CN110285989B - 一种高速射流冲击生物组织试验台及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速射流冲击生物组织试验台，包括底座，所述底座的上表面固定安装有水平的透明喷溅测量板，所述喷溅测量板的四周围合设置有侧板；本发明的每个槽馕内累积的液体总体积代表该位置的持续溅射强度；而通过不同位置的槽馕可以得到不同位置的持续溅射强度；进而能实现分析该水刀喷射管溅射强度的不同位置的分布规律；每个帽盖的上表面的累积的液珠量代表该位置的瞬间溅射强度；进而可以得到不同位置的持续溅射强度；进而能实现分析该水刀喷射管的瞬态强度分布规律。

Description

一种高速射流冲击生物组织试验台及其试验方法

技术领域

本发明属于生物医学工程试验装备领域。

背景技术

水刀是利用高压水射流进行冷态切割的设备，最先被应用到工业领域，用于切割金属板材、矿石等，直到1990年才真正用于临床手术。医用水刀的压力远低于工业水刀，但其工作原理与工业水刀类似，即采用高压泵将无菌生理盐水泵出，经过导管到达操作手柄，通过手柄上的细小喷嘴喷出，产生局部高压以切割人体组织。

医用水刀的最大的特点是，对不同强度和韧性的组织结构进行选择性切割和精细分离，使得特定组织得到最大程度的保护，并且具有视野清晰，出血量少的优点，同时由于水刀不产生热能，不会导致其他如高频电刀、激光、超声刀等手术器械对周围组织产生损伤的热损伤。近年，医用水刀依靠其独特的优势，国际上广泛应用于肝胆外科、神经外科、直肠外科、耳鼻喉科头颈外科等临床专科中，以及腹腔镜手术中。

德国ERBE公司公开了一种医用水刀(US8251679B2和US2014/0079580 A1)，之后随之出现了型式结构多样的医用射流分离装备。但是一直以来，由于高速射流冲击软组织这一过程存在强非线性力学特征，难以对流体动力直接进行测量，射流分离效果的优劣更多取决于分离效率，大量的研究工作往往围绕模拟临床应用的实际操作进行模拟测试。同时由于高速射流在与生物材料相互作用后反向喷溅在软组织周围，容易造成细胞交叉感染，所以对高速射流冲击过程的喷溅效果的测量分析引起了大家的重视。

设计研发功能完备、操作简单、集成度高、稳定可靠的高速射流冲击生物组织试验台进行冲击过程观测和喷溅效果测量对于促进医用射流分离技术的精细化发展具有重要意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能分析不同位置的飞溅强度分布情况的高速射流冲击生物组织试验台。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种高速射流冲击生物组织试验台，包括底座，所述底座的上表面固定安装有水平的透明喷溅测量板，所述喷溅测量板的四周围合设置有侧板；所述底座上端的一侧固定安装有支撑座，所述支撑座上安装有竖直梁，所述竖直梁的顶端固定安装有横向的喷杆调节支架；所述喷杆调节支架的末端设置铰接件；还包括长条状的喷管保持架，所述喷管保持架的一端与所述铰接件铰接；所述喷管保持架上能安装水刀喷射管，所述水刀喷射管的喷射方向与所述喷管保持架的长度方向一致；所述喷管保持架的一侧还固定安装有弧形板，所述弧形板的弧形圆心与所述铰接件的轴线重合；所述弧形板上设置有弧形槽，所述弧形槽的圆心与所述弧形板的圆心重合；所述喷管保持架靠近所述弧形板的一侧设置有角度调节螺栓，所述角度调节螺栓横向穿过所述弧形板上的弧形槽，所述角度调节螺栓能沿所述弧形板上的弧形槽的弧线方向滑动，所述角度调节螺栓上还设置有锁紧螺母；锁紧螺母拧紧状态下，所述喷管保持架固定在所述弧形板上；所述喷溅测量板上还安装有可平动位移的载物台，所述载物台与所述喷管保持架上的水刀喷射管的喷射端对应。

进一步的，所述喷溅测量板的中部设置有横向的直线滑台模组，所述直线滑台模组的长度方向沿所述喷杆调节支架的长度方向延伸；所述载物台为所述直线滑台模组的滑台，还包括电动模组，所述电动模组与所述直线滑台模组驱动连接；所述电动模组能通过所述直线滑台模组带动所述载物台水平位移；所述载物台位于所述喷杆调节支架的下方位置。

