CN109859592B - 一种软组织损伤模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软组织损伤模拟试验装置，其结构为：软组织模拟结构的滑移表征关节之间的摩擦，表面的凹凸不平表征软骨面的高低不平；第一和第二韧性模拟结构分居软组织模拟结构的两侧，用于模拟关节与肌肉组织的连接部位；第一和第二肌肉弹性模拟分别位于第一和第二韧性模拟结构的另一侧，用于模拟肌肉组织；韧带的两端分别连接第一和第二韧性模拟结构，用于防止两韧性模拟结构的过度变形；活性粘性体液用于模拟关节滑液及组织间体液。应用本发明可模拟软组织损伤情况，进而通过分析组织结构组成和各部分力学机制，从机理上阐明软组织损伤疼痛症的本质原因，为针刺和针刀盲视诊疗提供试验平台。

Description

一种软组织损伤模拟试验装置

技术领域

本发明属于医疗模拟试验技术领域，具体涉及一种软组织损伤模拟试验装置,用于模拟损伤的软组织，将制订的诊疗方案作用在其上进行试验评估。

背景技术

目前对于人体软组织损伤疼痛在诊疗过程中采用针刺及针刀微创盲视治疗技术的理论解释严重不足，尤其诊治部位的选择盲目，有的在关节附近，有的在肌肉部位，且针对不同的患者，治疗效果也各有说辞，导致很多医者在运用针刺及针刀等治疗手段时对治疗部位缺乏准确把握。造成这一问题的关键是对软组织的材料组成和运动性能认识不足，缺乏针对软组织损伤疼痛认识的清晰的组织结构组成分析和力学控制模型及诊疗机制的动态精细数值分析方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种软组织损伤模拟试验装置及方法,用于模拟损伤的软组织，并可将制订的诊疗方案作用在其上进行试验评估。

为实现本发明的技术目的，本发明提供了以下技术方案：

一种软组织损伤模拟试验装置，包括关节腔模拟件以及位于其周围的软组织模拟结构、第一韧性模拟结构、第二韧性模拟结构、第一肌肉弹性模拟结构、第二肌肉弹性模拟结构和活性粘性体液；软组织模拟结构的滑移表征关节之间的摩擦，表面的凹凸不平表征软骨面的高低不平；第一和第二韧性模拟结构分居软组织模拟结构的两侧，用于模拟关节与肌肉组织的连接部位；第一和第二肌肉弹性模拟结构分别位于第一和第二韧性模拟结构的另一侧，用于模拟肌肉组织；韧带的两端分别连接第一和第二韧性模拟结构，用于防止两韧性模拟结构的过度变形；活性粘性体液填充于关节腔模拟件内，用于模拟关节滑液及组织间体液。

进一步地，所述软组织模拟结构为由多个弹性球形支座构成的阵列结构，多个弹性球形支座之间通过第一连接支撑连接；弹性球形支座的滑移表征关节之间的摩擦，阵列结构表面的凹凸不平表征软骨面的高低不平。

进一步地，所述第一韧性模拟结构和第二韧性模拟结构的结构相同；第一韧性模拟结构包括多个第一弹性椭球体、多个第二弹性椭球体、多个第二连接支撑、多个第三连接支撑以及多个第一弹簧；多个第一弹性椭球体排布形成第一平面的多个椭圆环，同一椭圆环的相邻第一弹性椭球体之间通过第二连接支撑连接；多个第二弹性椭球体排布形成第二平面的多个椭圆环，同一椭圆环的相邻第二弹性椭球体之间通过第三连接支撑连接；多个第一弹簧的一端分别连接第一弹性椭球体，另一端分别连接第二弹性椭球体，第一弹簧的伸长与压缩表征肌肉与骨骼连接部位的结缔组织的收缩与舒张。

