RU2082312C1 - Apparatus for determining viscoelastic properties of soft tissues - Google Patents

Abstract

FIELD: medical engineering; instruments for measuring and recording mechanical properties of body tissues for diagnostic purposes. SUBSTANCE: proposed apparatus comprises cylindrical casing, vibrator, transducer responsive to presence of pressure force, and contact die. Transducer rests on supporting platform. Contact die is made flat; it projects beyond casing and is secured to supporting platform of force-responsive transducer. Apparatus makes it possible to accurately measure complex stiffness of body tissues found in contact with die at specific pressure force applied to them and at optimum spatial resolution-to-sensitivity ratio. EFFECT: higher measurement accuracy of complex stiffness of tissues. 2 dwg

Description

Изобретение относится к медицине, в частности к устройствам для измерения и регистрации с диагностическими целями механических характеристик тканей, и может быть использовано при исследовании функционального состояния мягких тканей в ходе реабилитации после травмы, тренировки, функциональной пробы и т.д. The invention relates to medicine, in particular to devices for measuring and recording for diagnostic purposes the mechanical characteristics of tissues, and can be used to study the functional state of soft tissues during rehabilitation after an injury, training, functional test, etc.

Разработано достаточно большое количество диагностических устройств, основанных на измерении механических характеристик тканей. Чаще всего с помощью этих устройств определяются какие-то специфические для данного способа измерения параметры. A sufficiently large number of diagnostic devices based on measuring the mechanical characteristics of tissues have been developed. Most often, with the help of these devices, some parameters specific to this method of measurement are determined.

Эти разные по физическому смыслу параметры часто называются одним термином, например, "тонус мышц" или "твердость". Это затрудняет сопоставление данных, получаемых разными способами. В связи с этим в настоящее время остается актуальной разработка портативных и дешевых устройств, позволяющих измерять механические параметры биотканей, имеющие определенный физический смысл и допускающие расчет их объективных реологических характеристик (таких как модуль сдвиговой упругости и модуль сдвиговой вязкости). These physically different parameters are often called the same term, for example, “muscle tone” or “hardness”. This makes it difficult to compare data obtained in different ways. In this regard, the development of portable and cheap devices that measure the mechanical parameters of biological tissues that have a certain physical meaning and allow the calculation of their objective rheological characteristics (such as shear modulus and shear viscosity modulus) remains relevant.

В качестве прототипа выбрано устройство для вибродиагностики живой ткани (заявка Японии N 57-2022, кл. A 61 B 10/00, 1982). Устройство содержит цилиндрический корпус, внутри которого смонтирован вибратор. На одном конце вибратора имеется датчик силы, другой его конец посредством датчика смещения соединен с контактным штампом, имеющим округлую форму. Устройство подключено к генератору, вызывающему колебания вибратора, и к регистратору сигналов датчика силы и смещения. As a prototype, a device for vibrodiagnostics of living tissue was selected (Japanese application N 57-2022, class A 61 B 10/00, 1982). The device comprises a cylindrical body, inside of which a vibrator is mounted. There is a force sensor at one end of the vibrator, its other end is connected to a contact stamp with a rounded shape by means of a displacement sensor. The device is connected to a generator that causes vibrations of the vibrator, and to the signal recorder of the force and displacement sensors.

Недостатком устройства является то, что исследуемых тканей касается не только штамп, но и корпус устройства, что изменяет наблюдаемую комплексную жесткость тканей. Кроме того, округлая форма контактного штампа затрудняет расчет закономерностей его вдавливания в ткани и тем самым не позволяет по результатам измерений определять объективные реологические параметры тканей. Кроме того, контактный штамп не является сменным. Это не позволяет варьировать диаметр штампа при исследовании разных объектов и в конечном счете приводит к дополнительным погрешностям измерений. The disadvantage of this device is that the studied tissues are affected not only by the stamp, but also by the body of the device, which changes the observed complex stiffness of the tissues. In addition, the rounded shape of the contact stamp makes it difficult to calculate the patterns of its indentation in the tissue and thus does not allow to determine the objective rheological parameters of the tissues from the measurement results. In addition, the contact stamp is not replaceable. This does not allow varying the diameter of the stamp when examining different objects and ultimately leads to additional measurement errors.

Задачей изобретения является повышение точности измерения комплексной жесткости тканей. The objective of the invention is to improve the accuracy of measuring the complex stiffness of tissues.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства; на фиг.2 схема, поясняющая принцип работы. In FIG. 1 shows a General view of the device; 2 is a diagram explaining the principle of operation.

