一种植入物体外试验动态生理环境模拟装置

1.本实用新型涉及生物医学工程技术领域，尤其是一种植入物体外试验动态生理环境模拟装置。


背景技术：

2.医用植入金属材料主要在植入人体后因人体体液而逐步腐蚀降解。现有技术中因为人体的特殊环境，很难预测医用植入金属在人体体内的腐蚀降解情况，因此，在医用植入金属材料的研究过程中进行体外模拟实验，以评价植入物的腐蚀降解特性是植入动物或人体前期研究必不可少的步骤。目前主要利用失重法、析氢测量以及电化学腐蚀测试来对上述医用植入金属材料降解特性进行研究。其中，电化学腐蚀测试在模拟人体生理环境温度的情况下，采用合适组分的电解质溶液作为模拟体液进行测试。但是，正常人体内环境电解质溶液是动态流动的，目前大部分试验都是在静态模拟体液中进行的，不能最大限度地模拟材料在体内腐蚀降解环境，所获结果对体内试验参考性较差。导致不能深入医用植入金属材料的腐蚀降解行为与机理。同时体外模拟实验也存在一些待解决的问题，如没有形成一体化便携设备，没有考虑实验过程中气体的收集，未实现自动准时取液等。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本实用新型实施例提供一种植入物体外试验动态生理环境模拟装置。
4.本实用新型所采用的技术方案是：
5.一种植入物体外试验动态生理环境模拟装置，其特征在于，包括：循环加热模块、主控模块、参数检测模块、气体收集模块、机械夹持模块；
6.所述循环加热模块包括样品反应室、循环储液室、原液室和废液室；样品反应室中置有样品托架，样品反应室的两端与循环储液室两端用管道连接，其中一端作为输入端装有蠕动泵用于将循环液抽入样品反应室，另一端作为输出端装有电磁阀隔断；样品反应室同时与原液室、废液室相连，与原液室相连的管道装有蠕动泵，与废液室相连的管道装有电磁阀；
7.所述循环加热模块还包括加热元件，所述加热元件包裹于样品反应室的输入管道上，用于调整样品反应室内循环液的温度；
8.所述主控模块用于发出控制信号控制其他模块的运作；
9.所述参数检测模块包括气压检测模块、温度检测模块、流速检测模块、ph值检测模块和液位检测模块，用于对所述样品反应室中的气压和循环液的温度、流速、ph值、液位进行检测，并将检测参数发送到主控模块；
10.所述气体收集模块包括储气瓶和三通管，三通管的一端连接样品反应室、一端连接储气瓶、最后一端连接气压检测模块，所述储气瓶用于收集反应气体；
11.所述机械夹持模块包括舵机、机械臂、夹持器、摄像头；摄像头设于机械臂上，机械臂的一端与舵机连接，另一端与夹持器连接，机械臂具有六个自由度，夹持器用于夹持储气
瓶和样品托架。
12.进一步地，所述的一种植入物体外试验动态生理环境模拟装置，还包括：取液补液模块；所述取液补液模块包括步进电机、多个取液箱和取液箱移动架；所述取液箱与原液室通过管道相连，并装有蠕动泵用于将循环液从取液箱抽入原液室；所述步进电机用于在一个取液箱取液完毕后移动取液箱移动架使下一个取液箱与管道相连。
13.进一步地，所述的一种植入物体外试验动态生理环境模拟装置，还包括：电源模块；所述电源模块包括电源适配器和稳压芯片，用于将市电转换为直流电压为其余模块供电。
14.进一步地，所述的一种植入物体外试验动态生理环境模拟装置，还包括：按键模块，用于输入按键信号。
15.进一步地，所述的一种植入物体外试验动态生理环境模拟装置，还包括：安全报警模块，用于当所述参数检测模块的参数到达预设阈值后进行报警。
16.进一步地，所述的一种植入物体外试验动态生理环境模拟装置，还包括：显示模块，用于显示当前时间、检测参数和预设的取液时间点；存储模块，用于存储设定的取液时间点和检测参数。
17.进一步地，所述的一种植入物体外试验动态生理环境模拟装置，还包括：加液模块，所述加液模块包括移动配液箱；所述移动配液箱与原液室通过管道相连并装有蠕动泵用于抽取液体。
18.进一步地，所述的一种植入物体外试验动态生理环境模拟装置，还包括：清洗模块，所述清洗模块包括移动纯水箱，所述移动纯水箱与原液室通过管道相连并装有蠕动泵用于抽取液体；所述清洗模块用于在接收到主控模块的清洗信号后将原液室、样品反应室和循环储液室的液体排入废液室中，再从移动纯水箱中抽水对所述原液室、样品反应室和循环储液室进行清洗。
