CN104330299A - 一种微小生物软组织力学性能测试系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微小生物软组织力学性能测试系统及工作方法，系统包括底座，底座上放置温控装置，温控装置的一端与力测量装置连接，另一端与驱动装置连接，所述夹持装置安设于温控装置内部，保湿装置设置于夹持装置上部；所述温控装置、驱动装置和力测量装置与测控装置连接；所述温控装置上端设置摄像装置；本发明具有可测试频率范围高、微小生物软组织夹持快捷可靠、实验温度可控、可实现生物组织保湿、可测量动态特性及操作方便等优点。

Description

一种微小生物软组织力学性能测试系统及工作方法

技术领域

本发明涉及一种微小生物软组织力学性能测试系统及工作方法。

背景技术

生物材料的力学特性，不仅有助于对生物体生理、病理、功能机理(如蝙蝠超声发生机理)等特性的了解，而且还能为人工脏器的设计、制造及仿生功能器件的设计、制造提供科学依据。生物软组织的力学性能的研究需要根据实验数据建立组织材料的本构关系，本构关系不单是进一步分析它的力学问题的基础，而且对于新型仿生材料和器件的制造具有重要的指导意义。

目前生物软组织力学性能的测试主要用传统的材料力学试验机进行，对于尺寸较大的软组织，这种试验机尚可以满足其性能的测试。但是对于诸如蝙蝠声带这类的微小生物软组织，具有振动频率高(>20kHz)、强度低(几百毫牛)、尺寸小(1～2mm)等特点，目前的试验机无法满足测试要求。从频率角度讲，目前尚无任何驱动设备能满足20kHz以上的驱动频率，因此可以通过测试低温下的频率特性来反应常温下的高频特性，由于蝙蝠声带振动频率高，所以驱动装置即使在低温下也需要有较高驱动频率的驱动装置来满足要求，同时还要具有温度调控设备满足不同温度下材料频率特性的测试，通过试验表明，通过液体对样品进行温度控制具有温控调整时间长，液体阻力大等问题，这些问题严重影响了样品的测量精度；从强度和尺寸角度讲，目前的试验机的夹具很容易造成样品的损坏，无法满足微小尺寸软组织的夹装，因此需要新的夹装方式来满足测试要求；此外目前的装置无法测量样品的三维形变，因此无法分析样品各向异性特性和泊松比等参数。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种微小生物软组织力学性能测试系统及工作方法，本系统具有可测试频率范围高、微小生物软组织夹持快捷可靠、实验温度可控、可实现生物组织保湿、可测量动态特性及操作方便等优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种微小生物软组织力学性能测试系统，包括底座、摄像装置、温控装置、驱动装置、力测量装置、夹持装置、保湿装置及测控装置；其中，底座上放置温控装置，温控装置的一端与力测量装置连接，另一端与驱动装置连接，所述夹持装置安设于温控装置内部，保湿装置设置于夹持装置上部；所述温控装置、驱动装置和力测量装置与测控装置连接；所述温控装置上端设置摄像装置；

所述温控装置包括温控机、换热管、真空泵、温度传感器和温控盒，温控机通过控制线缆与测控装置连接，温控机通过阀和管路与温度传感器连接，真空泵通过管路与换热管连接，换热管放置于温控机的液体中；所述温控机、换热管、真空泵和温度传感器放置于温控盒内。

所述温控盒包括上温控盒和下温控盒，均由两层透明塑料粘合而成，上、下温控盒通过卡扣连接。

所述的高速摄像装置包括三台高速摄像机及其支架安装在底座上，通过线缆与测控装置连接，由测控装置实现摄像系统与位移、力测量装置的同步和图像保存，通过后期图像处理可分析生物组织的动态特性和泊松比等参数。

所述驱动装置包括高频振动器、位移传感器和振动控制器；高频振动器通过振动控制器输入高频电场，产生高频磁场，从而产生振动器的高频振动；位移传感器连接到高频振动器上进行振动位移测量；振动控制器与测控装置连接，进行速度控制和位移测量。

所述力测量装置包括力传感器、连接螺栓和三轴平台；力传感器固定在三轴平台上，三轴平台固定在底座上，带动力传感器三个方向的移动，以调整力传感器和高频振动器的同轴度，连接螺栓与力传感器连接，并通过线缆与测控系统连接，实现力的测量。