Устройство для определения вязкоупругих свойств мягких тканей содержит цилиндрический корпус 1, внутренняя поверхность которого выполнена с уступом 2 и снабжена резиновой прокладкой, к которой крышкой 3 поджат вибратор 4. На нижнем конце вибратора 4 смонтирован датчик 5 силы с опорной площадкой 6, которая снабжена резьбой для крепления сенного контактного штампа 7, заданного диаметра. Контактный штамп 7 выполнен плоским, круглым в сечении и выступающим за корпус устройства на 5 мм. Датчик 5 силы и вибратор 4 посредством кабелей 8 соединен с электрической схемой управления. Электрическая схема управления включает в себя генератор 9, задающий четыре частоты колебаний (40, 80, 160 и 320 Гц), блок 10 выделения постоянной составляющей сигнала, поступающего с датчика 5 силы, светодиодный индикатор 11 величины этой составляющей, блок 12 выделения сигнала переменной составляющей силы, синфазной с задаваемым вибрационным смещением штампа 7, блок 13 выделения сигнала переменной составляющей силы, синфазной с вибрационной скоростью штампа 7, выходы 14, 15 и 16 для внешней регистрации выделенных составляющих сигнала силы, переключатель 17 с положениями "Прижатие", "Упругость" и "Потери", через который они подаются для измерения на встроенном цифровом индикаторе 18. A device for determining the viscoelastic properties of soft tissues contains a cylindrical body 1, the inner surface of which is made with a ledge 2 and is equipped with a rubber gasket, to which a vibrator 4 is pressed. A force sensor 5 is mounted on the lower end of the vibrator 4 with a support pad 6, which is provided with a thread for mounting hay contact stamp 7, a given diameter. Contact stamp 7 is made flat, round in cross section and protruding beyond the device body by 5 mm. The force sensor 5 and the vibrator 4 are connected via cables 8 to the control circuitry. The control electric circuit includes a generator 9 that sets four oscillation frequencies (40, 80, 160 and 320 Hz), a block 10 for isolating the constant component of the signal from the force sensor 5, an LED indicator 11 for the magnitude of this component, and a block for isolating the signal of the variable component of a common-mode with a preset vibration offset of the stamp 7, a unit 13 for isolating the signal of the variable component of the force, in-phase with the vibration speed of the stamp 7, the outputs 14, 15 and 16 for external registration of the selected components of the force signal will switch 17 l with the provisions of "pressed", "Elasticity" and "losses", through which they are fed to the measurement on the integrated digital display 18.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Задают одну из четырех частот генератора 9, устанавливают переключатель 17 в положение измерения "Упругость" (синфазная смещению переменная составляющая сигнала силы), "Потери" (синфазная скорости переменная составляющая сигнала силы) или "Прижатие" (постоянная составляющая сигнала силы). После этого корпус 1 приближают к объекту исследования и устанавливают так, чтобы контактный штамп 7 оказался на исследуемой точке. Контактный штамп 7 прижимают к ткани. На датчике силы 5 возникает сигнал, постоянная составляющая которого определяется силой прижатия штампа к ткани, а переменная составляющая определяется силой сопротивления движению штампа со стороны тканей, зависящей от их вязкоупругих свойств. Постоянная составляющая через блок 10 подается на светодиодный индикатор 11, на переключатель 17 и на выход 14 для внешней регистрации. Переменные составляющие, выделяемые блоками 12 и 13, подаются на переключатель 17 и на выходы 15 и 16 для внешней регистрации. В зависимости от положения переключателя 17 одна из трех измеряемых величин подается на цифровой индикатор 18, который откалиброван так, что в положении переключателя 17 "Прижатие" дает значения силы прижатия в ньютонах (Н), в положениях "Упругость" и "Потери" дает соответственно значения действительной и мнимой частей комплексной жесткости нагрузки штампа в ньютонах на миллиметр (Н/мм). Показания цифрового индикатора снимаются при условии, что горят два светодиода индикатора 11, что соответствует силе давления контактного штампа 7 на исследуемую ткань в 0,45-0,55 Н. Set one of the four frequencies of the generator 9, set the switch 17 to the measurement position "Elasticity" (in-phase displacement variable component of the force signal), "Losses" (in-phase velocity variable component of the force signal) or "Press" (constant component of the force signal). After that, the housing 1 is brought closer to the object of study and set so that the contact stamp 7 is at the point under investigation. Contact stamp 7 is pressed against the fabric. A signal appears on the force sensor 5, the constant component of which is determined by the force of pressing the stamp against the fabric, and the variable component is determined by the resistance to movement of the stamp from the side of the tissues, depending on their viscoelastic properties. The constant component through the block 10 is fed to the LED indicator 11, to the switch 17 and to the output 14 for external registration. The variable components allocated by blocks 12 and 13 are supplied to the switch 17 and to the outputs 15 and 16 for external registration. Depending on the position of the switch 17, one of the three measured values is supplied to a digital indicator 18, which is calibrated so that in the position of the switch 17, “Press” gives values of the compressive force in Newtons (N), in the positions “Elasticity” and “Losses” gives, respectively Values of the real and imaginary parts of the complex stiffness of the stamp load in Newtons per millimeter (N / mm). The readings of the digital indicator are taken under the condition that two LEDs of the indicator 11 are lit, which corresponds to the pressure force of the contact stamp 7 on the test tissue of 0.45-0.55 N.

Устройство позволяет измерить комплексную жесткость тканей, находящихся в контакте со штампом, при определенной силе давления на них. Сменность контактного штампа дает возможность использовать штампы разных диаметров для исследования объектов разных размеров и свойств, что позволяет оптимальным образом обеспечить максимальную пространственную разрешающую способность при максимальной чувствительности. The device allows you to measure the complex stiffness of the tissues in contact with the stamp, with a certain pressure on them. The change of the contact stamp makes it possible to use stamps of different diameters to study objects of different sizes and properties, which makes it possible to optimally provide maximum spatial resolution with maximum sensitivity.

Claims (1)

Устройство для определения вязкоупругих свойств мягких тканей, содержащее цилиндрический корпус, внутри которого установлен вибратор с датчиком силы, соединенные соответственно с генератором сигналов и с элементами обработки и регистрации сигнала силы и смонтированные через опорную площадку с контактным штампом, отличающееся тем, что контактный штамп прикреплен посредством резьбы к опорной площадке и выполнен плоским в торце и с возможностью выступа с торцевой части корпуса. A device for determining the viscoelastic properties of soft tissues, comprising a cylindrical body, inside which a vibrator with a force sensor is mounted, connected respectively to a signal generator and to elements for processing and recording the force signal and mounted through a support pad with a contact stamp, characterized in that the contact stamp is attached by threads to the support platform and is made flat at the end and with the possibility of protrusion from the end of the housing.

Images