DE3719380C1 - Device for measuring the mechanical properties of biological tissue samples in vitro - Google Patents

Device for measuring the mechanical properties of biological tissue samples in vitro

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Krzysztof Dr Chwalisz
Reiner Kolberg
Dieter Niemeyer
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Bayer Pharma AG
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Schering AG
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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der mechanischen Eigenschaften biologischer Gewebeproben in vitro nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zur Messung des Kontraktionsverhaltens von Organen ist aus der DE-OS 22 56 859 eine Vorrichtung bekannt, die ein thermostabilisiertes Gefäß aufweist, in der eine Nährlösung für die Organprobe enthalten ist. Die Organ­ probe ist in diesem Gefäß an einer oberen und einer unteren Halterung befestigt. Die obere Halterung steht mit einer oberhalb des Gefäßes angeordneten Wegmeßvor­ richtung in Verbindung und die untere Halterung mit einem unterhalb des Gefäßes angeordneten Kraftmesser. Im Gefäß sind bei dieser bekannten Vorrichtung Elektroden angeordnet über die das Organ erregt wird. Die durch elektrische Signale erzeugten Kontraktions­ bewegungen erzeugen in dieser Vorrichtung Kraftsignale und Wegsignale, die ausgewertet werden.
Biologische Gewebe, insbesondere tierische und mensch­ liche Gewebe haben rheonome Eigenschaften, deren genaue Kenntnis in vielen Fällen, wie beispielsweise in der Pharmakologie von großem Interesse ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Verfügung zu stellen, mit der Deformationseigen­ schaften des biologischen Gewebes mit verschiedenen Meßmethoden erfaßt werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die technische Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in einfacher Weise programmierbar, und mit diesem Gerät kann bei zeitlich konstanter Deformation die Spannungsrelaxation gemessen werden und bei zeitlich konstanter Spannung das Kriechen des Materials ermittelt werden.
Mit Vorteil wird ein stabiler Schlitten längs einer ebenfalls stabilen Führung in Achsrichtung des die Probe aufnehmenden Gefäßes verschoben, wobei eine Meßanordnung die Größe der axialen Verschiebung des Schlittens mißt. Eine Halterung für die Gewebeprobe ist über einen Kraftaufnehmer mit dem Schlitten verbunden, so daß die Parameter Kraft und Weg in sicherer und einfacher Weise ermittelt werden können und zusammen mit der Zeit alle gewünschten Aussagen über die mechanischen Eigenschaften des biologischen Gewebes ergeben.
Für eine sichere und stoßfreie Führung ist der Schlitten mittels Kugellagern an wenigstens zwei Säulen geführt. Zum Antrieb des Schlittens ist dieser mit einer Kugelumlaufspindel verbunden. Die Kugelumlauf­ spindel ermöglicht die erforderliche präzise Schlittenbewegung. Diese Kugelumlaufspindel steht mit einem Antriebsmotor über ein Getriebe in Verbindung.
Die Meßanordnung zur Messung der Verschiebung des Schlittens kann ein parallel zur Schlittenführung ange­ ordnetes inkrementales Längenmeßsystem sein. Beispiels­ weise kann als Längenmeßsystem das von der Firma Heidenhain vertriebene, gekapselte inkrementale Längen­ meßsystem LS 303 verwendet werden. Dieses Längenmeß­ system arbeitet mit photoelektrischer Abtastung einer Gitterteilung im Durchlichtverfahren und ist in der Montageanleitung der Firma Heidenhain LS 303 5/86 beschrieben. Es ist aber auch möglich, einen tachogere­ gelten Antriebsmotor als Längenmeßsystem vorzusehen und aus Drehzahl des Motors, Anzahl der Umdrehungen und Steigung der Kugelspindel die Längsverschiebung des Schlittens zu ermitteln.
Zur Kraftmessung kann ein Schlitten ein an sich bekannter Kraftaufnehmer beispielsweise ein Dehnungs­ meßstreifen oder Piezo-Wandler vorgesehen sein. Über die Kraftaufnehmer ist die Halterung mit dem Schlitten verbunden. Eine einfache Ausführungsform ergibt sich, wenn ein Teil des Schlittens als kraftaufnehmender Biegebalken ausgebildet ist, der in bekannter Weise Dehnungen mißt oder einen piezoelektrischen Wandler aufweist. Mit diesem Abschnitt ist die Halterung für das Gewebe verbunden.
