CN105628601B - 一种用于软骨数字图像相关实验的滚动载荷施加控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于软骨数字图像相关实验的滚动载荷施加控制装置，包括装置底板、动力驱动装置、夹具控制调节装置和模拟水箱控制调节装置，动力驱动装置由电机支撑架、步进电机、丝杠、叉型架、导向轮、齿条、叉型架导向槽、加载滚轮和电机控制箱组成；夹具控制调节装置由门桥框架、导向块、导向槽、滑块、纵向调节螺杆、横向调节螺杆、轴承座和样品夹具组成；模拟水箱控制调节装置由控温器、热电偶、加热棒和水槽组成。本发明的优点是:该装置能将滚压载荷施加在关节软骨上，能够模拟软骨所处的生物环境的力学模拟机构并完成图像采集，载荷的施加更接近人体运动时膝关节软骨所受的力学环境，为关节软骨实验提供了基本条件。

Description

一种用于软骨数字图像相关实验的滚动载荷施加控制装置
技术领域
本发明涉及生物力学和生物组织工程领域，特别是一种用于软骨数字图像相关实验的滚动载荷施加控制装置。
背景技术
关节软骨是人体“骨骼-运动”系统的关键部位，在高频率的日常使用中最容易受到外伤、疲劳、环境因素、力学性质改变、关节制动等因素的影响而受到不同程度的损伤，损伤会引起承载关节软骨结构内力的重新分配，随着软骨损伤演化过程的发展，软骨的承载能力不断下降至丧失，软骨损伤所造成的力学环境改变也将影响软骨细胞的代谢，从而影响内部营养物质的正常传输。
生物力学方面的软骨损伤是指由于外界各种因素引起软骨基质胶原纤维断裂，细胞微环境被严重破坏，软骨细胞退变坏死，细胞内的胶原酶、蛋白多糖等释放到软骨基质中，致使基质进一步破坏，而基质的破坏又导致更多软骨细胞退变坏死，如此形成恶性循环，出现不可逆退变，最终引起软骨损伤。目前对于软骨微损伤后在日常生理载荷作用下的力学响应尚不清楚。研究载荷与关节软骨之间的关系，揭示软骨的力学行为和损伤演化的机理，其意义在于深入认识与软骨损伤有关的软骨疾病，预防疾病的发生，指导软骨损伤后的治疗和康复，设计治疗软骨缺损和修复软骨的药物，改善或恢复关节软骨的功能，指导软骨替代物的研制，保证替代材料能够满足软骨的功能需要。以往的体外实验，软骨在空气中操作，很容易流失液体养分变干硬，失去了原有的温度环境和液体环境，力学属性与真实相差甚远，为了更真实的测量软骨的力学属性，所以在此研发一加载装置，模拟人体活动过程对软骨产生的滚压载荷，探讨软骨的力学行为及损伤演化规律。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于软骨数字图像相关实验的滚动载荷施加控制装置，该装置能将滚压载荷施加在关节软骨上，能够模拟软骨所处的生物环境的力学模拟机构并完成图像采集，载荷的施加更接近人体运动时膝关节软骨所受的力学环境，为关节软骨实验提供了基本条件。
本发明的技术方案：
一种用于软骨数字图像相关实验的滚动载荷施加控制装置，包括装置底板、动力驱动装置、夹具控制调节装置和模拟水箱控制调节装置。动力驱动装置由电机支撑架、步进电机、丝杠、叉型架、两个导向轮、两根齿条、叉型架导向槽、加载滚轮和电机控制箱组成，台式电机支撑架与装置底板固定，步进电机固定于电机支撑架的一端，两根齿条平行固定于电机支撑架的另一端，两个导向轮分别与两根齿条啮合并通过轴连接，叉型架与两个导向轮外侧的轴活动连接，丝杠的一端与步进电机连接，另一端与叉型架的横端面的中心连接，加载滚轮固定于两个导向轮的轴的一端并同轴运动，电机控制箱与步进电机通过导线连接；夹具控制调节装置由门桥框架、两个导向块、两个导向槽