CN110514519A - 一种测试软物质材料穿刺阻力的装置与方法 - Google Patents

一种测试软物质材料穿刺阻力的装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测试软物质材料穿刺阻力的装置与方法，属于材料性能测试技术领域。针对现阶段难以科学定量化的测定柔性软物质材料，如凝胶、橡胶等，也包括生物软组织材料，如肌肉、皮肤、软骨及水凝胶仿生材料等穿刺过程中的穿刺阻力，本发明方法通过动量定理将测试得到针体穿刺软物质材料时的穿刺阻力，这个穿刺阻力包括穿刺针头的膜阻力和穿刺针体与软组织间的摩擦阻力。该测试技术不仅原理简单，易于操作，而且测试精度高，能有效反映所测试材料的穿刺行为特性，在柔性、软物质材料及生物组织工程领域具有潜在的应用价值。

Description

一种测试软物质材料穿刺阻力的装置与方法
技术领域
本发明涉及一种测试软物质材料穿刺阻力的装置与方法，属于材料性能测试领域。
背景技术
工程应用中，为了获得软物质材料的穿透穿刺性能，需要做穿刺实验，现阶段软物质材料的穿刺行为很难科学量化计算和分析，因为穿刺力和穿刺阻力随着穿刺针的材质、穿刺速度、软物质材料等的不同而不同。同时在生物软组织领域，病变组织通常需要穿刺手术来进行诊断和治疗，这样迫切需要准确计算穿刺组织的阻力来设计穿刺针或者穿刺机器人。但是由于生物软组织材料的不规则性、柔软性、复杂性、非均匀性，导致穿刺阻力的大小很难直接定量化测量。因此如何快速简单测试软物质材料的穿刺阻力这一问题摆在了各工程领域的面前。
发明内容
本发明旨在提供一种测试软物质材料穿刺阻力的装置及方法。该方法可作为测试软物质材料穿刺阻力的方法，该测试技术不仅操作简单，而且测试精度高，在软物质材料性能测试工程领域具有潜在的应用价值。
本发明提供了一种软物质材料穿刺阻力的测试装置，包括万能试验机、穿刺针体、空心支撑柱体，穿刺针体、空心支撑柱体、试件共同固定在万能试验机试验台上，试件固定在空心支撑柱体上方，穿刺针体垂直固定在试件上方，可以通过调整支撑柱体的数量来控制支撑部位的高度。穿刺针体下降的速度大小可以由连接万能试验机的计算机控制。万能试验机与计算机连接，针体下降的距离、时间、载荷大小的变化数据通过计算机显示。
上述装置中，所述空心支撑柱体为空心柱状结构，轴线平行于试验机运行方向，保持固定。
上述装置中，所述穿刺针体为圆柱形细长钢针，穿刺过程中不会弯曲和抖动。所述针体可以忽略其变形，其直径为d，质量为m。
上述装置中，所述试件为一个软物质材料柱体试件，形状为圆柱体或棱柱，高度为h，质量为m。所述软物质材料为橡胶、柔性垫、软骨、跟腱、皮肤、血管中的一种。
上述装置中，所述的万能材料试验机为Instron 3343，配有10N和1KN的力传感器。
本发明提供了一种测试软物质材料穿刺阻力的方法，包括以下步骤：
(1)测量针体质量m；
(2)测量针体直径d；
(3)将支撑空心柱体固定在试验机中，其上固定待测软组织试件；
(4)将针体固定在万能试验机中，调整针体高度使针体和软组织接触；
(5)设定试验机以恒定压缩速度v1进行穿刺，得到时刻t1到t2时刻的载荷-时间曲线F1(t)及其所围成的图形面积S1；
(6)设定试验机以恒定压缩速度v2进行穿刺，得到时刻t3到t4时刻的载荷-时间曲线F2(t)及其所围成的图形面积S2；
(7)将实验所测得数据m，d，v1，v2，t1，t2，t3，t4代入下面方程组即可计算得常数项系数σ和C：
(8)重复上述步骤多次，求取平均值带入下面式子得到所受到的摩擦力Ff和膜阻力Fr的值为：
(9)总的穿刺阻力F总为：
上述式子也表明不同穿刺速度下的穿刺阻力不同，穿刺阻力为速度v和时间t的函数。
所述公式推导如下：
根据动量定理，穿刺针的穿刺载荷和重力的冲量分别为和Ig，摩擦阻力和膜阻力的冲量分别为If和Ir，则有下面的平衡方程成立：
IF+Ig＝If+Ir (1)
t1到t2穿刺时间内(未穿透)载荷F所做的冲量IF可由试验机连接的计算机显示图像的面积S得：
重力所做的冲量Ig为：
Ig＝mg(t2-t1) (3)
膜阻力(类似于空气阻力公式，ρ为软物质材料密度，s＝πd2/4穿刺针端的面积)所做的冲量为：
其中C为膜阻力系数，v为穿刺速度。
假设摩擦力Ff＝σ(πdvt)在穿刺过程中可表示为径向压力σ与接触面积的乘积，那么冲量为：
将(2)-(4)式子带入(1)得到：
其中系数σ及C为待求未知数，可以通过两次不同的穿刺速度v1和v2实验得到：
这样将得到的系数σ及C带入摩擦阻力Ff和膜阻力公式即可得到两值：
这样总的穿刺阻力F总为：
上述式子也表明这个穿刺阻力随着穿刺速度的不同而不同，为时间t和速度v的函数。上述穿刺速度(试验)可以多次重复求取平均值。
本发明的有益效果：
(1)该测试方法操作简单、精度高、节约成本；
(2)在工程软物质材料领域具有潜在的应用价值，并有望推广于生物医学工程应用领域。
附图说明
图1为发明装置的结构示意图。
