CN116263388A - 软组织周期扭矩应力应变在线检测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种软组织周期扭矩应力应变在线检测设备，由于软组织检测装置具有软组织探头，该软组织探头的检测面与待检测的活体软组织的表面固定连接，并且该软组织探头在扭转驱动机构的驱动下进行往复扭转运动，因此能够带动待测活体软组织产生相应的同步形变，从而能够检测活体软组织的应变力；还由于具有扭矩传感器，且该扭矩传感器的检测端与扭转驱动机构的转轴连接，因此还能够同步检测软组织探头的扭转力矩，因此，在软组织探头进行多次往复扭转运动后，就能够获取到待测活体软组织的周期性转向应力‑应变数据，从而能够对活体软组织的材料性质进行更精确的分析，进而为临床诊疗、仿生材料设计等提供更为准确可靠的数据依据。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学工程和材料力学领域，具体涉及一种软组织周期扭矩应力应变在线检测设备。
背景技术
软组织，是相对于硬组织(骨)和独立脏器而言，对人体的皮肤、皮下组织、韧带、关节囊、肌肉、肌腱、滑膜囊、神经、血管等的统称，作为自然进化选择的结果，软组织通过复杂的组成和精细的结构，能够高效地实现各种精密的生理功能和需要，因而将人体软组织视为一种材料，对其进行材料特性的研究，是生物医学工程和仿生材料方向的重点方向。
但显而易见，活体软组织无法进行材料学中的标准化方法检测，这是由活体的强局限性所决定的，经典的材料力学手段都是面对可加工操作的对象，需要将对象材料制作成规定形状尺寸的试样测试，并以此为前提建立了整套基于标准样品的检测体系，而活体几乎不能直接应用这些技术手段，例如不可能单块制备标准样品；检测窗口很短，不可能让对象长时间受试；检测条件如载荷、频率、温度等条件限制非常严格。到目前为止，对软组织的力学检测表征主要还是通过离体组织标本来进行材料表征，例如中国发明专利CN107941613A、CN104535415A、CN106680114A、CN106370519A、CN105300812A、CN104977211A等提出的软组织测试仪器、系统，都是针对离体组织标本的，但离体标本的测试结果则很难有说服力。
目前针对活体的测量手段，基于非侵入无伤害的要求，主要的技术手段还是以超声、激光等间接测试手段为主，例如中国发明专利CN1596823A《一种在体软组织动态负载响应参数采集系统》就公布了一种采用超声技术手段的在体检测手段。针对软组织直接的机械应力-应变测量的报道还很罕见，Negishi T,Ito K,Kamono A等人的论文《Strain-ratedependence of viscous properties of the plantar soft tissue identified by aspherical indentation test.》J Mech Behav Biomed Mater.2020；102:103470.中公布了一种足底敲击装置，能够给出简单的测试单次应力-应变和松弛的数据，但是这也还与经典材料力学中的动态周期性应力-应变相应和粘弹性分析相差甚远。
软组织的旋转耐扭矩性质，以及转向应力-应变表现是重要的材料性能表征之一，但如前文所述，目前针对这一性能检测，只有制备离体标本样品可以测试。如果能够实现对活体进行直接的动态力学测量的话，将使我们对软组织的材料性质有更精确的测量和分析手段，也可以与超声等间接测量手段相互对比印证，对于我们研究认识软组织的性质、为临床诊疗等提供更多的诊疗数据依据、以及仿生材料设计等，都具有重大的意义。
发明内容
为解决上述问题，提供一种能够直接对活体软组织的转向应力-应变表现进行检测的软组织周期扭矩应力应变在线检测设备，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种软组织周期扭矩应力应变在线检测设备，用于对活体软组织的转向应力-应变进行检测，其特征在于，包括：软组织检测装置，具有：软组织探头，用于检测活体软组织的应变，具有检测面，该检测面与待检测的活体软组织的表面固定连接；扭矩传感器，用于检测活体软组织的扭转力矩，具有检测端；以及扭转驱动机构，用于驱动软组织探头在预定的角度范围内以预定的频率进行往复扭转，从而使活体软组织产生同步形变，其中，扭转驱动机构至少包括作为扭转轴心的转轴，该转轴与扭矩传感器的检测端连接。
