DE102010037578A1

DE102010037578A1 - Vorrichtung zur Messung der mechanischen Eigenschaften von viskoelastischen Prüflingen

Info

Publication number: DE102010037578A1
Application number: DE102010037578A
Authority: DE
Inventors: Dr. Thiele Christine; Grzegorz Sliwinski; Frank Nestler
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2012-03-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit der die mechanischen Eigenschaften von viskoelastischen Prüflingen, insbesondere von vitalem Weichgewebe bestimmt werden können. Die Vorrichtung umfasst eine Druckquelle, einen Messkopf (1) und eine Auswerteeinheit. Der Messkopf (1) besteht aus einer Messkammer (2), die mit Überdruck oder Unterdruck beaufschlagt werden kann, einem Fixateur (4) mit mindestens einer evakuierbaren Kammer (5), der starr mit der Messkammer (1) verbunden ist, und Messmitteln, die zur Feststellung des über die Messkammer (1) auf den Prüfling (14) wirkenden Drucks und der hierdurch verursachten Auslenkung dienen. Sowohl die Messkammer (1) als auch die mindestens eine Kammer (5) des Fixateurs (4) sind auf einer Seite geöffnet, wobei die offenen Seiten (3, 6) in jeweils dieselbe Richtung weisen. Zur Messung wird der Messkopf mit den offenen Seiten (3, 6) auf den Prüfling (14) aufgesetzt und durch Evakuieren der mindestens einen Kammer (5) des Fixateurs (4) am Prüfling (14) fixiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit der die mechanischen Eigenschaften von viskoelastischen Prüflingen, insbesondere von vitalem Gewebe, mittels Identations- und Aspirationsverfahren (Zug- und Druckverfahren) bestimmt werden können. Die Vorrichtung ist flexibel und mobil einsetzbar. Bei der Messung ist der Oberflächenbereich des mit Druck/Unterdruck beaufschlagten Prüflings genau definiert. Zudem können mit ihr, ohne dass Modifikationen erforderlich sind, sowohl Identations- und Aspirationsmessungen durchgeführt werden.
Aus dem Stand der Technik sind bereits zahlreiche Lösungen zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von vitalem Gewebe bekannt.
So wird in DE 36 12 312 A1 eine Vorrichtung zur Untersuchung der Hautelastizität gezeigt, bei der mittels einer Düse ein Gasstrom senkrecht auf die Haut geleitet wird. Über eine Lichtmengenmessung wird die Verformung der Hautoberfläche unter dem Einfluss des Gasstroms bestimmt. Zur Ermittlung der Verformung bei verschiedenen Druckwerten, wird der Volumenstrom des aus der Düse ausströmenden Gases verändert.
Die mit der Vorrichtung durchgeführten Messungen sind relativ ungenau, da die Größe des mit Druck beaufschlagten Bereichs nicht genau definiert und die Auslenkung stark vom den Düsenabstand abhängig ist. Auch hat die Lichtmengenmessung eine sehr geringe Ortsauflösung.
In DE 102 26 708 A1 ist eine Vorrichtung offenbart, die einen Messkopf mit einem Saugring umfasst, der eine oder mehrere Saugnuten zur Be- und Entlastung der Haut mittels Unterdruck und eine mittlere, zentrale Bohrung zur Beobachtung der Hautoberfläche des zu untersuchenden Hautareals aufweist. Die tangentiale Verschiebung der Hautoberfläche wird mit Hilfe einer digitalen Kamera und der applizierte Unterdruck mit einem Drucksensor gemessen.
Mit der Vorrichtung sind lediglich Aspirationsmessungen möglich. Außerdem wird nur die Hautverschiebung, d. h. die Bewegung der Haut in tangentialer Richtung gemessen; es wird also nur das Verhalten der oberflächennahen Schichten der Haut untersucht. Nachteilig ist auch, dass aufgrund der Größe des Aufbaus kein mobiler Einsatz der Vorrichtung möglich ist.
In Bummo, A. Jung, K.: Dynamic measurement and modeling oft soft tissue behaviour with an identation device using identers of variuos shapes, Key Engineering Materials, 2006 wird eine Vorrichtung offenbart, bei der zur Bestimmung des mechanischen Verhaltens von biologischem Weichgewebe Identoren (Stempel) mit verschieden geformten Enden mittels eines Linearanriebs auf das zu untersuchende Weichgewebe gepresst werden, wobei die von der Probe aufgebrachte Gegenkraft sowie der Verfahrweg des Identors von integrierten Sensoren erfasst wird. Die Vorrichtung ist fest mit einem Experimentiertisch verbunden.
