[發(fā)明專利]人體臉部皮膚力學(xué)性能測試裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810141836.1
• 申請日: 2018-02-11
• 公開（公告）號: CN108261182B
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王世斌;戴安娜;李林安;王志勇;李傳崴
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: A61B5/00
• 分類號: A61B5/00
• 代理公司: 北京合智同創(chuàng)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11545
• 代理人: 李杰

一種人體臉部皮膚力學(xué)性能測試裝置包括三維移動臺、探針、力傳感器、第一圖像傳感器、第二圖像傳感器、第三圖像傳感器、控制器、外殼、發(fā)光板、以及用于測量所述三維移動臺位移的位移傳感器，所述三維移動臺驅(qū)動所述探針以對臉部皮膚加載，所述力傳感器設(shè)置于所述探針與所述三維移動臺的連接處以測量加載力，所述三個圖像傳感器用于觀測所述探針是否與人體臉部皮膚垂直，并且，第二和第三圖像傳感器還用于獲取受加載臉部皮膚及其周圍皮膚圖像以計算臉部皮膚受到加載后的形貌變化，所述發(fā)光板用于為臉部皮膚補(bǔ)光以使所述圖像傳感器可以清楚地獲取圖像。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，特別涉及臉部皮膚力學(xué)性能測試的裝置。

背景技術(shù)

人臉皮膚的力學(xué)性能研究以及在此基礎(chǔ)上的臉部表情研究在力學(xué)、醫(yī)療健康、動畫、心理學(xué)、刑偵等諸多領(lǐng)域具有重要學(xué)術(shù)價值。從上世紀(jì)六十年代至今，關(guān)于皮膚的相關(guān)研究越來越得到重視。在這項(xiàng)多學(xué)科交叉的研究中，人臉皮膚的力學(xué)性能研究無疑具有基礎(chǔ)和關(guān)鍵地位。高水平的人臉皮膚的力學(xué)性能研究能促進(jìn)和推動典型表情(驚訝、厭惡、憤怒、恐懼、悲傷、愉悅等)肌肉運(yùn)動和變形傳遞研究。此外，臉部皮膚的力學(xué)性能研究對臉部手術(shù)、傷口恢復(fù)、整容等工作具有重要指導(dǎo)意義。

早在1980年前后,人們就開始對皮膚的各項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。研究表明：在低應(yīng)變狀態(tài)時，真皮層對整體皮膚的力學(xué)性能有顯著影響。下皮層的作用通常認(rèn)為是隔熱、儲能和減震。微尺度皮膚研究表明：皮膚的J形應(yīng)力-應(yīng)變曲線與顯微組織的分布、取向等因數(shù)相關(guān)。因強(qiáng)非線性、各向異性和粘彈性響應(yīng)等，而且因人體部位、年齡、性別、紫外線照射等條件不同，人體皮膚呈現(xiàn)不同的力學(xué)性能。

皮膚力學(xué)性能的研究從實(shí)驗(yàn)方法上可分為離體測量實(shí)驗(yàn)與活體測量實(shí)驗(yàn)兩種實(shí)驗(yàn)方式。離體實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是可以將離體皮膚制作成任意所需形狀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還能夠?qū)⑵つw分層處理，分別研究皮膚各層的力學(xué)性質(zhì)，此外離體皮膚還能研究極限載荷、皮膚的損傷機(jī)理等。但是皮膚組織結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，除膠原纖維、皮下脂肪、毛孔等結(jié)構(gòu)以外還具有大量的神經(jīng)組織，當(dāng)有外界刺激出現(xiàn)時，神經(jīng)組織會對刺激做出反應(yīng)，進(jìn)而影響到皮膚的力學(xué)性能，而離體實(shí)驗(yàn)并不能表征神經(jīng)組織對力學(xué)性能的影響。

針對活體皮膚組織的應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)驗(yàn)，測試手段依變形模式，可以分為：扭轉(zhuǎn)(torsion)式、抽吸(suction)式、壓痕(indentation)式、軸向拉壓(extension and/orcompression along one axis)式、剪切波傳播(shear wave propagation)式、高應(yīng)變率式等。

扭轉(zhuǎn)式試驗(yàn)方法是早期學(xué)者使用較多的研究手段，其基本原理是用電動馬達(dá)帶動貼在皮膚上的圓盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，最終得到轉(zhuǎn)角與扭矩之間的關(guān)系曲線。此方法可對皮膚剛度與彈性模量進(jìn)行評價，但對于其他性質(zhì)的描述存在欠缺。抽吸式實(shí)驗(yàn)方法是研究人員采用較多的方法之一，利用一定手段對皮膚形成負(fù)壓，導(dǎo)致皮膚被吸起，通過某些測量手段對被吸起的皮膚高度及形貌進(jìn)行測量。軸向拉壓實(shí)驗(yàn)一般是用于離體實(shí)驗(yàn)，該方法試件形狀為標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件形狀，并且可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求對皮膚各層進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性高、可靠性好，但是由于人類皮膚組織內(nèi)存在大量神經(jīng)系統(tǒng)，離體實(shí)驗(yàn)不能很好地反應(yīng)活體狀態(tài)下人類皮膚的各種性能。剪切波實(shí)驗(yàn)是目前較為先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段，在皮膚某一位置產(chǎn)生一定幅度及頻率的剪切波，在特定距離以外測量剪切波到達(dá)所用時間及幅值衰減程度，進(jìn)而得出剪切波在皮膚組織中的傳播速度和阻尼效應(yīng)，并通過所得結(jié)果對皮膚的彈性模量、粘彈性以及各向異性進(jìn)行評價。壓痕式實(shí)驗(yàn)是近些年來常被采用的實(shí)驗(yàn)形式，一般用在活體實(shí)驗(yàn)，通過一定形狀的探針對皮膚進(jìn)行加載，結(jié)合接觸力學(xué)理論或是數(shù)值模擬技術(shù)求得皮膚的各種力學(xué)參數(shù)。