本发明提供的软组织扭矩应力应变在线检测系统，还可以具有这样的技术特征，其中，扭转驱动机构还包括：驱动电机；转盘，安装在驱动电机的输出端；滑块，可转动地安装在转盘上靠近边缘的位置；以及连杆，具有主体部分以及连接端，该连接端通过其上的枢转孔安装在转轴上，主体部分与滑块可滑动地嵌合，软组织探头安装在连接端上，且软组织探头的长度方向与连杆的长度方向一致。
本发明提供的软组织扭矩应力应变在线检测系统，还可以具有这样的技术特征，其中，转盘为圆形，其上开设有多个离心槽，且多个离心槽沿转盘的轴心均匀分布，滑块具有圆柱形的端部，滑块通过该端部可转动地嵌合在离心槽中。
本发明提供的软组织扭矩应力应变在线检测系统，还可以具有这样的技术特征，其中，检测面为刚性平面，与活体软组织的表面通过胶黏剂固定连接。
本发明提供的软组织扭矩应力应变在线检测系统，还可以具有这样的技术特征，其中，检测面为真空吸盘，吸附固定在活体软组织的表面。
本发明提供的软组织扭矩应力应变在线检测系统，还可以具有这样的技术特征，其中，角度范围为-20°～20°
本发明提供的软组织扭矩应力应变在线检测系统，还可以具有这样的技术特征，其中，频率≤100Hz。
本发明提供的软组织扭矩应力应变在线检测系统，还可以具有这样的技术特征，还包括：待测部位稳定装置，用于使活体软组织所对应的身体部分在检测过程中保持稳定，具有：支架；定位件，安装在支架上，用于对身体部分进行承托及定位；以及柔性固定件，安装在支架上与定位件相对应的位置，用于将身体部分固定在定位件处，其中，定位件具有与软组织探头及其往复扭转运动相匹配的贯通孔，用于使软组织探头露出。
本发明提供的软组织扭矩应力应变在线检测系统，还可以具有这样的技术特征，还包括：数据采集装置，分别与软组织探头以及扭矩传感器通信连接，用于采集软组织探头检测到的应变力以及扭矩传感器检测到的扭转力矩。
发明作用与效果
根据本发明的软组织周期扭矩应力应变在线检测设备，包括用于检测活体软组织的周期性转向应力-应变的软组织检测装置，由于软组织检测装置具有软组织探头，该软组织探头的检测面与待检测的活体软组织的表面固定连接，并且该软组织探头在扭转驱动机构的驱动下进行往复扭转运动，因此能够带动待测活体软组织产生相应的同步形变，从而能够检测活体软组织的应变力；还由于具有扭矩传感器，且该扭矩传感器的检测端与扭转驱动机构的转轴连接，因此还能够同步检测软组织探头的扭转力矩，因此，在软组织探头进行多次往复扭转运动后，就能够获取到待测活体软组织的周期性转向应力-应变数据，而周期性的转向应力-应变数据是材料力学中动态力学分析(DMA)的表征方式，可以用经典的DMA方式进行分析，以表征材料的转向应力-应变力学性质，从而能够对活体软组织的材料性质进行更精确的分析，进而为临床诊疗、仿生材料设计等提供更为准确可靠的数据依据。
附图说明
图1是本发明实施例中软组织周期扭矩应力应变在线检测设备的立体图；
图2是本发明实施例中软组织周期扭矩应力应变在线检测设备的侧视图；
图3是本发明实施例中软组织周期扭矩应力应变在线检测设备带局部剖视的主视图；
图4是图3中框A内部分的放大图；
图5是本发明实施例中待测部位稳定装置的立体图。
附图标记：
软组织周期扭矩应力应变在线检测设备10；软组织检测装置20；软组织探头21；检测面211；扭矩传感器22；检测端221；扭转驱动机构23；驱动电机231；转盘232；离心槽2321；滑块233；转轴234；连杆235；数据采集装置30；载置台40；金属框架41；上盖板42；承托板43；延伸板44；待测部位稳定装置50；支架51；定位件52；柔性固定件53。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明的软组织扭矩应力应变在线检测系统作具体阐述。
