CN101706396B - 一种适用于microCT的生物样本四点弯曲加载测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于microCT的生物样本四点弯曲加载仪，旨在提供一种针对生物样本的满足microCT使用要求的四点弯曲加载装置，其包括：加载腔外筒、底盖、微分头、连轴器、传感器底座、传感器、隔离块、动压头和定压头。外筒与底盖相连构成加载腔，微分头穿过底盖通过连轴器与传感器底座相连。传感器一端固定在底座上，另一端与隔离块相连。隔离块通过弧形突起对动压头施加载荷。隔离块、动压头与定压头相互耦合以确定加载位置。本发明克服了现有技术尺寸过大和材料产生伪影的不足，成功地实现了在microCT内部对生物样本提供一个可控的四点弯曲载荷，且不产生伪影，从而使得相关的研究工作可以进行。

Description

一种适用于microCT的生物样本四点弯曲加载测试仪

技术领域

[0001] 本发明涉及生物力学领域，更具体地说是涉及一种适用于microCT的针对生物样本的四点弯曲加载测试仪。

背景技术

[0002] 生物力学是力学与生物学、生理学、医学等多种学科相互结合、相互渗透而形成的一门交叉学科，是解释生命及其活动的力学。生物力学作为整个生物医学工程的先行学科之一，对生物医学工程学科和产业的发展起着重要的推动作用。生物力学研究的进展，为人们进一步研究疾病的致病机理和治疗方法提供了坚实的基础。

[0003] 弯曲加载实验是开展生物力学研究的一个重要手段。通过弯曲实验，能够测出生物样本的弹性模量等一系列参数，从而反应生物样本的强度、刚度、韧度等重要的生物力学特性，并帮助人们对骨丢失等生理过程进行研究和评价。弯曲实验已经被广泛应用于生物力学研究中，当前所用的弯曲加载装置通常与其他力学研究中所用的装置相同，主要有三点弯曲和四点弯曲两种方式。其中，三点弯曲的实验较为简单，但无法消除剪切力的影响； 四点弯曲的实验消除了剪切力的影响，但实验装置相对复杂。

[0004] microCT是新近发展起来的生物医学影像技术，能够对生物样本的微结构进行非破坏性测量，特别是对于骨组织的微结构，研究者利用microCT技术取得了很好的观测结果。microCT的分辨率可以达到微米量级，远远优于普通CT等检测手段。通过使用microCT， 人们可以得到生物样本的结构学参数，如骨小梁数、骨小梁节点数等，同传统的骨密度等参数相比，这些结构学参数能够更加有效的反应生物样本的力学特性，从而为骨质疏松等疾病的诊断提供帮助。

[0005] 为了将力学实验同microCT技术结合起来进行生物力学研究，人们已经做了一些初步的工作。

[0006] Ara Nazarian与Ralph Muller在压缩实验中利用microCT对骨组织模型进行了逐步加载测试，验证了逐步加载的准静态实验的可靠性，但其加载过程依靠专门的加载设备完成，且不涉及弯曲加载。（Time-lapsed microstructural imaging of bone failure behavior, Journal of Biomechanics，2004，37 :55-65)

[0007] Ara Nazarim与Ralph Muller其后又实现了在扭转实验中利用microCT对骨组织进行了测试，但也未能涉及弯曲加载，且加载过程仍需要借助专门的加载设备， 无法在 microCT 中进行。（Design andvalidation of a testing system to assess torsional cancellous bonefailure in conjunction with time-lapsed micro-computed tomographicimaging, 2008，41 :3496-3501)

[0008] 因此，虽然弯曲加载实验已经广泛用于测量骨组织等生物样本的力学性能，并成为评价样本生物力学性能的一种重要手段，但由于弯曲加载装置同简单的拉压或扭转装置相比较为复杂，已有的技术手段仅停留在对样本进行破坏性加载后利用microCT分析其破坏状态，尚无法真正有效地将弯曲加载实验同microCT测量技术结合起来，从而利用microCT技术非破坏性的特点进行更加细致的研究。

[0009] 已有的弯曲加载设备对于利用microCT进行弯曲测量存在两个问题：1、仪器尺寸过大，超出了 microCT的许用范围，以至于研究者只能先在力学试验机上对样本进行加载， 再将样本转移至microCT中进行扫描，造成样本转移以及载荷保持的过程中产生较大的误差；2、已有的设备全部由金属制成，在microCT中进行扫描时将产生严重的伪影，影响研究工作。所以，现有的弯曲实验仪器无法满足人们的要求，人们迫切需要一种新的能够用于 microCT测量的弯曲加载测试仪，特别是一种能够在扫描时保持确定的四点弯曲加载状态的加载测试仪。

