CN108760489B - 皮肤软组织生物力学参数测量的装置及方法 - Google Patents

皮肤软组织生物力学参数测量的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种皮肤软组织生物力学参数测量的装置及方法。其特征是：设计了一套针对皮肤软组织的生物力学参数测量装置，并建立了基于该测量装置的皮肤软组织生物力学参数测量方法。测量装置可实现皮肤软组织的规范切割，确保在测试过程中皮肤样本不发生滑移及机器损伤；测量方法可实现人体皮肤软组织的生物力学参数测试的规范化，保证皮肤软组织生物力学参数测量的有效性及准确性。

Description

皮肤软组织生物力学参数测量的装置及方法
技术领域
本发明属于生物力学研究领域，涉及人体皮肤软组织生物力学参数测量的装置及测量方法。
背景技术
皮肤覆盖于体表，是人体最大的器官，具有多种生理功能，其中许多功能的实现有赖于其生物力学特性，因此人体皮肤生物力学特性的研究有其重要意义。皮肤软组织生物力学参数对了解和掌握皮肤生理功能、正确评估临床皮肤移植具有重要意义。
目前，皮肤软组织生物力学参数测量多局限于动物，而针对人体皮肤软组织生物力学参数测量的装置及方法还鲜有报道。针对人体皮肤软组织的特殊性，在已有测试装置的基础上，设计相应的人体皮肤软组织生物力学测量夹具及剪切治具、设计规范的测试方法显得尤为重要和迫切。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种专门针对人体皮肤软组织的生物力学参数测量装置及方法。测量装置可以解决测量中皮肤样本的规范切割及无损伤夹持问题，为实现皮肤软组织的生物力学参数的规范测量提供基础；生物力学参数的测量方法，可以实现生物力学参数测量的规范性和有效性，保证参数测量的质量。
一套样品夹持器具，其特征在于：包括前端带有无损伤夹口的主体架组件，主体架组件通过转轴和扭簧连接压板，压板上开螺纹孔，通过螺纹孔连接有一套按压装置，该按压装置包括转轴销，转轴销上方设置有手柄，手柄通过锁紧螺丝连接到转轴销上方。
一套样品切割器具，其特征在于：包括三个独立的部分：主体座、安放座和切割部分；
进一步，在主体座上固定有限位板和限位柱，并且主体座上固定有垫板；
切割部分包括有对称设置的两片刀片锁紧块，两片刀片锁紧块之间设置有对称设置的两片刀片夹紧块；两片刀片锁紧块的两侧分别设置有定位销，将刀片锁紧块、刀片、刀片夹紧块、刀片、刀片夹紧块刀片、刀片锁紧块依次放置固定为一个整体；刀片的前方设置有盖板，盖板通过螺丝与两片刀片锁紧块固定为一个整体。
皮肤软组织生物力学参数测量装置所采用的技术方案是：该装置在为INSTRON公司5944机械测试机的基础上，专门为皮肤软组织设计了一套样品切割及夹持器具，并集成在INSTRON公司5944机械测试机，共同完成皮肤软组织生物力学参数的测量。其中，夹具采用无损伤夹口设计方案，不会对皮肤软组织造成机械损伤，并确保测试过程中皮肤软组织样本不发生滑移；样品切割工具，可实现皮肤软组织的规范切割。
皮肤软组织生物力学参数测量方法所采用的技术方案是：建立了一套规范的皮肤软组织生物力学参数测量流程，包括：样品切割制备、样品夹持、疲劳测试、参数测试等，利用该测量流程，可实现皮肤软组织生物力学参数的有效和准确测量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是设计了一套针对皮肤软组织的生物力学参数测量装置，并建立了基于该测量装置的皮肤软组织生物力学参数测量方法。该夹具可确保在测试过程中皮肤样本不发生滑移及机器损伤；该切割工具，可实现皮肤软组织的规范切割；生物力学参数测量方法，建立了一套从样品切割制备--样品夹持--疲劳测试--参数测试的规范的皮肤软组织生物力学参数测量流程，保证皮肤软组织生物力学参数测量的有效性及准确性。
