CN101105435B - 纺织型人造血管疲劳性能仿生测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纺织型人造血管疲劳性能仿生测试装置及其测试方法，包括电子蠕动泵，限流器，装有处理和转换信号软件的计算机和数据输出设备，其特点是：该装置还包括温控加热装置，试样安装架，压力测试装置；测试步骤是：1.预热测试机；2.测试系统；3.选择纺织型人造血管试样；4.调整压力测试装置；5.控制水温；6.起动电子蠕动泵；7.测试和记录；8.评价纺织型人造血管的耐疲劳性能。利用该装置和本发明公开的测试方法能对纺织型人造血管的疲劳耐久性能进行较科学的测试和评价，并能解决现有纺织基人造血管的疲劳性能仿生测试装置及其测试方法缺乏完全仿真的技术问题。

Description

纺织型人造血管疲劳性能仿生测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种纺织上的仿生测试装置，尤其是一种用于纺织型人造血管疲劳性能的仿生测试装置和测试方法。

背景技术

日内瓦的国际标准化组织(ISO)在1964年发表的报告“金属疲劳试验的一般原理”中给疲劳下了一个描述性的定义，即“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化，一般特指那些导致开裂或破坏的性能变化”。这一描述也普遍适用于非金属材料。而后，疲劳的定义更加广泛化，纺织材料的疲劳定义也在一些书籍中有所描述，即“纤维制品在实际使用中很少是被一次拉断，而往往是在长时期的静载荷或动载荷作用下产生破坏的。尽管静载荷或动载荷小于材料一次拉伸的断裂强度，但材料最终将被破坏或力学性质改变，这种现象称为材料的疲劳”。疲劳破坏过程也可以看作是一个塑性变形逐步积累，最后达到材料断裂伸长使其最终破坏的过程。

根据以上材料疲劳的定义，结合人造血管所处环境，我们将人造血管的疲劳定义如下：人造血管植入生物体内后，承受着血液的周期性脉动作用，人造血管长期处在这种条件当中，会发生由于周期性脉动应力而导致的纤维、纱线、织物结构的变化或破坏，进而发生人造血管轴向或径向的形变，缝合线的松弛、破坏，以及织物表面的孔洞、稀密不匀等，使人造血管不能进一步使用，这种现象就称为人造血管的疲劳。人造血管的疲劳性能反映了人造血管在周期性脉动应力环境下的力学性能，我们用人造血管经过疲劳试验前后的密度变化来表征疲劳性能，其数值大小决定了人造血管长期植入体内的耐久性能，数值越大，其疲劳耐久性能越差。

现有的测试织物疲劳的仪器并不能表达人造血管的疲劳性能。经国外专利文献查阅，检索到少量有关人造血管疲劳性能的测试仪器，如美国Dynatek实验室具备的人造血管耐久性测试仪，其具体试验方法是利用隔膜泵将一定量的液体以脉动的形式为人造血管试样施加脉动压力，而提供脉动压的定量液体是通过注射器注入与试样相连的刚性管中的，并不是循环流动的。美国EnduraTEC公司生产的ELF9100系列支架/移植物测试系统，可以通过模拟血管在体内的脉动压力来确定血管内修补物如内支架、人造血管等的疲劳寿命。以上提到的仪器只能对试样产生脉动压力，而不能提供模拟体内血液循环流动的液体所产生的脉动压力，对人体血液循环系统并非完全仿真。综上所述，迄今为止国内外相关的纺织基人造血管的疲劳性能研究并不完善。

发明内容

本发明是要提供一种纺织型人造血管疲劳性能仿生测试装置及其测试方法，用于解决现有纺织基人造血管的疲劳性能仿生测试装置及其测试方法缺乏完全仿真的技术问题，该装置满足了在仿生模拟人造血管承受脉动流的基础上科学地测试纺织型人造血管的疲劳性能。

本发明解决技术问题的技术方案如下：

一种纺织型人造血管疲劳性能仿生测试装置，包括电子蠕动泵，限流器，装有处理和转换信号软件的计算机和数据输出设备，其特点是：该装置还包括温控加热装置，试样安装架，压力测试装置；

温控加热装置由盛有水的储液箱、置于储液箱内部的温控加热棒、温度计组成，并与电子蠕动泵相连；

试样安装架由基础板，至少二个试样安装板，导轨，T型带孔铜棒组成，其中，带孔试样安装板垂直放置于基础板上面，导轨串接在带孔试样安装板中，T型带孔铜棒安装在带孔试样安装板中，二个T型带孔铜棒之间连接有弹性橡胶管，且弹性橡胶管输入端通过T型带孔铜棒和导流硅胶管与电子蠕动泵输出口相连；弹性橡胶管输出端通过限流器和导流硅胶管与温控加热装置相连；

