CN105910981A - 多功能生物离体软组织参数测量平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多功能生物离体软组织参数测量平台，主要由实验辅助平台和实验测量平台组成。本发明可以对软组织进行四种不同的实验：单轴压缩实验(压头缓慢下压到一定位置)；应力松弛实验(压头快速下压到一定位置保持一段时间)；蠕变实验(钢丝绳悬吊砝码)；软组织穿刺实验。本机构采用螺纹副带动钢丝绳传动的方式实现软组织样本的微小应变。本发明有效地解决了软组织测量中仅能依靠材料实验机以及测量参数单一的问题，有一定的推广价值。

Description

多功能生物离体软组织参数测量平台

技术领域

本发明涉及一种测量平台，尤其涉及一种多功能生物离体软组织参数测量平台。

背景技术

虚拟手术在微创外科手术领域的是一个十分重要的研究内容，建立包含生物软组织参数的准确的物理模型是其中的难点问题。目前，对软组织参数的测量依赖于专业的材料试验机，而且仅限于对部分组织的物理特性参数进行测量。与传统利用专业材料试验机测量参数的方法相比，本发明专利提供一种简单有效的生物软组织多参数测量平台，具有测量平台和辅助平台。机构整体结构简单，通过滑轮组和钢丝绳实现传动，易于控制，末端可以更换实验工具(压头和穿刺针)，主要可以进行四种不同的生物实验，通过实验最终得到软组织的多个参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、易于控制的多功能生物离体软组织参数测量平台。

本发明的目的是这样实现的：包括辅助平台和测量平台，所述辅助平台包括基座、安装在基座上的立柱、安装在支柱上的支架A、支架B和可调位置的安装支架，所述支架A与支架B在支柱的一个端面上且支架A位于支架B的上方，可调位置的安装支架所在的端面与支架A所在的端面相邻，所述支架A上安装有张紧轮和预紧轮，所述支架B的下端面设置有第一过轮、第二过轮，所述可调位置的安装支架上设置有第三过轮；所述测量平台包括竖直安装在可调位置的安装支架上的滑轨、安装在滑轨中的滑块、与滑块固连的连接件B、与连接件B上端固连的连接件A、设置在连接件B下端的拉压力传感器和安装在可调位置的安装支架与连接件A之间的线性位移电位计，所述可调位置的安装支架的端部设置有滑槽，连接件B位于滑槽中，在连接件A与支架B之间还设置有拉簧，所述张紧轮上设置有钢丝绳，钢丝绳的端部依次绕过预紧轮、第一过轮、第二过轮、第三过轮后与连接件A固连，所述拉压力传感器下端设置压头或刺针，且压头或刺针位于设置在基座上的玻璃皿的上方。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述连接件B和立柱上分别设置有标尺。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是一种单平台、多用途的实验装置，相比专业的材料试验机，结构紧凑，占用空间小；本发明结构简单，利用滑轮组和钢丝绳实现传动，通过螺纹副实现测量工具的竖直方向的低速移动，整个实验过程易于控制。本发明辅助平台的多处的组件位置可调，通过调整可以实现较大范围的行程；本发明各部分部件通过螺钉连接，易于装卸，维修方便；本发明可以在传感器末端快速更换实验工具，进行不同的实验实现对不同参数的测量，具有多功能性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的实验辅助平台示意图；

图3是本发明的张紧轮示意图；

图4是本发明的过轮示意图；

图5是本发明的预紧轮示意图；

图6是本发明的实验测量平台示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1，本发明主要由实验辅助平台1、实验测量平台2组成。实验辅助平台1用于实现机构的传动，实验测量平台2用于实时获取实验过程中的软组织样本的力-位数据。