发明内容

[0010] 本发明克服了现有技术存在的不足，提供一种能够用于microCT测量的生物样本四点弯曲加载测试仪。该加载测试仪组装完成后轴向长度小于^K)mm，径向最大直径小于 65mm，符合microCT对尺寸的要求，实现了在扫描时保持四点弯曲的加载状态，且在必要部位使用塑料材料，克服了伪影的影响。

[0011] 为解决上述技术问题，本发明采用了以下的技术方案：一种适用于microCT的生物样本四点弯曲加载测试仪，包括加载腔、加载部件、传感器和压头组，加载部件穿过加载腔与传感器串联，加载部件与压头组连接，传感器和压头组置于加载腔内。

[0012] 所述的加载腔包括外筒和底盖，外筒与底盖均由有机玻璃制成。加载腔外筒与底盖通过螺钉连接，且在外筒与底盖之间设有密封圈。腔体外筒的上部开有孔洞，传感器导线从孔中穿过，加载腔中的试剂经由该孔洞与大气连通。

[0013] 所述的加载部件包括微分头、连轴器、传感器座和隔离块，微分头的不动部分与底盖相连接，微分头的可动部分穿过底盖中心的圆孔，通过连轴器与传感器底座相连，传感器的一端与传感器底座相连接，另一端与隔离块相连接。传感器的导线在传感器底座的开槽中穿出。

[0014] 所述的隔离块由可透过X射线的塑料制成，隔离开金属部件，避免伪影干扰。隔离块一端与传感器相接触，另一端成圆弧形压在压头的弧形凹槽内。隔离块的横截面为十字形，两个方向的尺寸均与外筒内经相同，用以确保隔离块的中心在外筒的中轴线上。十字形的突起与定压头上的定位柱相配合，对隔离块与压头组之间的相对角度进行限定。两个十字形突起的宽度不同，可以保证其位置的唯一性，也为使用和安装提供方便。

[0015] 所述的压头组包括动压头和定压头。定压头具有4个突出的定位柱，用以限定定压头、隔离块以及动压头之间的相对位置。动压头自身的宽度与一组定位柱之间的距离相同，动压头上突出的定位轴的直径与另一组定位柱之间的距离相同，从而使得整个动压头与定压头相互耦合。动压头被自身的宽度和定位轴所限定，只能在一个确定的平面内运动。 该运动是绕定位轴所作的定轴转动与沿定位柱方向的平动的叠加，满足了四点弯曲实验的需要。定压头靠在未开孔的底盖上，实验时由该底盖对其提供支撑。与样本接触的地方采用玻璃棒替代塑料材料，玻璃棒粘接在动压头及定压头上。

[0016] 本发明的四点弯去加载测试仪，与现有加载相比有如下有益效果：

[0017] 1、本发明的弯曲加载测试仪安装、使用方便。压头组可以拆卸，以便实验时可以先确定好样本的位置和方向，之后再和样本作为一个整体装入加载测试仪；[0018] 2、在本发明实施例中，加载测试仪的尺寸符合microCT对尺寸的要求，实现了在扫描时保持四点弯曲的加载状态；

[0019] 3、在本发明的实施例中，弯曲加载测试仪中靠近样本的部件使用塑料及玻璃材料，克服了伪影的影响；

[0020] 4、在本发明的实施例中，弯曲加载测试仪的加载腔中可以灌注培养液，既提供一个更加接近真实条件的实验环境，又可以为样本提供一个恰当的生物环境，使样本保持生物活性，以便在进行实验后取出继续培养，从而对样本进行连续观测。

[0021] 5、本发明的生物样本弯曲加载测试仪，既可用以研究骨、软骨、肌肉、韧带等生物体组织，也可用作检测组织工程支架及人工植入体在生物环境下的生物力学性能，具有较大的推广应用前景和较大的潜在社会经济效益。

附图说明

[0022] 图1是本发明的四点弯曲加载测试仪的一个剖面图；

[0023] 图2、图3及图4是本发明中隔离块的示意图；

[0024] 图5、图6及图7是本发明中动压头的示意图；

[0025] 图8及图9是本发明中传感器底座的示意图；

[0026] 图10、图11及图12是本发明中定压头的示意图；

[0027] 图13及图14是本发明中连轴器的示意图

具体实施方式

[0028] 以下结合具体实施方式进一步说明本发明，本发明的一个具体实施例如图1所示，现在描述该四点弯曲加载测试仪的细节。

[0029] 外筒102与底盖101、底盖110构成加载腔。外筒102与底盖101、底盖110均由有机玻璃制成。通过螺钉连接，且在外筒102与底盖101、底盖110之间设有密封圈。腔体外筒101的上部开有孔洞，传感器107的导线从孔中穿过，加载腔中的试剂经由该孔洞与大气连通。