压力测试装置由压力传感器，夹持装置，底座，导棒，直流稳压电源组成，其中，夹持装置通过导棒连接在底座上，底座置于试样安装架的基础板上，压力传感器固定在夹持装置上面，其电源输入端与直流稳压电源相连，压力传感器信号输出端接计算机。

压力传感器由电阻应变片，弹簧片，压力感应探头构成，弹簧片前端下面设置压力感应探头，电阻应变片置于弹簧片上面；数据输出设备为显示器、打印机，其信号输入端与计算机数据输出端相连；基础板下面设有六个且呈均匀分布的橡皮脚；带孔试样安装板设置有二至八块；储液箱、基础板、带孔试样安装板、夹持装置、底座的材料选用有机玻璃；导轨及导棒的材料为不锈钢；所述T型带孔铜棒及弹簧片的材料为铜；所述压力感应探头的材料为塑料。

纺织型人造血管疲劳性能仿生的测试方法，具体步骤如下：

1.预热测试机

接通电源，预热计算机以及直流稳压电源半小时；

2.测试系统

在储液箱中加其体积三分之二的水，而后检查整个测试系统，保证该系统可循环流动；

3.选择纺织型人造血管试样

选择纺织型人造血管试样A，其直径范围为2-40mm，长度范围为3-20cm，数量为1-7个，采用密度镜测定纺织型人造血管试样A的经、纬密度值并记录下来，然后将其套在弹性橡胶管上，而后将套有纺织型人造血管试样A的弹性橡胶管的左端紧套在T型带孔铜棒的右端，接着将套有纺织型人造血管试样A的弹性橡胶管的右端紧套在相邻的另一个T型带孔铜棒的左端；

4.调整压力测试装置

调整压力测试装置的夹持装置的高度，使压力感应探头与所测的纺织型人造血管试样A接触；

5.控制水温

将温控加热棒的控制温度调整到37℃并将温控加热棒通过导线和插头与电源相连使其开始加热，利用温度计始终保证水的温度是37℃；

6.起动电子蠕动泵

打开电子蠕动泵，调整好其脉动频率，频率可调节范围为1-10Hz，待电子蠕动泵运作起来使水转变为脉动流后，调整限流器，改变纺织型人造血管试样A所承受的最大压力，压力可调节的范围为120mmHg-4000mmHg；

7.测试和记录

待水流动连续、稳定后开始计时，待疲劳性能仿生测试装置运转72小时-2610小时后关闭电子蠕动泵，同时用记录和存储压力测试装置测试到的纺织型人造血管试样A每小时所承受压力的计算机将数据和趋势图通过打印机打印出来；

8.评价纺织型人造血管的耐疲劳性能

用密度镜测定纺织型人造血管试样A经、纬密度并将该密度数值记录下来，将此时得到的试样A的经、纬密度值与步骤3.所得到的纺织型人造血管试样A的原经、纬密度值进行比较，若其差值与步骤3.得到的纺织型人造血管试样A的原密度值之比大于等于纺织型人造血管A耐疲劳性能评定标准3％，则该纺织型人造血管试样A已经疲劳，不能再投入使用，以此评价纺织型人造血管的耐疲劳性能。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：

本发明的装置和测试方法在测试过程中可始终为纺织型人造血管试样提供脉动流动的液体，并可按照试验方案改变纺织型人造血管试样A承受的压力，在线观测压力变化情况。同时可实现加速测试功能，对于直径范围为2-40mm、长度范围为3-20cm的纺织型人造血管的疲劳耐久性进行较科学的测试和评价。并能解决现有纺织基人造血管的疲劳性能仿生测试装置及其测试方法缺乏完全仿真的技术问题。

附图说明

图1是本发明的纺织型人造血管疲劳性能仿生测试装置连接框图；

图2是温控加热装置示意图；

图3是试样安装架示意图；

图4是压力测试装置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本发明的纺织型人造血管疲劳性能仿生测试装置由温控加热装置1、电子蠕动泵2、试样安装架3、导流硅胶管4、限流器5、压力测试装置6、导线7、装有处理和转换信号的软件的计算机8、显示器9以及打印机10组成。