Die Vorrichtung ermöglicht lediglich Identationsmessungen. Nachteilig ist außerdem, dass das Gerät nicht mobil einsetzbar ist und infolgedessen mit ihm keine in-vivo Versuche durchgeführt werden können.
Der Stempel stellt eine träge Masse dar, demzufolge können keine sprungförmigen Auslenkungen aufgeprägt werden.
Außerdem beding das Prinzip des Stempels zwingend einen Kontakt zu einer evtl. sterilen Oberfläche des Prüflings.
In DE 38 32 690 C1 wird eine Vorrichtung zur Messung der elastischen und viskoelastischen Verformbarkeit der Haut beschrieben. Die Vorrichtung besteht aus einer Messkammer, die auf die Haut aufgesetzt wird und in der mittels einer Pumpe ein Unterdruck erzeugt wird. Hierdurch wird die Haut in Richtung der Kammer gezogen (Aspirationsverfahren). Die Auslenkung der Hautoberfläche wird über eine seitlich der Kammer angebrachte Messoptik ermittelt. Für die Vorrichtung ist außerdem ein Zusatzgerät für Identationsmessungen vorgesehen, das aus einem Aufsatz mit einem integrierten beweglichen Stempel besteht. Durch Anlegen eines Überdrucks wird der Stempel auf die Hautoberfläche gepresst, die Verformung der Haut wird mittels derselben Messoptik bestimmt, die auch bei der Aspirationsmessung verwendet wird.
Die Vorrichtung ist auf Untersuchungen der Haut beschränkt, da die Messkammer mittels Kleberingen auf der Haut befestigt wird. Vitale Gewebe, insbesondere von inneren Organen, haben üblicherweise feuchte und nässende Oberflächen, für die sich ein Einsatz von Kleberingen verbietet (schlechte Haftung, Gefahr der bleibenden Schädigung der Organe). Außerdem können keine kombinierten Identations-/Aspirationsmessungen durchgeführt werden, da für jede der Messungen eine unterschiedliche Gerätekonfiguration (mit/ohne Zusatzgerät) erforderlich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.
Insbesondere soll eine Vorrichtung geschaffen werden, mit der die mechanischen Eigenschaften von viskoelastischen Prüflingen, insbesondere von vitalem Weichgewebe, mittels Identations- und Aspirationsverfahren bestimmt werden können. Die Vorrichtung soll kombinierte Identations- und Aspirationsmessungen ermöglichen, d. h., es sollen beide Messungen, ohne dass hierzu ein Umbau der Vorrichtung notwendig ist, möglich sein. Bei den Messungen soll außerdem der Oberflächenbereich des mit Druck/Unterdruck beaufschlagten Prüflings genau definiert sein. Des Weiteren soll die Vorrichtung mobil und flexibel einsetzbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; vorteilhafte Ausgestaltungen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 10.
Ausgegangen wird von einer Vorrichtung zur Messung mechanischer Eigenschaften von viskoelastischen Prüflingen mit einer Druckquelle, die sowohl Überdruck als auch Unterdruck erzeugen kann, einem Messkopf und einer Auswerteeinheit für die vom Messkopf gelieferten Daten.
Nach Maßgabe der Erfindung setzt sich der Messkopf aus einer Messkammer, die mittels der Druckquelle mit Überdruck oder Unterdruck beaufschlagt werden kann, einem evakuierbaren Fixateur, der zur Befestigung des Messkopfs am Prüfling dient, und Messmitteln zusammen.
Der Fixateur ist starr mit der Messkammer verbunden und weist mindestens eine Kammer auf, die mittels einer Absaugeinrichtung evakuiert werden kann. Die mindestens eine Kammer und die Messkammer sind gasdicht voneinander getrennt und jeweils auf einer Seite offen, wobei alle offenen Seiten in dieselbe Richtung weisen. Beim Aufsetzen und ggf. leichtem Andrücken des Messkopfs wird, unter der Voraussetzung, dass der der Messkopf vollständig auf dem Prüfling aufliegt, also nicht übersteht, die mindestens eine offene Seite des Fixateurs durch einen Abschnitt auf der Oberfläche des Prüflings so dicht verschlossen, dass der Druck in der Kammer des Fixateurs durch Evakuieren auf Druckwerte von üblicherweise von –10 bis –200 mbar eingestellt werden kann, was in den meisten Fällen für eine sichere Befestigung der Messkammer ausreichend ist. In besonderen Fällen kann der Unterdruck auf bis zu –700 mbar abgesenkt werden.