结合图2，实验辅助平台1由支架A1-1、张紧轮1-2、内六角螺钉1-3、标尺1-4、立柱1-5、支架B1-6、拉簧支架A1-7、钢丝绳1-8、三个过轮1-9、安装支架1-10、预紧轮1-11、基座1-12、玻璃皿1-13组成。拉簧支架A1-7由轴端挡圈1-7-1、支架1-7-2、销轴1-7-3组成。立柱1-5通过螺钉固定在基座1-12上。支架A1-1、支架B1-6、安装支架1-10通过螺钉连接在立柱1-5上。张紧轮1-2、预紧轮1-11通过螺钉固定在支架A1-1上。实验过程中玻璃皿1-13中存储一定的生理盐水以保证软组织样本的细胞活性。实验前通过调节安装支架1-10刻度线在标尺1-4的位置可以调节测量平台的行程。调节预紧轮1-11使钢丝绳1-8具有一定的初拉力，使钢丝绳1-8处于张紧状态以确保实验过程中测量平台的运动是平稳的。钢丝绳1-8有两个作用：其一，钢丝绳1-8末端缠绕在张紧轮上，实验中通过调节张紧轮1-2实现螺纹传动拉动钢丝绳1-8实现测量平台竖直向下的位移操作，在此条件下可以对软组织进行单轴压缩和应力松弛实验；其二，钢丝绳1-8末端悬挂砝码，实现对软组织施加一恒定载荷，在此条件下可进行蠕变实验。

结合图3，张紧轮1-2由内六角螺钉1-2-1、张紧轮滑块1-2-2、张紧轮支架1-2-3、微型轴承轴套1-2-4、螺母1-2-5、滑轮1-2-6、内六角螺钉1-2-7组成。张紧轮支架1-2-3通过螺钉安装在支架A1-1上，内六角螺钉1-2-1与张紧轮支架1-2-3之间是螺纹副连接，张紧轮支架1-2-3上设置有滑道，张紧轮滑块1-2-2安装在所述滑道内，内六角螺钉1-2-1的端部与张紧轮滑块1-2-2连接，滑轮1-2-6通过内六角螺钉1-2-7安装在张紧轮滑块1-2-2的端部，转动内六角螺钉1-2-1即可实现张紧轮滑块1-2-2在滑道上水平滑动。

结合图4，过轮1-9由螺母1-9-1、弹簧垫圈1-9-2、滑轮1-9-3、支架基座1-9-4、微型轴承轴套1-9-5、内六角螺钉1-9-6。过轮的主要作用是改变钢丝绳的方向。

结合图5，预紧轮1-11由内六角螺钉M21-11-1、预紧轮支架1-11-2、预紧轮滑块1-11-3、内六角螺钉M31-11-4、微型轴承轴套1-11-5、滑轮1-11-6、螺母1-11-7组成。预紧轮与张紧轮的实现途径相同，都是通过螺纹传动实现滑块在支架滑道内的运动，预紧轮主要用于实验前钢丝绳的张紧。

结合图6，实验测量平台2由线型滑轨2-1、限位挡块2-2、线性位移电位计2-3、滑块2-4、绳索连接帽2-5、传感器连接件2-6、拉簧2-7、拉簧支架B2-8、连接件A2-9、连接件B2-10、内六角螺钉2-11、标尺2-12、螺母2-13、拉压力传感器2-14、压头2-15组成，其中拉簧支架B2-8由轴端挡圈2-8-1、支架2-8-2、销轴2-8-3组成。两条线型滑轨2-1、线性位移电位计2-3通过螺钉固定在辅助平台的安装支架1-10上，线性位移电位计2-3记录实验过程中测量平台发生的位移。连接件A2-9、连接件B2-10通过螺钉固连。滑块2-4通过螺钉与连接件B2-10固连。每条线型滑轨2-1上有一个滑块2-4，这样使运动更加平稳，通过两者的组合实现软组织的平稳压缩形变。拉压力传感器2-14通过螺纹连接在接件B2-10上，并通过螺母2-13固定，拉压力传感器2-14记录实验过程中软组织发生的形变力，当力大于设定的阀值时认为软组织发生接触。拉簧支架B2-8和绳索连接帽2-5通过同一个螺钉固定在连接件A2-9上，拉簧2-7为实验测量平台提供向上的拉力，避免在自身重力的影响向下滑动。标尺2-12便于估计实验过程中软组织的应变，防止过度压缩破坏软组织样本。限位挡块2-2起到机械限位的作用。拉簧支架B2-8的轴端挡圈2-8-1用于销轴2-8-3轴向定位。

