CN106370519A - 生物软组织微观力学特性测试仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生物软组织微观力学特性测试仪，包括支座，所述支座上设有样本测试台、朝向样本测试台的压力测试头以及驱动压力测试头朝向/背向样本测试台移动的驱动机构；微型力测试组件，所述微型力测试组件包括第一导管、与第一导管活动连接且支撑所述样本测试台连接的第一活塞、第二导管、与第二导管活动连接的第二活塞、与第二活塞连接的放大压力台及对放大压力台进行受力测试的力传感器，所述第一导管与第二导管通过软管连通，所述样本测试台的截面积小于放大压力台的截面积。本发明采用液压放大原理对微小力进行放大，采用杠杆放大原理对微位移进行放大，从而对生物软组织的微小型力与微小变形进行测试。

Description

生物软组织微观力学特性测试仪
技术领域
本发明涉及软组织的生物力学领域，尤其涉及一种生物软组织微观力学特性测试仪。
背景技术
软组织的生物力学研究涵盖一个非常广泛的范围，几乎包括人体内除骨骼外所有的组织系统。这些组织系统具体包括皮肤、软骨、结缔组织、肌肉和内脏器官。生物软组织研究广泛的范围需要一个完整的机械性能测试，包括压缩、拉伸、扭转、剪切、压入以及疲劳试验。
软组织研究的一大目的是为了特征化生物组织的机械性能从而更好地设计计算模型，这些模型可以更好地理解各种医疗条件，如机动车事故过程中的内部器官损害和创伤性脑损伤脑内材料性质的改变等。软组织研究同时分析了人体内生物组织在不同机械载荷下的材料行为，如机械负荷对纤维组织结构调整的影响。随着为更好计算模型提供数据，这些信息对生物组织工程是开发与原生组织机械性能和结构相匹配的组织来说是非常必要的。
生物组织的力学特性测试在组织工程、医疗器械的研究与开发过程中是重要的环节。目前主要的生物组织力学特性测试包括挤压测试、拉伸测试和剪切测试。针对各向异性的组织测试，以挤压测试和拉伸测试为主要测试方法。其中，挤压测试对生物组织固定要求较低，测试灵活，应用面广。
目前，生物组织力学特性测试的试验仪器有Bose 5500系列、Instron 5900、CSMbioindenter系列、TestResource 100系列，虽然可以测试产品的基本功能，但难以对微小变形和受力测试、不能开展对5mm尺度及以下的样本测试、成本较高。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的生物软组织微观力学特性测试仪，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种可以测试微小型力与微位移的生物软组织微观力学特性测试仪。
本发明的生物软组织微观力学特性测试仪，包括支座，所述支座上设有
-样本测试台、朝向样本测试台的压力测试头以及驱动压力测试头朝向/背向样本测试台移动的驱动机构；
-微型力测试组件，所述微型力测试组件包括第一导管、与第一导管活动连接且支撑所述样本测试台连接的第一活塞、第二导管、与第二导管活动连接的第二活塞、与第二活塞连接的放大压力台及对放大压力台进行受力测试的力传感器，所述第一导管与第二导管通过软管连通，所述样本测试台的截面积小于放大压力台的截面积。
进一步的，所述支座上还设有微位移测量组件，所述微位移测量组件包括一端随所述压力测试头移动的杠杆、支撑杠杆的支杆、由杠杆带动移动的位移测试滑塞和对位移测试滑塞进行位移测试的位移传感器，所述杠杆随所述压力测试头移动的端部与所述支杆之间的距离小于所述位移测试滑塞与所述支杆之间的距离。
进一步的，所述微位移测量组件还包括限定所述位移测试滑塞直线移动的导轨槽，所述杠杆沿其长度方向设有滑槽，所述位移测试滑塞一端与所述滑槽滑动连接、另一端与所述导轨槽滑动连接。