、两个滑块、两个纵向调节螺杆、两个横向调节螺杆、两个轴承座和样品夹具组成，门桥框架与装置底板垂直设置，门桥框架上设有矩形门孔和两个垂直凹槽，两个导向块平行设置于门桥框架的两侧并分别与装置底板固定，两个导向块上分别设有凹槽，两个导向槽开凿于两个导向块内侧的装置底板上，两个滑块分别与两个导向块上的凹槽、门桥框架上的垂直凹槽、横向调节螺杆以及装置底板上的导向槽匹配，门桥框架安装时要使底部两侧插入滑块的凹槽中，两个纵向调节螺杆分别设置于门桥框架上端面的两边螺纹孔内并用于调节门桥框架的高度，从而带动并调节样品试件与加载滚轮之间的垂直距离；两个轴承座分别与装置底板固定，两个横向调节螺杆分别与两个轴承座配合，两个横向调节螺杆的另一端与滑块上的螺纹孔配合，用于调节滑块在导向槽和导向块的内凹槽上移动，从而带动门桥框架的前后移动以及样品试件与加载滚轮之间前后对齐位置；模拟水箱控制调节装置由控温器、热电偶、加热棒和水槽组成，水槽放置于门桥框架的下部且门桥框架的中间部分连同样品夹具一同置入水槽中，热电偶和加热棒均设置于水槽中中，热电偶和加热棒通过导线分别与控温器连接，水槽由光学玻璃制备，便于显微镜图像采集。
本发明的有益效果是:该装置能将滚压载荷施加在关节软骨上，能够模拟软骨所处的生物环境的力学模拟机构并完成图像采集，载荷的施加更接近人体运动时膝关节软骨所受的力学环境，为关节软骨实验提供了基本条件。
附图说明
图1为该控制装置结构示意图。
图2为模拟水箱控制调节装置局部放大结构示意图。
图3为门桥框架局部放大结构示意图。
图中：1.叉型架导向槽；2.齿条；3.导向轮；4.叉型架；5.丝杠；6.步进电机；7.电机支撑架；8.电机控制箱；9.装置底板；10.轴承座；11.横向调节螺杆；12.导向槽；13.滑块；14.加载滚轮；15.样品夹具；16.门桥框架；17.导向块；18.纵向调节螺杆；19.轴；20.控温器；21.热电偶；22.加热棒；23.水槽。
具体实施方式
实施例：
一种用于软骨数字图像相关实验的滚动载荷施加控制装置，如图1-3所示，包括装置底板9、动力驱动装置、夹具控制调节装置和模拟水箱控制调节装置，动力驱动装置由电机支撑架7、步进电机6、丝杠5、叉型架4、两个导向轮3、两根齿条2、叉型架导向槽1、加载滚轮14和电机控制箱8组成，台式电机支撑架7与装置底板9固定，步进电机6固定于电机支撑架7的一端，两根齿条2平行固定于电机支撑架7的另一端，两个导向轮3分别与两根齿条2啮合并通过轴19连接，叉型架4与两个导向轮3外侧的轴活动连接，丝杠5的一端与步进电机6连接，另一端与叉型架4的横端面的中心连接，加载滚轮14固定于两个导向轮3的轴的一端并同轴运动，电机控制箱8与步进电机6通过导线连接；夹具控制调节装置由门桥框架16、两个导向块17、两个导向槽12、两个滑块13、两个纵向调节螺杆18、两个横向调节螺杆11、两个轴承座10和样品夹具15组成，门桥框架16与装置底板9垂直设置，门桥框架16上设有矩形门孔和两个垂直凹槽，两个导向块17平行设置于门桥框架16的两侧并分别与装置底板9固定，两个导向块17上分别设有凹槽，两个导向槽12开凿于两个导向块17内侧的装置底板9上，两个滑块13分别与两个导向块17上的凹槽、门桥框架16上的垂直凹槽、横向调节螺杆11以及装置底板9上的导向槽12匹配，门桥框架16安装时要使底部两侧插入滑块13的凹槽中，两个纵向调节螺杆18分别设置于门桥框架16上端面的两边螺纹孔内并用于调节门桥框架的高度，从而带动并调节样品试件与加载滚轮14之间的垂直距离；两个轴承座10分别与装置底板9固定，两个横向调节螺杆11分别与两个轴承座