷下的响应，也可以为检测物体损伤或变化提供依据。国内有学者［23］采用1点测量多点敲击的方法，以带力传感器的力锤激励颅骨，同时测量激励和加速度响应曲线，将信号送入工作站中进行传递函数分析，建立频响函数矩阵并求出系统的模态参数，进而建立颅颌面骨骼系统的动力学模型。研究发现用数学模型计算的理论传递函数曲线和实测传递函数曲线相能够很好地吻合，为研究颅颌面骨骼系统在冲击载荷下的动态响应和损伤机制提供重要信息。

    影响因素

    由于骨的结构复杂，形状不规则及各向异性，以及在体测试时皮肤、肌肉等软组织的存在，会对测试结果产生一定的影响，为了减少、消除影响，许多学者进行了大量的研究。

    Ziegert［24］发现质量较大的加速度传感器置于皮肤上接受到的信号与直接从骨上测得的信号时频差异很大，而质量较小的加速度传感器测得的结果与实际情况比较接近。通过分析在加速度计上施加预应力对测试结果的影响，Nokes［5］认为施加预应力在3.8～5.2 N范围内，测量结果与实际情况接近。Doemland［8］单点测试胫骨频率响应时，发现同一操作者测试时，结果具有较好的重复性，不同人测试时，结果会有差异。Collier等［25］研究了激振位置、皮肤等对测试结果的影响，结果表明：在1 kHz内，大多数情况下皮肤影响可忽略；由于力传输不受皮肤及静压力影响，冲击位置沿长度方向变化结果无差异。丹麦学者Corenlissen等［26］研究了软组织、关节、腓骨对离体胫骨振动的影响，发现因为软组织的存在，测得的固有频率降低了；腓骨去掉后，固有频率测量值下降了5 %～10%。国内钱盛友等［27］也对加速度计的质量、测点及激振点位置进行分析，实验发现：用质量较轻的加速度计拾振能更真实地反映骨的特性；振动在骨中传播时会发生衰减，而且有方向性，因而测点及激振位置对实验测得的互谱主频有影响。

    在使用脉冲响应法分析骨生物力学特性时，为减小各种影响因素，首先拾振的加速度传感器应选质量较轻的；同时测试时频率分析范围必须远小于在软组织上的共振频率而远大于软组织的自振频率；还有测点及激振点位置、加速度传感器上预应力等测试条件应尽量保持一致。

    研究方向

    由于骨的结构复杂以及物理性质的差异，要利用脉冲响应法客观准确地估计骨的力学特性还需要深入的研究，目前该方法除了在估计骨折愈合上有部分临床应用外，在其它方面的研究还处于实验阶段。不断发展的信号处理技术和基础研究为通过脉冲响应法分析骨力学特性提供了更多的思路，今后在临床医学及航天医学研究领域将主要进行两方面的研究。

    骨质疏松无创检测  有关脉冲响应法检测骨质疏松的研究国内还未见报道，国外的相关研究也还在实验阶段。今后进一步分析该方法获得的固有频率、传递函数等振动参数的敏感性和重复性，寻找合理的诊断标准。同时将振动分析与临床成熟的检验技术进行对比，结合血钙含量、骨密度值以及X片观察，找出胫骨振动特性参数与骨密度之间的量化关系。

    航天员失重性骨丢失的监测  以往对失重性骨丢失程度的检测，主要通过飞行前后在地面测量航天员的骨密度变化以及对血、尿等进行骨代谢生化检查，缺少飞行期间航天员骨质的动态信息。我们认为脉冲响应法是值得研究的在轨监测航天员失重性骨丢失的技术。首先，失重性骨丢失是发生在承重骨［28］，胫骨是重要的承重骨，发生骨丢失可以在胫骨中被发现，而且胫骨位置表浅，适合作为脉冲响应检测对象；其次，随着计算机和信号处理技术的发展，可进一步研究优化该方法，使仪器轻巧、便于携带以及在飞行或空间站中操作。脉冲响应法虽然影响测试的因素较多，但就其研究结果来看，还是具有很好的应用前景，随着信号处理技术的不断发展和研究的不断深入，这种测量分析技术将会成为骨生物力学研究的重要手段之一。

【参考文献】
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