<实施例一>
本实施例提供一种软组织周期扭矩应力应变在线检测设备，能够直接对活体软组织的周期性扭矩应力-应变进行检测。本实施例中，活体软组织为受试者足底的软组织。
图1是本发明实施例中软组织周期扭矩应力应变在线检测设备的立体图。
图2是本发明实施例中软组织周期扭矩应力应变在线检测设备的侧视图。
图3是本发明实施例中软组织周期扭矩应力应变在线检测设备带局部剖视的主视图。
如图1-3所示，软组织周期扭矩应力应变在线检测设备10包括软组织检测装置20以及数据采集装置30。
软组织检测装置20用于对活体软组织的转向应力-应变进行检测，包括软组织探头21、扭矩传感器22以及扭转驱动机构23。
软组织探头21用于检测活体软组织的应变力。本实施例中，软组织探头21为现有技术中的软组织探头，其具有一个检测面211，该检测面211为钢性平面，待检测的活体软组织的外表面(也即对应的患者的足部皮肤)通过胶黏剂粘合在该钢性平面上，也即检测面211与活体软组织的外表面为固定连接，检测面211的移动、扭转会使活体软组织产生同步形变。同时，该钢性平面的面积即为受力面积。
本实施例中，胶黏剂为现有技术中的皮肤胶黏剂，无生物毒害且易于清理。
扭矩传感器22用于检测活体软组织的扭转力矩。本实施例中，扭矩传感器22为高精度的应变片扭矩传感器，具有一个检测端221。
扭转驱动机构23用于驱动软组织探头21在预定的角度范围内以预定的频率进行往复扭转运动，使粘合在软组织探头21的检测面211上的活体软组织产生同步形变，从而能够检测该活体软组织的应力-应变。扭转驱动机构23包括驱动电机231、转盘232、滑块233、转轴234以及连杆235。
图4是图3中框A内部分的放大图。
如图4所示，驱动电机231为伺服电机，具有输出端。此外，本实施例的驱动电机231还带有监测装置，能够运行监测并给出位移数据。
转盘232为圆形转盘，通过轴承组件安装在驱动电机231的输出端，且转盘232的盘面在水平面上，转盘232上靠近边缘处还开设有四个弧形的离心槽2321，且四个离心槽2321沿转盘232的轴心均匀分布。
滑块233的上部呈U型架状且与连杆235相匹配，滑块233的下部具有一个延伸端，该延伸端呈圆柱状(图中未示出)且与离心槽2321相匹配，因此滑块233能够通过其圆柱状的延伸端360度可转动地安装在离心槽2321中，同时可沿离心槽2321的延伸方向在离心槽2321中进行移动。
转轴234用于作为连杆235的扭转轴心，安装在扭矩传感器22的检测端221上，且沿竖直方向延伸。
连杆235用于带动软组织探头21进行往复扭转运动。连杆235为方形杆，具有连接端(靠近转轴234的一端)、自由端(远离转轴承234的一端)以及位于连接端和自由端之间的主体部分，其中，连接端上开设有一个枢转孔(图中未示出)，连接端通过该枢转孔可动地安装在转轴234的一端，使得连杆235能够以转轴234为转动轴在水平面上进行转动，同时，连杆235的主体部分与滑块233可滑动地嵌合，滑块233既驱动连杆235进行往复扭转，同时也限制连杆235的扭转范围。
软组织探头21通过垫片安装在连杆235的连接端2351上，且软组织探头21的长度方向与连杆235的长度方向一致。
因此，在驱动电机231的驱动下，转盘232沿一个方向进行转动，带动嵌入在离心槽2321中的滑块233作弧线运动，进而滑块233带动连杆235以转轴234为转动轴进行转动。
具体地，当滑块233运动到图4中B1所示位置处时，连杆235即到达一侧的最大行程，随后，当滑块233沿图4中箭头所示方向运动时，连杆235就朝向箭头所示方向扭转，滑块233运动至图4中B2所示位置时，连杆235即到达另一侧的最大行程，随后，连杆235就在滑块233的带动下以相同方式朝向另一侧扭转，重复上述的过程，连杆235即在驱动电机231的驱动下往复扭转，带动连接端2351上的软组织探头21同步往复扭转。
本实施例中，考虑受试者的舒适度以及人体软组织的一般可承受的受力强度，通过调整转盘232的直径、转轴234与转盘232的距离等，将软组织探头21的转动角度限制在-20°～20°，同时，通过调整伺服电机的参数，将软组织探头21往复扭转运动的频率控制在100Hz及以下。其中，将连杆235的长度方向与转轴234以及转盘232的圆心的连线方向一致时的连杆235位置作为基准位置。