所述夹持装置包括夹头螺母、夹头体和注胶孔，夹头螺母与夹头体连接，夹头体含有三叉形夹头，夹头部分为圆弧形，圆弧部分为光滑或微细齿形，并涂有一层硅胶材料；注胶孔开设在夹头螺母上，可以注入高性能胶实现样品的端面固定夹持。

所述保湿装置包括线性电机和注射器；线性电机与测控装置连接，注射器和线性电机连接，注射器安装在温控盒内，线性电机固定在底座上，测控装置通过线性电机控制注射器的运动，实现保湿液体滴注到生物软组织上。

所述测控装置包括工控机、数据采集单元和运动控制卡，数据采集单元用来采集力、位移、温度信号，运动控制卡用来控制高频振动器的控制器、线性电机和触发摄像装置，工控机连接数据采集单元和运动控制卡。

一种基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：

(1)进行系统初始化调整，使冷却盒中的温度达到设定的初始温度；

(2)样品两侧固定在夹头上，注入高性能胶，实现样品可靠夹持，关闭温控盒；

(3)设定应力值，控制高频振动器进行扫频振动，存储实验过程中的所有数据，结束后通过注射器注射保湿液；

(4)设定应力值，对样品进行蠕变实验，达到实验时间后存储实验过程中的所有数据，结束后通过注射器注射保湿液；

(5)设定应变值，对样品进行应力松弛实验，达到实验时间后存储实验过程中的所有数据，结束后通过注射器注射保湿液；

(6)调整出气节流阀和进气节流阀，使温控盒中的温度提高到设定的温度梯度值，重复步骤(3)到步骤(6)，直到温度最大值达到设定温度值；

(7)改变应力值，重复上述步骤(3)到步骤(7)，直到应力值达到实验设定最大值；

(8)根据实验数据获得材料不同温度和频率下的应力应变曲线、蠕变曲线和应力松弛曲线。

所述步骤(1)中，设定的初始温度值为1°。

所述步骤(3)中，高频振动器从0Hz到14kHz进行扫频振动。

所述步骤(8)中，具体方法为：采用时温叠加原理对应力应变数据进行处理，获得样品的主性能曲线；由于时温叠加原理用于线性粘弹性材料，本发明对其进行扩展，将时温叠加原理中的变换系数用于蠕变曲线和松弛曲线，从而获得蠕变和松弛的主性能曲线，以获得非线性粘弹性材料的力学特性；通过摄像机图像处理获得材料各向异性的定性和定量分析。

本发明的有益效果为：

(1)本发明利用高频振动器，可实现高频率的正弦振动，最高可达14kHz，这是其它普通高频振动器无法实现的，可以实现样品高频特性的测量；

(2)通过温控装置本发明可实现样品试验温度的调整，由空气对样品进行冷却，能够满足样品不同试验温度的快速调整，还可以减小流体阻力对样品测量精度的影响；

(3)本发明夹持装置操作方便可靠，通过夹头部分的软物质可以避免对样品的损坏，还可以通过高性能胶对样品进行固定或者辅助固定；

(4)通过保湿装置本发明可实现试验过程样品的保湿功能，确保样品的性质在测试过程中不发生变化，去除了液体阻力对样品性能的影响；

(5)通过高速摄像机可以获得试验过程中样品的图像，本发明可通过后期图像处理实现测试样品动态特性和泊松比等特性的分析计算，通过扩展时温叠加原理，可测试非线性粘弹性材料特性。