如图2所示，温控加热装置1由储液箱11、温控加热棒12、温度计13以及水14组成，它通过导流硅胶管4既与电子蠕动泵2相连又与限流器5相连，其储液箱11用来盛放水14，用水来代替血液的原因是水不会影响人造血管的表面性能，且水的相对密度与血液的相对密度非常接近(在37℃时，水的密度为1000Kg/m³，而血液的密度为1040Kg/m³)，利用置于储液箱11中的温度计13检查水14的温度是否为37℃，若不是则可通过置于储液箱11中的通过导线与插头与电源相连的温控加热棒12调节水温使水14的温度保持在37℃。

电子蠕动泵2通过导流硅胶管4既与温控加热装置1相连又与试样安装架3相连，电子蠕动泵2是一种凸轮装置，可模拟心脏的功能，始终通过导流硅胶管4把储液箱11中的水14转变成脉动流，此脉动流再通过导流硅胶管4流过纺织型人造血管试样A。纺织型人造血管试样A设置在试样安装架3的弹性橡胶管36上(图3所示)，试样安装架3包括放置在工作台上的基础板31、安装在基础板31底面呈均匀分布的6个橡皮脚32、垂直放置于基础板31上面的二至八块带孔试样安装板33、将二至八块带孔试样安装板33串联起来的导轨34、设置在带孔试样安装板33中心部位的左端与导流硅胶管4套连右端与弹性橡胶管36套连的T型带孔铜棒35、既与T型带孔铜棒35右端套连又与设置在右侧相邻的带孔试样安装板33中心部位的另一个T型带孔铜棒35的的左端套连的弹性橡胶管36，纺织型人造血管试样A就套装在弹性橡胶管36的外部，该装置根据测试需要可套装一至七个纺织型人造血管试样A进行测试，该测试数量也是由带孔试样安装板33的数量决定的，带孔试样安装板33中心部位的孔径决定纺织型人造血管试样的直径测试范围为2-40mm，将二至八个带孔试样安装板33串联起来的导轨34可以在人造血管试样高度、相对位置不变的情况下自由移动带孔试样安装板33，从而改变纺织型人造血管试样A的测试长度，其长度可调节范围为3-20cm，试样安装架3通过导流硅胶管4既与电子蠕动泵2相连又与限流器5相连。电子蠕动泵2使水14以脉动的形式通过导流硅胶管4经纺织型人造血管试样A导出试样安装架3，再通过导流硅胶管4经限流器5，重新回到温控加热装置1的储液箱11中，构成一个循环。压力测试装置6通过导线7与装有处理和转换信号软件的计算机8相连，它置于试样安装架基础板31上，可自由移动并分别测试不同位置的纺织型人造血管试样A所承受的脉动压力。

如图4所示，压力测试装置6的压力传感器61由粘贴在弹簧片612上的电阻应变片611以及固定在弹簧片612上的压力感应探头613共同组成，置于工作台上的直流稳压电源65通过导线7与压力传感器61相连，固定压力传感器61的夹持装置62设置在固定于底座63上的导棒64上，且可上下自由移动，进而调整压力传感器61的位置，使得压力感应探头613与纺织型人造血管试样A接触，进而将纺织型人造血管试样A所承受的压力信号通过弹簧片612、电阻应变片611经导线7传输到计算机8及显示器9上，压力数据和趋势图可通过打印机10打印出来。

上述储液箱11、基础板31、带孔试样安装板33、夹持装置62、底座63的材料选用有机玻璃；导轨34及导棒64的材料选用不锈钢；T型带孔铜棒35及弹簧片612的材料选用铜；压力感应探头613的材料选用塑料。

本发明的纺织型人造血管疲劳性能仿生测试装置的测试方法，该测试方法是通过如下步骤实现的：

[1]接通电源，打开装有处理和转换信号软件的计算机8以及直流稳压电源65，预热半小时；

[2]给储液箱11中加其体积三分之二的水14，而后检查整个测试系统，保证该系统可循环流动，且不发生漏水现象，若有任何不妥当，应及时调整，以免测试中途调整时增加测试误差；

[3]选择纺织型人造血管试样A，其直径范围为2-40mm，长度范围为3-20cm，数量为一至七个，采用密度镜测定纺织型人造血管试样A的经、纬密度值并记录下来，然后将其套在弹性橡胶管36上，而后将套有纺织型人造血管试样A的弹性橡胶管36的左端紧套在T型带孔铜棒35的右端，接着将套有纺织型人造血管试样A的弹性橡胶管36的右端紧套在相邻的另一个T型带孔铜棒35的左端；