本发明的上述技术方案有如下优点：1、基于已有生物力学测试装置，设计制作了针对人体皮肤软组织生物力学参数测量的剪切治具及夹具，剪切治具可实现皮肤软组织的规范切割，夹具可确保在测试过程中皮肤样本不发生滑移及机器损伤。2、设计了针对人体皮肤软组织的生物力学参数测试流程，保证皮肤软组织生物力学参数测量的有效性及准确性。
附图说明
图1切具及垫板样图
图2夹具样图
图3测量装置
图4夹具设计方案
图5切具及垫板设计方案
图6疲劳测试真应力-真应变曲线
图7真应力-真应变曲线
图8真应力-真应变曲线
具体实施方式
夹具用于皮肤软组织的夹持固定，具有无损伤夹口。在外部拉力作用下测试皮肤软组织生物力学特性时，无损伤夹口可确保测试过程中样本不发生滑移，也不会由于夹持而使皮肤软组织受损而影响测试结果。皮肤软组织夹具的设计方案及分解图见图4。
图4夹具设计方案
序号 名称 图号 规格 版本 材质 数量
1-1 主体架组件 ZJ2310100 - B 1.4021 1
1-2 压板 ZJ23102 88*18*10.8 B 1.4021 1
1-3 锁紧栓 - - - - 1
1-3.1 锁紧螺丝 ZJ2310301 φ10*30 B 1.4021 1
1-3.2 旋转手 011508020303 19.5*35*3 B 1.4301 1
1-3.3 转轴鞘 - - B 1.4301 1
1-4 扭簧 ZJ23104 φ4.2*1*15 B SUS631 1
1-5 转轴 - φ4*18 1.4301 1
切割工具将样品制成宽2mm长条状，实现皮肤软组织的规范切割，切割样品用于生物力学参数的标准化测量。皮肤软组织切具的设计方案及分解图见图5。
图5切具及垫板设计方案
Figure BDA0001653911260000031
Figure BDA0001653911260000041
一、人体皮肤软组织生物力学参数的测量
对协和医科大学整形外科医院术后皮肤样本进行生物力学参数的测量，获得弹性模量及初始弹性模量。
二、皮肤软组织生物力学参数测量装置的技术方案
在INSTRON公司5944机械测试机的基础上，专门为皮肤软组织生物力学参数测量设计了一套样品切割工具及样品夹持工具，简称切具和夹具，型号分别为BJUT-2017-QJ、BJUT-2017-JJ，成品图分别见图1和图2；夹具与5944机械测试机的连接见图3。
夹具用于皮肤软组织的夹持固定，具有无损伤夹口。在外部拉力作用下测试皮肤软组织生物力学特性时，无损伤夹口可确保测试过程中样本不发生滑移，也不会由于夹持而使皮肤软组织受损而影响测试结果。皮肤软组织夹具的设计方案及分解图见图4。
切割工具将样品制成长20mm、宽2mm，长宽比10:1的长条状，实现皮肤软组织的规范切割，切割样品用于生物力学参数的标准化测量。皮肤软组织切具的设计方案及分解图见图5。
三、皮肤软组织生物力学参数测量方法的技术方案
a)材料预处理：
1)实验样品制备：专用切割工具将样品制成长20mm、宽2mm，长宽比10∶1的长条状；
2)样本厚度测量：实验样品制备完成后，在保持皮肤自然形态情况下，于常温下测量样本厚度。测量方法为在样本厚度分布均匀的测试区域内，随机选取3点，通过数显千分尺完成厚度数据测量，取3点厚度均值记为样本厚度。
b)实验样品固定：测试样本两端由夹具按竖直方向夹持固定，保持内膜试验前为自然形态.测试中，样本下端固定不动，上端由拉伸仪牵引完成拉伸测试。
