CN111307587B - 一种测试软物质材料在柱体针穿刺下的断裂能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料性能测试领域，具体是一种测试软物质材料在柱体针穿刺下的断裂能的方法。包括万能材料试验机、计算机、传感器、柱形穿刺针体以及带有卡槽的支撑体，万能材料试验机上固定带有卡槽的支撑体，支撑体的卡槽内固定有待测软组织试件，试件上方设置有固定在万能材料试验机夹头上的穿刺针体，穿刺针体连接传感器，传感器和固定穿刺针的夹头连接在一起，计算机与万能材料试验机连接。本发明操作简单并且找到了表征软物质材料穿刺力学行为的参数。

Description

一种测试软物质材料在柱体针穿刺下的断裂能的方法
技术领域
本发明属于材料性能测试领域，具体是一种测试软物质材料在柱体针穿刺下的断裂能的方法。
背景技术
近年来，在外科手术领域中，临床医生的治疗理念已转变为追求微创甚至无创。穿刺由于具有创伤小的优点已经被广泛用于各种组织病理检查中。而且针穿刺软组织技术在机器人辅助外科医疗领域扮演着至关重要的角色，在医学诊断和治疗方面有大量的临床应用需求。但现阶段软物质材料的穿刺行为很难科学量化计算和测试分析，穿刺力特别是断裂能受材料厚度、针体直径以及表面粗糙度等多种因素影响，找到表征软物质材料穿刺断裂能的参数就变得非常重要，其中需要考虑穿刺过程中的摩擦能等。
发明内容
本发明为了上述问题，提供一种测试软物质材料在柱体针穿刺下的断裂能的方法。
本发明采取以下技术方案：一种测试软物质材料在柱形针体穿刺下的断裂能的装置，包括万能材料试验机、计算机、传感器、柱形穿刺针体以及带有卡槽的支撑体，万能材料试验机上固定带有卡槽的支撑体，支撑体的卡槽内固定有待测软组织试件，试件上方设置有固定在万能材料试验机夹头上的穿刺针体，穿刺针体连接传感器，传感器和固定穿刺针的夹头连接在一起，计算机与万能材料试验机连接。
进一步的，带有卡槽的支撑体包括圆盘以及下端可与万能试验机固定的柱体，支撑体的轴线平行于试验机运行方向，圆盘带有圆形卡槽且含有中间孔。
一种测试软物质材料在柱形针体穿刺下的断裂能的装置的测试方法，包括以下步骤。
S100-测量和计算穿刺针体的横截面面积s和周长c；
S200-测量试件圆形试样的厚度h；
S300-将带有卡槽的支撑体固定在万能材料试验机上，将待测软组织试件置于支撑体的卡槽内；
S400-将穿刺针体固定在万能材料试验机中，调整针体高度使针体和软物质材料接触；
S500-穿刺针体对材料进行第一次穿刺，穿刺过程包括加载和卸载两个阶段；设定万能材料试验机以恒定压缩速度进行穿刺，使得针体穿过整个材料后再以同样的速度退出；得到第一次加卸载过程中完整的力—位移曲线并计算穿刺过程中的总功：力—位移曲线所围成的图形面积S 1；
S600-以同样的压缩速度，同样的穿刺深度在同一位置对软材料进行第二次穿刺，同样包括加载和卸载两个阶段，得到第二次加卸载过程中完整的穿刺过程中的摩擦耗散能：计算力—位移曲线所围成的图形面积S 2；
S700-将实验所测得数据s,h,S 1,S 2代入下式即可计算得到穿刺过程中的总断裂能W 1：
Figure 342582DEST_PATH_IMAGE002
。
根据能量守恒定理，穿刺过程中的总能量W 0与穿刺断裂能W 1和摩擦耗散能W 2有下面的平衡方程成立：
Figure 60003DEST_PATH_IMAGE004
（1）
W 0由穿刺过程中的总功S 1和断裂横截面积s决定:
Figure 392895DEST_PATH_IMAGE006
（2）
摩擦耗散能W 2由第二次穿刺过程中的摩擦耗散能S 2和断裂接触表面积A决定：
Figure 207267DEST_PATH_IMAGE008
（3）
由式（1）-（3）得断裂能W 1可以表示为：
Figure 967413DEST_PATH_IMAGE010
（4）。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）该测试方法操作简单并且找到了表征软物质材料穿刺力学行为的参数；
（2）在生物软组织材料及工程软物质材料领域具有潜在的应用价值并也望推广于生物医学工程应用领域。
（3）穿刺作为机器人辅助外科医疗技术重要组成部分，该测试方法有望推动这项技术的快速发展。
附图说明
图1为发明装置的结构示意图；
图2为带有卡槽的支撑体结构示意图；
图3为带有卡槽的支撑体结构俯视图；
图4穿刺软物质材料测得的力-位移曲线示意图；
图中1-万能材料试验机，2-计算机，3-传感器，4-穿刺针体，5-支撑体。
具体实施方式
下面通过实施案例来进一步说明本发明，但不局限于以下案例。