进一步的，所述杠杆沿其长度方向还设有调节槽，所述支杆的端部与所述调节槽转动连接。
进一步的，所述驱动结构为直线电机，直线电机的输出端通过连杆连接所述压力测试头。
进一步的，所述杠杆随所述压力测试头移动的端部与所述连杆连接。
进一步的，所述力传感器与所述放大压力台之间的距离可调节。
进一步的，所述第一导管与第二导管的底部均设有液压口，所述软管的两端分别连接两液压口。
进一步的，所述支座上还设有支撑所述第一导管的XYZ移动平台，所述XYZ移动平台包括与所述支座连接的X移动平台、与X移动平台滑动连接的XY移动平台、沿XY移动平台滑动的Y移动平台、与Y移动平台连接的Z平台底板、与Z平台底板垂直连接的第一Z向平台、沿第一Z向平台纵向滑动的第二Z向平台、与第二Z向平台连接且与所述第一导管连接的Z平台顶板，还包括驱动所述XY移动平台在X移动平台上沿X向移动的第一驱动组件、驱动Y移动平台在XY移动平台上沿Y向移动的第二驱动组件、驱动第二Z向平台在第一Z向平台上沿Z向移动的第三驱动组件。
进一步的，所述第一驱动组件包括与所述X移动平台连接的第一螺旋筒支架、与所述XY移动平台连接的第一挡块、穿设在第一螺旋筒支架上能够与第一挡块相抵的第一螺杆、与第一螺杆螺接且与第一螺旋筒支架连接的第一螺纹管、与第一螺杆端部螺接的第一螺旋筒；所述第二驱动组件包括与所述XY移动平台连接的第二螺旋筒支架、与所述Y移动平台连接的第二挡块、穿设在第二螺旋筒支架上能够与第二挡块相抵的第二螺杆、与第二螺杆螺接且与第二螺旋筒支架连接的第二螺纹管、与第二螺杆端部螺接的第二螺旋筒；所述第三驱动组件包括与所述Z平台底板连接的旋钮支架、与所述第二Z向平台转动连接且能够与旋钮支架相抵的旋钮、与第二Z向平台连接的第三螺旋筒支架、穿设在第三螺旋筒支架上能够与旋钮相抵的第三螺杆、与第三螺杆螺接且与第三螺旋筒支架连接的第三螺纹管、与第三螺杆端部螺接的第三螺旋筒，所述旋钮包括旋钮杆、套设在旋钮杆上的旋钮环，所述旋钮环外周上连接有相垂直的第一旋钮臂和第二旋钮臂，所述第一旋钮臂和第二旋钮臂的端部均设有分别朝向所述旋钮支架和第三螺杆的触头。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1、采用液压放大原理对微小力进行放大，从而可以对生物软组织的微小型力进行测试；
2、采用杠杆放大原理对微位移进行放大，从而可以对生物软组织的微小变形进行测试；
3、XYZ移动平台调节精度高，可以准确调整样本测试台的初始位置。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中XYZ移动平台的立体结构示意图；
图3是本发明中旋钮的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1至图3，本发明一较佳实施例所述的一种生物软组织微观力学特性测试仪，包括支座，支座包括水平的底板11和与底板11垂直连接的竖板12，底板11上设置XYZ移动平台50，XYZ移动平台50上设置第一导管31，第一导管31活动连接有能够相对其纵向滑动的第一活塞32，第一活塞32上连接有样本测试台21，通过第一活塞32支撑样本测试台21；底板11上还设置有第二导管33，第二导管33活动连接有能够相对其纵向滑动的第二活塞34，第二活塞34上连接有放大压力台35，通过第二活塞34支撑放大压力台35；第一导管31与第二导管33的底部均设有液压口37，通过软管连接两液压口37，使第一导管31与第二导管33连通；竖板12上设有直线电机23，直线电机23的连接一连杆24，连杆连接一压力测试头22，压力测试头22的端部朝向样本测试台21；竖板12上还设置有能够与放大压力台35接触的力传感器36。本发明中，第一导管31、第一活塞32、第二导管33、第二活塞34、放大压力台35及对放大压力台35进行受力测试的力传感器36构成生物软组织的微型力测试组件，即采用液压放大原理对微小力进行放大，从而对生物软组织的微小型力进行测试。为了能够实现液压放大，本发明中样本测试台21的截面积小于放大压力台35的截面积。
