CN106591122B - 用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置 - Google Patents

用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置 Download PDF

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Abstract

一种用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置，包括：支架框，具有相互连接的四个侧壁、连接该四个侧壁的底板以及用于将两个相对设置的侧壁相连接的滑块和弯曲梁；压迫单元，设置在支架框上，包括设置在其他两个侧壁上的两个对向设置的侧壁伸缩组件；持续张应力单元，包括设置在底板上的竖直方向伸缩组件；以及驱动控制单元，与底部伸缩组件和两个侧壁伸缩组件分别连接并进行控制，其中，侧壁伸缩组件用于伸缩压迫冠状动脉硅胶管，底部伸缩组件用于提供对冠状动脉硅胶管持续向上的张应力，均包括伺服电机、与该伺服电机连接的电子凸轮、与该电子凸轮连接的伸缩杆以及与该伸缩杆相连的模拟心肌桥滑块和弯曲梁。

Description

用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置
技术领域
本发明涉及医疗机械领域，具体涉及一种心肌桥的力学性能及持续提供张应力对内皮细胞的体外培养实验装置。
背景技术
现有的心肌桥冠状动脉模拟装置是通过直线步进电机给周期性脉冲信号，带动滑块做往复运动对模拟的弹性管腔做周期性压迫；四点梁弯曲装置是通过机械凸轮使弹性梁发生塑性形变提供持续的张应力。而且是单一的心肌桥压迫装置或张应力加载实验装置。
首先，现在的模拟心肌桥周期性压迫装置有以下不足：从结构上来说使用传统的凸轮压迫模拟的动脉血管是一种不均匀的压迫，不能做到像滑块一样对模拟血管周向均匀性压迫，其上述装置显然不符合真实的血液动力学环境。而现有技术也有通过滑块实现对血管均匀周期性压迫的，但大多都是采用步进电机，通过步进电机周期性正反转实现滑块的直线往复运动，这种技术最大的不足就是步进电机在较高频率下周期性正反转和较高转速的条件下容易产生机械振动，这对内皮细胞的培养会产生很大的影响，随着对步进电机脉冲频率的不断提高，这种不利的影响会更加明显，同时也限制了该装置力学测量范围。
其次，现有的两种典型的张应力装置有以下不足：一种四点梁弯曲法提供张应力，这种弯曲装置基本是一次性加载，而且必要条件下还要不断更换弯曲梁；另外一种是在密闭腔里通过改变空气压力来改变模拟血管所受到的张应力，但是密闭腔体容易产生泄露问题，而且实验装置也比较复杂，对实验结果也有一定的影响。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明方案用电子凸轮将张应力加载装置和心肌桥模拟装置相结合，可以更好的模拟动脉血管在不同周向应力条件下，血液动力学对内皮细胞生长形态的影响。
一种持续的张应力加载及心肌桥周期性压迫模拟装置，用于对放入的冠状动脉硅胶管进行周期性压迫及内皮细胞持续张应力体外加载实验，其特征在于，包括：支架框，具有相互连接的四个侧壁、连接该四个侧壁的底板以及用于将两个相对设置的侧壁相连接的滑块和弯曲梁；压迫单元，用于对放入的冠状动脉硅胶管进行周期性伸缩压迫，设置在支架框上，包括设置在其他两个侧壁上的两个对向设置的侧壁伸缩组件；持续张应力单元，包括设置在底板上的竖直方向伸缩组件，用于对放入的冠状动脉硅胶管进行向上持续性的张应力；以及驱动控制单元，与底部伸缩组件和两个侧壁伸缩组件分别连接并进行控制，其中，侧壁伸缩组件用于伸缩压迫冠状动脉硅胶管，底部伸缩组件用于提供对冠状动脉硅胶管持续向上的张应力，两个侧壁伸缩组件和一个底部伸缩组件均包括伺服电机、与该伺服电机连接的电子凸轮、与该电子凸轮连接的伸缩杆以及与该伸缩杆相连的模拟心肌桥滑块和弯曲梁，该模拟心肌桥滑块和弯曲梁位于支架框内。
本发明提供的用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，支架框还包括透明盖板，设置在四个侧壁的上部。
本发明提供的用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，底部伸缩组件与弯曲梁设置在模拟血管下方的位置，左右的侧壁伸缩组件连接着滑块。
本发明提供的用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：两个侧壁伸缩组件的伺服电机设置在对应的侧壁的外表面，而底部伸缩组件的伺服电机设置在底板上且位于四个侧壁外的部位。
本发明提供的用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，底部伸缩组件的伺服电机通过皮带和电子凸轮连接。
本发明提供的用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，电子凸轮和伸缩杆均设置在支架框内。
本发明提供的用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，侧壁伸缩组件的伺服电机通过联轴器和电子凸轮连接。
本发明提供的用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，驱动控制单元包括PLC、伺服驱动器以及光电编码器。
发明作用与效果
根据本发明所提供的用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置，针对现有技术的不足，本发明方案将张应力加载装置和心肌桥模拟装置相结合，可以更好的模拟动脉血管在不同周向应力条件下，血液动力学对内皮细胞生长形态的影响。
由于使用电子凸轮驱动模拟心肌桥滑块和弯曲梁保证了更大的力学测量范围。
本发明装置在高频率的条件下依然能够平稳的运转，因为电子凸轮是通过升缩杆来控制模拟心肌桥滑块做往复运动，避免了现有技术中的丝杆在高频的情况下难以实现的问题。
附图说明
图1是本发明的用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置的正视图；