进一步的，位于所述直线滑台模组两侧的喷溅测量板上均等距阵列分布有若干开口朝上的槽馕，所述槽馕由透明材质构成，所述槽馕的侧壁体上均设置有容量刻度线；各所述槽馕的底部均设置有漏液孔，各所述漏液孔上均设置有可拆卸的堵头；各所述槽馕上端的开口处均设置有内部为上下贯通结构的凸台，所述凸台内的上下贯通部分的下端连通所述槽馕上端开口；每个所述凸台的上端均可拆卸罩设有矩形状帽盖；各所述帽盖的顶面上设置有矩形接水网格。

进一步的，所述喷管保持架沿长度方向设置有喷管容置槽，所述水刀喷射管放置于所述喷管容置槽内，还包括喷杆盖板，所述喷杆盖板通过螺栓锁紧在所述喷管保持架上，所述喷杆盖板的内侧向内顶压所述喷管容置槽内的水刀喷射管；所述喷管容置槽靠近所述铰接件的一端设置有喷杆挡环，所述喷杆挡环上设置有射流射出孔，所述水刀喷射管的喷液端对应在所述射流射出孔位置。

进一步的，根据权利要求所述的一种高速射流冲击生物组织试验台，其特征在于：所述喷溅测量板的下方还设置有能升降调节的光学观测平台。

进一步的，持续溅射分析试验：将生物组织试样放置在载物台，并且将每个凸台上都拆卸帽盖；此时使角度调节螺栓沿弧形板上的弧形槽的弧线方向滑动，进而实现控制喷管保持架上水刀喷射管的喷射的射流喷射的入射角度，同时根据试验需求，控制电动模组，进而使载物台做预定的往复运动运动，并且实时控制载物台的运动速度和行程；水刀喷射管的喷射射流束从喷杆挡环上的射流射出孔射向载物台上的生物组织表面，模拟手术过程中分离相应的生物组织；

在上述切割生物组织的试验过程中水刀喷射管喷出的液体冲击生物组织后会发生飞溅、溅射的现象，在上述持续过程中，各个槽馕会相应收集所在面积位置所被溅射的液体，持续时间后，各个槽馕内会逐渐累积液体，并且每个槽馕内累积的液体总体积代表该位置的持续溅射强度；而通过不同位置的槽馕可以得到不同位置的持续溅射强度；进而能实现分析该水刀喷射管溅射强度的不同位置的分布规律；

瞬间溅射分析实验：将生物组织试样放置在载物台，并且将每个凸台上都罩设帽盖；调节喷管保持架上水刀喷射管的喷射的射流喷射的入射角度，使水刀喷射管对准生物组织；水刀喷射管的喷射射流束从喷杆挡环上的射流射出孔射向载物台上的生物组织表面后瞬间切断水刀喷射管上的水供给，短暂冲击生物组织后会发生瞬间飞溅、溅射的现象，各个帽盖的上表面会相应被溅射，帽盖的上表面的形接水网格能防止帽盖上表面的液珠聚集，影响结果判断；每个帽盖的上表面的累积的液珠量代表该位置的瞬间溅射强度；进而可以得到不同位置的持续溅射强度；进而能实现分析该水刀喷射管的瞬态强度分布规律。

有益效果：本发明的每个槽馕内累积的液体总体积代表该位置的持续溅射强度；而通过不同位置的槽馕可以得到不同位置的持续溅射强度；进而能实现分析该水刀喷射管溅射强度的不同位置的分布规律；每个帽盖的上表面的累积的液珠量代表该位置的瞬间溅射强度；进而可以得到不同位置的持续溅射强度；进而能实现分析该水刀喷射管的瞬态强度分布规律。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明结构的俯视图。

