对椭圆球体壳力学性质的非破坏性测量方法
【专利摘要】本公开提供了便于测定椭圆球体壳的力学性质的系统和方法。压头装置接触椭圆球体壳。压头装置对椭圆球体壳压凹痕并在椭圆球体壳上的压痕区域中形成压痕。记录压痕区域处的压痕数据。基于压痕数据可以测定椭圆球体壳的力学性质。
【专利说明】对椭圆球体壳力学性质的非破坏性测量方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2011年6月3日提交的临时申请号为61/457784、题为“NON-1NVASIVE METHODOLOGY TO MEASURE THE MECHANICAL PROPERTIES OF HOLLOWELLIPSOIDS AND APPLICATIONS IN CORNEA” 的申请的优先权。
【技术领域】
[0003]本公开主要涉及以非破坏性方式对椭圆球体壳的力学性质进行测量。
【背景技术】
[0004]结构中的材料的力学性质包括刚度和模量。在非生物应用中，结构中的材料的力学性质在用于该结构的材料的设计和选择方面、该结构的操作方面和该结构的故障分析方面都是重要的因素。在生物应用中，生物组织的力学性质用于疾病诊断和治疗监测。
[0005]当结构扁平时，其力学性质可以利用压痕方法或超声波方法进行非破坏性测量，或者利用条带拉伸试验进行破坏性测量。当结构不平坦时，其力学性质可以使用破坏性方法来测定。膨胀试验是破坏性的方法的一个例子。在膨胀试验中，将一根针插入到该结构中以控制内压，并对作为膨胀压力的函数的膨胀进行测量。膨胀试验是侵入性的，会在结构上留下了一个洞。
[0006]上述背景只是为了提供围绕对材料力学性质测量的上下文信息的概述，而不是意在穷举。通过查阅以下详细描述的各种非限制性实施例中的一个或多个实施例，附加文可能会变得明显。
【发明内容】
[0007]以下介绍本说明书的简化概要，以提供对本说明书的一些方面的基本了解。该总结不是本说明书的详尽概述。它的目的既不是识别本说明书的关键或重要元素，也不是描绘本说明书的特定实施例中任何范围或任何权利要求的范围。其唯一的目的是以简单的形式介绍本说明书的一些构思，作为以后提出的更详细的描述的前奏。
[0008]根据一个或多个实施例和相应的公开，描述了关于以非破坏性方式测量不平坦结构的材料的力学性质的各种非限制性方面。换句话说，可以在不破坏或以其他方式损坏材料或结构的情况下，测量诸如刚度和模量之类的力学性质。
[0009]一个不平坦结构的例子是椭圆球体壳。根据一个非限制性的实施例，椭圆球体壳的刚度和模量可以以非破坏性的方式来测定。椭圆球体壳接触压头装置。压头装置对椭圆球体壳压凹痕并形成压痕区域。在压痕区域处的压痕数据会被记录。基于压痕数据，椭圆球体壳的力学性质被测定。
[0010]在一个非限制性实施例中描述了一种方法,用于测定椭圆球体壳的力学性质。椭圆球体壳与压头装置接触，压头装置在压痕区域处对椭圆球体壳压凹痕。从压痕区域获取压痕数据。基于压痕数据，椭圆球体壳的力学性质被测定。[0011]在另一种非限制性实施例中描述了一种装置，有助于测定椭圆球体壳的力学性质。该装置包括压头和计算器。压头至少部分地接触椭圆球体壳，并在椭圆球体壳中响应于所受到的负载而形成压痕区域。计算器接收有关压痕区域的负载数据和相关位移数据，以测定出负载数据与位移数据的斜率，并基于该斜率测定出椭圆球体壳的力学性质。
[0012]在进一步的非限制性实施例中描述了一种测定椭圆球体壳的力学性质的系统。该系统包括与眼组织相接触的压头，其施加负载于眼组织并导致在眼组织中形成压痕区域。该系统还包括计算器，其接收有关压痕区域的负载数据和相关位移数据，测定出负载数据与位移数据的斜率，并基于该斜率测定出椭圆球体壳的力学性质。
[0013]在另一种非限制性实施例中描述了一种便于测定椭圆球体壳的力学性质的系统。该系统包括接触椭圆球体壳并对椭圆球体壳压凹痕以产生压痕区域的装置。该系统还包括基于从压痕区域测得的压痕数据来测定椭圆球体壳的力学性质的装置。
[0014]下面的描述和附图中阐述了本说明书的某些说明性的方面。然而，这些方面只是表示本说明书的各个实施例可以采用的各种方式中的一小部分。根据以下结合附图的说明书的详细描述，本说明书的其它方面将变得清晰明了。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]许多方面和实施例列于下面结合附图的详细描述，其中相同的附图标记表示相同的部件，并在其中:
[0016]图1示出了根据本公开的一个实施例的非限制性的系统，该系统以非破坏性方式压痕于椭圆球体壳；
[0017]图2示出了根据本公开的一个实施例的非限制性的系统，该系统便于以非破坏性方式量度椭圆球体壳的力学性质；
[0018]图3示出了根据本公开的一个实施例的非限制性的系统，该系统便于基于力学性质诊断椭圆球体壳的疾病状态；
[0019]图4示出了根据本公开的一个实施例的非限制性的实验装置，其用于测量椭圆球体壳的力学性质；