拉压力传感器2-14末端可以安装两种不同的测量工具。其一，末端安装压头2-15，可进行单轴压缩、应力松弛实验和蠕变实验。单轴压缩实验过程：此实验钢丝绳1-8末端缠绕在张紧轮1-2的滑轮1-2-6上。将切割好的软组织样本放入存有生理盐水的玻璃皿1-13中间位置，实验前首先对压头2-15的位置进行预调，即调整安装支架1-10刻度线在标尺1-4的合适位置使压头向下的位移不超过组织样本厚度的40％，防止组织被压坏。缓慢转动张紧轮螺钉1-2-1，通过螺纹传动，带动张紧轮滑块1-2-2在张紧轮支架1-2-3滑道内滑动，钢丝绳1-8向下拉动实验测量平台2，当拉压力传感器2-14采集到的力数据大于设定值时，压头2-15与软组织样本接触，开始记录线性位移电位计2-3的位移数据，当限位挡块2-2运动到与安装支架1-10接触时，停止运动。然后反向转动张紧轮螺钉1-2-1，此时实验测量平台2会在拉簧2-7的拉力作用下缓慢上升，退回到原位置，实验结束。应力松弛实验过程：同单轴实验一样，对压头2-15位置进行预调。快速转动张紧轮螺钉1-2-1，使限位挡块2-2尽快运动到与安装支架1-10接触位置，保持此时的压头位置20～30min左右，随着时间的延长，软组织的形变力会越来越小并趋于稳定，采集期间两个传感器的数据。蠕变实验过程：进行此实验时，钢丝绳1-8末端悬挂一定质量的砝码，拉簧2-7的下端与拉簧支架B2-8脱离，调整安装支架1-10刻度线在标尺1-4的最下边位置。钢丝绳1-8会在砝码重力的作用下拉动实验测量平台2向下运动，与软组织接触后引起组织形变。随着时间的增加形变量会逐渐增大，记录实验过程中的两个传感器的数据。其二，末端安装穿刺针，可进行穿刺实验。穿刺实验过程：穿刺实验和单轴压缩实验类似，首先调整安装支架1-10刻度线在标尺1-4的合适位置。缓慢转动张紧轮螺钉1-2-1，穿刺针会与软组织接触、刺破、插入。记录实验过程中的两个传感器的数据。在软组织的物理模型的基础上，借助于以上实验数据，通过软件拟合可以得到物理模型的多个参数。

实验辅助平台1和实验测量平台2之间的连接主要通过一端绕过张紧轮1-2固定，通过预紧轮1-11和三个过轮1-9传动并改变方向后另一端绳索连接帽2-5通过螺钉固定在连接件A2-9上固定的钢丝绳1-8连接；由一端固定在拉簧支架A1-7另一端固定在拉簧支架B2-8的拉簧2-7连接；由螺钉固定在安装支架1-10上的两条线型滑轨2-1与由螺钉固定在连接件B2-10上的两对滑块2-4之间相对滑动连接。测量平台的行程可变范围较大体现在安装支架1-10刻度线在标尺1-4的位置可调范围较大，因此，实验平台结构简单而又紧凑，且能实现较大范围的测量行程。