对样本的微小力进行测量时，将样本放置在样本测试台21上，当直线电机23带动压力测试头22下压样本后，样本测试台21受压后对第一活塞32加压，产生压强，由于第一导管31与第二导管33连通，通过液体将压力传递给第二活塞34，液体在相同压强下由于放大压力台35的截面积大于样本测试台21的截面积，相应传导的压力被放大，即通过放大压力台35将样本收到的压力进行放大；由于力传感器36与放大压力台35接触，力传感器36对放大压力台35受到的压力进行测量，换算后，即可得出样本受到的压力，从而检测出样本的力学特性。
由于需要确保力传感器26与放大压力台35接触，才能测量放大压力台35的压力，因此，本发明中力传感器36与放大压力台35之间的距离可调节，通过调整力传感器36的位置，使力传感器26与放大压力台35接触。具体的，将力传感器36安装在力传感器固定板13上，并在竖板12上开设腰形槽14，将力传感器固定板13通过螺栓穿过腰形槽14安装在竖板12上，从而可调节力传感器固定板13在竖板12上的位置，从而调整力传感器26与放大压力台35接触。
本发明中，与压力测试头22连接的连杆24上还连接有杠杆41，杠杆41的一端与连杆24连接，另一端悬空，并在竖板12上设置有支杆42，支杆42与杠杆41转动连接，用于支撑杠杆41，使杠杆41的一端可随压力测试头22移动；杠杆41还转动连接有位移测试滑塞43，并在竖板12上设有正对位移测试滑塞43的位移传感器44，以测量位移测试滑塞43的位移量。本发明中，杠杆41、支杆42、位移测试滑塞43和对位移测试滑塞进行位移测试的位移传感器44构成微位移测量组件，即采用杠杆放大原理对微位移进行放大，从而对生物软组织的微小变形进行测试。为了能够实现杠杆放大，本发明中杠杆41随压力测试头22移动的端部与支杆42之间的距离小于位移测试滑塞43与支杆42之间的距离。
为了限定位移测试滑塞43在杠杆41的带动下沿直线移动，本发明在竖板上还设有供位移测试滑塞43直线滑动的导轨槽45，导轨槽45纵向设置。由于杠杆41在压力测试头22作用下，绕支杆41转动，而杠杆41的端部是随压力测试头22纵向移动、位移测试滑塞43在杠杆41的带动下沿导轨槽45纵向移动，为了将曲线移动轨迹转换成直线移动轨迹，本发明在杠杆41上沿其长度方向设有滑槽，将位移测试滑塞43的一端与滑槽滑动连接、另一端与导轨槽45滑动连接；在杠杆41上沿其长度方向还设有调节槽，将支杆42的端部与调节槽转动连接。通过使位移测试滑塞43与支杆42分别在滑槽与调节槽内滑动，从而在杠杆41转动的过程中，使杠杆41的端部与位移测试滑塞纵向移动，准确反映出样本受压后的微变形。
对样本的微小位移进行测量时，将样本放置在样本测试台21上，当直线电机23带动压力测试头22下压样本后，压力测试头22纵向移动带动杠杆41转动，使位移测试滑塞43沿导轨槽45移动，因杠杆41随压力测试头22移动的端部与支杆42之间的距离小于位移测试滑塞43与支杆42之间的距离，因此，位移测试滑塞43移动的位移大于压力测试头22移动的距离，从而将压力测试头22的微小位移放大，放大的位移通过位移传感器44进行测量，换算后，即可得出样本的微小变形量，从而检测出样本的力学特性。
