骨骼是人体生存和运动的支柱，起到支撑和保护身体的作用。人体骨骼各种形状经长期演化形成，具有复杂的内在和外在结构，使骨骼在减轻重量的同时能够保持坚硬。

    骨骼组织成分之一为矿物质，为各向异性、非均匀材料，其机械性能受多种因素的影响。在研究骨骼材料性能时，需进行应力应变测试，来验证在运动状态下，骨骼各部位的变形、抗冲击能力及最大承受力。

    骨胳材料测量需求

    当外力施加于骨胳时，骨胳结构将产生应力和应变，并有复杂的变化，采用形态近似规则的样本来确定骨组织的材料力学性能，更好地掌握生物材料或非生物材料组成的构件的力学性能。

    某研究机构检测中心，拟通过具代表性的拉伸测试手段，采用新拓三维XTDIC三维光学应变测量系统，测试类似骨头材料—鸡胫骨拉伸过程中结构的变形，获取骨材料的力学性能，用于材料性能的有限元模拟，医用骨科新材料的研发和生产。

    面临的测试难题

    骨是非均匀的、各向异性的复合材料，它的力学性能比如杨氏模量、拉伸性能、粘弹性，特别是在破坏时的极限应力和应变等，不仅与复合材料本身的组分及组分含量有关，也与其构造有关。传统的接触式测量，在应用上存在着不少的局限性：

    1、应变片只能测量单点单向的应变，不能进行全场检测。

    2、应变片只能是凭借仿真和模拟结果，预估应变位置然后进行粘贴，存在较大误差。

    3、无法测试材料特定位置的应变情况，各异向性动态实时变化

    三维光学应变测量方案

    该检测中心采用类似骨头材料—鸡胫骨标本进行拉伸应变测试，通过模拟胫骨负载状态，验证胫骨受拉变形情况及抗拉能力。XTDIC系统可支持各种应变测量，并可进行实时的应力应变计算，适用于各种条件下的采集需求。

    由于鸡胫骨尺寸较小，新拓三维技术工程师采用光学体式显微镜，对鸡胫骨观测区域进行放大，能够观测到更细节的特征。

    通过调整胫骨相对于加载实验机的相对角度，模拟胫骨拉伸运动的情况，使其复现胫骨在正常运动中的受力工况，进而了解其不同部位的应变数据。

    XTDIC应变测量系统，在立体显微镜的辅助下，在加载过程中进行数据采集和后处理，从而得到所需的数据。此种方法测得的数据能够反映骨骼应力分布的真实客观情况，并自动记录和分析处理数据。

    XTDIC系统软件可输出三维色谱云图，清晰地观测到位移、应变场的变化趋势。

    胫骨拉伸位移场

    胫骨加载应变场

    从以上测量结果可以看出，利用XTDIC三维光学应变测量系统，在拉伸加载过程中，可测量骨胳组织的性能（如杨氏模量、强度）和几何参数，计算出鸡胫骨的轴向拉伸强度和刚度，以便于更好地掌握复杂骨胳材料的力学性能。

    基于测量数据，可用于在生物力学的研究中验证有限元分析，实现在宏观和微观层次研究骨的力学性能，这种有限元分析与验证方法正在逐渐地被骨胳材料研究、临床应用研究领域接受并应用。