如图1所示，一种测试软物质材料在柱形针体穿刺下的断裂能的装置，包括万能材料试验机1、计算机2、传感器3、柱形穿刺针体4以及带有卡槽的支撑体5，万能材料试验机1上固定带有卡槽的支撑体5，支撑体5的卡槽内固定有待测软组织试件，试件上方设置有固定在万能材料试验机1夹头上的穿刺针体4，穿刺针体4连接传感器3，传感器和固定穿刺针的夹头连接在一起，计算机2与万能材料试验机1连接。
加卸载过程中的的力位移曲线变化通过计算机2显示。所述测试试件为一个圆形薄片的软物质材料。所述的万能材料试验机为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。
带有卡槽的支撑体5包括圆盘以及下端可与万能试验机固定的柱体，支撑体5的轴线平行于试验机运行方向，圆盘带有圆形卡槽且含有中间孔。
穿刺针体4如但不限于钢针（刀），穿刺针体4的截面可以为三角形，圆形，多边形且不局限于以上情况，相对于软材料有足够的刚度，穿刺过程中不会弯曲和抖动穿刺过程中不会弯曲和抖动，其直径为d。
待测软组织试件如但不限于水凝胶、柔性垫、软骨、跟腱、皮肤、血管中的一种。所述试件为一个软材料的薄圆形试件，厚度为h。
万能材料试验机如但不限于Instron 3343，配有10N和1KN 力传感器。
一种测试软物质材料在柱形针体穿刺下的断裂能的装置的测试方法，包括以下步骤。
S100-测量和计算穿刺针体4的横截面面积s和周长c；
S200-测量试件圆形试样的厚度h；
S300-将带有卡槽的支撑体5固定在万能材料试验机上，将待测软组织试件置于支撑体的卡槽内；
S400-将穿刺针体4固定在万能材料试验机中，调整针体高度使针体和软物质材料接触；
S500-穿刺针体4对材料进行第一次穿刺，穿刺过程包括加载和卸载两个阶段；设定万能材料试验机1以恒定压缩速度进行穿刺，使得针体穿过整个材料后再以同样的速度退出；得到第一次加卸载过程中完整的力—位移曲线并计算穿刺过程中的总功：力—位移曲线所围成的图形面积S 1；
S600-以同样的压缩速度，同样的穿刺深度在同一位置对软材料进行第二次穿刺，同样包括加载和卸载两个阶段，得到第二次加卸载过程中完整的穿刺过程中的摩擦耗散能：计算力—位移曲线所围成的图形面积S 2；
S700-将实验所测得数据s,h,S 1,S 2代入下式即可计算得到穿刺过程中的总断裂能W 1：
Figure 234446DEST_PATH_IMAGE012
。
下面通过具体实施例来说明本发明的测试过程：
实施例一：橡胶材料的穿刺断裂能测试
将由橡胶制成的试件放置在支撑体的卡槽内，试件厚度h为2mm。圆柱形穿刺针体的直径d=1mm,横截面积
Figure 371029DEST_PATH_IMAGE014
，横截面周长
Figure 977591DEST_PATH_IMAGE016
。将穿刺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，设定针体的位移速度为50mm/min，两次穿刺过程中的加卸载曲线由计算机输出，将得到的数据导入Origin软件得出如图3所示的力位移曲线，并由软件可自动计算面积S 1和S 2。
表1. 橡胶材料的穿刺断裂能测试
次数 <i>s</i>(mm) c(mm) <i>h</i>(mm) <i>S</i><sub>1</sub>(J) S<sub>2</sub>(J) <i>W</i><sub>1</sub>（J/m<sup>2</sup>）
1 1.00 0.00314 2.00 0.01836 0.00971 21831.30
2 1.00 0.00314 2.00 0.01952 0.01045 23190.49
3 1.00 0.00314 2.00 0.01886 0.00905 22572.96
4 1.00 0.00314 2.00 0.0192 0.01005 22846.71
5 1.00 0.00314 2.00 0.01922 0.00985 22904.01
1mm直径的钢针穿刺厚度为2mm的橡胶，得到的总断裂能W 1为：W 1=22669.09。
实施例二：水凝胶的穿刺断裂能的测试
将由水凝胶制成的试件放置在支撑体的卡槽内，试件厚度h为2mm。穿刺针体为三棱柱体，边长d=1mm，横截面积
Figure 970955DEST_PATH_IMAGE018
，横截面周长
Figure 662968DEST_PATH_IMAGE020