c)疲劳测试：在准静态条件下进行拉伸操作，以10mm/min的恒定位移速度，应变从0.00增加至最多3％时卸载，执行5个连续装载-卸载循环。
d)拉伸测试：疲劳测试结束后进行。以10mm/min速度对实验样品进行拉伸，直到实验样品出现破裂，记录实验过程拉伸数据，绘制真应力-真应变曲线。拉伸测试试验数据的有效性判别标准：在5个连续数据点范围内、载荷出现20％以上的连续下降、且为典型样本断裂方式(典型样本断裂方式:实验样本断裂发生在测试过程中的测试区域内，其中测试区为上下夹具中间的区域)。其他情况均视为拉伸测试试验数据无效。
真应力σT、真应变εT、瞬时截面积A、瞬时样本长度l，样本初始长度l0，计算公式为：
Figure BDA0001653911260000051
利用真应力-真应变曲线计算弹性模量的方法：皮肤软组织所受真应力与皮肤软组织产生的相应真应变之比。
利用真应力-真应变曲线计算初始弹性模量的方法：选取真应变0.01至0.20范围内的数据，计算测量点对应的弹性模量(真应力/真应变)，并计算相邻两个测量点间弹性模量的差值，将差值持续增大的区域作为初始弹性模量的计算区域。在初始弹性模量计算区域，获得真应变范围内、等间距的10个点对应的弹性模量数据，并计算10点弹性模量的平均值，该平均值即为初始弹性模量。
四、生物力学参数测量的具体实施
利用皮肤软组织生物力学参数测量方法(见上文)，对来自医学科学院整形外科医院提供的皮肤软组织样本进行测试，并记录试验数据。试验获得数据包括:拉伸载荷量F、拉伸形变量Δl、样本测试初始长度l0、内膜厚度数据h、瞬时样本长度l，基于上述参数计算瞬时截面积A。利用公式(1)计算真应力σT、真应变εT，绘制真应力-真应变曲线，并计算皮肤软组织的弹性模量及初始弹性模量。
第一块软组织被切割为两块样本，编号为1号、2号。利用两种夹持方式分别对1号和2号样本进行生物力学参数测量。第一种方式为利用本文提供的夹具—BJUT-2017-JJ进行样本夹持固定，第二种方式为利用医用阻断钳夹持并固定样本。两种固定方式获得的疲劳试验结果见图6、拉伸实验测试结果绘制的真应力-真应变曲线见图7(1号样本为BJUT-2017-JJ夹持，2号样本为医用阻断钳夹持)。
利用本文提供的夹具—BJUT-2017-JJ夹持固定样本，测试及计算结果为：弹性模量为40.3MPa，初始弹性模量为1.63MPa；试验过程外界施加的拉力范围0～6.5N；初始弹性模量对应区域：真应力的范围0.003-0.09MPa、真应变的范围10-15％、外界施加的拉力范围0.03～0.19N。
利用医用阻断钳夹持并固定样本，测试及计算结果为：弹性模量为20.0MPa，初始弹性模量为1.20MPa；试验过程外界施加的拉力范围0～4.5N；初始弹性模量对应区域：真应力的范围0.01-0.08MPa、真应变的范围7～12％、外界施加的拉力范围0.03～0.25N。
从数据结果可以看到，利用夹具—BJUT-2017-JJ夹持固定样本得到的皮肤软组织弹性模量明显大于医用阻断钳夹持并固定样本的计算结果，相应地，初始弹性模量的计算结果类似。说明医用阻断钳夹持方式样本出现了滑移现象。
为进一步说明问题，我们对另一块来自医学科学院整形外科医院的面部皮肤软组织进行力学参数测试。皮肤软组织被切割为3块，编号为3号、4号、5号，3号样本采用医用阻断钳夹持，4号、5号样本利用夹具BJUT-2017-JJ夹持固定，拉伸实验测试结果绘制的真应力-真应变曲线见图8。