图2是本发明的用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置的左视图；
图3是本发明的用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置的俯视图；以及
图4是本发明的控制示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的持续张应力加载及心肌桥周期性压迫模拟装置的结构、原理、使用步骤、技术效果作具体阐述。
实施例
图1是本发明的用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置的正视图；
图2是本发明的用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置的左视图；
图3是本发明的用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置的俯视图。
如图1、2、3所示，本实施例装置包括支架框、压迫单元、持续张应力单元以及驱动控制单元。
支架框，具有相互连接的四个侧壁、连接该四个侧壁的底板，及设置在四个侧壁的上部透明盖板6。
压迫单元，用于对放入的冠状动脉硅胶管进行周期性伸缩压迫，设置在支架框上，包括设置在其他两个侧壁上的两个对向设置的侧壁伸缩组件和位于支架框的下部的底部伸缩组件。
持续张应力单元，用于对放入的冠状动脉硅胶管提供持续性张应力，弯曲梁在电子凸轮的驱动下向上移动一段距离，使得黏附性铺展的内皮细胞的培养基底被拉伸，管腔底部表面积扩大，改变了管腔底部垂直方向所受的张应力。
侧壁伸缩组件用于伸缩压迫冠状动脉硅胶管，这两个伸缩组件均包括包括伺服电机、与该伺服电机连接的电子凸轮、与该电子凸轮连接的伸缩杆以及与该伸缩杆相连的模拟心肌桥滑块。
两个侧壁伸缩组件结构相同，下面对照图1来说明侧壁伸缩组件中四个零部件的具体位置和连接关系。伺服电机1设置在对应的侧壁的外表面，电子凸轮2和伸缩杆3以及模拟心肌桥滑块4均设置在支架框内，伺服电机1通过联轴器5和电子凸轮连接。
底部伸缩组件的伺服电机设置在底板上且位于四个侧壁外的部位，同样的如图1、2所示，它的电子凸轮和伸缩杆以及弯曲梁也是均设置在支架框内，只是伺服电机11通过皮带轮和电子凸轮10连接。
如图1和3所示，底部伸缩组件的弯曲梁8设置在模拟血管正下方的位置，并且底部伸缩组件与弯曲梁8，对该冠状动脉硅胶管7进行持续性张应力加载。
驱动控制单元，包括PLC、伺服驱动器以及光电编码器。PLC连接伺服驱动器，而伺服驱动器连接伺服电机，然后伺服电机直接驱动电子凸轮的运转。光电编码器与伺服驱动器连接，将位置和压力反馈给伺服驱动器。
图4是本发明的控制示意图。
下面结合附图4来说明本实施例的装置的工作过程。
首先，PLC给电子凸轮2设定好速度位移曲线，电子凸轮在伺服电机的带动下通过伸缩杆使得模拟心肌桥滑块做周期往复运动，通过更改PLC程序可以实现不同程度和不同频率的压迫应力，完成对心肌桥壁冠状动脉的模拟。
其次，PLC给电子凸轮一个输出信号，伺服电机通过带轮驱动电子凸轮输出一定的位移量，PLC可以通过自带的定时器定时功能，使得电子凸轮保持在一定的位移输出量，使得弯曲梁向上移动一段合适的距离，模拟冠状动脉硅胶管7在时间t内获得垂直方向的变形量，达到一定张应力加载条件下对内皮细胞的培养。
最后，关于PLC对电子凸轮的控制原理：装在伺服电机上的光电编码器给PLC的计数器提供位置脉冲，电子凸轮绝对方式指令可以产生对应于计数值变化的输出波形用来控制目标操作数定义的输出变量(伸缩杆的位移量)的ON/OFF。PLC程序中(S1.)源操作数是保存输出信号上升沿、下降沿时的计数值软元件编号，(S2.)是对应位置脉冲技术的计数器编号。电子凸轮通过增量式顺控指令，对指定的计数器对位置脉冲计数，使它们依次为ON，并且同时只有两个变量为ON，也就是保证在模拟心肌桥压迫装置中的两个电子凸轮工作的时候，控制弯曲梁工作的电子凸轮是不工作的。初始化指令IST与步进指令STL一起使用保证了在上述两种工作方式下顺序动作控制参数，电子凸轮增量方式指令INCD用于脉冲计数，通过C0定时器可以调节脉冲间隔时间和张应力加载时间。
本装置中如何通过电子凸轮准确的模拟心肌桥周期性压迫壁冠状动脉，以及如何在非密闭腔体中也能对模拟血管提供持续的张应力，是最大的创新点，通常情况下是要将心肌桥滑块、冠状动脉硅胶管7都置于一个密闭的环境中，通过静水压或者空气压力实现对冠状动脉硅胶管7所受周向应力的改变，在这种情况下模拟冠状动脉硅胶管7只可能收缩，而不可能舒张，在密闭的环境下O2，CO2等会失衡，不利于内皮细胞的生长，这些因素都是违背真实的血液动力学环境的。
本实验装置很好的解决了这些问题：在非密闭环境中实现了张应力对冠状动脉硅胶管7的加载，电子凸轮2在扫描周期内输出一定的脉冲个数，可在线修改输出曲线提高了装置的可靠性，用电子凸轮代替传统的机械凸轮简化了装置的硬件设备，提高了工作效率。
实施例的作用和有益效果
根据本发明提供的装置，针对现有技术的不足，本发明方案将张应力加载装置和心肌桥模拟装置相结合，可以更好的模拟动脉血管在不同周向应力条件下，血液动力学对内皮细胞生长形态的影响。
由于使用电子凸轮驱动模拟心肌桥滑块和弯曲梁保证了更大的力学测量范围。
本发明装置在高频率的条件下依然能够平稳的运转，因为电子凸轮是通过升缩杆来控制模拟心肌桥滑块做往复运动，避免了现有技术中的丝杆在高频的情况下难以实现的问题。
同时通过PLC连接驱动器控制电子凸轮，使得心肌桥模拟装置的施压频率与心脏的心搏频率更加一致，而且通过修改PLC程序，可以更加便捷的实施不同受压状况下心肌桥模拟装置的输出波形，而实际情况中心肌桥压迫壁冠状动脉在不同的心率下，心脏收缩期压迫程度也是有很大不同的，这就要求体外加载装置能够模拟在不同心率周期下，提供不同应力幅值。显然通过步进电机的正反转在高频率的调节下，电机产生的振动、以及滑块在通过丝杆在导轨上运动，都对整个装置的稳定性产生了较大的影响，而这种影响对内皮细胞的培养是不可忽略的。
而且PLC控制下的伺服电机，适用于高速响应场合，避免了步进电机在高速的条件下失步和机械振动的现象，电子凸轮非常适用于快速响应的场合。在真实的血液动力学环境中，壁冠状动脉所受到的压迫有表浅型和纵深型，而且是周向压迫本装置将张应力和心肌桥模拟装置相结合，可以保证至少血管截面上三个方向上受力，此体外加载装置更加真实地模拟了这种临床现象。