附图说明

图1为系统主体部分示意图；

图2为温控部分示意图；

图3(a)为夹持装置夹头螺母示意图；

图3(b)为夹持装置夹头体示意图；

其中：1、注射器，2、线性电机，3、力传感器，4、连接板，5、三轴平台，6、底座，7、左连接螺栓，8、左夹头，9、出气连接头，10、试验样品，11、温度传感器，12、右夹头，13、下温控盒，14、上温控盒，15、高频振动器，16、右连接螺栓，17、支架，18、进气连接头，19、三台高速摄像机，20、位移传感器，21、测控装置，22、管路，23、真空泵，24、出气三通，25、进气三通，26、出气节流阀，27、进气节流阀，28、温控机，29、换热管，30、液体，8.1注胶孔，8.2夹头螺母，8.3夹头体。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种微小生物软组织力学性能测试系统，包括三轴平台5和线性电机2，两者均安装在底座6上；连接板4安装在三轴平台5上，力传感器3安装在连接板4上，可以通过三轴平台5来调整里传感器3中心与高频振动器15中心对齐；注射器1安装在线性电机2上，通过线性电机2的直线运动将润湿液滴到试验样品10上，保持样品的湿润；样品10左边通过左夹头8夹持，左夹头8通过左连接螺栓7连接到力传感器3上，样品10右边通过右夹头12夹持，右夹头12通过右连接螺栓16与高频振动器15连接，通过高频振动器15的运动可以实现试验样品10的不同性能试验，位移传感器20连接到高频振动器15上；下温控盒13安装于底座6上，温度传感器11和出气连接头9安装在下温控盒13上，上温控盒14通过卡扣安装在下温控盒13上，进气连接头18和注射器1安装在上温控盒14上；三台高速摄像机19通过支架17连接到底座6上或者直接连接到底座6上。

温控机通过阀和管路与温控盒连接，通过空气冷却实现样品的快速温度控制，避免了液体温控带来的流体阻力。

温控部分除了上温控盒14和下温控盒13外，还包括如图2所示各部分；温控机28完成液体30的加热和冷却，换热管29分别与真空泵23和进气三通25连接，进气三通25的另外两端分别于进气节流阀27和进气连接头18连接，出气三通24的一端通过管路22与真空泵25连接，另外两端分别与进气连接头9和进气节流阀26连接，通过控制温控机28中液体30的温度以及进气节流阀27和出气节流阀26，可以实现温控盒中空气的温度的调节，从而调整样品的试验温度。

左夹头8和右夹头12结构一样，图3(a)、(b)为左右夹头的具体结构，夹头体8.3为含有三叉形夹头，夹头的夹持部分涂油一层硅胶材料，通过夹头螺母8.2可以实现三叉形夹头的夹紧和放松，注胶孔8.1可以实现高性能胶的注入来实现样品的辅助夹持或者固定。

力传感器3、位移传感器20、线性电机2、高频振动器15、三台高速摄像机19、真空泵23、温控机28、节流阀26和27、温度传感器11等均通过测控系统21实现信号的采集和控制，通过专用软件实现试验样品的力学性能试验。

一种微小生物组织力学性能测试系统工作方法，包括以下步骤：

步骤一，开启系统，进行系统初始化调整，使冷却盒中的温度达到1°；

步骤二，将样品两侧固定在夹头上，注入高性能胶，实现样品可靠夹持，合好上温控盒；

步骤三，设定一应力值，控制高频振动器从0Hz到14kHz进行扫频振动，存储实验过程中的所有数据，结束后通过注射器注射保湿液；

步骤四，设定一应力值，对样品进行蠕变实验，达到实验时间后存储实验过程中的所有数据，结束后通过注射器注射保湿液；

步骤五，设定一应变值，对样品进行应力松弛实验，达到实验时间后存储实验过程中的所有数据，结束后通过注射器注射保湿液；

步骤六，调整出气节流阀和进气节流阀，使温控盒中的温度提高到设定的温度梯度值，重复步骤三到步骤六，直到温度最大值达到设定温度值；

步骤七、改变应力值，重复上述步骤三到步骤七，直到应力达到实验设定最大值；

步骤八，通过软件和实验数据获得材料不同温度和频率下的应力应变曲线、蠕变曲线和应力松弛曲线；虽然高频振动器的最高频率可达14kHz，但是无法达到材料的实验要求(如蝙蝠声带20kHz以上)，因此，本发明采用时温叠加原理对应力应变数据进行处理，获得样品的主性能曲线；由于时温叠加原理用于线性粘弹性材料，本发明对其进行扩展，将时温叠加原理中的变换系数用于蠕变曲线和松弛曲线，从而获得蠕变和松弛的主性能曲线，从而可获得非线性粘弹性材料的力学特性；通过摄像机图像处理获得材料各向异性的定性和定量分析。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种微小生物软组织力学性能测试系统，其特征是：包括底座、摄像装置、温控装置、驱动装置、力测量装置、夹持装置、保湿装置及测控装置；其中，底座上放置温控装置，温控装置的一端与力测量装置连接，另一端与驱动装置连接，所述夹持装置安设于温控装置内部，保湿装置设置于夹持装置上部；所述温控装置、驱动装置和力测量装置与测控装置连接；所述温控装置上端设置摄像装置；

