[發明專利]測試軟物質材料在動態穿刺或切割下斷裂能的裝置與方法

在審

• 申請號: 202010879028.2
• 申請日: 2020-08-27
• 公開（公告）號: CN112051164A
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 武曉剛;孫玉琴;李朝鑫;秦迎澤;段王平;李鵬翠;張美珍;郭媛;郭紅梅;王艷芹;衛小春;陳維毅
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G01N3/303
• 分類號: G01N3/303;G01N3/06
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 申艷玲

1.一種測試軟物質材料在動態穿刺或切割下斷裂能的裝置，其特征在于包括：均質方形鐵塊、固定均質方形鐵塊的夾持器、穿刺針體或刀片、盛放試樣裝置和高速攝像機，穿刺針體或刀片固定在均質方形鐵塊上，穿刺針體或刀片和均質方形鐵塊固定使穿刺針體或刀片的底端與試樣頂部距離在0.2～1m范圍內；所述固定均質方形鐵塊的夾持器是電動控制的平行機械手，由基座和手爪組成，通過外部舵機控制左右兩個手爪在基座表面滑動，使均質方形鐵塊夾緊或釋放；所述盛放試樣裝置由一個扁平的大圓盤和兩個長圓柱體焊接而成，左右兩個長圓柱體用來支撐扁平圓盤，圓盤中心又設有圓形凹槽，在凹槽內放置試樣且圓形凹槽底部有孔允許穿刺針體或刀片穿過；穿刺針體或刀片固定在均質方形鐵塊表面，試樣放在盛放試樣裝置的圓形凹槽內，以免穿刺過程中發生移動；高速攝像機位于盛放試樣裝置的側面且與其保持同一水平高度。

2.根據權利要求1所述的測試軟物質材料在動態穿刺或切割下斷裂能的裝置，其特征在于：穿刺針體或刀片和均質方形鐵塊整體固定在一起，釋放該整體使其垂直落下；穿刺針體或刀片垂直下落后穿過盛放試樣裝置的凹槽底部圓孔的圓心。

3.根據權利要求1所述的測試軟物質材料在動態穿刺或切割下斷裂能的裝置，其特征在于：所述穿刺針體或刀片能夠穿透試樣且穿刺過程中不產生彎曲和變形；所述針體為實心的柱形不銹鋼針；所述刀片為未開刃的SK2剛性刀片。

4.根據權利要求3所述的測試軟物質材料在動態穿刺或切割下斷裂能的裝置，其特征在于：所述刀片的尖端形狀是矩形、直角三角形、梯形或等腰三角形中的一種。

5.根據權利要求1所述的測試軟物質材料在動態穿刺或切割下斷裂能的裝置，其特征在于：所述試件為待測軟組織試件，形狀為薄圓形，材料為水凝膠、柔性墊、軟骨、跟腱、皮膚、血管、肝臟中的一種。

6.根據權利要求1所述的測試軟物質材料在動態穿刺或切割下斷裂能的裝置，其特征在于：穿刺針體或刀片通過膠水固定在均質方形鐵塊表面。

7.根據權利要求1所述的測試軟物質材料在動態穿刺或切割下斷裂能的裝置，其特征在于：所述高速攝像機為FASTCAM SA-Z，鏡頭設置為5000幀，像素為1024×1024。

8.一種測試軟物質材料在動態穿刺下斷裂能的方法，穿刺工具為柱形針，采用權利要求1～7任一項所述的測試軟物質材料在動態穿刺或切割下斷裂能的裝置，其特征在于包括以下步驟：

(1)測量均質方形鐵塊的質量m₁；

(2)測量穿刺針體的質量m₂,針體橫截面周長c，橫截面面積s以及針體下端距離試樣底部的高度h₁；

(3)測量圓形試樣的厚度t；

(4)穿刺針體通過膠水固定在均質方形鐵塊上，試樣放在盛放試樣裝置的圓形凹槽內，將粘有針的方形鐵塊從試樣正上方釋放，釋放前針體下端距離試樣底部的高度h₁，高速攝像機在鐵塊釋放時開始拍攝；利用高速攝像機拍攝的針體剛剛穿透試樣底部的一小段位移除以拍攝時間間隔計算第一次試驗針體剛剛穿透試樣底部的速度為v₁；

(5)將粘有針的均質方形鐵塊從同一高度同一位置釋放，利用高速攝像機拍攝的針體剛穿透試樣底部的一小段位移除以拍攝時間間隔計算第二次試驗針體剛穿透試樣底部時的速度為v₂；

(6)穿刺工具為圓柱形針體時，將實驗所測得數據m₁,m₂,c,s,t,h₁，v₁,v₂,帶入下式即可計算穿刺過程中的穿刺斷裂能

9.一種測試軟物質材料在動態切割下斷裂能的方法，穿刺工具為矩形刀片，采用權利要求1～7任一項所述的測試軟物質材料在動態穿刺或切割下斷裂能的裝置，其特征在于包括以下步驟：

(1)測量均質方形鐵塊的質量m₁；

(2)采用矩形刀片，需要測量刀片的質量m₃，寬度a，厚度b以及刀片下端距離試樣底部的高度h₂；

(3)測量圓形試樣的厚度t；

(4)將刀片通過膠水固定在均質方形鐵塊上，試樣放在盛放試樣裝置的圓形凹槽內，將粘有刀片的方形鐵塊從試樣正上方釋放，釋放前刀片下端距離試樣底部的高度為h₂，高速攝像機在鐵塊釋放時開始拍攝；利用高速攝像機拍攝的刀片剛剛穿透試樣底部的一小段位移除以拍攝時間間隔計算第一次試驗刀片剛剛穿透試樣底部的速度為v₁；

(5)將粘有刀片的均質方形鐵塊從同一高度同一位置釋放，利用高速攝像機拍攝的刀片剛穿透試樣底部的一小段位移除以拍攝時間間隔計算第二次試驗刀片剛穿透試樣底部時的速度為v₂；

(6)穿刺工具為矩形刀片，將實驗所測得數據m₁,m₃,a,b,t,h₂，v₁,v₂代入下式即可計算穿刺過程中的穿刺斷裂能