进一步地，所述第一肌肉弹性模拟结构和第二肌肉弹性模拟结构相同；第一肌肉弹性模拟结构包括多个第三弹性椭球体、多个第四连接支撑以及多个第二弹簧，多个第三弹性椭球体排布形成第三平面的多个椭圆环，同一椭圆环的相邻第三弹性椭球体之间通过第四连接支撑连接，多个第二弹簧的一端分别连接第二弹性椭球体，另一端分别连接第三弹性椭球体，第二弹簧的伸长与压缩表征关节部位的肌肉组织的收缩与舒张。

进一步地，所述活性粘性体液按照其在关节腔模拟件内分布位置的浓度大小排序为：软组织模拟结构>第一、第二韧性模拟结构>第一、第二肌肉弹性模拟结构。

进一步地，所述弹性球形支座的弹性系数f按照如下方式确定：

t为年龄阈值，b为体型系数，g为性别系数，r为人种系数，p为关节类型系数，a为年龄。

进一步地，所述第一弹簧的弹性系数f₁按照如下方式确定：

其中，t为年龄阈值，b为体型系数，g为性别系数，r为人种系数，p为关节类型系数，a为年龄，x为某个第一弹簧距离关节腔模拟件轴线的距离。

进一步地，所述第二弹簧的弹性系数f₂按照如下方式确定：

其中，t为年龄阈值，b为体型系数，g为性别系数，r为人种系数，p为关节类型系数，a为年龄，y为第二弹簧距离关节腔模拟件轴线的距离。

进一步地，所述弹性球形支座采用硅橡胶材料，所述韧带采用聚己内酯材料，所述活性粘性体液采用粘性油脂，第一和第二弹性椭球体采用高顺式丁二烯橡胶材料，第三弹性椭球体采用聚氨酯塑胶材料。

本发明的有益技术效果体现在：

应用本发明可模拟软组织损伤情况，进而通过分析组织结构组成和各部分力学机制，从机理上阐明了软组织损伤疼痛症的本质原因，为针刺和针刀盲视诊疗提供精确的理论分析和可控精细诊疗操作指导。

附图说明

图1为本发明实施例的软组织结构示意图；

图2为本发明实施例的蠕变弹性微结构的横剖面图；

图3为本发明实施例的在第一弹性椭球体处的横剖面图；

图4为本发明实施例的第二弹性椭球体处的横剖面图；

图5为本发明实施例的第三弹性椭球体处的横剖面图；

图6为本发明实施例的第一类异常连接；

图7为本发明实施例的第二类异常连接；

图8为本发明软组织损伤模拟试验方法流程图；

图9为本发明软组织异常连接模拟试验方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明软组织损伤模拟试验装置实施例的软组织结构示意图。装置包括：关节腔模拟件、软组织模拟结构1、韧性模拟结构2、肌肉弹性模拟结构3、韧带13和活性粘性体液8。

关节腔模拟件模拟关节附近骨骼和体表形成的腔体，作为其它结构件的支撑体，它可由PVC材料制作而成。

软组织模拟结构1由多个蠕变弹性微结构排布形成阵列结构。在本发明中，蠕变弹性微结构优选采用弹性球形支座4，多个弹性球形支座4之间由第一连接支撑12进行连接；弹性球形支座4可由硅橡胶材料制作而成，弹性系数取值范围为：66～85N/mm。将弹性球形支座4设定为球形，由于球形比较容易滑动，可以更好的模拟蠕变。

韧性模拟结构2包括结构相同的第一韧性模拟结构和第二韧性模拟结构且分居软组织的两侧。以第一韧性模拟结构举例说明，第一韧性模拟结构包括多个第一弹性椭球体9、多个第二弹性椭球体10、多个第二连接支撑14、多个第三连接支撑15和多个第一弹簧5。第一弹性椭球体9靠近通过结构胶粘在关节腔模拟件上面。

多个第一弹性椭球体排布形成同一平面的多个椭圆环，同一椭圆环的相邻第一弹性椭球体之间通过第二连接支撑14连接，如图3所示；多个第二弹性椭球体10排布形成同一平面的多个椭圆环，同一椭圆环的相邻第二弹性椭球体10之间通过第三连接支撑15连接，如图4所示。第一弹簧5的两端分别与第一弹性椭球体9和第二弹性椭球体10通过结构胶粘在一起，每个第一弹性椭球体9或第二弹性椭球体10可以连接一个或多个第一弹簧5。第一弹性椭球体9和第二弹性椭球体10可由譬如高顺式丁二烯橡胶等的弹性材料制作而成。第一弹性椭球体9、和第二弹性椭球体10的弹性系数取值范围均为：15～20N/mm；第一弹簧5的弹性系数取值范围为：20～26N/mm。

