一种眼球壁组织生物力学性能测试系统

本发明涉及生物力学性能测试，尤其涉及一种眼球壁组织生物力学性能测试系统。

背景技术：

1、眼球是具有多层复杂结构的重要视觉器官，深入了解眼球壁各层组织的力学性质对于阐明眼功能疾病产生和发展机制及推动新型手术方式和器械研发具有重要意义。然而准确获取眼球壁各层结构的力学数据仍面临巨大挑战。

2、首先，眼球壁是由巩膜，脉络膜，视网膜构成的多层次、非均匀的复合组织，总厚度约为0.8毫米，最薄层约为0.15毫米。常用的生物组织力学性能测试方法有拉伸法，压痕法。拉伸法适用于弹性模量较大、样本易于夹持的生物样本，压痕法适用于无粘性、具有一定厚度的生物样本。传统拉伸法是测量单一组织的杨氏模量，眼球壁各层被测试样的剥离获取及夹持测量均存在一定困难。压痕法也是常用的测量方法之一，眼球壁各层被测试样也不能满足该方式试样厚度远大于压陷深度的要求。此外，眼球内部是具有一定压力的液体环境，各层组织均受到均匀向外扩张的作用力，直接剥离组织进行测量并不能反应组织真实的力学特性。

3、眼球壁组织厚度较薄，且不宜分离。拉伸法测量，被测试样难以被夹具夹持；压痕法测量，被测试样不能满足试样厚度远大于压陷深度的要求。现有测量方式并不能模拟组织在体的生理环境，测量数据不能真实反应组织的力学特性。

4、为获得准确的、近似在体条件下的眼球壁各层组织的力学性质，需保持眼球原有几何结构及液体环境，但在此条件下进行组织力学特性的测量需要解决多个问题。首先，传统夹具并不适用于非均匀球体形状的眼球；其次，测量过程中被测物生理环境稳定与否会影响测量数据的准确性；然后，多层复合组织与各层组织的力学特性的对应关系尚不明确；最后，眼球壁内外侧组织形变需要一种无创的测量方式。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明旨在设计一种眼球壁组织生物力学性能测试系统，用以解决现有的测试系统测量结果不能真实反应组织的力学特性的问题。

2、本发明提供一种眼球壁组织生物力学性能测试系统，包括固定底座、载荷方向调节模块、载荷加载模块、外部形变测量模块、生理环境保持模块、样本、样本调节模块、样本夹持模块与载荷测量模块；

3、其中，所述载荷方向调节模块固定设置在所述固定底座上，所述载荷加载模块和所述外部形变测量模块固定设置在所述载荷方向调节模块上，所述载荷方向调节模块能够调节所述载荷加载模块和所述外部形变测量模块在长、宽、高三个方向上的位置以及能够调节所述载荷加载模块的偏转角度；所述载荷测量模块固定设置在所述载荷加载模块上；

4、所述样本调节模块固定设置在固定底座上，所述样本夹持模块可上下滑动地设置在所述样本调节模块上；所述样本夹持模块能够夹持或放开所述样本；

5、所述生理环境保持模块包括穿刺针头、液体管路以及液体容器；所述液体容器的直径大于所述液体管路的直径；所述液体容器内装有人工房水；所述穿刺针头能够刺入所述样本，所述人工房水由所述液体容器经所述液体管路、所述穿刺针头流入所述样本之内并维持所述样本内部的液压环境。

6、进一步地，还包括内部形变测量模块，所述内部形变测量模块包括光学通道和光学相干断层扫描仪；所述光学通道垂直固定于所述样本的上端，所述光学相干断层扫描仪能够通过所述光学通道测量所述样本内部的形变。

7、进一步地，所述样本夹持模块包括夹持模块支座、中部限位块、底部限位块、旋进螺杆、上大臂、下小臂以及试样夹爪；所述夹持模块支座可滑动地设置在所述样本调节模块上，所述中部限位块固定设置在所述夹持模块支座上，所述底部限位块设置在所述中部限位块的下方；所述上大臂分为上段、中段和下段，所述上大臂的中段与下段的转折处与所述中部限位块铰接，所述上大臂的下段的底部与所述下小臂的上端铰接，所述下小臂的下端与所述底部限位块铰接。

8、进一步地，所述试样夹爪设置在所述上大臂的上段的顶部；所述旋进螺杆与所述中部限位块中部的螺纹通孔螺接，并穿过所述底部限位块中部的通孔；所述旋进螺杆上设置有螺帽，所述螺帽抵接所述底部限位块的底面。

9、进一步地，所述样本夹持模块还包括试样平台，所述试样平台固定设置在所述旋进螺杆的顶端，位于所述中部限位块的上方，所述试样平台的上表面为球形凹面。

10、进一步地，所述上大臂、下小臂以及试样夹爪设置有四组，并沿所述中部限位块的周向均布，四个所述试样夹爪能模拟四条眼外直肌对眼球的夹持动作。

11、进一步地，所述上大臂为杆件，其中心线为折线状。

12、进一步地，沿着竖直向上的方向，所述下段朝向靠近所述中部限位块的中心的方向倾斜延伸，所述中段朝向远离所述中部限位块的方向延伸，所述上段朝向靠近所述中部限位块的中心的方向延伸。