[0020]图5示出了根据本公开的一个实施例的针对(A)猪角膜以及(B)人造硅橡胶椭圆球体的负载-位移关系曲线图；
[0021]图6示出了根据本公开的一个实施例的负载-位移关系曲线图的斜率提取位置的示意图；
[0022]图7示出了根据本公开的一个实施例在针对(A)猪角膜和(B)人造硅橡胶椭圆球体的不同压痕速度时的负载-位移关系曲线图；
[0023]图8示出了根据本公开的一个实施例的猪角膜弹性模量与压痕速度之间的典型关系;
[0024]图9示出了根据本公开的一个实施例的非限制性的方法，该方法以非破坏性方式量度椭圆球体壳的力学性质；
[0025]图10示出了根据本公开的一个实施例的非限制性的方法，该方法测定椭圆球体壳的刚度和模量；
[0026]图11示出可以实现本文所描述的各种实施例的示例性的计算环境；和[0027]图12示出可以实现本文所描述的各种实施例的一个计算器网络的例子。
【具体实施方式】
[0028]参照附图描述本公开的各个方面或特征，其中相同的附图标记被用来指代相似的元件。在本说明书中，为了提供本公开的透彻理解，阐述了许多具体的细节。然而，应该理解没有这些具体细节也可以实施本公开的某些方面，或者可以利用其他方法、组件、材料等来实施本公开的某些方面。在其他情况下，公知的结构和设备以框图的形式显示，以方便创新的描述和说明。
[0029]可以理解，在根据本公开中描述的一个或多个实施例中，不平坦结构的材料的力学性质可以以非破坏性的方式进行测量。
[0030]如本文所用，术语“力学性质”通常是指材料的任何定量性质。材料的力学性质的例子包括:强度、密度、延展性、疲劳极限、模量、韧性、硬度、柔软性、可塑性、泊松比等。本文中描述了刚度、模量和泊松比，但要理解的是，本文所描述的系统和方法可以适用于任何力学性质。
[0031]短语“不平坦结构”一般是指不具有大致线形的结构。“平坦”结构的一个例子是片材。“不平坦结构”的一个例子是椭球体结构，如椭圆球体壳。具有椭圆球体壳的结构可以包括任何椭球体结构，如眼组织(包括巩膜，角膜等的眼睛组织)。此处描述了椭圆球体壳，但要理解的是，本文所描述的系统和方法可以适用于任何不平坦结构。
[0032]现在参照附图，首先参照图1来阐述根据本公开的一个实施例的系统100，其以非破坏性方式压痕于椭圆球体壳。系统100包括压头104。压头104是可以至少部分地与椭圆球体壳102接触并在椭圆球体壳102受到负载时在椭圆球体壳102中形成压痕区域106的任何装置。压头104可以是便于在椭圆球体壳102中形成压痕区域106的任何形状。在一个实施例中，压头104是轴向对称的形状，并形成轴向对称的压痕区域106。压头104既可以在部分的椭圆球体壳102中也可以在完整椭圆球体壳102中形成压痕区域106。
[0033]根据一个实施例，椭圆球体壳102是非生物结构。当椭圆球体壳102是非生物材料的情况下，压头可以与椭圆球体壳102接触。
[0034]在另一个实施例中，椭圆球体壳102是生物结构，如眼组织。眼组织的例子包括巩膜组织或角膜组织。在椭圆球体壳102是生物组织的情况下，压头可以与活体内或活体外的椭圆球体壳102接触。
[0035]压头104可以由在形成压痕区域106时其强度足以承受负载的任何材料制成。在一个实施例中，压头104至少部分地由被美国食品和药物管理局批准为生物兼容性的材料构成。根据进一步的实施例，压头104中至少有一个材料是透氧的。在另一个实施例中，压头104可以启动基于力学性质的对生物组织的生物反馈治疗。
[0036]系统100还可以包括计算器108，该计算器108耦接至存储器110和处理器112。在一个实施例中，存储器110、处理器112和计算器108是计算装置的一部分。
[0037]根据一个实施例，计算器108接收关于压痕区域106的数据，并基于有关压痕区域106的数据来测定椭圆球体壳102的力学性质。有关压痕区域106的数据可以包括压痕区域106的负载数据和相关位移数据。基于负载数据和相关位移数据，计算器108可测定出负载数据与位移数据的斜率，并基于该斜率测定椭圆球体壳102的力学性质。[0038]根据一个实施方式，刚度是计算器108测定的力学性质。刚度正比于负载数据与位移数据的斜率。
[0039]根据另一实施例，模量是计算器108测定的力学性质。模量可以是弹性模量或切线模量。计算器108可以基于负载数据与位移数据的斜率和几何函数来测定模量。在一个椭圆球体壳内的压力是恒定的实施例中，可根据以下方程测定出模量:
【权利要求】
