一种切割操作下生物软组织力学性能测试装置的制作方法

本实用新型涉及一种软组织力学性能测试装置，属于材料力学性能检测技术领域，具体涉及一种在切割操作下测试生物软组织力学性能的测试装置。

背景技术：

生物力学是研究力与生物体运动、生理、病理之间关系的学科，是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究的生物物理学分支。研究生物组织力学，测试生物组织力学性能特征对于揭示生物组织力学机理，认识其生长、衰老规律，以及为医学诊断和治疗提供理论参考具有重要实际意义。此外，生物组织力学性能研究，可为手术仿真培训系统中实现真实的力觉仿真提供理论基础。

生物结构中的脏器、肌肉等软组织为非线性粘弹性体，其力学特性复杂，组织状态随时间变化具有较大差异，并且随着手术操作的进行，组织的拓扑结构发生变化，边界条件非常复杂。现有的生物软组织力学性能测试方法有压痕检测、超声波检测。压痕检测设备是利用拉伸软组织时发生的长度和张力的变化来分析软组织力学性能；超声波检测利用超声波和压力六维传感器组成传感系统，测量生物软组织的应力-应变信息，提取软组织的特性参数。

国内对软组织力学性能的研究起步较晚，申请号201420044704.4、公开日期为2014.01.23的实用新型专利公开了一种《一种生物软组织切削试验装置》，以较高的速度与加速度对生物软组织进行切削并在计算机控制下实现对整个切削过程的自动测量，测试速度快，精度高，通过切削试验能够快速建立典型软组织切削数据库，但是该装置不包含切割时对生物软组织的预拉力测量，因此不能完备的描述生物软组织的力学特性；专利CN102018575A公开的《机器人辅助柔性针穿刺软组织实时操控系统及方法》提出了一种柔性针的控制方法及设备，但是该专利中柔性针模型局限于二维穿刺，针尖受力及针尖位置使用模型预测的模型数据存在误差，同时针尖的运动较为单一只能测量实时穿刺而无法获得更多的模型；申请号201610117830.1、公开日期为2016.03.02的发明专利公开了一种《一种生物软组织力学性能测试装置》，利用该装置可测试生物组织在提拉，按压和穿刺等操作下的力学模型。

技术实现要素：

本实用新型提供一种切割操作下生物软组织力学性能测试装置，解决了现有生物软组织力学性能测试装置无法测定切割操作下预拉力的问题，进而根据实验采集数据，提取力学模型所需得特征参数，建立软组织应力应变的本构关系。

为了实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案是：

一种切割操作下生物软组织力学性能测试装置包括工作台、升降切割装置、水平牵拉装置和固定生物软组织的升降台；

所述工作台的上表面上安装有升降切割装置、水平牵拉装置和固定生物软组织的升降台；升降切割装置的升降活动端安装有刀具，升降台布置在升降切割装置的正下方，水平牵拉装置的水平活动端和升降台之间夹持有用于力学性能测试的生物软组织。

进一步地，刀具包括刀具座和连接在刀具座下端的刀片。

进一步地，升降切割装置包括升降驱动电机、升降丝杠副、连接板和压力传感器；升降丝杠副的丝杠竖向设置并转动安装在工作台上，升降驱动电机的输出端连接升降丝杠副的丝杠的顶端，升降丝杠副的丝母上安装有连接板，连接板与刀具座之间安装有与二者连接的压力传感器。

进一步地，水平牵拉装置包括压具装置、拉力传感器、传感器座、水平丝杠副和水平驱动电机；水平丝杠副水平安装在工作台上，水平驱动电机的输出端连接水平丝杠副的丝杠，水平丝杠副的丝母上安装有传感器座，压具装置与传感器座之间布置有与二者连接的拉力传感器。