本发明中样本测试台21的初始位置通过XYZ移动平台50调整。具体的，XYZ移动平台50包括与底板11连接的X移动平台51、与X移动平台51滑动连接的XY移动平台52、沿XY移动平台52滑动的Y移动平台53、与Y移动平台53连接的Z平台底板54、与Z平台底板54垂直连接的第一Z向平台55、沿第一Z向平台55纵向滑动的第二Z向平台56、与第二Z向平台56连接且与第一导管31连接的Z平台顶板57，还包括驱动XY移动平台52在X移动平台51上沿X向移动的第一驱动组件、驱动Y移动平台53在XY移动平台52上沿Y向移动的第二驱动组件、驱动第二Z向平台56在第一Z向平台55上沿Z向移动的第三驱动组件。
具体的，第一驱动组件包括与X移动平台51连接的第一螺旋筒支架61、与XY移动平台52连接的第一挡块62、穿设在第一螺旋筒支架61上能够与第一挡62块相抵的第一螺杆63、与第一螺杆63螺接且与第一螺旋筒支架61连接的第一螺纹管64、与第一螺杆63端部螺接的第一螺旋筒65；第二驱动组件包括与XY移动平台52连接的第二螺旋筒支架、与Y移动平台53连接的第二挡块、穿设在第二螺旋筒支架上能够与第二挡块相抵的第二螺杆73、与第二螺杆73螺接且与第二螺旋筒支架连接的第二螺纹管、与第二螺杆端部螺接的第二螺旋筒75；第三驱动组件包括与Z平台底板54连接的旋钮支架81、与第二Z向平台56转动连接且能够与旋钮支架81相抵的旋钮82、与第二Z向平台56连接的第三螺旋筒支架83、穿设在第三螺旋筒支架83上能够与旋钮82相抵的第三螺杆84、与第三螺杆84螺接且与第三螺旋筒支架83连接的第三螺纹管85、与第三螺杆84端部螺接的第三螺旋筒86，其中，旋钮82包括旋钮杆91、套设在旋钮杆91上的旋钮环92，旋钮环92外周上连接有相垂直的第一旋钮臂93和第二旋钮臂94，第一旋钮臂93和第二旋钮臂94的端部均设有分别朝向旋钮支架81和第三螺杆84的触头，通过旋钮杆91使旋钮82与第二Z向平台56转动连接。
为使得XY移动平台52可相对X移动平台51滑动、Y移动平台53可相对XY移动平台52滑动、第二Z向平台56可相对第一Z向平台55滑动，本发明在XY移动平台52的上下台面上分别设有滑槽，且两滑槽呈正交设置，并在XY移动平台52与X移动平台51之间、Y移动平台53与XY移动平台52之间设置滑块58；同时在第一Z向平台55朝向第二Z向平台56的台面上也设置纵向的滑槽，并在第一Z向平台55与第二Z向平台56之间设置滑块58。
调整样本测试台21的初始位置时，通过调整Z平台顶板87的水平位置和纵向高度即可，具体的，旋转第一螺旋筒65，带动第一螺纹管64转动，使第一螺杆63朝向第一挡块62移动并与第一挡块62相抵，受到第一挡块62的抵挡，XY移动平台52在X移动平台51上沿X向移动，从而带动Z平台顶板57沿X向移动；同样的，旋转第二螺旋筒75，带动第二螺纹管转动，使第二螺杆73朝向第二挡块移动并与第二挡块相抵，受到第二挡块的抵挡，Y移动平台53在XY移动平台52上沿Y向移动，从而带动Z平台顶板57沿Y向移动；旋转第三螺旋筒86，带动第三螺纹管85转动，使第三螺杆84朝向旋钮82移动，并与旋钮82的第一旋钮臂93上的触头95接触，在第三螺杆84的作用下，旋钮82绕旋钮杆91转动，使第二旋钮臂94上的触头95与旋钮支架81接触，受旋钮支架81的抵挡作用，第二Z向平台56在第一Z向平台55上沿Z向移动，从而带动Z平台顶板57沿Z向移动，即实现了样本测试台21初始位置的调整。本发明利用螺杆调整Z平台顶板的空间位置，调节精度较高，可以实现微调整。
对于数据采集与处理方面，数据采集与处理综合应用编写程序界面进行，可以实时对测试采集的力与位移信号进行显示，并针对不同的材料模型进行数值分析与处理。数据采集板卡采用PCI-1706，实现力与位移信号的同步采集，后处理采用高弹性模型对信号进行分析插值，实现数据采集与处理综合一体化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种生物软组织微观力学特性测试仪，其特征在于：包括支座，所述支座上设有
