CN116263390A - 一种软组织在线动态机械力学分析检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种软组织在线动态机械力学分析检测系统，用于对活体软组织进行周期性应力‑应变测量，其特征在于，包括：支撑部，用于支撑待测的活体软组织，包括支撑台和支撑架；测试部，设置在支撑架上，包括探头和传感器组件；驱动部，用于驱动探头进行往复直线运动，从而使活体软组织产生同步形变；传动部，用于分别连接驱动部和测试部，其中，支撑台设置在支撑架上，支撑台具有贯穿孔，探头可升降地设置在贯穿孔内，支撑台上还设置有固定单元，固定单元用于固定待测的身体部位，驱动部包括电机和控制器，电机用于驱动探头运动，控制器用于控制电机运作，探头与活体软组织连接并对活体软组织施加作用力，传感器组件用于检测作用力和位移。
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在线动态机械力学分析检测系统。
背景技术
经典的材料力学分析检测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。在现有技术下，生物活体软组织无法进行材料学中的标准化方法检测。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，NegishiT,Ito K,KamonoA等人的论文《Strain-rate dependence of viscous properties of theplantar soft tissue identified by a spherical indentation test.》J Mech BehavBiomed 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。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种软组织在线动态机械力学分析检测系统。
本发明提供了一种软组织在线动态机械力学分析检测系统，具有这样的特征，包括：支撑部，用于支撑待测的活体软组织，包括支撑台和支撑架；测试部，设置在支撑架上，用于进行动态力学测量，包括探头和传感器组件；驱动部，用于驱动探头在预定的位移行程范围内以预定的频率进行往复直线运动，从而使活体软组织产生同步形变；传动部，用于分别连接驱动部和测试部，其中，支撑台设置在支撑架上，支撑台具有贯穿孔，探头可升降地设置在贯穿孔内，支撑台上还设置有固定单元，该固定单元用于固定待测的身体部位，驱动部包括电机和控制器，电机用于驱动探头运动，控制器用于控制电机运作，探头与活体软组织固定连接并对活体软组织施加作用力，传感器组件用于检测作用力和活体软组织在作用力的作用下产生的位移。
在本发明提供的软组织在线动态机械力学分析检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，传动部包括曲轴、滑块、滑轨以及连接杆，曲轴与电机连接，在电机驱动下转动，滑块设置在曲轴上，在曲轴带动下做圆周运动，滑块与滑轨相配合，滑块可移动地设置在滑轨上，连接杆一端与探头连接，另一端与滑轨连接，连接杆、探头以及滑轨在滑块的作用下同步移动。
在本发明提供的软组织在线动态机械力学分析检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，支撑部还包括支撑杆，滑轨可移动地安装在支撑杆上，滑轨在滑块的带动下沿支撑杆的长度方向移动。
在本发明提供的软组织在线动态机械力学分析检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，传感器组件至少包括拉压力传感器，拉压力传感器安装在连接杆上并与探头连接，用于检测活体软组织承受的拉力或压力。
在本发明提供的软组织在线动态机械力学分析检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，传感器组件还包括位移传感器，位移传感器用于检测并收集活体软组织的位移数据，位移传感器安装在支撑架上并与滑轨连接。
在本发明提供的软组织在线动态机械力学分析检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，位移传感器采用磁环式高精度位移传感器，包括杆型传感器本体和磁环，杆型传感器本体固定安装在支撑架上，磁环与滑轨连接并同步移动。