Es ist häufig erwünscht, ring- oder schlauchartiges Gewebe, wie beispielsweise eine isolierte Cervix uteri zu untersuchen. Zu diesem Zweck kann die Halterung, die am Schlitten befestigt ist und die Halterung im Gefäß jeweils eine zweiarmige Gabel aufweisen und die Gabel­ enden sind mit Aufnahmebohrungen für Halterungsstege versehen. In einfacher Weise können diese Halterungs­ stege durch die Mittelöffnung des ring- oder schlauch­ förmigen Gewebes hindurchgeführt und dann in die Gabel­ enden eingehängt werden. Zur Erleichterung dieser Arbeit kann die Halterung im Gefäß an einem höhenver­ stellbaren Stab montiert sein.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist ein Arbeitstisch vorgesehen, an dem die Säulen und die Kugelumlaufspindel fest und das Gefäß verschwenkbar montiert sind. Das Gefäß kann dabei in eine Beschickungsstellung, in der dieses Gefäß frei zugänglich ist, und dann unter den Schlitten in eine Arbeitsstellung gebracht werden.
Die von der Vorrichtung abgegebenen Signale können in einem Mikrocomputer verarbeitet werden und dieser Mikro­ computer kann dazu verwendet werden, beliebige Be- und Entlastungsmuster zu errechnen und diese über die Vorrichtung durchführen zu lassen. Zu diesem Zweck können die vom Kraftaufnehmer abgegebenen Signale über einen Brückenverstärker und einen A/D Wandler in einen Mikrocomputer eingelesen werden. Das verwendete inkre­ mentale Längenmeßsystem macht eine genaue Wegmessung möglich, beispielsweise in der Größenordnung von 20 u m. Über einen Längenmeßkodierer werden die vom Längen­ meßsystem abgegebenen Impulse in computerlesbare Daten umgewandelt. Durch die Verwendung eines Gleichstrom­ servomotors und eines Motortreibers kann die Drehzahl und die Drehrichtung von einem Mikrocomputer vorgegeben werden.
Die Versuchparameter Weg, Kraft und Zeit können über einen Kodierschalter vorgegeben werden. Ferner besteht die Möglichkeit, Gerätestatus, Kraft und Weg in einem Display anzuzeigen. Kraft und Weg können in analoger Form über einen Linienschreiber ausgegeben werden. Ferner kann über eine Schnittstelle eine Verbindung zum Personal-Computer und/oder Zentralrechner hergestellt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigt
Fig. 1 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung,
Fig. 2 eine schematische Ansicht der beiden Halterungen für die Gewebeprobe und
Fig. 3 eine schematische Schaltungsanordnung zur Auswertung der vom Gerät abgegebenen Signale und zur Steuerung der Arbeitsweise des Gerätes.
Am Arbeitstisch 1 sind die beiden Säulen 2 montiert, an denen der Schlitten 3 mittels Kugellagern 7 geführt ist.
Der Schlitten 3 steht in Antriebsverbindung mit der Kugelumlaufspindel 4, die über ein Getriebe 6 vom Motor 5 angetrieben wird. Eine Verdrehung der Kugelumlauf­ spindel 4 erzeugt eine axiale Längsbewegung des Schlittens 3 längs der beiden Säulen 2.
Mit dem Schlitten 3 ist über einen Kraftaufnehmer 9 eine Halterung 8 verbunden. Auf der Arbeitsplatte des Tisches 1 ist an einem Drehzapfen 19 ein thermostabili­ siertes Gefäß 10 verschwenkbar montiert. Dieses thermo­ stabilisierte Gefäß weist eine ortsfeste zweite Halterung 11 für das organische Gewebe auf.
Dieses Gefäß, das eine Nährlösung für das Gewebe aufnimmt, kann in an sich bekannter Weise über eine Glasfritt beispielsweise mit Carbogen begast werden. In diesem Gefäß wird zwischen den Halterungen 8 und 11 das zu untersuchende biologische Gewebe eingespannt.
Anstatt des Kraftaufnehmers 9 kann der vom Schlitten 3 vorspringende Abschnitt als kraftaufnehmender Biege­ balken ausgebildet sein, an dem die Halterung 8 direkt befestigt ist.
Zur Untersuchung von ring- oder schlauchförmigen Geweben können die Halterungen 8 und 12, wie in Fig. 2 dargestellt, ausgebildet sein. Die Halterungen weisen Gabeln 13 auf. An den Enden dieser Gabeln sind Aufnahmebohrungen 15 ausgebildet, die zur Aufnahme eines Stegs 14 dienen. Die Stege werden durch die mittlere Öffnung des Ringes oder Schlauches hindurchge­ steckt und dann in die Bohrungen 15 der Gabeln 13 eingesetzt, so daß derartige Gewebe in einfachster Weise ausgemessen werden können.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Schaltung, mit der die Vorrichtung betrieben werden kann.