Spätestens nachdem der Unterdruck in der Kammer des Fixateurs einen stationären Wert angenommen hat, der Fixateur also am Prüfling festgesaugt ist, ist zwingend auch die offene Seite der Messkammer mit einem Oberflächenabschnitt des Prüflings verschlossen.
Die Messkammer kann nun über einen Druckanschluss mit Überdruck oder Unterdruck beaufschlagt werden. Konstruktiv bevorzugt werden die auf den offenen Seiten liegenden Kanten der mindestens einen Kammer des Fixateurs und der Messkammer so angeordnet, dass sie in einer Ebene liegen. Dann wird die Messkammer regelmäßig, wie auch die Kammer des Fixateurs, schon beim Aufsetzen des Messkopfs vollständig verschlossen.
Die Fläche der offenen Seite des Fixateurs ist so groß gewählt, dass der Messkopf (bei evakuiertem Fixateur) auch dann sicher am Prüfling festgehalten wird, wenn mittels der Druckeinheit in der Messkammer der maximal zulässige Druck (typischerweise zwischen 20 und 50 mbar) vorgegeben wird.
Da der Messkopf über den Fixateur lediglich durch Unterdruck am Prüfling festgehalten wird, sind mit der Erfindung auch in-situ Messungen an inneren Organen, die üblicherweise nässen und auch feucht gehalten werden müssen, möglich. Bei Prüflingen mit relativ trockenen Oberflächen, wie z. B. trockene Haut, ist hingegen der Einsatz von geeigneten Benetzungsmitteln von Vorteil.
Ein besonders einfach aufgebauter Messkopf wird realisiert, indem eine Messkammer eingesetzt ist, die einen kreisrunden Querschnitt hat. Der Fixateur weist nur eine ringförmige Kammer auf, deren offene Seite die offene Seite der Messkammer konzentrisch umgibt. Die seitliche Schnittfläche, also das Profil der Kammer des Fixateurs, ist dabei u-förmig ausgeformt.
Der Fixateur kann vollständig aus einem flexiblen Material, wie z. B. Silicon, oder aus einem starren Material, wie z. B. PMMA (Polymethylmethacrylat), hergestellt sein. Möglich ist auch eine Ausführung, bei dem die zur Messkammer gewandte Wand des Fixateurs aus einem starren und die außen liegende Wand aus einem flexiblen Material gefertigt ist. In besonderen Messszenarien (z. B. für Messungen an menschlichem Gewebe) muss der Fixateur zudem aus einem sterilisierbaren Material gefertigt sein.
Des Weiteren kann in die mindestens eine Kammer des Fixateurs eine mit Durchbrüchen versehene Wand eingebracht sein, die die offene Fläche des Fixateurs zwar geometrisch vollständig verschließt, ein Ansaugen von Wasser und von Verunreinigungen (z. B. Gewebestücke) minimiert, jedoch nach wie vor einen Austausch von Gas und somit ein Festsaugen des Fixateurs am Prüfling ermöglicht. Die Wand ist üblicherweise leicht zurückgesetzt, d. h. von den die mindestens eine offene Seite begrenzenden Kanten weg ins Innere der Kammer des Fixateurs verschoben.
Entsprechend kann auch die Messkammer mit einer flexiblen, gasundurchlässigen Membran verschlossen sein, wodurch nach wie vor ein Aufbringen von Druck oder Unterdruck auf die Oberfläche des Prüflings möglich ist, Verunreinigungen der Messkammer bei Messungen jedoch ausgeschlossen sind.
Die Messmittel dienen in erster Linie dazu, den über die Messkammer auf die Oberfläche des Prüflings aufgebrachten Druck (Über- bzw. Unterdruck) und die hierdurch verursachte Auslenkung zu messen. Zur Bestimmung des Drucks werden Standard Drucksensoren eingesetzt; die Auslenkung wird bevorzugt optisch, z. B. durch Lasertriangulation, bestimmt. Prinzipiell können zum Ermitteln der Auslenkung aber auch akustische, kapazitive, induktive oder mechanische Messmethoden eingesetzt werden.