10配合，两个横向调节螺杆11的另一端与滑块13上的螺纹孔配合，用于调节滑块13在导向槽12和导向块17的内凹槽上移动，从而带动门桥框架16的前后移动以及样品试件与加载滚轮14之间前后对齐位置；模拟水箱控制调节装置由控温器20、热电偶21、加热棒22和水槽23组成，水槽23放置于门桥框架16的下部且门桥框架16的中间部分连同样品夹具15一同置入水槽23中，热电偶21和加热棒22均设置于水槽中23中，热电偶21和加热棒22通过导线分别与控温器20连接，水槽由光学玻璃制备，便于显微镜图像采集。
上述模拟水箱利用水箱中液体溶质配比以及温度的控制，模拟出受载体所处的生物环境；同时对受载体进行滚动载荷施加：压缩量可控制为0.1mm-20mm；滚动速度由电机的转速控制。所述受载体为骨组织、关节软骨组织或其它生物组织。所说受载体所处生物环境为人体膝关节处生物环境。
将新鲜的猪膝关节软骨作为研究对象，将制备的样品固定在样品夹具上，然后把样品随门桥框架一同置入水槽中。用加热棒对组织营养液加热，用热电偶和控温器调节，并使其保持在37℃的体内温度。调节门桥框架的横向调节螺杆，使样品与压头在同一竖直平面内，调节门桥框架的纵向调节螺杆，控制软骨样品与压头的相对距离。压缩载荷由纵向螺杆调节软骨样品的压缩量来控制。调节电机的参数：滚动速度按生理载荷为1cm/s-15cm/s，加载体往复滚动频率为5次/min-20次/min，每次10min-180min，滚动加载处软骨变形5％-35％。把显微镜头与软骨样品对焦，启动装置，进行图片采集。

Claims (1)

1.一种用于软骨数字图像相关实验的滚动载荷施加控制装置，其特征在于：包括装置底板、动力驱动装置、夹具控制调节装置和模拟水箱控制调节装置，动力驱动装置由电机支撑架、步进电机、丝杠、叉型架、两个导向轮、两根齿条、叉型架导向槽、加载滚轮和电机控制箱组成，电机支撑架与装置底板固定，步进电机固定于电机支撑架的一端，两根齿条平行固定于电机支撑架的另一端，两个导向轮分别与两根齿条啮合并通过轴连接，叉型架与两个导向轮外侧的轴活动连接，丝杠的一端与步进电机连接，另一端与叉型架的横断面的中心连接，加载滚轮固定于两个导向轮的轴的一端并同轴运动，电机控制箱与步进电机通过导线连接；夹具控制调节装置由门桥框架、两个导向块、两个导向槽、两个滑块、两个纵向调节螺杆、两个横向调节螺杆、两个轴承座和样品夹具组成，门桥框架与装置底板垂直设置，门桥框架上设有矩形门孔和两个垂直凹槽，两个导向块平行设置于门桥框架的两侧并分别与装置底板固定，两个导向块上分别设有凹槽，两个导向槽开凿于两个导向块内侧的装置底板上，两个滑块分别与两个导向块上的凹槽、门桥框架上的垂直凹槽、横向调节螺杆以及装置底板上的导向槽匹配，门桥框架安装时要使底部两侧插入滑块的凹槽中，两个纵向调节螺杆分别设置于门桥框架上端面的两边螺纹孔内并用于调节门桥框架的高度，从而带动并调节样品试件与加载滚轮之间的垂直距离；两个轴承座分别与装置底板固定，两个横向调节螺杆分别与两个轴承座配合，两个横向调节螺杆的另一端与滑块上的螺纹孔配合，用于调节滑块在导向槽和导向块的内凹槽上移动，从而带动门桥框架的前后移动以及样品试件与加载滚轮之间前后对齐位置；模拟水箱控制调节装置由控温器、热电偶、加热棒和水槽组成，水槽放置于门桥框架的下部且门桥框架的中间部分连同样品夹具一同置入水槽中，热电偶和加热棒均设置于水槽中，热电偶和加热棒通过导线分别与控温器连接，水槽由光学玻璃制备，便于显微镜图像采集。
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