CN105300812B - 生物软组织力学特性测试仪及生物软组织的力学测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生物软组织力学特性测试仪及生物软组织的力学测试方法，该测试仪包括基座、设置在基座上以固定生物软组织的夹具、与夹具连接并在夹具上施加横向力的横向施力装置、与夹具连接并在夹具上施加竖向力的竖向施力装置、夹持夹具并检测夹具所承受的纵向力的纵向拉力检测装置、设置在基座上以检测夹具位移量的位移检测装置、采集装置和计算机，横向施力装置包括检测所施加在夹具上的横向力的横向拉力检测装置，竖向施力装置包括检测所施加在夹具上的竖向力的竖向拉力检测装置，采集装置采集纵向力、横向力和竖向力及位移量，计算机与采集装置信号连接，并分析纵向力、横向力和竖向力及位移量。

Description

生物软组织力学特性测试仪及生物软组织的力学测试方法
技术领域
本发明涉及一种生物软组织力学特性测试仪及生物软组织的力学测试方法，属于组织工程、生物医学工程领域。
背景技术
生物组织的力学特性测试在组织工程、医疗器械的研究与开发过程中是重要的环节。由于生物软组织根据其本身的不同及形态、特征的不同，其力学特性也不同，目前主要的生物组织力学特性测试包括挤压测试、拉伸测试和剪切测试，但是，在现有针对剪切测试中的测试试验仪器均存在如下问题：现有剪切测试仪主要用于各向同性的介质，测试功能单一，不能测量复杂剪切模式下的材料响应。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物软组织力学特性测试仪，其可实现对生物软组织的剪切测试，实现测量复杂剪切模式下的材料响应。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下；一种生物软组织力学特性测试仪，用以检测生物软组织的力学特性，包括基座、设置在所述基座上以固定生物软组织的夹具、与所述夹具连接并在所述夹具上施加横向力的横向施力装置、与所述夹具连接并在所述夹具上施加竖向力的竖向施力装置、夹持所述夹具并检测所述夹具所承受的纵向力的纵向拉力检测装置、设置在所述基座上以检测夹具位移量的位移检测装置、采集装置和计算机，所述横向施力装置包括检测所施加在夹具上的横向力的横向拉力检测装置，所述竖向施力装置包括检测所施加在夹具上的竖向力的竖向拉力检测装置，所述采集装置采集纵向力、横向力和竖向力及位移量，所述计算机与采集装置信号连接，并分析纵向力、横向力和竖向力及位移量。
进一步的，所述位移检测装置包括用以检测夹具在纵向上的位移量的Y轴位移检测器、用以检测夹具在横向上的位移量的X轴位移检测器及用以检测夹具在竖向上的位移量的Z轴位移检测器。
进一步的，所述基座上设置有固定所述Y轴位移检测器的固定架，所述Y轴位移检测器位于所述夹具的上方，所述固定架包括垂直所述基座设置的固定杆、垂直所述固定杆设置的安装杆及将所述安装杆固定在固定杆上的紧固件，所述安装杆上开设有沿所述安装杆延伸的长形腰孔，所述紧固件穿设在所述长形腰孔内。
进一步的，所述纵向拉力检测装置包括若干夹持所述夹具的夹件和若干与所述夹件一对一设置的子纵向压力检测器，每个所述子纵向压力检测器检测所对应的夹件所在位置点上的夹具的纵向力。
进一步的，所述夹件为四个，所述夹具为四边形，所述四个夹件分别夹持所述夹具的四个端脚。
进一步的，每个所述夹件具有相对设置的上夹板和下夹板及连接上夹板和下夹板的连接板，所述上夹板、下夹板和连接板之间形成夹持腔，所述夹具呈C型。
进一步的，所述横向施力装置还包括连接横向拉力检测装置和夹具的横向牵引线，所述竖向施力装置还包括连接竖向拉力检测装置和夹具的竖向牵引线。