Claims (8)

1.一种用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置，用于对放入的冠状动脉硅胶管进行周期性压迫及内皮细胞持续张应力体外加载实验，其特征在于，包括：
支架框，具有相互连接的四个侧壁以及连接该四个侧壁的底板；
压迫单元，用于对放入的所述冠状动脉硅胶管进行周期性伸缩压迫，设置在所述支架框上，包括两个侧壁伸缩组件；
持续张应力单元，包括设置在所述底板上的竖直方向的底部伸缩组件，用于对放入的所述冠状动脉硅胶管进行向上持续性的张应力；
驱动控制单元，与所述底部伸缩组件和两个所述侧壁伸缩组件分别连接并进行控制，
其中，所述冠状动脉硅胶管的两端分别与两个相对的所述侧壁垂直连接，
两个所述侧壁伸缩组件对向设置在其他两个所述侧壁上，所述侧壁伸缩组件用于伸缩压迫冠状动脉硅胶管，所述侧壁伸缩组件包括依次相连接的伺服电机、电子凸轮、伸缩杆以及模拟心肌桥滑块，
所述底部伸缩组件用于提供对所述冠状动脉硅胶管持续向上的张应力，所述底部伸缩组件包括依次相连接的伺服电机、电子凸轮、伸缩杆以及弯曲梁，
所述模拟心肌桥滑块和弯曲梁位于支架框内。
2.根据权利要求1所述的用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置，其特征在于：
其中，所述支架框还包括透明盖板，设置在四个所述侧壁的上部。
3.根据权利要求1所述的用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置，其特征在于：
其中，所述底部伸缩组件的所述弯曲梁设置在模拟血管下方的位置，左右的所述侧壁伸缩组件连接有所述模拟心肌桥滑块。
4.根据权利要求3所述的用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置，其特征在于：
其中，两个所述侧壁伸缩组件的伺服电机设置在对应的所述侧壁的外表面，而所述底部伸缩组件的伺服电机设置在所述底板上且位于四个所述侧壁外的部位。
5.根据权利要求1所述的用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置，其特征在于：
其中，所述底部伸缩组件的伺服电机通过皮带和所述底部伸缩组件的电子凸轮连接。
6.根据权利要求3所述的用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置，其特征在于：
其中，所述侧壁伸缩组件的电子凸轮和伸缩杆以及所述底部伸缩组件的电子凸轮和伸缩杆均设置在所述支架框内。
7.根据权利要求1所述的用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置，其特征在于：
其中，所述侧壁伸缩组件的伺服电机通过联轴器和所述侧壁伸缩组件的电子凸轮连接。
8.根据权利要求1所述的用电子凸轮实现持续张应力及心肌桥周期性压迫模拟装置，其特征在于：
其中，所述驱动控制单元包括PLC、伺服驱动器以及光电编码器。
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