[4]调整压力测试装置6的夹持装置62的高度，使压力感应探头613与所测的纺织型人造血管试样A接触；

[5]将温控加热棒12的控制温度调整到37℃并将温控加热棒12通过导线和插头与电源相连使其开始加热，利用温度计13始终保证水14的温度是37℃；

[6]打开电子蠕动泵2，调整好其脉动频率，频率可调节范围为1-10Hz，待电子蠕动泵2运作起来使水14转变为脉动流后，调整限流器5，改变纺织型人造血管试样A所承受的最大压力，压力可调节的范围为120mmHg-4000mmHg；

[7]待水14流动连续、稳定后开始计时，待疲劳性能仿生测试装置运转72小时-2610小时(3个月)后关闭电子蠕动泵2，同时用记录和存储压力测试装置6测试到的纺织型人造血管试样A每小时所承受压力的计算机8将数据和趋势图通过打印机10打印出来，此处所记录的压力数据和压力趋势图反映了试验时施加在纺织型人造血管试样A上的压力变化情况，是试验的一个条件；

[8]用密度镜测定纺织型人造血管试样A经、纬密度并将该密度数值记录下来，将此时得到的试样A的经、纬密度值与步骤[3]所得到的纺织型人造血管试样A的原经、纬密度值进行比较，若其差值与步骤[3]得到的纺织型人造血管试样A的原密度值之比大于等于纺织型人造血管A耐疲劳性能评定标准3％，则认为该纺织型人造血管试样A已经疲劳，不能再投入使用，以此评价纺织型人造血管的耐疲劳性能。

实施例1：

对斜纹管状涤纶织物纺织型人造血管进行疲劳性能仿生测试的具体操作步骤如下：

[1]接通电源，打开装有处理和转换信号软件的计算机8以及直流稳压电源65，预热半小时；

[2]给储液箱11中加其体积三分之二的水14，而后检查整个测试系统，保证该系统可循环流动，且不发生漏水现象，若有任何不妥当，应及时调整，以免测试中途调整时增加测试误差；

[3]选择直径为4mm、长度为3cm、经、纬密均为1300根/10cm的3上1下斜纹管状涤纶织物作为纺织型人造血管试样A，将其套在弹性橡胶管36上，而后将套有纺织型人造血管试样A的弹性橡胶管36的左端紧套在T型带孔铜棒35的右端，接着将套有纺织型人造血管试样A的弹性橡胶管36的右端紧套在相邻的另外一个T型带孔铜棒35的左端；

[4]调整压力测试装置6的夹持装置62的高度为距离试样安装架基础板31上表面55mm，使压力感应探头613与所测的纺织型人造血管试样A接触；

[5]将温控加热棒12的控制温度调整到37℃并打开温控加热棒1通过导线和插头与电源相连使其开始加热，利用温度计13始终保证水14的温度是37℃；

[6]打开电子蠕动泵2，调整好其脉动频率，使脉动频率采用1Hz，待电子蠕动泵2运作起来使水14转变为脉动流后，调整限流器5，将纺织型人造血管试样A所承受的最大压力调节为4000mmHg。

[7]待水14流动连续、稳定后开始计时，待疲劳性能仿生测试装置运转72小时后关闭电子蠕动泵2，同时观察到显示器9所显示的纺织型人造血管试样A所承受的最大压力数据为4000mmHg，其趋势图为正弦波形，用打印机10将压力数据和趋势图打印出来；

[8]用密度镜观察纺织型人造血管试样A经、纬密度分别为1280×1299，因为纬密无太大变化，因此不考虑纺织型人造血管试样A纬密的影响，而经密的差值与原经密之比值为： $\frac{1300-1280}{1300}\×100\%=1.5\%$ ＜纺织型人造血管耐疲劳性能标准3％，因此认为该纺织型人造血管试样A可以应用于临床。

实施例2：

其进行疲劳性能仿生测试的测试步骤与实施例1相同，不同之处在于(1)将直径为16mm、长度为10cm、经、纬密分别是1200根/10cm的2上2下加强斜纹管状织物作为纺织型人造血管试样A，(2)电子蠕动泵2的脉动频率选择为6Hz，(3)纺织型人造血管试样A所承受的最大压力调整为2000mmHg，(4)测试时间为720小时(1个月)；最后得出的纺织型人造血管试样A的经、纬密度为1100×1190根/10cm，经、纬密的变化分别为 $\frac{1200-1100}{1200}\×100\%=8.3\%$ ＞纺织型人造血管耐疲劳性能标准3％， $\frac{1200-1190}{1200}\×100\%=0.83\%$ ＜纺织型人造血管耐疲劳性能标准3％，综合以上结果，认为该纺织型人造血管试样A不可应用于临床。