在本发明提供的软组织在线动态机械力学分析检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，探头采用刚性圆盘探头，并通过胶黏剂与活体软组织表面皮肤粘接。
在本发明提供的软组织在线动态机械力学分析检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，探头采用真空吸盘探头，用于吸住活体软组织表面皮肤。
在本发明提供的软组织在线动态机械力学分析检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，支撑架下方还安装有滚轮，用于辅助支撑部移动。
在本发明提供的软组织在线动态机械力学分析检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，探头进行往复直线运动的位移行程范围为±20mm，周期频率不超过100Hz。
发明的作用与效果
本发明所涉及的软组织在线动态机械力学分析检测系统，包括支撑部、测试部、驱动部以及传动部，这些结构具有以下效果：
支撑部用于支撑待测的活体软组织，包括支撑台和支撑架，使待测的活体软组织得到稳定支撑，有利于提高检测结果的准确性。支撑台设置在支撑架上，支撑台具有贯穿孔，便于测试部与待测的活体软组织连接。
测试部设置在支撑架上，用于进行动态力学测量，包括探头和传感器组件。探头可升降地设置在贯穿孔内，探头与活体软组织固定连接并直接对活体软组织施加作用力，传感器组件可检测活体软组织受到的作用力和在该作用力的作用下产生的位移，相较于间接检测更为直接和便捷。所述支撑台上还设置有固定单元，该固定单元用于固定待测的身体部位，使得测试在稳定静态下进行，排除躯体活动的干扰。
驱动部包括电机和控制器，电机用于驱动探头运动，控制器用于控制电机运作。驱动部用于驱动探头在预定的位移行程范围内以预定的频率进行往复直线运动，从而使活体软组织产生同步形变。
传动部用于分别连接驱动部和测试部，使测试部能够顺利稳定地在驱动部的驱动下工作。
附图说明
图1是本发明的实施例中软组织在线动态机械力学分析检测系统的侧视示意图；
图2是本发明的实施例中软组织在线动态机械力学分析检测系统的立体示意图。
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，以下实施例结合附图对本发明软组织在线动态机械力学分析检测系统作具体阐述。
图1是本发明的实施例中软组织在线动态机械力学分析检测系统的侧视示意图。
如图1所示，软组织在线动态机械力学分析检测系统100包括支撑部10、测试部20、驱动部30以及传动部40。
支撑部10用于支撑待测的活体软组织，包括支撑台11、支撑架12以及设置在支撑架12上的支撑杆13。支撑台11具有贯穿孔111，以便测试部20与待测活体软组织接触。在本实施例中，待测的身体部位为足部，支撑台11采用L型板，设置在支撑架12的顶部，用于承托待测者的足部。支撑架12下方还安装有滚轮121，用于辅助支撑部10移动。
图2是本发明的实施例中软组织在线动态机械力学分析检测系统的立体示意图。
支撑台11上还设置有固定单元112，固定单元112用于固定待测的身体部位。在本实施例中，待测的身体部位为足部，待测的活体软组织为足底软组织。固定单元112包括固定带1121和保护垫1122。如图2所示，固定带1121设置为4条，分别用于固定小腿和脚背，保护垫1122设置为足型。
测试部20设置在支撑架12上，用于进行动态力学测量，包括探头21和传感器组件22。在本实施例中，探头21采用刚性圆盘探头，并通过胶黏剂与活体软组织表面皮肤粘接。探头21可升降地设置在贯穿孔111内，探头21与活体软组织固定连接并对活体软组织施加作用力。
驱动部30包括电机31和控制器32，电机31用于驱动探头21运动，控制器32用于控制电机31运作。驱动部30用于驱动探头21在预定的位移行程范围内以预定的频率进行往复直线运动，从而使活体软组织产生同步形变。在本实施例中，探头进行往复直线运动的位移行程范围为±20mm，周期频率不超过100Hz。
传动部40用于分别连接驱动部30和测试部20。传动部40包括曲轴41、滑块42、滑轨43、连接杆44、传动联轴器45、直线轴承46以及梅花联轴器47。曲轴41的一端通过传动联轴器45与电机31连接，曲轴41在电机31的驱动下转动。滑块42设置在曲轴41的另一端上，在曲轴41带动下做圆周运动。同时，滑块42可移动地设置在滑轨43上，与滑轨43相配合。滑轨43通过直线轴承46可移动地安装在支撑杆13上，滑轨43在滑块42的带动下沿支撑杆13的长度方向移动。连接杆44的一端与探头21连接，另一端与滑轨43连接，连接杆44、探头21以及滑轨43在滑块42的作用下同步移动。梅花联轴器47安装在连接杆44上。