肌肉弹性模拟结构3包括结构相同的第一肌肉弹性模拟结构和第二肌肉弹性模拟结构。以第一肌肉弹性模拟结构为例，第一肌肉弹性模拟结构包括多个第二弹簧6、第三扁椭球体11和第四连接支撑16。多个第三弹性椭球体11排布形成同一平面的多个椭圆环，同一椭圆环的相邻第三弹性椭球体11之间通过第四连接支撑16连接，如图5所示。第三弹性椭球体11由譬如聚氨酯塑胶等弹性材料制作而成。第二弹簧6的两端分别与第二弹性椭球体10和第三弹性椭球体11通过结构胶粘在一起，每个第二弹性椭球体10或第三弹性椭球体11可以连接一个或多个第二弹簧6。第三弹性椭球体11的弹性系数取值范围为：25～30N/mm，第二弹簧6的弹性系数取值范围为：40～52N/mm。

韧带13的两端分别连接第一和第二韧性模拟结构。韧带13与第二弹性椭球体10通过结构胶粘在一起。韧带13可由譬如高韧性弹性材料聚己内酯等弹性材料制作而成，弹性系数为：60～70N/mm；

活性粘性体液分布于整个关节腔模拟件内，用于模拟关节滑液及组织间体液，其浓度大小排序为软组织模拟结构1>韧性模拟结构2>肌肉弹性模拟结构3。

蠕变弹性微结构模拟的是关节之间的软组织。球形支座的弹性可以模拟软组织的韧性，缓冲运动时产生的震动；球形支座的滑移可以模拟关节之间的摩擦。当某些球形支座发生异常，会引起蠕变弹性微结构的表面凹凸不平，进而影响韧性模拟结构和肌肉弹性模拟结构的功能，这种情况可以模拟软骨面的高低不平导致的关节间隙对合不称，进而给关节活动带来影响。

由于第一弹性椭球体9部分粘在在腔体上，在活性粘性体液8的作用下，第一弹性椭球体9和第一弹簧5可以产生微小的移动；第一弹性椭球体9和第一弹簧5微小的移动可以模拟关节的蠕变，当该结构的蠕变发展到一定程度，就可以视为关节发生病变。韧性模拟结构2模拟的是关节与肌肉组织的连接部位；该结构的具体实现方式为：韧性模拟结构2中第一弹簧5的伸长与压缩可以模拟肌肉与骨骼连接部位的结缔组织的收缩与舒张。弹性椭球体采用椭球体，是因为椭球体与骨骼的表面有更多的接触面积，能更好的模拟。

肌肉弹性模拟结构3模拟的是肌肉组织；该结构的具体实现方式为：肌肉弹性模拟结构3中弹簧的伸长与压缩可以模拟关节部位的肌肉组织的收缩与舒张。从骨骼到体表，弹簧的弹性系数依次减小。

活性粘性体液8采用粘性油脂实现，分布在蠕变弹性微结构中的活性粘性体液8起着润滑作用及康复，有延缓蠕变发展的趋势，并保持生物活性促成软组织修复。

韧带13可以防止韧性模拟结构2和肌肉弹性模拟结构3的过度变形，起着稳定和保护韧性模拟结构2和肌肉弹性模拟结构3的作用。

下面对应用上述装置的诊疗控制数值分析模型进行说明。分别为蠕变弹性微结构与韧性模拟结构2和肌肉弹性模拟结构3建立了数学模型和诊治步骤；蠕变弹性微结构1中的数学模型为：