Die Auslenkung des Prüflings wird berührungslos mittels einer Pneumatik, z. B. indem als Druckquelle eine Pumpe (Zylinder mit Linearantrieb) mit stetig stellbarem Ventil eingesetzt wird, durchgeführt. Auf die Verwendung eines mechanischen Stempels wird also verzichtet.
Durch den Einsatz dieser Pneumatik in der Vorrichtung sind ohne Umbau sowohl Zug- als auch Druckversuche möglich. Deshalb können mit der Vorrichtung auch kombinierte Aspirations- und Identationsmessungen durchgeführt werden, sodass im Vergleich zu herkömmlichen Messvorrichtungen einerseits die erforderliche Messezeit nachhaltig verringert und andererseits die Messgenauigkeit verbessert wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; hierzu zeigen schematisch:
1 einen Messkopf in seitlicher Schnittdarstellung;
2 einen Messkopf mit Basiseinheit und Notebook;
3 einen auf ein Organ aufgesetzten Messkopf.
Wie aus 1 ersichtlich, besteht der Messkopf 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus der Messkammer 2, deren offene Seite 3 einen kreisrunden Querschnitt hat, dem Fixateur 4 mit einer ringförmigen Kammer 5, deren offene Seite 6 zur selben Seite weist wie auch die offene Seite 3 der Messkammer 2, und den Messmitteln, die sich aus einer aus einem Laser 7 und einer Kamera 8 bestehenden Triangulationssensorik sowie einen mit der Messkammer 2 pneumatisch verbundenen Drucksensor (nicht dargestellt) zusammensetzen. Der Fixateur 4, der Messkammer 2 und die Messmittel sind im Gehäuse 9 untergebracht; die Sensorik ist elektrisch über das Sensorkabel 10 und die Messkammer 2 und der Fixateur 4 sind über die Vakuum-/Druckleitung 11 mit der Basiseinheit 12 (2) verbunden. Die Basiseinheit 12 wird über das Notebook 13 gesteuert; sie umfasst alle Systemkomponenten, die zur Kommunikation mit dem Notebook 13 und zum Betrieb des Messkopfs 1 erforderlich sind, also eine USB-Messekarte, den Drucksensor, die Steuerventile und die Druckquelle (alle nicht dargestellt). Die Druckquelle ist als motorbetriebener Zylinder (nicht dargestellt) ausgeführt, mit dem (relativ zum Luftdruck) sowohl ein Über- als auch einen Unterdruck aufgebaut werden kann.
Zur Durchführung der Messung wird der Messkopf 1 mit der offenen Seite 6 des Fixateurs 4 und der offenen Seite 3 der Messkammer 2 auf das zu untersuchende Organ 14 aufgelegt und leicht angedrückt. Hierdurch wird die ringförmige Kammer 5 des Fixateurs 4 über die Kanten 15 sowie den Oberflächenabschnitt 17 und die Messkammer 2 über die Kante 16 sowie den Oberflächenabschnitt 18 des Organs 14 abgedichtet.
Die ringförmige Kammer 5 des Fixateurs 4 wird solange evakuiert, bis sich ein stationärer Unterdruck, üblicherweise im Bereich von –10 bis –200 mbar, einstellt. Der Fixateurs 4 saugt sich am Oberflächenabschnitt 17 fest, wodurch der Messkopf 1 sicher am Organ 14 festgehalten wird. Zur Durchführung der Messung wird die Messkammer 2 entweder mit statischem Druck oder sich dynamisch verändernden (z. B. in Dreiecksform) Druckprofilen beaufschlagt und die Auslenkung des Oberflächenabschnitts 18 mittels des Lasers 8 und der Kamera 9 festgestellt. Durch Anlegen von Überdruck erfolgen Identationsmessungen (vergleiche 3), durch Anlegen von Unterdruck werden Aspirationsmessungen durchgeführt.