在本实施例中，传感器组件22包括拉压力传感器221和位移传感器222。
拉压力传感器221通过梅花联轴器47安装在连接杆44上并与探头21连接，用于检测活体软组织承受的拉力或压力。
位移传感器222用于检测并收集活体软组织的位移数据，位移传感器222安装在支撑架12上并与滑轨43连接。在本实施例中，位移传感器222采用磁环式高精度位移传感器，包括杆型传感器本体2221和磁环2222，杆型传感器本体2221固定安装在支撑架12上，磁环2222与滑轨43连接并同步移动。
以下结合附图1～2来说明软组织在线动态机械力学分析检测系统100的具体过程和方法：
步骤1：将待测部位放置保护垫1122上，使探头21和待测的活体软组织表面接触，并通过胶黏剂固定连接，然后用固定带1121将待测部位固定在支撑台11上；
步骤2：通过控制器32控制电机31运作，电机31通过传动传动联轴器45带动曲轴41转动，使安装在曲轴上41的滑块42做圆周运动；
步骤3：滑块42带动与之配合的滑轨43，使滑轨43沿着支撑杆13做往复的直线运动；
步骤4：探头21与连接杆44随着滑轨43同步运动，探头21对待测的活体软组织表面周期性地施加拉力或压力并使之产生位移，同时，连接在滑轨43上的磁环与滑轨43也同步运动；
步骤5：安装在连接杆44上的拉压力传感器221记录下被测的活体软组织受到的拉力或压力数据，同时，磁环2222与杆型传感器本体2221配合，采集被测的活体软组织的位移数据。
实施例的作用与效果
本实实施例所涉及的软组织在线动态机械力学分析检测系统，包括支撑部、测试部、驱动部以及传动部，这些结构具有以下效果：
支撑部用于支撑待测的活体软组织，包括支撑台、支撑架以及设置在支撑架上的支撑杆。支撑台具有贯穿孔，以便测试部与待测活体软组织接触。在本实施例中，待测的身体部位为足部，待测的活体软组织为足底软组织。支撑台为设置在支撑架顶部的L型板，用于承托待测者的足部。支撑台上还设置有固定单元，固定单元用于固定待测的身体部位，包括固定带和保护垫。4条固定带与L型板配合，用于分别固定待测者的小腿和脚背，使得测试在稳定静态下进行，排除躯体活动的干扰，使检测数据更准确。保护垫设置为足型，便于对待测部位进行定位，同时提高了舒适度。支撑架下方还安装有滚轮，用于辅助支撑部移动。
测试部设置在支撑架上，用于进行动态力学测量，包括探头和传感器组件。探头可升降地设置在贯穿孔内，探头与活体软组织固定连接并对活体软组织施加作用力。在本实施例中，探头采用刚性圆盘探头，并通过胶黏剂与活体软组织表面皮肤粘接，从而使探头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同步程度高、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。
驱动部包括电机和控制器，电机用于驱动探头运动，控制器用于控制电机运作。驱动部用于驱动探头在预定的位移行程范围内以预定的频率进行往复直线运动，从而使活体软组织产生同步形变。在本实施例中，探头进行往复直线运动的位移行程范围为±20mm，周期频率不超过100Hz，以避免对被测者造成伤害。
传动部用于分别连接驱动部和测试部。传动部包括曲轴、滑块、滑轨、连接杆、传动联轴器、直线轴承以及梅花联轴器。曲轴的一端通过传动联轴器与电机连接，曲轴在电机的驱动下转动。滑块设置在曲轴的另一端上，在曲轴带动下做圆周运动。同时，滑块可移动地设置在滑轨上，与滑轨相配合。滑轨通过直线轴承可移动地安装在支撑杆上，滑轨在滑块的带动下沿支撑杆的长度方向移动。连接杆的一端与探头连接，另一端与滑轨连接，连接杆、探头以及滑轨在滑块的作用下同步移动，用于对活体软组织周期性地施加拉力或压力。
在本实施例中，传感器组件包括拉压力传感器和位移传感器。
拉压力传感器通过梅花联轴器安装在连接杆上并与探头连接，能够准确地测量活体软组织承受的拉力或压力。
位移传感器安装在支撑架上并与滑轨连接，用于检测并收集活体软组织的位移数据。在本实施例中，位移传感器采用磁环式高精度位移传感器，包括杆型传感器本体和磁环，杆型传感器本体固定安装在支撑架上，磁环与滑轨连接并同步移动，便于准确测量活体软组织的位移数据。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。例如：在本实施例中，采用刚性圆盘探头通过粘接的方式与活体软组织连接固定，在实际使用中还可采用真空吸盘探头，通过吸附的方式与活体软组织表面皮肤连接。采用真空吸盘探头吸附的方式具有操作便捷、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，导致待测软组织与探头的同步程度略有削弱，以及固定效果不如粘接的方式。因此，在实际应用中，两种方案应根据待测身体部位、受试者意愿等实际情况选用。