所述温控装置包括温控机、换热管、真空泵、温度传感器和温控盒，温控机通过控制线缆与测控装置连接，温控机通过阀和管路与温度传感器连接，真空泵通过管路与换热管连接，换热管放置于温控机的液体中；所述温控机、换热管、真空泵和温度传感器放置于温控盒内。

2.如权利要求1所述的一种微小生物软组织力学性能测试系统，其特征是：所述温控盒包括上温控盒和下温控盒，均由两层透明塑料粘合而成，上、下温控盒通过卡扣连接。

3.如权利要求1所述的一种微小生物软组织力学性能测试系统，其特征是：所述驱动装置包括高频振动器、位移传感器和振动控制器；高频振动器通过振动控制器输入高频电场，产生高频磁场，从而产生振动器的高频振动；位移传感器连接到高频振动器上进行振动位移测量；振动控制器与测控装置连接，进行速度控制和位移测量。

4.如权利要求1所述的一种微小生物软组织力学性能测试系统，其特征是：所述力测量装置包括力传感器、连接螺栓和三轴平台；力传感器固定在三轴平台上，三轴平台固定在底座上，带动力传感器三个方向的移动，以调整力传感器和高频振动器的同轴度，连接螺栓与力传感器连接，并通过线缆与测控系统连接，实现力的测量。

5.如权利要求1所述的一种微小生物软组织力学性能测试系统，其特征是：所述夹持装置包括夹头螺母、夹头体和注胶孔，夹头螺母与夹头体连接，夹头体含有三叉形夹头，夹头部分为圆弧形，圆弧部分为光滑或微细齿形，并涂有一层硅胶材料；注胶孔开设在夹头螺母上，可以注入高性能胶实现样品的端面固定夹持。

6.如权利要求1所述的一种微小生物软组织力学性能测试系统，其特征是：所述保湿装置包括线性电机和注射器；线性电机与测控装置连接，注射器和线性电机连接，注射器安装在温控盒内，线性电机固定在底座上，测控装置通过线性电机控制注射器的运动，实现保湿液体滴注到生物软组织上。

7.如权利要求1所述的一种微小生物软组织力学性能测试系统，其特征是：所述测控装置包括工控机、数据采集单元和运动控制卡，数据采集单元用来采集力、位移、温度信号，运动控制卡用来控制高频振动器的控制器、线性电机和触发摄像装置，工控机连接数据采集单元和运动控制卡。

8.一种基于如权利要求1-7中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)进行系统初始化调整，使冷却盒中的温度达到设定的初始温度；

(2)样品两侧固定在夹头上，注入高性能胶，实现样品可靠夹持，关闭温控盒；

(3)设定应力值，控制高频振动器进行扫频振动，存储实验过程中的所有数据，结束后通过注射器注射保湿液；

(4)设定应力值，对样品进行蠕变实验，达到实验时间后存储实验过程中的所有数据，结束后通过注射器注射保湿液；

(5)设定应变值，对样品进行应力松弛实验，达到实验时间后存储实验过程中的所有数据，结束后通过注射器注射保湿液；

(6)调整出气节流阀和进气节流阀，使温控盒中的温度提高到设定的温度梯度值，重复步骤(3)到步骤(6)，直到温度最大值达到设定温度值；

(7)改变应力值，重复上述步骤(3)到步骤(7)，直到应力值达到实验设定最大值；

(8)根据实验数据获得材料不同温度和频率下的应力应变曲线、蠕变曲线和应力松弛曲线。

9.如权利要求8所述的工作方法，其特征是：所述步骤(3)中，高频振动器从0Hz到14kHz进行扫频振动。

10.如权利要求8所述的工作方法，其特征是：所述步骤(8)中，具体方法为：采用时温叠加原理对应力应变数据进行处理，获得样品的主性能曲线；由于时温叠加原理用于线性粘弹性材料，本发明对其进行扩展，将时温叠加原理中的变换系数用于蠕变曲线和松弛曲线，从而获得蠕变和松弛的主性能曲线，以获得非线性粘弹性材料的力学特性；通过摄像机图像处理获得材料各向异性的定性和定量分析。