蠕变弹性微结构中的弹性球形支座的弹性系数f是年龄a，性别g，人种r，体型系数b和关节类型p的函数。

t为年龄阈值，b为体型系数，g为性别系数，r为人种系数，p为关节类型系数，a为年龄，上述参数均为实验值，可根据试验结果调整。在本发明的实施例中，年龄阈值t取值为20；b为体型系数，当体型分别为瘦，一般，胖时，取值分别为b＝2.9，b＝3.0和b＝3.1；性别g分别为男和女时，性别系数分别为g＝1.2和g＝1.1；人种(r)分别为白，黄，棕和黑色人种时，人种系数分别为r＝4.22，r＝4.26，r＝4.30和r＝4.34；关节类型分别是肩关节、肘关节、腕关节、髋关节、膝关节、踝关节、指关节和趾关节时，关节类型系数分别为p＝1.11，p＝1.09，p＝1.06，p＝1.12，p＝1.10，p＝1.08，p＝1.07和p＝1.05。

韧性模拟结构2和肌肉弹性模拟结构3的数学模型为：

第一弹簧5和第二弹簧6的弹性系数是位置x，年龄a，性别g，人种r，体型系数b和关节类型p的函数。假设韧性模拟结构2(或肌肉弹性模拟结构3)中的某个弹簧距离关节腔模拟件17轴线的距离为x(y)cm，如图1中的标注所示。

第一弹簧5弹性系数f₁为

第二弹簧6弹性系数f₂为

其中，t为年龄阈值，经验值取值为20；b为体型系数，当体型分别为瘦，一般，胖时，取值分别为b＝2.9，b＝3.0和b＝3.1；性别g分别为男和女时，性别系数分别为g＝1.2和g＝1.1；人种(r)分别为白，黄，棕和黑色人种时，人种系数分别为r＝4.22，r＝4.26，r＝4.30和r＝4.34；关节类型分别是肩关节、肘关节、腕关节、髋关节、膝关节、踝关节、指关节和趾关节时，关节类型系数分别为p＝1.11，p＝1.09，p＝1.06，p＝1.12，p＝1.10，p＝1.08，p＝1.07和p＝1.05。

制作本发明的装置时，针对不同的年龄，性别，人种，体型系数和关节类型进行组合时，先由上述公式对弹性系数进行计算，然后就可以选择相应弹性系数的材料进行模型制作。

动态试验分析方法：

1、软组织模拟结构

软组织模拟结构的试验分析如下：

第1步：已知某人的年龄，性别，人种，关节类型和体型系数，就可以算出蠕变弹性微结构中的弹性球体的弹性系数f；

第2步：假定蠕变弹性微结构中某个弹性球形支座受到的力的大小为F。F的方向与关节腔模拟件17轴线的夹角为θ，取值范围为0～180°。由胡克定律可以算出此时的理论形变量x₀＝F·cosθ/f；

第3步：在给定的F值下，遍历θ的取值范围，可以建立理论形变量的第一数据库；改变力的大小之后，再遍历θ的取值范围，扩充理论形变量的第一数据库。

第4步：给弹性球形支座施加力F₁，方向与关节腔模拟件17轴线的夹角为θ₁，测量得到此时的形变量x₁；

第5步：在第一数据库中找到夹角取值为θ₁和力的大小为F₁时的理论形变量x₂；将测量得到的形变量x₁与x₂进行比较，如果x₁明显小于x₂,说明该处为复位处，复位处的恢复力F₀＝f·(x₂-x₁)/cosθ₁，它的方向与关节腔模拟件17轴线的夹角为θ₁。

从医疗方案看，复位处表征该处的组织发生粘连，我们可以用针刺或针刀剥离软组织相互粘连，使用针刺或针刀的力度为F₀，它的方向与关节腔模拟件17轴线的夹角为θ₁。针刺或针刀治疗完成后，在同一个位置和方向施加力F₁，测量得到此时的形变量x₃；如果x₃≈x₂，即达到了治疗效果。