进一步的，所述横向施力装置还包括牵引横向牵引线的横向驱动装置，所述横向拉力检测装置的一端连接横向牵引线，另一端连接横向驱动装置，所述竖向施力装置还包括牵引竖向牵引线的竖向驱动装置，所述竖向拉力检测装置的一端连接竖向牵引线，另一端连接竖向驱动装置。
进一步的，所述基座上设置有安装座和固定在所述安装座上的第一滑动座和第二滑动座，所述安装座包括固定夹具的夹具安装部、自所述夹具安装部的两个相邻侧面向外延伸形成的第一延伸板和第二延伸板，所述第一延伸板设有沿横向牵引线的延伸方向延伸且与所述第一滑动座配合的第一轨道部，所述横向拉力检测装置设置在第一滑动座上，所述第二延伸板设有沿所述竖向牵引线的延伸方向延伸且与所述第二滑动座配合的第二轨道部，所述竖向拉力检测装置设置在所述第二滑动座上。
本发明还提供了一种生物软组织的力学测试方法，用于生物软组织力学特性测试仪，其中，所述生物软组织力学特性测试仪包括固定生物软组织的夹具、在所述夹具上施加横向力并检测该横向力的横向施力装置、在所述夹具上施加竖向力并检测该竖向力的竖向施力装置、与所述夹具连接以检测所述夹具所受到的纵向力的纵向拉力检测装置、检测夹具位移量的位移检测装置、采集装置和计算机，所述生物软组织的力学测试方法包括如下步骤：
将生物软组织固定在生物软组织力学特性测试仪的夹具上；
启动竖向施力装置和横向施力装置以对夹具进行施力，以使夹具发生位移，进而使生物软组织发生形变；
纵向拉力检测装置、横向施力装置和竖向施力装置及位移检测装置分别检测纵向力、横向力和竖向力及位移量；
采集装置采集纵向力、横向力和竖向力及位移量；
计算机分析采集装置所采集到的纵向力、横向力和竖向力及位移量以得到该生物组织的力学特性。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明的生物软组织力学特性测试仪通过设置固定生物软组织的夹具，设置对夹具施加力的横向施力装置、竖向施力装置以使生物软组织发生剪切变形，同时由纵向拉力检测装置、横向拉力检测装置、竖向拉力检测装置及位移检测装置分别检测纵向力、横向力和竖向力及位移量并分析，以实现对生物软组织的剪切测试，实现测量复杂剪切模式下的材料响应；另外通过采用生物软组织的力学测试方法可对生物软组织的剪切测试，可实现测量复杂剪切模式下的材料响应。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明生物软组织力学特性测试仪的结构示意图；
图2是本发明中部分结构示意图；
图3是图2中安装座、第一滑动座和第二滑动座的分解图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1至图3，本发明一较佳实施例所述的一种生物软组织力学特性测试仪用以检测生物软组织的力学特性，其包括基座10、设置在所述基座10上以固定生物软组织的夹具20、与所述夹具20连接并在所述夹具20上施加横向力的横向施力装置40、与所述夹具20连接并在所述夹具20上施加竖向力的竖向施力装置50、夹持所述夹具20并检测所述夹具20所承受的纵向力的纵向拉力检测装置30、设置在所述基座10上以检测夹具20位移量的位移检测装置、采集装置(未图示)和计算机(未图示)。
所述横向施力装置40包括检测所施加在夹具20上的横向力的横向拉力检测装置41、连接横向拉力检测装置41和夹具20的横向牵引线42、及牵引所述横向牵引线42的横向驱动装置43。所述横向拉力检测装置41所检测的横向力为横向牵引力。所述横向牵引线42、横向拉力检测装置41和横向驱动装置43沿横向牵引线42的延伸方向依次连接，横向拉力检测装置41的一端连接横向牵引线42，另一端连接横向驱动装置43，所述横向驱动装置43牵动所述横向牵引线42、横向拉力检测装置41沿横向牵引线42的延伸方向移动。