将穿刺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，设定针体的位移速度为50mm/min，两次穿刺过程中的加卸载曲线由计算机输出，将得到的数据导入Origin软件得出类似于如图3所示的力位移曲线，并由软件可自动计算面积S1和S2 。
表2. 水凝胶材料的穿刺断裂能测试
次数 <i>s</i>(mm) c(mm) <i>h</i>(mm) <i>S</i><sub>1</sub>(J) S<sub>2</sub>(J) <i>W</i><sub>1</sub>（J/m<sup>2</sup>）
1 1.00 2.00 0.01605 0.01028 35353.64
2 1.00 2.00 0.01557 0.00946 34381.76
3 1.00 2.00 0.01526 0.00952 33655.83
4 1.00 2.00 0.01632 0.01037 35962.2
5 1.00 2.00 0.01594 0.00988 35166.27
边长1mm的三棱柱钢针穿刺厚度为2mm的水凝胶，得到的总断裂能W 1为：W 1=34903.94。
实施例三：动物肝脏的穿刺断裂能的测试
将由肝脏制成的试件放置在支撑体的卡槽内，试件厚度h为2mm。穿刺针体为六棱柱体，边长d=1mm，横截面积
Figure 399979DEST_PATH_IMAGE022
，横截面周长
Figure 861048DEST_PATH_IMAGE024
将穿刺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，设定针体的位移速度为50mm/min，两次穿刺过程中的加卸载曲线由计算机输出，将得到的数据导入Origin软件得出类似于如图3所示的力—位移曲线，并计算S1和S2 。
表2. 肝脏材料的穿刺断裂能测试
次数 <i>s</i>(mm) c(mm) <i>h</i>(mm) <i>S</i><sub>1</sub>(J) S<sub>2</sub>(J) <i>W</i><sub>1</sub>（J/m<sup>2</sup>）
1 1.00 2.00 0.01776 0.01083 5933.528
2 1.00 2.00 0.01843 0.01127 6154.752
3 1.00 2.00 0.01806 0.01055 6072.334
4 1.00 2.00 0.01824 0.01098 6105.785
5 1.00 2.00 0.01879 0.01085 6328.32
边长1mm的六棱柱钢针穿刺厚度为2mm的动物肝脏，得到的总断裂能W 1为：W 1=6118.944。

Claims (2)

1.一种测试软物质材料在柱形针体穿刺下的断裂能的装置，其特征在于：包括万能材料试验机（1）、计算机（2）、传感器（3）、柱形穿刺针体（4）以及带有卡槽的支撑体（5），万能材料试验机（1）上固定带有卡槽的支撑体（5），支撑体（5）的卡槽内固定有待测软组织试件，试件上方设置有固定在万能材料试验机（1）夹头上的穿刺针体（4），穿刺针体（4）连接传感器（3），传感器和固定穿刺针的夹头连接在一起，计算机（2）与万能材料试验机（1）连接；
所述装置的测试方法包括以下步骤，
S100-测量和计算穿刺针体（4）的横截面面积s和周长c；
S200-测量试件圆形试样的厚度h；
S300-将带有卡槽的支撑体（5）固定在万能材料试验机上，将待测软组织试件置于支撑体的卡槽内；
S400-将穿刺针体（4）固定在万能材料试验机中，调整针体高度使针体和软物质材料接触；
S500-穿刺针体（4）对材料进行第一次穿刺，穿刺过程包括加载和卸载两个阶段；设定万能材料试验机（1）以恒定压缩速度进行穿刺，使得针体穿过整个材料后再以同样的速度退出；得到第一次加卸载过程中完整的力—位移曲线并计算穿刺过程中的总功：力—位移曲线所围成的图形面积S1；
S600-以同样的压缩速度，同样的穿刺深度在同一位置对软材料进行第二次穿刺，同样包括加载和卸载两个阶段，得到第二次加卸载过程中完整的穿刺过程中的摩擦耗散能：计算力—位移曲线所围成的图形面积S2；
S700-将实验所测得数据s,h,S1, S2代入下式即可计算得到穿刺过程中的总断裂能W1：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。
2.根据权利要求1所述的测试软物质材料在柱形针体穿刺下的断裂能的装置，其特征在于：所述带有卡槽的支撑体（5）包括圆盘以及下端与万能试验机固定的柱体，支撑体（5）的轴线平行于试验机运行方向，圆盘带有圆形卡槽且含有中间孔。
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