数据采集装置30用于采集软组织探头21检测到的应变力以及扭矩传感器22检测到的扭转力矩。本实施例中，数据采集装置30为本地服务器，分别通过传输线与软组织探头21以及扭矩传感器22连接。
此外，如图1-3所示，软组织检测装置20以及数据采集装置30均安装在载置台40内，载置台40包括金属框架41、安装在金属框架41中上方的上盖板42、安装在金属框架41中下方的承托板43以及安装在金属框架41外缘的延伸板44。软组织检测装置20以及数据采集装置30放置在承托板43上，上盖板42上对应于软组织探头21的位置开设有贯通孔，软组织探头21从贯通孔处露出，从而便于进行检测。
此外，载置台40下方还设置有多个滚轮，从而能够方便地移动软组织周期扭矩应力应变在线检测设备10。
此外，软组织周期扭矩应力应变在线检测设备10还包括待测部位稳定装置，用于在检测过程中使相应的身体部位保持稳定，从而使得检测能够排除躯体活动的干扰。
图5是本发明实施例中待测部位稳定装置的立体图。
如图5所示，本实施例中，待检测的活体软组织为足底软组织，相应的身体部位即为受试者的足部，因此待测部位稳定装置50的结构是为固定足部而相应设计的结构。
待测部位稳定装置50包括支架51、定位件52以及多个柔性固定件53。
支架51安装在载置台40的延伸板44上，用于为待测的身体部位提供支撑。
定位件52供受试者对待检测的身体部分(即足部)进行定位，从而将待测软组织准确地定位至软组织探头21处，本实施例中，定位件52呈与足部相匹配的形状。
柔性固定件53安装在支架51上，用于将待测的身体部分固定在支架51上定位件52处，从而使该身体部分在检测过程中保持稳定，其中，部分柔性固定件53安装在与定位件52相对应处，用于固定足部。本实施例中，柔性固定件53为绑带。
此外，在支架51以及定位件52上与软组织探头21相对应的位置也开设有贯通孔，使软组织探头21能够从贯通孔中露出。
如上所述，在软组织探头21进行多次往复扭转运动后，数据采集装置30就对应采集到多组扭转力矩、位移数据以及对应的软组织的应变力，也即采集得到了周期性的转向应力-应变数据，而周期性的转向应力-应变数据是材料力学中动态力学分析(DMA)的表征方式，可以用经典的DMA方式进行分析，以表征材料的转向应力-应变力学性质，从而能够对活体软组织的材料性质进行更精确的分析。
<实施例二>
本实施例提供一种软组织周期扭矩应力应变在线检测设备，与实施例一相比，区别之处在于，本实施例中，软组织探头21具有一个真空吸盘，检测面211即为真空吸盘的吸附面，通过吸附方式固定在待测活体软组织的表面，该真空吸盘的吸附面的面积即为受力面积。
本实施例中，其他结构及检测方式与实施例一中一致，因此不再重复说明。
实施例作用与效果
根据本实施例提供的软组织周期扭矩应力应变在线检测设备10，包括用于检测活体软组织的周期性转向应力-应变的软组织检测装置20，由于软组织检测装置20具有软组织探头21，该软组织探头21的检测面211与待检测的活体软组织的表面固定连接，并且该软组织探头21在扭转驱动机构23的驱动下进行往复扭转运动，因此能够带动待测活体软组织产生相应的同步形变，从而能够检测活体软组织的应变力；还由于具有扭矩传感器22，且该扭矩传感器22的检测端221与扭转驱动机构23的转轴234连接，因此还能够同步检测软组织探头21的扭转力矩，因此，在软组织探头21进行多次往复扭转运动后，就能够获取到待测活体软组织的周期性转向应力-应变数据，而周期性的应力-应变数据是材料力学中动态力学分析(DMA)的表征方式，可以用经典的DMA方式进行分析，以表征材料的转向应力-应变力学性质，从而能够对活体软组织的材料性质进行更精确的分析，进而为临床诊疗、仿生材料设计等提供更为准确可靠的数据依据。