进一步地，升降台包括带凹槽的滑座和带滑块的滑台，所述滑块能在所述凹槽内滑动，滑座与滑台可拆卸连接，滑台上设有固定生物软组织的压板。

进一步地，压具装置包括上下钳头，下钳头为L形板，下钳头的短板与拉力传感器相连，上钳头为一平板，平板可拆卸安装在下钳头的长板上，平板上设有与生物软组织接触的夹持纹，所述平板与所述压板之间夹持有生物软组织。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：

1、选用电机驱动丝杠副传动的机械装置，使得测试装置具备直线运动能力，实现了切割的操作。

2、在丝母和末端执行机构(刀具)之间安装力传感器达到实时测量切割力和组织变形的关系的目的。

3、测试装置还包含能将生物软组织固定牢靠并且可以提供初始夹持力的压具，以此来防止生物软组织由于蠕变和应力松弛等粘弹性的影响而在切割过程中滑脱。试验中，用力传感器测量软组织在切割过程中受到的力。通过对力和位移曲线的极差分析和方差分析建立最终的力学模型。

4、该测试装置由水平牵拉装置为软组织提供预拉力以便于在预期位置实现切割，由竖直切割装置实现对软组织的切割操作，由工作台实现对软组织的固定和位置调整，应用力传感器采集切割力。利用该测试装置进行相关性实验，根据统计性结果可提取力学性能特征参数，建立切割操作下应力-应变的本构关系。

附图说明

图1是本实用新型的轴测图；

图2是工作台1的结构示意图；

图3是升降切割装置2的结构示意图；

图4是刀具2-5的结构示意图；

图5是图4的剖视图；

图6是水平牵拉装置3的结构示意图；

图7是升降台4的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的技术方案作进一步地说明：

参见图1-图7说明，一种切割操作下生物软组织力学性能测试装置包括工作台1、升降切割装置2、水平牵拉装置3和固定生物软组织的升降台4；

所述工作台1的上表面上安装有升降切割装置2、水平牵拉装置3和固定生物软组织的升降台4；升降切割装置2的升降活动端安装有刀具2-5，升降台4布置在升降切割装置2的正下方，水平牵拉装置3的水平活动端和升降台4之间夹持有用于力学性能测试的生物软组织。

为了保证生物软组织有效切割，参见图4和图5所示，刀具2-5包括刀具座2-5-1和连接在刀具座2-5-1下端的刀片2-5-2。为了研究软组织切割力的影响，也为了便于操作使用，优选地，刀片采用10号或11号医用手术刀片，这两种刀片虽然可按照在3号刀柄上，安装孔的形状和尺寸基本相同，但是，为了研究不同切入角度对切割力的影响，本实用新型申请自制刀具座及刀具如图4所示，该刀具能够使刀片在安装时能够调整刀片安装的角度，该刀具座2-5-1上端带有螺纹孔的圆盘，下端在圆柱的侧面铣出两个平面便于和刀片紧密配合，试验前调整好刀片角度并用螺母将其固定。

参见图3说明，在一个实施例中，升降切割装置2包括升降驱动电机2-1、升降丝杠副2-2、连接板2-3和压力传感器2-4；升降丝杠副2-2的丝杠竖向设置并转动安装在工作台1上，升降驱动电机2-1的输出端连接升降丝杠副2-2的丝杠的顶端，升降丝杠副2-2的丝母2-2-1上安装有连接板2-3，连接板2-3与刀具座2-5-1之间安装有与二者连接的压力传感器2-4。如此设置，升降丝杠副2-2采用滚珠丝杠副，在这里，升降驱动电机2-1采用步进电机，如此定位准确，调速可靠。压力传感器2-4优选用量程为10N，外形尺寸为Φ42的MIK-LCL纽扣型压力传感器。作为一个可实施方式，水平牵拉装置3包括压具装置3-2、拉力传感器3-3、传感器座3-4、水平丝杠副3-5和水平驱动电机3-6；水平丝杠副3-5水平安装在工作台1上，水平驱动电机3-6的输出端连接水平丝杠副3-5的丝杠，水平丝杠副3-5的丝母3-5-1上安装有传感器座3-4，压具装置3-2与传感器座3-4之间布置有与二者连接的拉力传感器3-3。在这里，水平丝杠副3-5采用滚珠丝杠副，水平驱动电机3-6采用步进电机，如此定位准确，调速可靠。拉力传感器3-3优选用量程为10N的MIK-LCS1型拉力传感器。这样，压力传感器和拉力传感器能很好地测试软组织在切割过程中受到的力和软组织被固定夹持的拉伸力。