图3为本发明中喷溅测量板的结构爆炸视图。

图4为本发明中保持架的结构示意图；

图5为帽盖俯视图下的网格状示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如附图1至5所示的一种高速射流冲击生物组织试验台，包括底座6，所述底座6的上表面固定安装有水平的透明喷溅测量板4，所述喷溅测量板4的四周围合设置有侧板3；所述底座6上端的一侧固定安装有支撑座11，所述支撑座11上安装有竖直梁13，所述竖直梁13的顶端固定安装有横向的喷杆调节支架1；所述喷杆调节支架1的末端设置铰接件19；还包括长条状的喷管保持架16，所述喷管保持架16的一端与所述铰接件19铰接；所述喷管保持架16上能安装水刀喷射管，所述水刀喷射管的喷射方向与所述喷管保持架16的长度方向一致；所述喷管保持架16的一侧还固定安装有弧形板18，所述弧形板18的弧形圆心与所述铰接件19的轴线重合；所述弧形板18上设置有弧形槽，所述弧形槽的圆心与所述弧形板18的圆心重合；所述喷管保持架16靠近所述弧形板18的一侧设置有角度调节螺栓17，所述角度调节螺栓17横向穿过所述弧形板18上的弧形槽，所述角度调节螺栓17能沿所述弧形板18上的弧形槽的弧线方向滑动，所述角度调节螺栓17上还设置有锁紧螺母；锁紧螺母拧紧状态下，所述喷管保持架16固定在所述弧形板18上；所述喷溅测量板4上还安装有可平动位移的载物台2，所述载物台2与所述喷管保持架16上的水刀喷射管的喷射端对应。

所述喷溅测量板4的中部设置有横向的直线滑台模组08，所述直线滑台模组08的长度方向沿所述喷杆调节支架1的长度方向延伸；所述载物台2为所述直线滑台模组08的滑台，还包括电动模组5，所述电动模组5与所述直线滑台模组08驱动连接；所述电动模组5能通过所述直线滑台模组08带动所述载物台2水平位移；所述载物台2位于所述喷杆调节支架1的下方位置。

位于所述直线滑台模组08两侧的喷溅测量板4上均等距阵列分布有若干开口朝上的槽馕42，所述槽馕42由透明材质构成，所述槽馕42的侧壁体上均设置有容量刻度线；各所述槽馕42的底部均设置有漏液孔，各所述漏液孔上均设置有可拆卸的堵头41；各所述槽馕42上端的开口处均设置有内部为上下贯通结构的凸台44，所述凸台44内的上下贯通部分的下端连通所述槽馕42上端开口；每个所述凸台44的上端均可拆卸罩设有矩形状帽盖45；各所述帽盖45的顶面上设置有矩形接水网格。

所述喷管保持架16沿长度方向设置有喷管容置槽162，所述水刀喷射管放置于所述喷管容置槽162内，还包括喷杆盖板164，所述喷杆盖板164通过螺栓163锁紧在所述喷管保持架16上，所述喷杆盖板164的内侧向内顶压所述喷管容置槽162内的水刀喷射管；所述喷管容置槽162靠近所述铰接件19的一端设置有喷杆挡环161，所述喷杆挡环161上设置有射流射出孔161.1，所述水刀喷射管的喷液端对应在所述射流射出孔161.1位置。

根据权利要求2所述的一种高速射流冲击生物组织试验台，其特征在于：所述喷溅测量板4的下方还设置有能升降调节的光学观测平台7。

本方案的操作方法、过程以及技术进步整理如下：

持续溅射分析试验：将生物组织试样放置在载物台2，并且将每个凸台44上都拆卸帽盖45；此时使角度调节螺栓17沿弧形板18上的弧形槽的弧线方向滑动，进而实现控制喷管保持架16上水刀喷射管的喷射的射流喷射的入射角度，同时根据试验需求，控制电动模组5，进而使载物台2做预定的往复运动运动，并且实时控制载物台2的运动速度和行程；水刀喷射管的喷射射流束从喷杆挡环161上的射流射出孔161.1射向载物台2上的生物组织表面，模拟手术过程中分离相应的生物组织；

在上述切割生物组织的试验过程中水刀喷射管喷出的液体冲击生物组织后会发生飞溅、溅射的现象，在上述持续过程中，各个槽馕42会相应收集所在面积位置所被溅射的液体，持续时间后，各个槽馕42内会逐渐累积液体，并且每个槽馕42内累积的液体总体积代表该位置的持续溅射强度；而通过不同位置的槽馕42可以得到不同位置的持续溅射强度；进而能实现分析该水刀喷射管溅射强度的不同位置的分布规律；