19.进一步地，所述储气瓶结构为内部带阻塞；所述储气瓶和样品托架上设有凹槽供机械臂夹持。
20.进一步地，所述一种植入物体外试验动态生理环境模拟装置集成在一个主机上，并设有机罩对主机操作面进行防尘保护。
21.本实用新型的有益效果是：一种植入物体外试验动态生理环境模拟装置，主要用于评估医用金属植入物的性能，实现模拟医用金属植入物体外试验动态生理环境，为医用金属材料研究人员提供方便实现的一种材料腐蚀降解性能体外评价装置。实现了试验过程气体收集，取液，样品反应室、循环储液室、原液室等清洗过程的全自动化和一体化操作，研究人员只需定时去取一下取液箱，收拾满气瓶放置空的储气瓶或异常情况处理即可，不需要长时守护，便携易用，安全，为医用金属材料研究人员提供了一种方便易用的材料体外评价系统，提高试验效率，可加速研究医用金属材料的腐蚀降解行为与机理，加速医用可降解金属材料研发转化应用推广。
附图说明
22.图1为本实用新型的产品设计图；
23.图2为本实用新型产品操作面板图；
24.图3为本实用新型主机结构图；
25.图4为本实用新型主控程序流程图；
26.图5为本实用新型循环加热模块剖面图；
27.图6为本实用新型机械夹持模块和自动取液结构图；
28.图7为本实用新型储气瓶结构图；
29.图8为本实用新型样品托架结构图；
30.附图标记：1——机罩、2——按键操作区和状态灯及报警声孔、3——参数显示区、4——sd卡槽、5——样品、6——散热窗、7——移动配液箱、8——移动纯水箱、9——机械臂、 10——样品反应室、11——循环储液室、12——废液室、13——原液室、14——蠕动泵、15 ——集气瓶、16——电磁阀、17——取液箱；
31.2-1——报警指示灯、2-2——蜂鸣器网口、2-3——参数检测状态灯(从左到右依次指示“ph”、“气压”、“流速”、“温度”)、2-4——按键(从左到右依次为“加液”、“检测”、“取液”、“放液”键)、2-5——按键(从左到右依次为
“→”“←”“↑”
、
“↓”
、 2-6——按键(从左到右依次为“清洗”、“取样”、“确定”、“开/关”)、2-7——加热状态指示灯、2-8——“存储”键、2-9——开关机指示灯；
32.3-1——样品反应室温度显示区、3-2——样品反应室ph值显示区、3-3——样品反应室液位显示区、3-4——循环储液室液位显示区、3-5——集气瓶气压显示区；
33.9-1——舵机、9-2——夹持器、9-3——摄像头；
34.10-1——样品反应室盖、10-2——样品托架、10-3——集气口、10-4——加热元件、10-5 ——流速传感器、10-6——液位传感器、10-7——温度传感器、10-8——气压传感器、10-9——ph值传感器；
35.12-1——废液出口；
36.13-1——原液室放液口；
37.15-1——阻塞、15-2——弹簧、15-3——夹持凹槽；
38.17-1——取液箱移动架。
具体实施方式
39.下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步解释和说明。
40.对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
41.如图1所示，一种植入物体外试验动态生理环境模拟装置主要包括主机和机罩1。其中，主机如图3所示，包括主控模块、电源模块、按键模块、循环加热模块、参数检测模块、安全报警模块、机械夹持模块、气体收集模块、存储模块、显示模块、取液补液模块、加液模块和清洗模块，机罩1用于主机操作面的防尘和保护。
42.主控模块：采用控制芯片stm32f103rct6作为微处理器，根据按键信号和参数检测模块反馈的参数操控其它模块的运作，程序流程如图4所示。其中，接收温度检测电路反馈的温度值与设定值进行比较计算，发出低(高)电平信号接通(断开)加热控制电路中的继电器实现样品反应室10温度控制恒定在37℃左右，加热时加温状态灯亮绿色，若超过预设定