2、韧性模拟结构和肌肉弹性模拟结构

韧性模拟结构2和肌肉弹性模拟结构3中的弹簧均有可能随机出现第一类软组织异常连接18和第二类软组织异常连接19。

第一类软组织异常连接18：韧性模拟结构2中的邻近的两个弹簧，比如虚线和实线弹簧，如果异常连接甚至缠绕在一起，详情见图6，这两个弹簧就会相互影响，而无法正常工作，这也揭示了模拟人体内部软组织之间的粘连临床症状。治疗方法就是借助外力使两个弹簧(虚线和实线)分开，各自独立工作，而不相互影响，临床上表现为：用针刺或针刀剥离软组织相互粘连的部位，恢复弹簧位置。

第二类软组织异常连接19：当韧性模拟结构2和肌肉弹性模拟结构3中的某一个弹簧A被压缩时，如果此时正好与旁边的弹性系数较大的弹簧B连接时，就会造成弹簧A不能恢复原状，临床表现为：肌肉的挛缩、瘢痕。治疗时只需要切除两个弹簧(A和B)之前的连接，弹簧A就会正常工作，如图7所示；临床诊治表现为：用针刺或针刀剥离软组织相互粘连的部位，进行松解，恢复各组织结构。作为诊治试验装置，模拟损伤的部分构件，每次试验进行切割之后，部件可进行更换实现反复试验目的。

韧性模拟结构2和肌肉弹性模拟结构3的具体试验方法如下：

第一弹簧5和第二弹簧6的弹性系数f₃是位置x，年龄a，性别g，人种r的函数。假设韧性模拟结构2(或肌肉弹性模拟结构3)中的某个弹簧距离关节腔模拟件17轴线的距离为xcm，如图1中的标注所示。

第1步：已知某人的年龄，性别，人种，关节类型，体型系数和韧性模拟结构2(或肌肉弹性模拟结构3)中某测试(疼痛)部位距离关节腔模拟件17轴线的距离为x₁，就可以算出韧性模拟结构2(或肌肉弹性模拟结构3)中该部位的弹簧的弹性系数f₃；

第2步：假定在该测试部位受到的力的大小为F₂。F₂的方向与关节腔模拟件17轴线的夹角为θ₂，取值范围为0～180°。由胡克定律可以算出此时的理论形变量x₄＝F₂·cosθ/f₃；

第3步：在给定的F₂下，遍历θ₂的取值范围，可以建立理论形变量的第二数据库；改变力的大小之后，再遍历θ₂的取值范围，扩充理论形变量的第二数据库。

第4步：给韧性模拟结构2(或肌肉弹性模拟结构3)中距离关节腔模拟件17轴线的距离为x₁的部位施加力F₃，方向与关节腔模拟件17轴线的夹角为θ₃，测量此时的形变量x₅；

第5步：在数据库中找到夹角的取值为θ₃和力的大小为F₃时的理论形变量x₆；将测量得到的形变量x₅与x₆进行比较，如果x₅明显小于x₆,说明该处为复位处，复位处的恢复力F₃＝f₃·(x₆-x₅)/cosθ₃，它的方向与关节腔模拟件17轴线的夹角为θ₃。

从医疗方案看，该处的组织发生粘连，我们可以用针刺或针刀剥离软组织相互粘连，使用针刺或针刀的力度F₃＝f₃·(x₆-x₅)/cosθ₃，它的方向与关节腔模拟件17轴线的夹角为θ₃。针刺或针刀治疗完成后，在同一个位置和方向施加力F₃，测量得到此时的形变量x₇；如果x₇≈x₆，即达到了治疗效果。

尽管本说明书较多地使用了软组织模拟结构1、韧性模拟结构2、肌肉弹性模拟结构3、弹性球形支座4、第一弹簧5、第二弹簧6、第三弹簧7、活性粘性间质体液8、第一弹性椭球体9、第二弹性椭球体10、和第三弹性椭球体11、第一连接支撑12、韧带13、第二连接支撑14、第三连接支撑15、第四连接支撑16、关节腔模拟件17、第一类软组织异常连接18和第二类软组织异常连接19等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种软组织损伤模拟试验装置，其特征在于，包括关节腔模拟件以及位于其周围的软组织模拟结构、第一韧性模拟结构、第二韧性模拟结构、第一肌肉弹性模拟结构、第二肌肉弹性模拟结构和活性粘性体液；