Bezugszeichenliste

1: Messkopf
2: Messkammer
3: offene Seite der Messkammer
4: Fixateur
5: ringförmige Kammer des Fixateurs
6: offene Seite des Fixateurs
7: Laser
8: Kamera
9: Messkopfgehäuse
10: Sensorkabel
11: Vakuum-/Druckleitung
12: Basiseinheit
13: Notebook
14: Prüfling/zu untersuchendes Organ
15: Kante des Fixateurs
15.1: innere Kante des Fixateurs
15.2: äußere Kante des Fixateurs
16: Kante der Messkammer
17: Oberflächenabschnitt unterhalb der Messkammer
18: Oberflächenabschnitt unterhalb des Fixateurs

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3612312 A1 [0003]
DE 10226708 A1 [0005]
DE 3832690 C1 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Bummo, A. Jung, K.: Dynamic measurement and modeling oft soft tissue behaviour with an identation device using identers of variuos shapes, Key Engineering Materials, 2006 [0007]

Claims

Vorrichtung zur Messung mechanischer Eigenschaften von viskoelastischen Prüflingen, insbesondere vitalem Weichgewebe, durch Identations- und Aspirationsmessungen, mit einer Druckquelle zur Erzeugung von Überdruck und Unterdruck, einem Messkopf (1) und einer Auswerteeinheit für die vom Messkopf (1) gelieferten Daten, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (1) aus einer Messkammer (2), die mit Überdruck oder Unterdruck beaufschlagt werden kann, einem evakuierbaren Fixateur (4), der zur Befestigung des Messkopfs (1) am Prüfling (14) dient und der starr mit der Messkammer (1) verbunden ist, und Messmitteln, die zur Feststellung des über die Messkammer (1) auf den Prüfling (14) wirkenden Drucks und der hierdurch verursachten Auslenkung dienen, besteht, wobei der Fixateur (4) mindestens eine über mindestens einen Absaugeinrichtung evakuierbare Kammer (5) aufweist, und sowohl die Messkammer (1) als auch die mindestens eine Kammer (5) des Fixateurs (4) auf einer Seite (6) geöffnet sind, wobei die offenen Seiten (3, 6) in jeweils dieselbe Richtung weisen, und die offene Seite (6) des Fixateurs (4) beim Aufsetzen und Andrücken des Messkopfs (1) auf den Prüfling (14) mittels eines Oberflächenabschnitts (18) des Prüflings so dicht verschließbar ist, dass der Druck in der Kammer (5) des Fixateurs (4) durch Evakuieren mit der Absaugeinrichtung bis auf –700 mbar absenkbar ist, wobei, zumindest nachdem der Unterdruck in der Kammer (5) des Fixateurs (4) einen stationären Wert angenommen hat, auch die offene Seite (3) der Messkammer (2) durch einen weiteren Oberflächenabschnitt (17) des Prüflings (14) verschlossen ist, und die Messkammer (2) über eine Vakuum-/Druckleitung (11) mit Überdruck oder Unterdruck beaufschlagbar ist, wobei die Fläche der offenen Seite (6) des Fixateurs (4) so groß gewählt ist, dass auch dann, wenn in der Messkammer (2) mittels der Druckeinheit ein maximal zulässiger Druck vorgegeben wird, der Messkopf (1) mittels des Fixateurs (4) sicher am Prüfling (14) gehalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der offenen Seite (6) liegenden Kanten (15) der mindestens einen Kammer (5) des Fixateurs (4) und die auf der offenen Seite (3) der Messkammer (2) liegende, mindestens eine Kante (16) in einer Ebene liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die offene Seite (3) der Messkammer (2) einen kreisrunden Querschnitt hat und der Fixateur (4) eine einzige Kammer (5) aufweist, wobei die offene Seite (6) der Kammer (5) des Fixateurs (4) einen ringförmigen Querschnitt hat und die offene Seite (6) des Fixateurs (4) die offene Seite (3) der Messkammer (2) konzentrisch umgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die innere ringförmige Kante (15.1) des Fixateurs aus einem starren und die äußere ringförmige Kante (15.2) aus einem flexiblen Material besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fixateur (4) vollständig aus einem flexiblen Material gefertigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fixateur (4) vollständig aus einem starren Material gefertigt ist
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die mindestens eine Kammer (5) des Fixateurs (4) auf dem zur offenen Seite (6) hin gewandten Abschnitt eine mit Durchbrüchen versehene Wand eingebracht ist, welche die mindestens eine Kammer (5) gasdurchlässig verschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (2) mit einer flexiblen, gasundurchlässigen Membran verschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Messmittel zum Erfassen der Auslenkung des sich vor der Messkammer (2) befindenden Oberflächenabschnitts (17) ein Lasertriangulationssensor (7, 8) eingesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckquelle eine Pumpe mit stetig stellbarem Ventil eingesetzt ist.