1.一种方法，包括: 由压头装置接触椭圆球体壳； 由压头装置对椭圆球体壳压凹痕，包括形成压痕区域； 获取压痕区域处的压痕数据； 基于压痕数据来测定椭圆球体壳的力学性质。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测定步骤还包括:基于压痕数据来测定椭圆球体壳的刚度或椭圆球体壳的模量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取步骤还包括获取压痕区域的压痕负载数据和相关位移数据。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述测定步骤还包括:基于负载数据与位移数据的斜率来测定椭圆球体壳的刚度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述测定步骤还包括当椭圆球体壳内的压力恒定时，根据以下等式来测定椭圆球体壳的模量:
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测定模量的步骤还包括:测定椭圆球体壳的弹性模量或椭圆球体壳的切线模量。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接触步骤还包括:由压头装置接触完整的椭圆球体壳。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接触步骤还包括:由压头装置接触部分的椭圆球体壳。
9.一种装置，包括: 压头，其被配置为至少部分地与椭圆球体壳接触，并且在椭圆球体壳中响应于所受到的负载而形成压痕区域； 计算器，其被配置为接收有关压痕区域的负载数据和相关位移数据，以测定负载数据与位移数据的斜率，并基于所述斜率来测定椭圆球体壳的力学性质。
10.根据权利要求9 所述的装置，其特征在于，所述计算器基于所述斜率来测定椭圆球体壳的刚度，并且基于所述刚度和以下参数的函数来测定椭圆球体壳的模量，所述参数为:压头的形状、泊松比、椭圆球体壳的曲率半径和椭圆球体壳在压痕区域处的厚度。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述椭圆球体壳是非生物组织。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述压头被配置为接触活体外的非生物组织。
13.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述椭圆球体壳是生物组织。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述生物组织是眼组织。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述眼组织是角膜组织或巩膜组织。
16.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述压头被配置为接触活体内的生物组织。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，还包括便于根据生物组织的模量来进行医疗诊断的诊断器。
18.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述压头至少部分地由透氧性材料构造。
19.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述压头是轴向对称的。
20.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述压头便于进行生物反馈治疗。
21.—种系统,包括:· 压头，其被配置为接触眼组织并施加负载于眼组织，并导致在眼组织中形成压痕区域； 计算器，其被配置为接收有关压痕区域的负载数据和相关位移数据，测定负载数据与位移数据的斜率,并且基于所述斜率来测定眼组织的力学性质。
22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述压头被配置成接触眼组织，并与眼组织形成轴向对称的接触表面。
23.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述力学性质是刚度。
24.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述力学性质是模量。
25.根据权利要求24所述的系统，其特征在于，还包括根据模量来确定医疗诊断的诊断器。
26.—种系统,包括: 用于接触椭圆球体壳并对椭圆球体壳压凹痕以形成压痕区域的装置；以及 基于从压痕区域量度出来的压痕数据来测定椭圆球体壳的力学性质的装置。
27.根据权利要求26所述的系统，还包括: 用于接收压痕数据的装置。
【文档编号】G01N3/42GK103857996SQ201280026139
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年5月15日 优先权日:2011年6月3日
【发明者】林铨振, 高伟伦, 梁家杰 申请人:香港科技大学