利用本文提供的夹具—BJUT-2017-JJ夹持固定4号、5号样本，两样本测试及计算结果为：测试结果基本一致，弹性模量为30.2MPa，初始弹性模量为2.15MPa；试验过程外界施加的拉力范围0～11N；初始弹性模量对应区域：真应力的范围0.01-0.09MPa、真应变的范围3～8％、外界施加的拉力范围0.03～0.22N。
利用医用阻断钳夹持并固定3号样本，测试及计算结果为：弹性模量为21.2MPa，初始弹性模量为2.04MPa；试验过程外界施加的拉力范围0～6.5N；初始弹性模量对应区域：真应力的范围0.01-0.08MPa、真应变的范围3～8％、外界施加的拉力范围0.01～0.20N。
利用夹具—BJUT-2017-JJ夹持固定样本得到的皮肤软组织弹性模量明显大于医用阻断钳夹持并固定样本的计算结果，相应地，初始弹性模量的计算结果类似。进一步说明本文提供的夹具—BJUT-2017-JJ可以有效防止样本测试过程滑移，保证测试结果稳定可靠。

Claims (2)

1.皮肤软组织生物力学参数测量的装置，其特征在于，包括一套样品夹持器具及一套样品切割器具，
一套样品夹持器具：包括前端带有无损伤夹口的主体架组件，主体架组件通过转轴和扭簧连接压板，压板上开螺纹孔，通过螺纹孔连接有一套按压装置，该按压装置包括转轴销，转轴销上方设置有手柄，手柄通过锁紧螺丝连接到转轴销上方；
一套样品切割器具，包括三个独立的部分：主体座、安放座和切割部分；
在主体座上固定有限位板和限位柱，并且主体座上固定有垫板；
切割部分包括有对称设置的两片刀片锁紧块，两片刀片锁紧块之间设置有对称设置的两片刀片夹紧块；两片刀片锁紧块的两侧分别设置有定位销，将刀片锁紧块、刀片、刀片夹紧块、刀片、刀片夹紧块、刀片、刀片锁紧块依次放置固定为一个整体；刀片的前方设置有盖板，盖板通过螺丝与两片刀片锁紧块固定为一个整体。
2.应用如权利要求1所述装置的方法，其特征在于，步骤如下：
a)材料预处理：
1)实验样品制备：样品切割器具将样品制成长条状；
2)样品厚度测量：实验样品制备完成后，在保持样品自然形态情况下，于常温下测量样品厚度；测量方法为在样品厚度分布均匀的测试区域内，随机选取多点，通过数显千分尺完成厚度数据测量，取多点厚度均值记为样品厚度；
b)实验样品固定：测试样品两端由样品夹持器具按竖直方向夹持固定，保持样品试验前为自然形态，测试中，样品下端固定不动，上端由拉伸仪牵引完成拉伸测试；
c)疲劳测试：在准静态条件下进行拉伸操作，以10mm/min的恒定位移速度，应变从0.00增加至最多3％时卸载，执行多个连续装载-卸载循环；
d)拉伸测试：疲劳测试结束后进行；以10mm/min速度对实验样品进行拉伸，直到实验样品出现破裂，记录实验过程拉伸数据，绘制真应力-真应变曲线；拉伸测试试验数据的有效性判别标准：在5个连续数据点范围内、载荷出现20％以上的连续下降、且为典型样品断裂方式，典型样品断裂方式:实验样品断裂发生在测试过程中的测试区域内，其中测试区为上下夹具中间的区域；
e)真应力σT、真应变εT、瞬时截面积A、瞬时样品长度l，样品初始长度l0，拉伸载荷量F、计算公式为：
Figure FDA0002897097310000011
E＝σT/εT
利用真应力-真应变曲线计算弹性模量的方法：样品所受真应力与样品产生的相应真应变之比；
利用真应力-真应变曲线计算初始弹性模量的方法：选取真应变0.01至0.20范围内的数据，计算测量点对应的弹性模量，并计算相邻两个测量点间弹性模量的差值，将差值持续增大的区域作为初始弹性模量的计算区域；在初始弹性模量计算区域，获得真应变范围内、等间距的多个点对应的弹性模量数据，并计算多点弹性模量的平均值，该平均值即为初始弹性模量。
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