生物离体软组织多参数测量平台实现实验目的主要是通过使钢丝绳1-8相对于滑轮1-2-6、1-9-3、1-11-6运动从而改变压头2-15相对于软组织的距离。张紧轮1-2由内六角螺钉1-2-1、张紧轮滑块1-2-2、张紧轮支架1-2-3、微型轴承轴套1-2-4、螺母1-2-5、滑轮1-2-6组成。预紧轮1-11由内六角螺钉M21-11-1、预紧轮支架1-11-2、预紧轮滑块1-11-3、内六角螺钉M31-11-4、微型轴承轴套1-11-5、滑轮1-11-6、螺母1-11-7组成。内六角螺钉1-2-1与张紧轮支架1-2-3之间是螺纹副连接，转动内六角螺钉1-2-1即可实现张紧轮滑块1-2-2在滑道上水平滑动，从而调节钢丝绳1-8相对于滑轮1-2-6、1-9-3、1-11-6的位置。预紧轮与张紧轮的实现途径相同，都是通过螺纹传动实现水平运动。调节预紧轮1-11使钢丝绳1-8具有一定的初拉力，使其处于张紧状态确保了实验过程中测量平台运动的平稳性，通过调节张紧轮1-2实现螺纹传动拉动钢丝绳实现测量平台竖直向下的微位移操作。在实验的过程中拉簧2-7为实验测量平台提供向上的拉力，避免在自身重力的影响向下滑动。标尺2-12便于估计实验过程中软组织的应变，防止过度压缩破坏软组织样本。本生物离体软组织多参数测量平台采用螺纹传动拉动钢丝绳实现微位移调节，有效避免人手的抖动；拉簧和限位块的设计，达到实验易于控制和控制平稳的目的，体现实验平台的科学性。

调节预紧轮1-11使钢丝绳1-8具有一定的初拉力，使钢丝绳1-8处于张紧状态以确保实验过程中测量平台的运动是平稳的，通过调节张紧轮1-2实现螺纹传动拉动钢丝绳实现测量平台竖直向下的微位移操作，在此条件下可进行单轴压缩实验和应力松弛实验。钢丝绳1-8末端也可以悬挂砝码实现一定恒定载荷的加载，在此条件下可进行蠕变实验。压头2-15可以更换为穿刺针进行穿刺实验。因此，本发明是一种单平台、多用途的实验装置，进行不同的实验实现对不同参数的测量，具有多功能性。

本发明涉及一种面向离体生物软组织物理特性参数的测量平台，特别设计一种可以测量软组织多种参数的实验机构，能够实现对生物软组织应力应变特性参数、蠕变特性参数、松弛特性参数和穿刺特性参数的测量，主要由实验辅助平台1和实验测量平台2组成；实验测量平台由力传感器、位移传感器、连接轴、安装支架、线型模组、拉簧、弹簧连接架组成。实验辅助平台由立柱、底座、玻璃皿、滑轮组、调节支架、钢丝绳组成。本发明可以对软组织进行四种不同的实验：单轴压缩实验(压头缓慢下压到一定位置)；应力松弛实验(压头快速下压到一定位置保持一段时间)；蠕变实验(钢丝绳悬吊砝码)；软组织穿刺实验。本机构采用螺纹副带动钢丝绳传动的方式实现软组织样本的微小应变。本发明有效地解决了软组织测量中仅能依靠材料实验机以及测量参数单一的问题，有一定的推广价值。

Claims (2)

1.多功能生物离体软组织参数测量平台，其特征在于：包括辅助平台和测量平台，所述辅助平台包括基座、安装在基座上的立柱、安装在支柱上的支架A、支架B和可调位置的安装支架，所述支架A与支架B在支柱的一个端面上且支架A位于支架B的上方，可调位置的安装支架所在的端面与支架A所在的端面相邻，所述支架A上安装有张紧轮和预紧轮，所述支架B的下端面设置有第一过轮、第二过轮，所述可调位置的安装支架上设置有第三过轮；所述测量平台包括竖直安装在可调位置的安装支架上的滑轨、安装在滑轨中的滑块、与滑块固连的连接件B、与连接件B上端固连的连接件A、设置在连接件B下端的拉压力传感器和安装在可调位置的安装支架与连接件A之间的线性位移电位计，所述可调位置的安装支架的端部设置有滑槽，连接件B位于滑槽中，在连接件A与支架B之间还设置有拉簧，所述张紧轮上设置有钢丝绳，钢丝绳的端部依次绕过预紧轮、第一过轮、第二过轮、第三过轮后与连接件A固连，所述拉压力传感器下端设置压头或刺针，且压头或刺针位于设置在基座上的玻璃皿的上方。

2.根据权利要求1所述的多功能生物离体软组织参数测量平台，其特征在于：所述连接件B和立柱上分别设置有标尺。