实施例3：

其进行疲劳性能仿生测试的测试步骤与实施例1相同，不同之处在于(1)将直径为36mm、长度为18cm、经、纬密均为1300根/10cm的3上1下斜纹管状织物作为纺织型人造血管试样A，(2)电子蠕动泵2的脉动频率选择为10Hz，(3)纺织型人造血管试样A所承受的最大压力调整为120mmHg，(4)测试时间为2610小时(3个月)；

最后得出的人造血管试样的经、纬密度为1180×1230根/10cm，经密的变化为 $\frac{1300-1180}{1300}\×100\%=9.2\%>3\%,$ 纬密的变化是 $\frac{1300-1230}{1300}\×100\%=5.3\%>3\%$ 因此认为该纺织型人造血管试样A不可用于临床。

为了提高工作效率，可同时测1-7个纺织型人造血管试样A，经过一定的时间后再分别评价各个纺织型人造血管试样A的疲劳性能。

通过上述实施例可以看出，本发明可以对纺织型人造血管的疲劳耐久性能进行较科学的测试和评价。

Claims (7)

1.一种纺织型人造血管疲劳性能仿生测试装置，包括电子蠕动泵(2)，导流硅胶管(4)，限流器(5)，装有处理和转换信号软件的计算机(8)和数据输出设备，其特征在于，该装置还包括温控加热装置(1)，试样安装架(3)，压力测试装置(6)；

所述温控加热装置(1)由盛有水(14)的储液箱(11)、置于储液箱(11)内部的温控加热棒(12)、温度计(13)组成，并与电子蠕动泵(2)相连；

所述试样安装架(3)由基础板(31)，至少二个带孔试样安装板(33)，导轨(34)，T型带孔铜棒(35)组成，其中，带孔试样安装板(33)垂直放置于基础板(31)上面，导轨(34)串接在带孔试样安装板(33)中，T型带孔铜棒(35)安装在带孔试样安装板(33)中，二个T型带孔铜棒(35)之间连接有弹性橡胶管(36)，且弹性橡胶管(36)输入端通过T型带孔铜棒(35)和导流硅胶管(4)与电子蠕动泵(2)输出口相连；弹性橡胶管(36)输出端通过限流器(5)和导流硅胶管(4)与温控加热装置(1)相连；

所述压力测试装置(6)由压力传感器(61)，夹持装置(62)，底座(63)，导棒(64)，直流稳压电源(65)组成，其中，夹持装置(62)通过导棒(64)连接在底座(63)上，底座(63)置于试样安装架(3)的基础板(31)上，压力传感器(61)固定在夹持装置(62)上面，其电源输入端与直流稳压电源(65)相连，压力传感器(61)信号输出端接计算机(8)。

2.根据权利要求1所述的纺织型人造血管疲劳性能仿生测试装置，其特征在于，所述压力传感器(61)由电阻应变片(611)，弹簧片(612)，压力感应探头(613)构成，弹簧片(612)前端下面设置压力感应探头(613)，电阻应变片(611)置于弹簧片(612)上面。

3.根据权利要求1所述的纺织型人造血管疲劳性能仿生测试装置，其特征在于，所述数据输出设备为显示器(9)，打印机(10)，其信号输入端与计算机数据输出端相连。

4.根据权利要求1所述的纺织型人造血管疲劳性能仿生测试装置，其特征在于，所述基础板(31)下面设有6个且呈均匀分布的橡皮脚(32)。

5.根据权利要求1所述的纺织型人造血管疲劳性能仿生测试装置，其特征在于，所述带孔试样安装板(33)设置有二至八块。

6.根据权利要求1所述的纺织型人造血管疲劳性能仿生测试装置，其特征在于，所述储液箱(11)、基础板(31)、带孔试样安装板(33)、夹持装置(62)、底座(63)的材料选用有机玻璃。

7.根据权利要求1所述的纺织型人造血管疲劳性能仿生测试装置，其特征在于，所述导轨(34)及导棒(64)的材料为不锈钢；所述T型带孔铜棒(35)及弹簧片(612)的材料为铜；所述压力感应探头(613)的材料为塑料。

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