Claims (10)
1.一种软组织在线动态机械力学分析检测系统，用于对活体软组织进行周期性应力-应变测量，其特征在于，包括：
支撑部，用于支撑待测的所述活体软组织，包括支撑台和支撑架；
测试部，设置在所述支撑架上，用于进行动态力学测量，包括探头和传感器组件；
驱动部，用于驱动所述探头在预定的位移行程范围内以预定的频率进行往复直线运动，从而使所述活体软组织产生同步形变；
传动部，用于分别连接驱动部和测试部，
其中，所述支撑台设置在所述支撑架上，所述支撑台具有贯穿孔，所述探头可升降地设置在所述贯穿孔内，所述支撑台上还设置有固定单元，该固定单元用于固定待测的身体部位，
所述驱动部包括电机和控制器，所述电机用于驱动所述探头运动，所述控制器用于控制所述电机运作，
所述探头与所述活体软组织固定连接并对所述活体软组织施加作用力，
所述传感器组件用于检测所述作用力和所述活体软组织在所述作用力的作用下产生的位移。
2.根据权利要求1所述的软组织在线动态机械力学分析检测系统，其特征在于：
其中，所述传动部包括曲轴、滑块、滑轨以及连接杆，
所述曲轴与所述电机连接，在所述电机驱动下转动，
所述滑块设置在所述曲轴上，在所述曲轴带动下做圆周运动，
所述滑块与所述滑轨相配合，所述滑块可移动地设置在所述滑轨上，
所述连接杆一端与所述探头连接，另一端与所述滑轨连接，所述连接杆、所述探头以及所述滑轨在所述滑块的作用下同步移动。
3.根据权利要求2所述的软组织在线动态机械力学分析检测系统，其特征在于：
其中，所述支撑部还包括支撑杆，
所述滑轨可移动地安装在所述支撑杆上，
所述滑轨在所述滑块的带动下沿所述支撑杆的长度方向移动。
4.根据权利要求2所述的软组织在线动态机械力学分析检测系统，其特征在于：
其中，所述传感器组件至少包括拉压力传感器，
所述拉压力传感器安装在所述连接杆上并与所述探头连接，用于检测所述活体软组织所述承受的拉力或压力。
5.根据权利要求2所述的软组织在线动态机械力学分析检测系统，其特征在于：
其中，所述传感器组件还包括位移传感器，
所述位移传感器用于检测并收集所述活体软组织的位移数据，所述位移传感器安装在所述支撑架上并与所述滑轨连接。
6.根据权利要求5所述的软组织在线动态机械力学分析检测系统，其特征在于：
其中，所述位移传感器采用磁环式高精度位移传感器，包括杆型传感器本体和磁环，
所述杆型传感器本体固定安装在所述支撑架上，
所述磁环与所述滑轨连接并同步移动。
7.根据权利要求1所述的软组织在线动态机械力学分析检测系统，其特征在于：
其中，所述探头采用刚性圆盘探头，并通过胶黏剂与所述活体软组织表面皮肤粘接。
8.根据权利要求1所述的软组织在线动态机械力学分析检测系统，其特征在于：
其中，所述探头采用真空吸盘探头，用于吸住所述活体软组织表面皮肤。
9.根据权利要求1所述的软组织在线动态机械力学分析检测系统，其特征在于：
其中，所述支撑架下方还安装有滚轮，用于辅助所述支撑部移动。
10.根据权利要求1所述的软组织在线动态机械力学分析检测系统，其特征在于：
其中，所述探头进行往复直线运动的位移行程范围为±20mm，周期频率不超过100Hz。
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Cited By (1)
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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 |
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2021
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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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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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