软组织模拟结构的滑移表征关节之间的摩擦，表面的凹凸不平表征软骨面的高低不平；第一和第二韧性模拟结构分居软组织模拟结构的两侧，用于模拟关节与肌肉组织的连接部位；第一和第二肌肉弹性模拟结构分别位于第一和第二韧性模拟结构的另一侧，用于模拟肌肉组织；韧带的两端分别连接第一和第二韧性模拟结构，用于防止两韧性模拟结构的过度变形；活性粘性体液填充于关节腔模拟件内，用于模拟关节滑液及组织间体液；

所述软组织模拟结构为由多个弹性球形支座构成的阵列结构，多个弹性球形支座之间通过第一连接支撑连接；弹性球形支座的滑移表征关节之间的摩擦，阵列结构表面的凹凸不平表征软骨面的高低不平。

2.根据权利要求1所述的软组织损伤模拟试验装置，其特征在于，所述第一韧性模拟结构和第二韧性模拟结构的结构相同；第一韧性模拟结构包括多个第一弹性椭球体、多个第二弹性椭球体、多个第二连接支撑、多个第三连接支撑以及多个第一弹簧；多个第一弹性椭球体排布形成第一平面的多个椭圆环，同一椭圆环的相邻第一弹性椭球体之间通过第二连接支撑连接；多个第二弹性椭球体排布形成第二平面的多个椭圆环，同一椭圆环的相邻第二弹性椭球体之间通过第三连接支撑连接；多个第一弹簧的一端分别连接第一弹性椭球体，另一端分别连接第二弹性椭球体，第一弹簧的伸长与压缩表征肌肉与骨骼连接部位的结缔组织的收缩与舒张。

3.根据权利要求2所述的软组织损伤模拟试验装置，其特征在于，所述第一肌肉弹性模拟结构和第二肌肉弹性模拟结构相同；第一肌肉弹性模拟结构包括多个第三弹性椭球体、多个第四连接支撑以及多个第二弹簧，多个第三弹性椭球体排布形成第三平面的多个椭圆环，同一椭圆环的相邻第三弹性椭球体之间通过第四连接支撑连接，多个第二弹簧的一端分别连接第二弹性椭球体，另一端分别连接第三弹性椭球体，第二弹簧的伸长与压缩表征关节部位的肌肉组织的收缩与舒张。

4.根据权利要求1或2所述的软组织损伤模拟试验装置，其特征在于，所述活性粘性体液按照其在关节腔模拟件内分布位置的浓度大小排序为：软组织模拟结构>第一、第二韧性模拟结构>第一、第二肌肉弹性模拟结构。

5.根据权利要求1或2所述的软组织损伤模拟试验装置，其特征在于，所述弹性球形支座的弹性系数f按照如下方式确定：

t为年龄阈值，b为体型系数，g为性别系数，r为人种系数，p为关节类型系数，a为年龄。

6.根据权利要求2所述的软组织损伤模拟试验装置，其特征在于，所述第一弹簧的弹性系数f₁按照如下方式确定：

其中，t为年龄阈值，b为体型系数，g为性别系数，r为人种系数，p为关节类型系数，a为年龄，x为某个第一弹簧距离关节腔模拟件轴线的距离。

7.根据权利要求3所述的软组织损伤模拟试验装置，其特征在于，所述第二弹簧的弹性系数f₂按照如下方式确定：

其中，t为年龄阈值，b为体型系数，g为性别系数，r为人种系数，p为关节类型系数，a为年龄，y为第二弹簧距离关节腔模拟件轴线的距离。

8.根据权利要求3所述的软组织损伤模拟试验装置，其特征在于，所述弹性球形支座采用硅橡胶材料。

9.根据权利要求3所述的软组织损伤模拟试验装置，其特征在于，所述第一和第二弹性椭球体采用高顺式丁二烯橡胶材料，第三弹性椭球体采用聚氨酯塑胶材料。

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