13、进一步地，所述试样夹爪具有夹持部和从夹持部向外凸出的安装部，所述安装部与所述上大臂可转动的连接。

14、进一步地，所述夹持部的夹持面为球形凹面，所述球形凹面的直径小于等于眼球的直径。

15、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

16、（1）本发明的测试系统通过设置生理环境保持模块，向眼球内部注射恒定压力的房水溶液，实现维持眼内压恒定的功能，从而实现在测试的过程中保持眼球原有几何结构及液体环境，从而可以获得准确的、近似在体条件下的眼球壁各层组织的力学性质。通过保证眼球内部液体环境稳定，提高了数据准确性。

17、（2）本发明的载荷方向调节模块通过多个滑轨结构实现x、y、z（即长、宽、高）三个方向及偏转角度调整的功能。载荷加载模块通过驱动电机实现施加可调载荷的功能。载荷测量模块通过串联力学探头及力学传感器实现力学参数测量的功能。

18、（3）本发明的样本夹持模块凭借特定结构设计，通过调节旋进螺杆，带动上大臂及下小臂运动，进而改变夹爪及试样平台距中心点的距离，以实现夹持固定不同尺寸眼球的功能。针对球形样本，样本夹持模块可根据样本大小进行调节。可保持眼球原有解剖结构，降低试样取样难度。

19、（4）本发明的测试系统包括内部形变测量模块、外部形变测量模块，内部形变测量模块通过光学相干断层扫描记录内部形变情况，光线经光学通路转向，由角膜进入眼球内部，可以无创测量样本内部外部形变数据。

20、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

技术特征：

1.一种眼球壁组织生物力学性能测试系统，其特征在于，包括固定底座（1）、载荷方向调节模块（2）、载荷加载模块（3）、外部形变测量模块（4）、生理环境保持模块（5）、样本（6）、样本调节模块（8）、样本夹持模块（9）与载荷测量模块（10）；

2.根据权利要求1所述的眼球壁组织生物力学性能测试系统，其特征在于，还包括内部形变测量模块（7），所述内部形变测量模块（7）包括光学通道（701）和光学相干断层扫描仪（702）；所述光学通道（701）垂直固定于所述样本（6）的上端，所述光学相干断层扫描仪（702）能够通过所述光学通道（701）测量所述样本（6）内部的形变。

3.根据权利要求2所述的眼球壁组织生物力学性能测试系统，其特征在于，所述样本夹持模块（9）包括夹持模块支座（901）、中部限位块（906）、底部限位块（908）、旋进螺杆（909）、上大臂（905）、下小臂（907）以及试样夹爪（902）；所述夹持模块支座（901）可滑动地设置在所述样本调节模块（8）上，所述中部限位块（906）固定设置在所述夹持模块支座（901）上，所述底部限位块（908）设置在所述中部限位块（906）的下方，所述上大臂（905）分为上段、中段和下段；所述上大臂（905）的中段与下段的转折处与所述中部限位块（906）铰接，所述上大臂（905）的下段的底部与所述下小臂（907）的上端铰接，所述下小臂（907）的下端与所述底部限位块（908）铰接。

4.根据权利要求3所述的眼球壁组织生物力学性能测试系统，其特征在于，所述试样夹爪（902）设置在所述上大臂（905）的上段的顶部；所述旋进螺杆（909）与所述中部限位块（906）中部的螺纹通孔螺接，并穿过所述底部限位块（908）中部的通孔；所述旋进螺杆（909）上设置有螺帽，所述螺帽抵接所述底部限位块（908）的底面。

5.根据权利要求4所述的眼球壁组织生物力学性能测试系统，其特征在于，所述样本夹持模块（9）还包括试样平台（904），所述试样平台（904）固定设置在所述旋进螺杆（909）的顶端，且位于所述中部限位块（906）的上方，所述试样平台（904）的上表面为球形凹面。

6.根据权利要求3-5任一项所述的眼球壁组织生物力学性能测试系统，其特征在于，所述上大臂（905）、下小臂（907）以及试样夹爪（902）设置有四组，并沿所述中部限位块（906）的周向均布，四个所述试样夹爪（902）能模拟四条眼外直肌对眼球的夹持动作。

7.根据权利要求6所述的眼球壁组织生物力学性能测试系统，其特征在于，所述上大臂（905）为杆件，其中心线为折线状。

8.根据权利要求7所述的眼球壁组织生物力学性能测试系统，其特征在于，沿着竖直向上的方向，所述下段朝向靠近所述中部限位块（906）的中心的方向倾斜延伸，所述中段朝向远离所述中部限位块（906）的方向延伸，所述上段朝向靠近所述中部限位块（906）的中心的方向延伸。

9.根据权利要求8所述的眼球壁组织生物力学性能测试系统，其特征在于，所述试样夹爪（902）具有夹持部和从夹持部向外凸出的安装部，所述安装部与所述上大臂（905）可转动的连接。

10.根据权利要求9所述的眼球壁组织生物力学性能测试系统，其特征在于，所述夹持部的夹持面为球形凹面，所述球形凹面的直径小于等于眼球的直径。

技术总结
本发明涉及一种眼球壁组织生物力学性能测试系统，属于生物力学性能测试技术领域，解决了现有技术中测试系统测量结果不能真实反应组织的力学特性的问题。本发明包括固定底座（1）、载荷方向调节模块（2）、载荷加载模块（3）、外部形变测量模块（4）、生理环境保持模块（5）、样本（6）、样本调节模块（8）、样本夹持模块（9）与载荷测量模块（10）。本发明采用生理环境保持模块，实现在测试的过程中保持眼球原有几何结构及液体环境，从而可以获得准确的、近似在体条件下的眼球壁各层组织的力学性质。

技术研发人员：王柯皓,田宇航,郭江真,陶春静,樊瑜波
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2025/2/5