瞬间溅射分析实验：将生物组织试样放置在载物台2，并且将每个凸台44上都罩设帽盖45；调节喷管保持架16上水刀喷射管的喷射的射流喷射的入射角度，使水刀喷射管对准生物组织；水刀喷射管的喷射射流束从喷杆挡环161上的射流射出孔161.1射向载物台2上的生物组织表面后瞬间切断水刀喷射管上的水供给，短暂冲击生物组织后会发生瞬间飞溅、溅射的现象，各个帽盖45的上表面会相应被溅射，帽盖45的上表面的形接水网格能防止帽盖45上表面的液珠聚集，影响结果判断；每个帽盖45的上表面的累积的液珠量代表该位置的瞬间溅射强度；进而可以得到不同位置的持续溅射强度；进而能实现分析该水刀喷射管的瞬态强度分布规律；并且各个帽盖45还可以随时更换，进而实现多次测量瞬时状态的溅射分布情况。

上述过程还可以通过光学观测方法观测喷溅测量板4上的瞬时喷溅程度。

最后，关停直线电动模组5，载物台复位。

优选的，槽馕42和凸台44在喷溅测量板4中的分布方式和数量可以根据观测的范围和精度加以变化，尤其是凸台44上的帽盖45可以根据观测的效果与射流流体配合改变颜色，如射流流体加入亚甲蓝便于观测时，盖帽45的上表面可调整为黑色便于对比区分；本实施例还可以喷杆调节支架1和竖直梁13上的位移标尺调节喷杆保持架13与载物台2的水平距离和竖直高度；光学捕捉设备在光学观测平台7上安装固定，通过调节螺栓71在槽内的相对位置调节光学观测平台的高度和水平，保证光学设备的最佳捕捉效果。

另外本实施例还可以将调节旋钮Ⅰ12安装于支撑座11内并连接有齿轮与竖直梁13内布置的竖直方向的齿条啮合，从而通过调节旋钮Ⅰ12的旋转驱动调节竖直梁13在支撑座11内的安装位置。竖直梁13为薄壁空心结构，中心开有水平方向的通孔用以安装喷杆调节支架1，侧壁贴有位移标尺。调节旋钮Ⅱ14安装于竖直梁13内并连接有齿轮与喷杆调节支架1内布置的水平方向的齿条啮合，从而通过调节旋钮Ⅱ14的旋转驱动调节喷杆调节支架1在竖直梁13内的安装位置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高速射流冲击生物组织试验台，其特征在于：包括底座(6)，所述底座(6)的上表面固定安装有水平的透明喷溅测量板(4)，所述喷溅测量板(4)的四周围合设置有侧板(3)；所述底座(6)上端的一侧固定安装有支撑座(11)，所述支撑座(11)上安装有竖直梁(13)，所述竖直梁(13)的顶端固定安装有横向的喷杆调节支架(1)；所述喷杆调节支架(1)的末端设置铰接件(19)；还包括长条状的喷管保持架(16)，所述喷管保持架(16)的一端与所述铰接件(19)铰接；所述喷管保持架(16)上能安装水刀喷射管，所述水刀喷射管的喷射方向与所述喷管保持架(16)的长度方向一致；所述喷管保持架(16)的一侧还固定安装有弧形板(18)，所述弧形板(18)的弧形圆心与所述铰接件(19)的轴线重合；所述弧形板(18)上设置有弧形槽，所述弧形槽的圆心与所述弧形板(18)的圆心重合；所述喷管保持架(16)靠近所述弧形板(18)的一侧设置有角度调节螺栓(17)，所述角度调节螺栓(17)横向穿过所述弧形板(18)上的弧形槽，所述角度调节螺栓(17)能沿所述弧形板(18)上的弧形槽的弧线方向滑动，所述角度调节螺栓(17)上还设置有锁紧螺母；锁紧螺母拧紧状态下，所述喷管保持架(16)固定在所述弧形板(18)上；所述喷溅测量板(4)上还安装有可平动位移的载物台(2)，所述载物台(2)与所述喷管保持架(16)上的水刀喷射管的喷射端对应。

