[實用新型]一種切割操作下生物軟組織力學性能測試裝置

有效

• 申請號: 201721154344.3
• 申請日: 2017-09-08
• 公開（公告）號: CN207081605U
• 公開（公告）日: 2018-03-09
• 發明（設計）人: 馮美;李秋萌;莫玄;張海軍;郝良天;徐建業
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00;G01N3/04;G01N3/08
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所23109
• 代理人: 高志光

技術領域

本實用新型涉及一種軟組織力學性能測試裝置，屬于材料力學性能檢測技術領域，具體涉及一種在切割操作下測試生物軟組織力學性能的測試裝置。

背景技術

生物力學是研究力與生物體運動、生理、病理之間關系的學科，是應用力學原理和方法對生物體中的力學問題進行定量研究的生物物理學分支。研究生物組織力學，測試生物組織力學性能特征對于揭示生物組織力學機理，認識其生長、衰老規律，以及為醫學診斷和治療提供理論參考具有重要實際意義。此外，生物組織力學性能研究，可為手術仿真培訓系統中實現真實的力覺仿真提供理論基礎。

生物結構中的臟器、肌肉等軟組織為非線性粘彈性體，其力學特性復雜，組織狀態隨時間變化具有較大差異，并且隨著手術操作的進行，組織的拓撲結構發生變化，邊界條件非常復雜。現有的生物軟組織力學性能測試方法有壓痕檢測、超聲波檢測。壓痕檢測設備是利用拉伸軟組織時發生的長度和張力的變化來分析軟組織力學性能；超聲波檢測利用超聲波和壓力六維傳感器組成傳感系統，測量生物軟組織的應力-應變信息，提取軟組織的特性參數。

國內對軟組織力學性能的研究起步較晚，申請號201420044704.4、公開日期為2014.01.23的實用新型專利公開了一種《一種生物軟組織切削試驗裝置》，以較高的速度與加速度對生物軟組織進行切削并在計算機控制下實現對整個切削過程的自動測量，測試速度快，精度高，通過切削試驗能夠快速建立典型軟組織切削數據庫，但是該裝置不包含切割時對生物軟組織的預拉力測量，因此不能完備的描述生物軟組織的力學特性；專利CN102018575A公開的《機器人輔助柔性針穿刺軟組織實時操控系統及方法》提出了一種柔性針的控制方法及設備，但是該專利中柔性針模型局限于二維穿刺，針尖受力及針尖位置使用模型預測的模型數據存在誤差，同時針尖的運動較為單一只能測量實時穿刺而無法獲得更多的模型；申請號201610117830.1、公開日期為2016.03.02的發明專利公開了一種《一種生物軟組織力學性能測試裝置》，利用該裝置可測試生物組織在提拉，按壓和穿刺等操作下的力學模型。

實用新型內容

本實用新型提供一種切割操作下生物軟組織力學性能測試裝置，解決了現有生物軟組織力學性能測試裝置無法測定切割操作下預拉力的問題，進而根據實驗采集數據，提取力學模型所需得特征參數，建立軟組織應力應變的本構關系。

為了實現上述目的，本實用新型所采取的技術方案是：

一種切割操作下生物軟組織力學性能測試裝置包括工作臺、升降切割裝置、水平牽拉裝置和固定生物軟組織的升降臺；

所述工作臺的上表面上安裝有升降切割裝置、水平牽拉裝置和固定生物軟組織的升降臺；升降切割裝置的升降活動端安裝有刀具，升降臺布置在升降切割裝置的正下方，水平牽拉裝置的水平活動端和升降臺之間夾持有用于力學性能測試的生物軟組織。

進一步地，刀具包括刀具座和連接在刀具座下端的刀片。

進一步地，升降切割裝置包括升降驅動電機、升降絲杠副、連接板和壓力傳感器；升降絲杠副的絲杠豎向設置并轉動安裝在工作臺上，升降驅動電機的輸出端連接升降絲杠副的絲杠的頂端，升降絲杠副的絲母上安裝有連接板，連接板與刀具座之間安裝有與二者連接的壓力傳感器。

進一步地，水平牽拉裝置包括壓具裝置、拉力傳感器、傳感器座、水平絲杠副和水平驅動電機；水平絲杠副水平安裝在工作臺上，水平驅動電機的輸出端連接水平絲杠副的絲杠，水平絲杠副的絲母上安裝有傳感器座，壓具裝置與傳感器座之間布置有與二者連接的拉力傳感器。

進一步地，升降臺包括帶凹槽的滑座和帶滑塊的滑臺，所述滑塊能在所述凹槽內滑動，滑座與滑臺可拆卸連接，滑臺上設有固定生物軟組織的壓板。

進一步地，壓具裝置包括上下鉗頭，下鉗頭為L形板，下鉗頭的短板與拉力傳感器相連，上鉗頭為一平板，平板可拆卸安裝在下鉗頭的長板上，平板上設有與生物軟組織接觸的夾持紋，所述平板與所述壓板之間夾持有生物軟組織。

本實用新型與現有技術相比的有益效果是：

1、選用電機驅動絲杠副傳動的機械裝置，使得測試裝置具備直線運動能力，實現了切割的操作。

2、在絲母和末端執行機構(刀具)之間安裝力傳感器達到實時測量切割力和組織變形的關系的目的。

3、測試裝置還包含能將生物軟組織固定牢靠并且可以提供初始夾持力的壓具，以此來防止生物軟組織由于蠕變和應力松弛等粘彈性的影響而在切割過程中滑脫。試驗中，用力傳感器測量軟組織在切割過程中受到的力。通過對力和位移曲線的極差分析和方差分析建立最終的力學模型。