[0030] 加载部件包括微分头111、连轴器109、传感器座108和隔离块106，微分头110的不动部分与底盖110相连接，微分头的可动部分穿过底盖110中心的圆孔，通过连轴器109 与传感器底座108相连，传感器107的一端与传感器底108座相连接，另一端与隔离块106 相连接。传感器107的导线在传感器底座108的开槽中穿出。

[0031] 隔离块106由可透过X射线的塑料制成，隔离开金属部件，避免伪影干扰。隔离块 106—端与传感器107相接触，另一端成圆弧形，压在动压头105的弧形凹槽内。隔离块的横截面为十字形，两个方向的尺寸均与外筒内经相同，用以确保隔离块的中心在外筒的中轴线上。十字形的突起与定压头103上的定位柱相配合，对隔离块106与压头组之间的相对角度进行限定。两个十字形突起的宽度不同，可以保证位其位置的唯一性，也为使用和安装提供方便。

[0032] 所述的压头组包括动压头105和定压头103。定压头103具有4个突出的定位柱， 用以限定其与隔离块106以及与动压头105之间的相对位置。动压头自身的宽度与一组定位柱之间的距离相同，动压头105上突出的定位轴的直径与另一组定位柱之间的距离相同，从而使得整个动压头105与定压头103相互耦合。动压头105被自身的宽度和定位轴所限定，只能在一个确定的平面内运动。该运动是绕定位轴所作的定轴转动与沿定位柱方向的平动的叠加，满足了四点弯曲实验的需要。定压头103贴靠在未开孔的底盖101上，由底盖101对其提供支撑。与样本接触的地方为了保证强度，采用玻璃棒104替代塑料材料。

[0033] 运用本实施例进行生物样本四点弯曲测量的实施步骤如下：

[0034] 1.如图1所示，连接底盖101与外筒102，连接传感器107、传感器底座108、连轴器109、底盖110以及微分头111 ；

[0035] 2.根据实验目的不同，向加载腔内灌注所需的生物试剂，将加载腔立起（即底盖 101朝下）备用；

[0036] 3.将制备好的生物样本置于定压头103与动压头105之间，并使定压头103、动压头105以及隔离块106成为一整体相互耦合；

[0037] 4.将上述相互耦合的整体置入加载腔，组装剩余部件；

[0038] 5.旋转微分头111，根据微分头111的刻度控制对样本施加所需的变形，或根据传感器107测得力的大小施加所需的力，并在microCT中观察生物样本微结构的变化。

Claims (8)

1. 一种适用于microCT的生物样本四点弯曲加载测试仪，包括加载腔、加载部件、传感器（107)和压头组，其特征是，加载部件穿过加载腔与传感器串联，加载部件与压头组连接，传感器和压头组置于加载腔内；所述的加载腔包括外筒（10¾和底盖（101，110)，加载腔外筒(102)与底盖(101,110)通过螺钉连接，且在外筒(102)与底盖(101,110)之间设有密封圈；所述的加载部件包括微分头（111)、连轴器（109)、传感器底座（108)和隔离块 (106)，微分头（111)的不动部分与底盖（110)相连接，微分头的可动部分穿过底盖（110) 中心的圆孔，通过连轴器（109)与传感器底座（108)相连，传感器（107)的一端与传感器底座（108)相连接，另一端与隔离块（106)相连接。

2.根据权利要求1所述的四点弯曲加载测试仪，其特征是，所述压头组包括动压头 (105)和定压头（103)，定压头（10¾具有定位柱，动压头（10¾具有定位轴，动压头（105) 通过自身宽度及定位轴直径同具有定位柱的定压头相互耦合，从而实现所需的运动。

3.根据权利要求1所述的四点弯曲加载测试仪，其特征是，所述加载腔由可透过X射线的塑料制成。

4.根据权利要求3所述的四点弯曲加载测试仪，其特征是，所述的加载腔由有机玻璃制成。

5.根据权利要求1所述的四点弯曲加载测试仪，其特征是，所述的隔离块（106)由可透过X射线的塑料制成。

6.根据权利要求5所述的四点弯曲加载测试仪，其特征是，所述的隔离块（106)由有机玻璃制成。

7.根据权利要求1所述的四点弯曲加载测试仪，其特征是，所述的压头组由可透过X射线的材料制成。

8.根据权利要求7所述的四点弯曲加载测试仪，其特征是，所述的压头组中不与生物样本相接触的部分由有机玻璃制成，与生物样本接触的部分（103)由玻璃制成。