图2为穿刺过程中针体的受力示意图。
图3为穿刺试件过程中试验机通过计算机输出的F-t图像，阴影部分面积S代表载荷F所做的冲量IF，可以由Origin数据绘图软件计算得出。
图中1为试验机，2为计算机，3为穿刺针体，4为软物质试件，5为空心支撑柱体。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
如图1所示，一种测试软物质材料穿刺阻力的装置，包括万能试验机1、穿刺针体3、空心支撑柱体5，穿刺针体3、空心支撑柱体5、软物质试件4共同固定在万能试验机1的试验台上，软物质试件4固定在空心支撑柱体5上方，穿刺针体3垂直固定在试件上方，可以通过调整支撑柱体的数量来控制支撑部位的高度。穿刺针体3下降的速度大小可以由连接万能试验机1的计算机2控制。万能试验机1与计算机2连接，针体下降的距离、时间、载荷大小的变化数据通过计算机2显示。
上述装置中，所述空心支撑柱体5为空心柱状结构，轴线平行于试验机运行方向，保持固定。
上述装置中，所述穿刺针体3为圆柱形细长钢针，穿刺过程中不会弯曲和抖动。所述针体可以忽略其变形，其直径为d，质量为m。
上述装置中，所述软物质试件为一个软物质材料柱体试件，形状为圆柱体或棱柱，高度为h，质量为m。所述软物质材料为橡胶、柔性垫、软骨、跟腱、皮肤、血管中的一种。
上述装置中，所述的万能试验机1为Instron 3343，配有10N和1KN的力传感器。精度为1微牛，位移精度为1微米。
在载荷的驱动力下，穿刺针体穿刺软物质材料过程中，始终受到自身的重力，穿刺针体断面的前进阻力(类似于空气阻力)，还有针体侧面跟软物质材料挤压产生的径向压力同时也产生摩擦阻力，如图2所示。在恒定速度的穿刺过程中(已经刺入材料)，端面的针刺阻力恒定，而驱动力会因为刺入深度的增大而增大，或者说驱动力从t1时间增大到t2时间，因为刺入的接触面积逐渐增大，摩擦力也增大，这样计算机会出现图3这样的驱动力F和时间t的绘制图。
下面通过具体实施例来说明本发明的测试过程：
实施例一：橡皮穿刺阻力的测试
将由橡皮制成的试件固定在空心支撑柱体上，试件高度为2.5cm，直径为1.6cm。穿刺针体的直径d＝1mm,m＝0.12g。穿刺针体质量将针体垂直固定在试件中心的上方并连接万能试验机。然后启动万能试验机，设定不同的下降速度，如下表1，针体位移最大值为3cm。穿刺载荷力和位移由计算机输出。重复5次试验。将得到的数据导入Origin软件计算积分。
表1.橡皮材料的穿刺阻力测试
如表2所示为每两次实验所得的联立方程可以求出参数σ和参数C的值：
表2.橡皮材料参数计算结果
次数选取 1,2 2,3 3,4 4,5 5,1 均值
σ(MPa) 3.14 2.82 2.92 3.08 3.34 3.06
C(×10<sup>9</sup>) 10.01 9.14 8.52 9.72 8.46 9.17
1mm直径钢针在橡皮的穿刺过程中，只要给定穿刺速度v和穿刺过程中的时间t就可以得到该时刻下的穿刺阻力：
实施例二：水凝胶穿刺阻力的测试
将由水凝胶制成的试件固定在支撑柱体上，试件高度为2.5cm，直径为1.6cm。穿刺针体的直径d＝1mm,m＝0.12g。穿刺针体质量将针体垂直固定在试件中心的上方并连接万能试验机。然后启动万能试验机，设定不同的下降速度，如下表3，针体位移最大值为3cm。穿刺载荷力和位移由计算机输出。重复5次试验。将得到的数据导入Origin软件计算积分。
表3.水凝胶材料的穿刺阻力测试
如表4所示每两次实验所得的联立方程可以求出参数σ和参数C的值：
表4.水凝胶材料参数计算结果
次数选取 1,2 2,3 3,4 4,5 5,1 均值
σ(MPa) 5.90 5.22 5.84 5.86 5.78 5.60
C(×10<sup>9</sup>) 11.28 12.47 10.42 11.98 11.35 11.50
1mm直径钢针在水凝胶的穿刺过程中，只要给定穿刺速度v和穿刺过程中的时间t就可以得到该时刻下的穿刺阻力：
实施例三：猪肝穿刺阻力的测试
将由猪肝制成的试件固定在支撑柱体上，试件高度为2.5cm，直径为1.6cm。穿刺针体的直径d＝1mm,m＝0.12g。穿刺针体质量将针体垂直固定在试件中心的上方并连接万能试验机。然后启动万能试验机，设定不同的下降速度，如下表5，针体位移最大值为3cm。穿刺载荷力和位移由计算机输出。重复5次试验。将得到的数据导入Origin软件计算积分。
表5.猪肝材料的穿刺阻力测试
如表6所示为每两次实验所得的联立方程可以求出参数σ和参数C的值：
表6.猪肝材料参数计算结果
次数选取 1,2 2,3 3,4 4,5 5,1 均值
σ(MPa) 1.88 2.02 0.96 1.92 2.24 2.04
C(×10<sup>9</sup>) 3.50 3.37 3.82 4.01 3.65 3.67
1mm直径钢针在猪肝的穿刺过程中，只要给定穿刺速度v和穿刺过程中的时间t就可以得到该时刻下的穿刺阻力：