具体地，扭转驱动机构23包括驱动电机231、转盘232、滑块233、转轴234以及连杆235，因此在驱动电机231的驱动下，转盘232进行转动，带动滑块233作弧线运动，进而滑块233与连杆235相互作用，使得连杆235作往复扭转运动，带动安装在连杆235端部上的软组织探头21同步运动，从而能够检测活体软组织的周期性转向应力-应变。同时，通过调节转盘232的直径、转轴234与转盘232的距离、驱动电机231的参数等，能够调节往复扭转运动的角度范围以及频率，实施例中，往复扭转运动的角度被限制在-20°～20°，频率控制在100Hz及以下，从而能够避免受试者在进行检测时感到不适甚至受伤，在采集数据的同时保障了受试者的健康及体验。
实施例一中，软组织探头21的检测面211为钢性平面，待测软组织的表面通过胶黏剂粘合在钢性平面上，实现固定连接，从而使软组织探头21在检测过程中能够带动待测活体软组织同步形变。采用粘接法具有固定效果好、待测软组织与软组织探头21同步程度高因此采集的数据更为精确等优点，但相应地有实验处理较为麻烦、可选胶黏剂种类较少、受试者可能配合意愿不高等缺点。
实施例二中，软组织探头21具有真空吸盘，其检测面211即为真空吸盘的吸附面，检测面211通过吸附方式与待测软组织的表面(即相应身体部分的皮肤)固定连接，从而在检测过程中带动待测活体软组织同步形变。采用吸附法具有操作便捷、受试者可能配合意愿高等优点，相应地，由于吸盘自身的形变空间较大，导致待测软组织与软组织探头21的同步程度略有削弱，以及固定效果不如粘接法。因此，在实际应用中，两种方案应根据实际情况选用。
上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。
在上述实施例中，扭转驱动机构23驱动软组织探头21在水平方向上进行往复扭转运动，从而检测活体软组织的转向应力-应变，在本发明的其他方案中，根据受测身体部位的实际情况，也可以对应改变扭转驱动机构23中各部件的方向，使得扭转驱动机构23驱动软组织探头21在其他方向上进行往复扭转运动，也能实现本发明的技术效果。
在上述实施例中，数据采集装置30为本地服务器，分别通过传输线与软组织探头21以及扭矩传感器22连接，在本发明的其他方案中，数据采集装置30也可以远端设备，例如为云服务器，通过无线方式与软组织探头21以及扭矩传感器22通信连接，也能实现本发明的技术效果。
在上述实施例中，待检测的活体软组织为足底软组织，相应的身体部位即为受试者的足部，因此实施例中的待测部位稳定装置50的结构是为固定足部而相应设计的结构，在本发明的其他方案中，软组织周期扭矩应力应变在线检测设备10也可以用于检测人体其他部位的软组织，相应地，待测部位稳定装置50采用与人体其他部位相匹配的结构设计，也能实现本发明的技术效果。
Claims (9)
1.一种软组织周期扭矩应力应变在线检测设备，用于对活体软组织的周期性转向应力-应变进行检测，其特征在于，包括：
软组织检测装置，具有：
软组织探头，用于检测所述活体软组织的应变力，具有检测面，该检测面与待检测的所述活体软组织的表面固定连接；
扭矩传感器，用于检测所述活体软组织的扭转力矩，具有检测端；以及
扭转驱动机构，用于驱动所述软组织探头在预定的角度范围内以预定的频率进行往复扭转运动，从而使所述活体软组织产生同步形变，
其中，所述扭转驱动机构至少包括作为扭转轴心的转轴，该转轴与所述扭矩传感器的检测端连接。
2.根据权利要求1所述的软组织周期扭矩应力应变在线检测设备，其特征在于：
其中，所述扭转驱动机构还包括：
驱动电机；
转盘，安装在所述驱动电机的输出端；
滑块，可转动地安装在所述转盘上靠近边缘的位置；以及
连杆，具有主体部分以及连接端，该连接端通过其上的枢转孔安装在所述转轴上，所述主体部分与所述滑块可滑动地嵌合，
所述软组织探头安装在所述连接端上，且所述软组织探头的长度方向与所述连杆的长度方向一致。
3.根据权利要求2所述的软组织周期扭矩应力应变在线检测设备，其特征在于：
其中，所述转盘为圆形，其上开设有多个离心槽，且多个所述离心槽沿所述转盘的圆心均匀分布，
所述滑块具有圆柱形的延伸端，所述滑块通过所述延伸端可转动地嵌合在所述离心槽中。
4.根据权利要求1所述的软组织周期扭矩应力应变在线检测设备，其特征在于：