在本实施例中，所述横向驱动装置43为电机，所述横向驱动装置43具有安装在基座10上的第一壳体431。所述竖向施力装置50包括检测所施加在夹具20上的竖向力的竖向拉力检测装置51、连接竖向拉力检测装置51和夹具20的竖向牵引线52、及牵引所述竖向牵引线52的竖向驱动装置53。所述竖向拉力检测装置51所检测的竖向力为竖向牵引力。所述竖向牵引线52、竖向拉力检测装置51和竖向驱动装置53沿竖向牵引线52的延伸方向依次连接，所述竖向拉力检测装置51的一端连接竖向牵引线52，另一端连接竖向驱动装置53，所述竖向驱动装置53牵动所述竖向牵引线52和竖向拉力检测装置51沿竖向牵引线52的延伸方向移动。在本实施例中，所述竖向驱动装置53为电机，所述竖向驱动装置53具有安装在基座10上的第二壳体531。所述横向牵引线42和竖向牵引线52分别固定在四边形夹具20的相邻两个侧边上。
所述纵向拉力检测装置30包括若干夹持所述夹具20的夹件32和若干与所述夹件32一对一设置的子纵向压力检测器31，每个所述子纵向压力检测器31检测所对应的夹件31所在位置点上的夹具20的纵向力。每个所述夹件32具有相对设置的上夹板321和下夹板322及连接上夹板321和下夹板322的连接板323，所述上夹板321、下夹板322和连接板323之间形成夹持腔324，所述夹具20呈C型。在本实施例中，所述夹件32为四个，所述夹具20为四边形，且为透明有机玻璃，所述四个夹件32分别夹持所述夹具20的四个端脚。所述子纵向压力检测器31位于所述夹具20的下方。
所述基座10上设置有安装座11和固定在所述安装座11上的第一滑动座12和第二滑动座13。所述安装座11包括固定夹具20的夹具安装部111、自所述夹具安装部111的两个相邻侧面向外延伸形成的第一延伸板112和第二延伸板113。所述夹具安装部111为正方体，且在纵长方向上，所述夹具安装部111的上表面(未标号)高于第一延伸板112的上表面(未标号)和第二延伸板113的上表面(未标号)。所述第一延伸板112设有沿横向牵引线42的延伸方向延伸且与所述第一滑动座12配合的第一轨道部114，所述第二延伸板113设有沿所述竖向牵引线52的延伸方向延伸且与所述第二滑动座13配合的第二轨道部115。所述第一轨道部114、第二轨道部115均为开设在第一延伸板112、第二延伸板113上的槽道。所述横向拉力检测装置41设置在第一滑动座12上，所述竖向拉力检测装置51设置在所述第二滑动座13上。所述第一滑动座12具有第一底壁121和自所述第一底壁121的前后两侧向上延伸形成的第一前壁122和第一后壁123，所述第一底壁121及第一前壁122和第一后壁123围设形成第一安装槽124，所述横向拉力检测装置41固定在所述第一安装槽124内，所述第一滑动座12的第一底壁121向下突伸形成有***所述第一轨道部114内的第一滑块125。所述第二滑动座13由竖向驱动装置53驱动其相对基座10沿竖向牵引线52的延伸方向移动。所述第二滑动座13具有第二底壁131和自所述第二底壁131的前后两侧向上延伸形成的第二前壁132和第二后壁133，所述第二底壁131及第二前壁132和第二后壁133围设形成第二安装槽134，所述竖向拉力检测装置51固定在所述第二安装槽134内，所述第二滑动座13的第二底壁131向下突伸形成有***所述第二轨道部115内的第二滑块134。通过第一滑动座12与第一轨道部114配合，第二滑动座13与第二轨道部115配合，且将横向拉力检测装置41固定在第一滑动座13内，将竖向拉力检测装置51固定在第二滑动座13内，从而可以使横向拉力检测装置41和竖向拉力检测装置51平稳移动，且最重要的是，可防止横向拉力检测装置41、竖向拉力检测装置51由于自身的重量而下沉，而影响所检测到的横向力和竖向力不准确。