Claims (7)

1.一种测试软物质材料穿刺阻力的装置，其特征在于：包括万能材料试验机、穿刺针体、空心支撑柱体，穿刺针体、空心支撑柱体、试件共同固定在万能试验机试验台上，试件固定在空心支撑柱体上方，穿刺针体垂直固定在试件上方；针体穿刺的速度由试验机控制；穿刺针体下降的距离、时间、载荷大小的变化数据通过计算机可视化显示和记录。
2.根据权利要求1所述的测试软物质材料穿刺阻力的装置，其特征在于：所述空心支撑柱体为空心柱状结构，轴线平行于试验机运行方向，保持固定。
3.根据权利要求1所述的测试软物质材料穿刺阻力的装置，其特征在于：所述试件形状为圆柱体或棱柱。
4.根据权利要求3所述的测试软物质材料穿刺阻力的装置，其特征在于：所述软物质材料为橡胶、柔性垫、软骨、跟腱、皮肤、血管中的一种。
5.根据权利要求1所述的测试软物质材料穿刺阻力的装置，其特征在于：所述穿刺针体为圆柱形细长钢针，穿刺过程中不会弯曲和抖动。
6.根据权利要求1所述的测试软物质材料穿刺阻力的装置，其特征在于：所述的万能材料试验机为Instron 3343，配有10N和1KN的力传感器。
7.一种测试软物质材料穿刺阻力的方法，采用权利要求1～6任一项所述的测试软物质材料穿刺阻力的装置，其特征在于：包括以下步骤：
(1)测量针体质量m；
(2)测量针体直径；
(3)将支撑空心柱体固定在试验机中，其上固定待测软组织试件；
(4)将针体固定在万能试验机中，调整针体高度使针体和软组织接触；
(5)设定试验机以恒定压缩速度v1进行穿刺，得到时刻t1到t2时刻的载荷-时间曲线F1(t)及其所围成的图形面积S1；
(6)设定试验机以恒定压缩速度v2进行穿刺，得到时刻t3到t4时刻的载荷-时间曲线F2(t)及其所围成的图形面积S2；
(7)将实验所测得数据m，d，v1，v2，t1，t2，t3，t4代入下面方程组即可计算得常数项系数σ和C：
(8)重复上述步骤多次，求取平均值带入下面式子得到所受到的摩擦力Ff和膜阻力Fr的值为：
(9)总的穿刺阻力F总为：
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