Der Kraftaufnehmer 9 ist über einen Brückenverstärker 7 und einen A/D Wandler mit dem Mikrocomputer MC verbunden. Wenn ein inkrementales Längenmeßgerät LM verwendet wird, so wird durch die Bewegung S-S des Schlittens 3 längs der Kugelumlaufspindel 4 vom inkre­ mentalen Längenmeßgerät SM ein Signal abgegeben, das im Längenmeßkodierer 5 für den Mikrocomputer MC lesbar gemacht wird.
Als Antriebsmotor 5 für die Spindel 4 wird ein Gleichstromservomotor M verwendet, der über einen Motortreiber 18 und einen A/D Wandler mit dem Mikrocom­ puter MC verbunden ist.
Der Mikrocomputer MC gibt Signale an einen Display 20 ab. Zur Steuerung des Gerätes können in den Mikro­ computer MC über Bedienungselemente 11 Befehle einge­ geben werden. Über eine nicht dargestellte Schnitt­ stelle kann ein Personalcomputer PC und/oder ein Zentralrechner ZR angeschlossen werden. Bei 22 ist noch ein Linienschreiber dargestellt.
Die durch die zu messende Kraft F veränderten Brücken­ werte des Kraftaufnehmers 9 werden verstärkt und über den A/D Wandler mit beispielsweise 13 bit Auflösung in den Mikrocomputer MC eingelesen.
Über einen A/D Wandler und einen Motortreiber 18 kann die Drehrichtung und die Drehzahl des Gleichstromservo­ motors M vom Mikrocomputer MC vorgegeben werden.
Die beschriebene Anordnung macht es möglich, beliebige Be- und Entlastungsmuster im Mikrocomputer MC zu errechnen und über das Gerät auszuführen.
Die Versuchparameter Weg, Kraft und Zeit können über Kodierschalter vorgegeben werden. Gerätestatus, Kraft und Weg werden im Display 20 dargestellt. Kraft und Weg können in analoger Form zur Auszeichnung über den Linienschreiber 22 ausgegeben werden.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Messung der mechanischen Eigen­ schaften biologischer Gewebeproben in vitro mit
einem, eine Nährlösung enthaltenden thermo­ stabilisiertem Gefäß, in dem
eine Halterung für die Gewebeprobe angeordnet ist,
dessen Boden einen Begasungseinsatz aufweist und
einer oberhalb des Gefäßes angeordneten Meßein­ richtung, mit der
ein Abschnitt der in der Nährlösung angeordneten Gewebeprobe verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Meßeinrichtung einen Schlitten (3) aufweist, der längs einer Führung (2) in Achsrichtung (A-A) des Gefäßes (10) verschiebbar ist,
eine Meßanordnung (11) für die Größe der axialen Verschiebung des Schlittens (3) vorgesehen ist, und
eine Halterung (8) für die Gewebeprobe über einen Kraftaufnehmer (9) mit dem Schlitten (3) verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (3) mittels Kugellagern (7) an we­ nigstens zwei Säulen (2) geführt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (3) mit einer Kugelumlaufspindel (A) in Antriebsverbindung steht.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelumlaufspindel (4) über ein Getriebe (6) mit einem Antriebsmotor (5) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung (11) ein parallel zur Schlitten­ führung angeordnetes inkrementables Längenmeßsystem ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung einen tachogeregelten Antriebsmotor (5) für die Kugelumlaufspindel (4) aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilabschnitt des Schlittens (3) als kraftauf­ nehmender Biegebalken ausgebildet ist, an dem die Halterung (8) montiert ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (8) und die Halterung (12) im Gefäß (10) als zweiarmige Gabeln (13) ausgebildet sind, deren Gabelenden Aufnahmebohrungen (15) für einen Halterungssteg (14) aufweisen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (12) im Gefäß (10) an einem höhenver­ stellbaren Stab (16) montiert ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen Arbeitstisch (1) an dem die Säulen (2) und die Kugelumlaufspindel (4) fest und das Gefäß (10) ver­ schwenkbar montiert sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Kraftaufnehmer (9) abgegebenen Signale über einen Brückenverstärker (17) und einen A/D Wand­ ler in einen Mikrocomputer (MC) eingelesen werden.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das inkrementale Längenmeßsystem (LM) über einen Längenmeßcodierer (LC) mit einem Mikrocomputer (MC) verbunden ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (5) ein Gleichstromservomotor ist, der über einen Motortreiber (18) und einen A/D Wand­ ler mit einem Mikrocomputer (MC) verbunden ist.
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