所述位移检测装置包括用以检测夹具20在纵向上的位移量的Y轴位移检测器61、用以检测夹具20在横向上的位移量的X轴位移检测器62及用以检测夹具20在竖向上的位移量的Z轴位移检测器63。所述Y轴位移检测器61位于所述夹具20的上方，且与所述纵向拉力检测装置30相对设置在夹具安装部111的上下两侧。所述基座10上设置有固定所述Y轴位移检测器61的固定架70，在本实施例中，所述固定架70包括垂直所述基座10设置的固定杆71、垂直所述固定杆71设置的安装杆72及将所述安装杆72固定在固定杆71上的紧固件73，所述安装杆72上开设有沿所述安装杆72延伸的长形腰孔721，所述紧固件73穿设在所述长形腰孔721内，通过所述长形腰孔721与紧固件73配合，以便于调节Y轴位移检测器61在水平方向上的位置。诚然，固定所述Y轴位移检测器61的固定架70也可以为其他结构，如升降座；而实现Y轴位移检测器61在水平位置上的移动的方式也可以为其他结构，如通过采用导轨组件的方式实现。所述X轴位移检测器62与横向施力装置40相对设置在安装座11的两侧，所述Z轴位移检测器63与竖向施力装置50相对设置在安装座11的两侧。
所述采集装置采集纵向力、横向力和竖向力及采集位移量，所述计算机与采集装置信号连接，并分析纵向力、横向力和竖向力及位移量以得到生物软组织的力学特性。
本发明的生物软组织的力学测试方法应用于上述生物软组织力学特性测试仪，该生物软组织的力学测试方法也可以说是上述生物软组织力学特性测试仪的工作方法，由于生物软组织力学特性测试仪已描述，故不再赘述。所述生物软组织的力学测试方法包括如下步骤：
S1：将生物软组织固定在生物软组织力学特性测试仪的夹具20上，将夹件32夹持该夹具20；
S2：启动横向施力装置40和竖向施力装置50以对夹具20的两个相邻边进行施力，以使夹具20发生位移，由于生物软组织固定在夹具20上，在夹具20发生位移的同时，生物软组织发生剪切变形；具体为：所述横向施力装置40的横向驱动装置43和竖向施力装置50的竖向驱动装置53分别启动以分别在横向牵引线42和竖向牵引线52施加背向夹具20的力，从而使横向牵引线42和竖向牵引线52将夹具20向外拉伸；
S3：在所述夹具20位移时，所述纵向拉力检测装置30的子纵向压力检测器31、横向施力装置40的横向拉力检测装置41、竖向施力装置50的竖向拉力检测装置51及位移检测装置分别检测纵向力、横向力和竖向力及位移量；采集装置采集纵向力、横向力和竖向力及采集位移量并将该所采集到的纵向力、横向力和竖向力及位移量发送至计算机，计算机分析由采集装置所采集到的纵向力、横向力和竖向力及位移量以得到该生物组织的力学特性。
综上所述，上述生物软组织力学特性测试仪通过设置固定生物软组织的夹具20，设置对夹具20施加力的横向施力装置40、竖向施力装置50以使生物软组织发生剪切变形，同时由纵向拉力检测装置30、横向拉力检测装置41、竖向拉力检测装置51及位移检测装置分别检测纵向力、横向力和竖向力及位移量并分析，以实现对生物软组织的剪切测试，实现测量复杂剪切模式下的材料响应；另外通过采用生物软组织的力学测试方法可对生物软组织的剪切测试，可实现测量复杂剪切模式下的材料响应。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种生物软组织力学特性测试仪，用以检测生物软组织的力学特性，其特征在于：包括基座、设置在所述基座上以固定生物软组织的夹具、与所述夹具连接并在所述夹具上施加横向力的横向施力装置、与所述夹具连接并在所述夹具上施加竖向力的竖向施力装置、夹持所述夹具并检测所述夹具所承受的纵向力的纵向拉力检测装置、设置在所述基座上以检测夹具位移量的位移检测装置、采集装置和计算机，所述横向施力装置包括检测所施加在夹具上的横向力的横向拉力检测装置，所述竖向施力装置包括检测所施加在夹具上的竖向力的竖向拉力检测装置，所述采集装置采集纵向力、横向力和竖向力及位移量，所述计算机与采集装置信号连接，并分析纵向力、横向力和竖向力及位移量。