其中，所述检测面为刚性平面，与所述活体软组织的表面通过胶黏剂固定连接。
5.根据权利要求1所述的软组织周期扭矩应力应变在线检测设备，其特征在于：
其中，所述检测面为真空吸盘的吸附面，吸附固定在所述活体软组织的表面。
6.根据权利要求1所述的软组织周期扭矩应力应变在线检测设备，其特征在于：
其中，所述角度范围为-20°～20°。
7.根据权利要求1所述的软组织周期扭矩应力应变在线检测设备，其特征在于：
其中，所述频率≤100Hz。
8.根据权利要求1所述的软组织周期扭矩应力应变在线检测设备，其特征在于，还包括：
待测部位稳定装置，用于使所述活体软组织所对应的身体部分在检测过程中保持稳定，具有：
支架；
定位件，安装在所述支架上，用于对所述身体部分进行承托及定位；以及
柔性固定件，安装在所述支架上与所述定位件相对应的位置，用于将所述身体部分固定在所述定位件处，
其中，所述定位件具有与所述软组织探头以及所述往复扭转运动相匹配的贯通孔，用于使所述软组织探头露出。
9.根据权利要求1所述的软组织周期扭矩应力应变在线检测设备，其特征在于，还包括：
数据采集装置，分别与所述软组织探头以及所述扭矩传感器通信连接，用于采集所述软组织探头检测到的应变力以及所述扭矩传感器检测到的扭转力矩。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202111527236.7A CN116263388A (zh) | 2021-12-14 | 2021-12-14 | 软组织周期扭矩应力应变在线检测设备 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202111527236.7A CN116263388A (zh) | 2021-12-14 | 2021-12-14 | 软组织周期扭矩应力应变在线检测设备 |
Publications (1)
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|---|---|
| CN116263388A true CN116263388A (zh) | 2023-06-16 |
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ID=86722171
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| CN202111527236.7A Pending CN116263388A (zh) | 2021-12-14 | 2021-12-14 | 软组织周期扭矩应力应变在线检测设备 |
Country Status (1)
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|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117664705A (zh) * | 2024-01-30 | 2024-03-08 | 复旦大学 | 多维度广谱足底软组织材料力学性质临床在线检测设备 |
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2021
- 2021-12-14 CN CN202111527236.7A patent/CN116263388A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117664705A (zh) * | 2024-01-30 | 2024-03-08 | 复旦大学 | 多维度广谱足底软组织材料力学性质临床在线检测设备 |
| CN117664705B (zh) * | 2024-01-30 | 2024-05-14 | 复旦大学 | 多维度广谱足底软组织材料力学性质临床在线检测设备 |
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