在另一个实施例中，为了保证生物软组织适应不同高度和切割测试的需要，参见图7说明，升降台4包括带凹槽的滑座4-1和带滑块的滑台4-2，所述滑块能在所述凹槽内滑动，滑座4-1与滑台4-2可拆卸连接，滑台4-2上设有固定生物软组织的压板4-2-1。在这里，为了更好的夹持生物软组织，压板4-2-1上也加工有齿形纹，以提高夹持力。滑座4-1上的凹槽可为矩形槽、梯形槽或燕尾槽，滑台4-2上的滑块与凹槽匹配设置。这样滑台4-2可以在滑座4-1上作竖直方向移动，确定高度后可用较细的内六角螺钉作为顶丝固定。

作为一个可实施方式，参见图6说明，压具装置3-2包括上下钳头，下钳头为L形板，下钳头的短板与拉力传感器3-3相连，上钳头为一平板，平板可拆卸安装在下钳头的长板上，平板上具有与生物软组织接触的夹持纹，所述平板与所述压板4-2-1用于夹持生物软组织。上钳头中间与软组织接触部分是齿形纹或波纹型，两边通过螺栓与下钳头相连。将软组织放于两钳头之间通过拧螺母来改变夹持力的大小，通过水平丝杠副3-5的丝母的水平移动改变初始拉伸力的大小。如此设计，既能在不损伤组织的前提下将其夹持牢靠，又能提供一定的初始拉伸力。作为一个优选的实施方式，所述连接板2-3为L形板，连接板2-3的一侧板连接升降丝杠副2-2的丝母，连接板2-3的另一侧板连接压力传感器2-4。工作台1包括底板1-1、侧板1-2和调平机构1-3；侧板1-2竖向布置并安装在底板1-1上，所述升降丝杠副2-2安装在所述侧板1-2上，底板1-1的底部安装有能保持底板1-1水平的调平机构1-3。进一步地，调平机构1-3包括若干个锥形底座1-3-1，若干个锥形底座1-3-1螺纹连接在底板1-1上。当工作台所处面凹凸不平时，可以通过微调调平机构1-3的锥形底座1-3-1，使得工作台保持水平。如此设计，能够使得生物软组织与水平牵拉装置3在安装时均能够处于水平的位置。

工作过程

1、调平工作台，打开升降驱动电机，确保升降丝杠副的丝母滑动顺畅和竖直安装的丝杠副能够自锁。

2、选用沿着纵向纹理切割的猪肝样品，将其一端固定在升降台的压板下，另一端固定在软组织压具装置的钳头中。将螺母旋紧，保证猪肝在一定初始拉伸力下不会滑脱。

3、将医用手术刀片安装在刀具座上，旋转刀片使其和竖直方向夹角为10°，然后用螺母将其固定。

4、打开水平牵拉装置的水平驱动电机，使水平丝杠副带着钳头拉伸生物软组织，观察数据采集卡上采集的拉伸力略大于2N时(软组织的应力松弛特性会恢复部分形变)，关闭水平驱动电机。

5、打开竖直切割装置上的升降驱动电机，设定末端执行机构(刀具)的速度为2mm/s，打开数据采集卡自带软件，当刀尖接触猪肝时开始记录刀尖每个位移下的切割力。当切割力几乎趋于稳定时，关闭升降驱动电机，保存数据。

本实用新型采用的数据采集卡为USB3253，A/D型，量程通过输入信号的范围选取，采用频率选择100赫兹，

本实用新型已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，依据本实用新型的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本实用新型技术方案范围。