2.根据权利要求1所述的生物软组织力学特性测试仪，其特征在于：所述位移检测装置包括用以检测夹具在纵向上的位移量的Y轴位移检测器、用以检测夹具在横向上的位移量的X轴位移检测器及用以检测夹具在竖向上的位移量的Z轴位移检测器。
3.根据权利要求2所述的生物软组织力学特性测试仪，其特征在于：所述基座上设置有固定所述Y轴位移检测器的固定架，所述Y轴位移检测器位于所述夹具的上方，所述固定架包括垂直所述基座设置的固定杆、垂直所述固定杆设置的安装杆及将所述安装杆固定在固定杆上的紧固件，所述安装杆上开设有沿所述安装杆延伸的长形腰孔，所述紧固件穿设在所述长形腰孔内。
4.根据权利要求1或2所述的生物软组织力学特性测试仪，其特征在于：所述纵向拉力检测装置包括若干夹持所述夹具的夹件和若干与所述夹件一对一设置的子纵向压力检测器，每个所述子纵向压力检测器检测所对应的夹件所在位置点上的夹具的纵向力。
5.根据权利要求4所述的生物软组织力学特性测试仪，其特征在于：所述夹件为四个，所述夹具为四边形，四个所述夹件分别夹持所述夹具的四个端脚。
6.根据权利要求4所述的生物软组织力学特性测试仪，其特征在于：每个所述夹件具有相对设置的上夹板和下夹板及连接上夹板和下夹板的连接板，所述上夹板、下夹板和连接板之间形成夹持腔，所述夹具呈C型。
7.根据权利要求1所述的生物软组织力学特性测试仪，其特征在于：所述横向施力装置还包括连接横向拉力检测装置和夹具的横向牵引线，所述竖向施力装置还包括连接竖向拉力检测装置和夹具的竖向牵引线。
8.根据权利要求7所述的生物软组织力学特性测试仪，其特征在于：所述横向施力装置还包括牵引横向牵引线的横向驱动装置，所述横向拉力检测装置的一端连接横向牵引线，另一端连接横向驱动装置，所述竖向施力装置还包括牵引竖向牵引线的竖向驱动装置，所述竖向拉力检测装置的一端连接竖向牵引线，另一端连接竖向驱动装置。
9.根据权利要求8所述的生物软组织力学特性测试仪，其特征在于：所述基座上设置有安装座和固定在所述安装座上的第一滑动座和第二滑动座，所述安装座包括固定夹具的夹具安装部、自所述夹具安装部的两个相邻侧面向外延伸形成的第一延伸板和第二延伸板，所述第一延伸板设有沿横向牵引线的延伸方向延伸且与所述第一滑动座配合的第一轨道部，所述横向拉力检测装置设置在第一滑动座上，所述第二延伸板设有沿所述竖向牵引线的延伸方向延伸且与所述第二滑动座配合的第二轨道部，所述竖向拉力检测装置设置在所述第二滑动座上。
10.一种生物软组织的力学测试方法，其特征在于：用于生物软组织力学特性测试仪，其中，所述生物软组织力学特性测试仪包括固定生物软组织的夹具、在所述夹具上施加横向力并检测该横向力的横向施力装置、在所述夹具上施加竖向力并检测该竖向力的竖向施力装置、与所述夹具连接以检测所述夹具所受到的纵向力的纵向拉力检测装置、检测夹具位移量的位移检测装置、采集装置和计算机，所述生物软组织的力学测试方法包括如下步骤：
将生物软组织固定在生物软组织力学特性测试仪的夹具上；
启动竖向施力装置和横向施力装置以对夹具进行施力，以使夹具发生位移，进而使生物软组织发生形变；
纵向拉力检测装置、横向施力装置和竖向施力装置及位移检测装置分别检测纵向力、横向力和竖向力及位移量；
采集装置采集纵向力、横向力和竖向力及位移量；
计算机分析采集装置所采集到的纵向力、横向力和竖向力及位移量以得到该生物软组织的力学特性。
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