2.根据权利要求1所述的一种高速射流冲击生物组织试验台，其特征在于：所述喷溅测量板(4)的中部设置有横向的直线滑台模组(08)，所述直线滑台模组(08)的长度方向沿所述喷杆调节支架(1)的长度方向延伸；所述载物台(2)为所述直线滑台模组(08)的滑台，还包括电动模组(5)，所述电动模组(5)与所述直线滑台模组(08)驱动连接；所述电动模组(5)能通过所述直线滑台模组(08)带动所述载物台(2)水平位移；所述载物台(2)位于所述喷杆调节支架(1)的下方位置。

3.根据权利要求2所述的一种高速射流冲击生物组织试验台，其特征在于：位于所述直线滑台模组(08)两侧的喷溅测量板(4)上均等距阵列分布有若干开口朝上的槽馕(42)，所述槽馕(42)由透明材质构成，所述槽馕(42)的侧壁体上均设置有容量刻度线；各所述槽馕(42)的底部均设置有漏液孔，各所述漏液孔上均设置有可拆卸的堵头(41)；各所述槽馕(42)上端的开口处均设置有内部为上下贯通结构的凸台(44)，所述凸台(44)内的上下贯通部分的下端连通所述槽馕(42)上端开口；每个所述凸台(44)的上端均可拆卸罩设有矩形状帽盖(45)；各所述帽盖(45)的顶面上设置有矩形接水网格。

4.根据权利要求3所述的一种高速射流冲击生物组织试验台，其特征在于：所述喷管保持架(16)沿长度方向设置有喷管容置槽(162)，所述水刀喷射管放置于所述喷管容置槽(162)内，还包括喷杆盖板(164)，所述喷杆盖板(164)通过螺栓(163)锁紧在所述喷管保持架(16)上，所述喷杆盖板(164)的内侧向内顶压所述喷管容置槽(162)内的水刀喷射管；所述喷管容置槽(162)靠近所述铰接件(19)的一端设置有喷杆挡环(161)，所述喷杆挡环(161)上设置有射流射出孔(161.1)，所述水刀喷射管的喷液端对应在所述射流射出孔(161.1)位置。

5.根据权利要求4所述的一种高速射流冲击生物组织试验台，其特征在于：所述喷溅测量板(4)的下方还设置有能升降调节的光学观测平台(7)。

6.根据权利要求5所述的一种高速射流冲击生物组织试验台的试验方法，其特征在于：

持续溅射分析试验：将生物组织试样放置在载物台(2)，并且将每个凸台(44)上都拆卸帽盖(45)；此时使角度调节螺栓(17)沿弧形板(18)上的弧形槽的弧线方向滑动，进而实现控制喷管保持架(16)上水刀喷射管的喷射的射流喷射的入射角度，同时根据试验需求，控制电动模组(5)，进而使载物台(2)做预定的往复运动，并且实时控制载物台(2)的运动速度和行程；水刀喷射管的喷射射流束从喷杆挡环(161)上的射流射出孔(161.1)射向载物台(2)上的生物组织表面，模拟手术过程中分离相应的生物组织；

在分离生物组织的试验过程中水刀喷射管喷出的液体冲击生物组织后会发生飞溅、溅射的现象，在上述持续溅射分析试验过程中，各个槽馕(42)会相应收集所在面积位置所被溅射的液体，持续时间后，各个槽馕(42)内会逐渐累积液体，并且每个槽馕(42)内累积的液体总体积代表该位置的持续溅射强度；而通过不同位置的槽馕(42)可以得到不同位置的持续溅射强度；进而能实现分析该水刀喷射管溅射强度的不同位置的分布规律；

瞬间溅射分析实验：将生物组织试样放置在载物台(2)，并且将每个凸台(44)上都罩设帽盖(45)；调节喷管保持架(16)上水刀喷射管的喷射的射流喷射的入射角度，使水刀喷射管对准生物组织；水刀喷射管的喷射射流束从喷杆挡环(161)上的射流射出孔(161.1)射向载物台(2)上的生物组织表面后瞬间切断水刀喷射管上的水供给，短暂冲击生物组织后会发生瞬间飞溅、溅射的现象，各个帽盖(45)的上表面会相应被溅射，帽盖(45)的上表面的矩形接水网格能防止帽盖(45)上表面的液珠聚集，影响结果判断；每个帽盖(45)的上表面的累积的液珠量代表该位置的瞬间溅射强度；进而可以得到不同位置的瞬间溅射强度；进而能实现分析该水刀喷射管的瞬态强度分布规律。

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