-样本测试台、朝向样本测试台的压力测试头以及驱动压力测试头朝向/背向样本测试台移动的驱动机构；
-微型力测试组件，所述微型力测试组件包括第一导管、与第一导管活动连接且支撑所述样本测试台连接的第一活塞、第二导管、与第二导管活动连接的第二活塞、与第二活塞连接的放大压力台及对放大压力台进行受力测试的力传感器，所述第一导管与第二导管通过软管连通，所述样本测试台的截面积小于放大压力台的截面积。
2.根据权利要求1所述的生物软组织微观力学特性测试仪，其特征在于：所述支座上还设有微位移测量组件，所述微位移测量组件包括一端随所述压力测试头移动的杠杆、支撑杠杆的支杆、由杠杆带动移动的位移测试滑塞和对位移测试滑塞进行位移测试的位移传感器，所述杠杆随所述压力测试头移动的端部与所述支杆之间的距离小于所述位移测试滑塞与所述支杆之间的距离。
3.根据权利要求2所述的生物软组织微观力学特性测试仪，其特征在于：所述微位移测量组件还包括限定所述位移测试滑塞直线移动的导轨槽，所述杠杆沿其长度方向设有滑槽，所述位移测试滑塞一端与所述滑槽滑动连接、另一端与所述导轨槽滑动连接。
4.根据权利要求3所述的生物软组织微观力学特性测试仪，其特征在于：所述杠杆沿其长度方向还设有调节槽，所述支杆的端部与所述调节槽转动连接。
5.根据权利要求2所述的生物软组织微观力学特性测试仪，其特征在于：所述驱动结构为直线电机，直线电机的输出端通过连杆连接所述压力测试头。
6.根据权利要求5所述的生物软组织微观力学特性测试仪，其特征在于：所述杠杆随所述压力测试头移动的端部与所述连杆连接。
7.根据权利要求1所述的生物软组织微观力学特性测试仪，其特征在于：所述力传感器与所述放大压力台之间的距离可调节。
8.根据权利要求1所述的生物软组织微观力学特性测试仪，其特征在于：所述第一导管与第二导管的底部均设有液压口，所述软管的两端分别连接两液压口。
9.根据权利要求1-8任一项所述的生物软组织微观力学特性测试仪，其特征在于：所述支座上还设有支撑所述第一导管的XYZ移动平台，所述XYZ移动平台包括与所述支座连接的X移动平台、与X移动平台滑动连接的XY移动平台、沿XY移动平台滑动的Y移动平台、与Y移动平台连接的Z平台底板、与Z平台底板垂直连接的第一Z向平台、沿第一Z向平台纵向滑动的第二Z向平台、与第二Z向平台连接且与所述第一导管连接的Z平台顶板，还包括驱动所述XY移动平台在X移动平台上沿X向移动的第一驱动组件、驱动Y移动平台在XY移动平台上沿Y向移动的第二驱动组件、驱动第二Z向平台在第一Z向平台上沿Z向移动的第三驱动组件。
10.根据权利要求9所述的生物软组织微观力学特性测试仪，其特征在于：所述第一驱动组件包括与所述X移动平台连接的第一螺旋筒支架、与所述XY移动平台连接的第一挡块、穿设在第一螺旋筒支架上能够与第一挡块相抵的第一螺杆、与第一螺杆螺接且与第一螺旋筒支架连接的第一螺纹管、与第一螺杆端部螺接的第一螺旋筒；所述第二驱动组件包括与所述XY移动平台连接的第二螺旋筒支架、与所述Y移动平台连接的第二挡块、穿设在第二螺旋筒支架上能够与第二挡块相抵的第二螺杆、与第二螺杆螺接且与第二螺旋筒支架连接的第二螺纹管、与第二螺杆端部螺接的第二螺旋筒；所述第三驱动组件包括与所述Z平台底板连接的旋钮支架、与所述第二Z向平台转动连接且能够与旋钮支架相抵的旋钮、与第二Z向平台连接的第三螺旋筒支架、穿设在第三螺旋筒支架上能够与旋钮相抵的第三螺杆、与第三螺杆螺接且与第三螺旋筒支架连接的第三螺纹管、与第三螺杆端部螺接的第三螺旋筒，所述旋钮包括旋钮杆、套设在旋钮杆上的旋钮环，所述旋钮环外周上连接有相垂直的第一旋钮臂和第二旋钮臂，所述第一旋钮臂和第二旋钮臂的端部均设有分别朝向所述旋钮支架和第三螺杆的触头。
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