温度0.3℃预警，发出预警信号给声光报警模块的led预警灯使灯亮，若超过预设温度0.8℃表示加热故障，开始报警，发出报警信号给安全报警模块报警，并到10s未实现正常则进入程序中断保护程序，断开加热控制模块，结束试验；接收气压检测电路反馈的气压值，与设定值比较是否达到预警，若达到发出报警信号给安全报警模块预警，同时控制机械夹持模块实现集气瓶15的置换，若换储后气压检测仍异常，发出报警信号给安全报警模块报警，并到 10s未实现正常则进入程序中断保护程序，结束试验；接收流速检测电路反馈的流速，与设定值进行比较计算，发出pwm信号控制循环加热模块中蠕动泵14，控制流速恒定在人体骨骼肌组织内体液的正常生理流率2ml/100ml.min；接收液位检测模块反馈的液位控制取液模块或加液和清洗模块的运作。接收参数检测模块数据并发送到存储/显示模块显示，根据程序设定间隔时间，存储参数检测模块的数据至sd存储卡。
43.电源模块，包含将220v市电转为12v直流的电源适配器给循环加热模块、流速检测模块、取液补液模块、机械夹持模块供电，通过稳压芯片l7809转为9v给循环加热模块(加热器)供电，通过l7805转为5v给安全报警模块、按键模块、存储/显示模块、加液和清洗模块供电，通过l7905转为-5v与+5v给温度检测模块、气压检测模块、ph值检测模块、液位检测模块供电，通过asm111-3.3v转为3.3v给主控模块供电。
44.按键模块如图2所示，由“开/关”、“加液”、“检测”、
“→”“←”“↑”
、
“↓”
、“确定”、“取液”、“放液”、“清洗”、“取样”、“存储”键13个按键组成。“开/关”键用于主机的开机和关机，“加液”键用于启动往样品反应室10和循环储液室11加液，“检测”键用于启动参数检测模块开始检测，
“↑”
、
“↓”
、
“→”
、
“←”
键用于协助设定取样时间间隔和取液量，“确定”键用于确定设置，“取液”键启动取液模块，“放液”键用于放出废液，“清洗”键用于输入纯水清洗主机样品反应室10和循环储液室11，“取样”键用于实验结束自动取出样品，“存储”键用于启动开始存储数据。
45.循环加热模块由蠕动泵14、内表面光滑的聚丙烯pp样品反应室10及循环储液室11和软导管、加热元件10-4和控制电路等组成。其结构示意图如图5所示。样品反应室10两端分别为循环液的进出口。蠕动泵14将循环液从循环储液室11一端泵入，样品反应室10陈液从另一端流出回到循环储液室11，在蠕动泵14与样品反应室10连接的pe导管外包裹螺旋加热管实现循环液的加热。样品反应室10上盖分别打有排气口、温度传感器10-7导线孔、 ph电极导线孔和液位传感器10-6导线孔，放入后外面用硅胶密封。超声波流速传感器10-5 外置于循环储液室11与样品反应室10连接导管进行流速检测，循环储液室11侧面打有液位传感器10-6导线孔。加热控制电路由继电器和电阻构成，当检测到样品反应室10温度值低于37℃时，微处理器发出低电平信号到pa15口，使得q1三极管s8550导通，从而使继电器与螺旋加热管接通，加温管p1开启加热，加温状态led灯d1绿灯亮；当检测温度到温度值高于设定温度，微处理器发出高电平信号到pa15使得q1三极管s8550截止，控制继电器与加热管断开，加温管p1停止加热，led灯d1熄灭。
46.所述参数检测模块包括温度检测模块、流速检测模块、气压检测模块、ph值检测模块、液位检测模块。
47.所述温度检测模块由1个k型热电偶(铁氟龙引线)和电阻构成。热电偶置入样品反应室10液体中检测温度，反馈给主控模块进行计算比较以调整加热控制信号和是否输出预警和报警信号。温度检测电路中，k型热电偶冷端先经过四桥臂(由r9-r12组成)和桥路稳压
电源(可调电阻r7与+5v构成)组成的自动补偿电路(r9为随温度变化，r10-r12不随温度变化)，再经过2个精密仪表运算放大器op-07组成的差分放大器结合电阻和1个精密仪表运算放大器op-07结合电阻组成的输出放大电路，然后进入主控芯片stm32f103rct6的pa1口进行ad转换。
48.所述流速检测模块：采用超声波流速传感器10-5进行检测，接收探头电信号输入到主控芯片stm32f103rct6的pa4口。
49.所述气压检测模块由气压传感器10-8、放大器及电阻等组成。气压检测电路采用 us9112-015-s压力传感器，其电源由电阻r2和r7分压后经跟随器提供，传感器输出经过放大倍数为r1/r4的差分放大器后入主控芯片stm32f103rct6的pa2口进行ad转换。
50.所述ph值检测模块由ph探头，温度补偿和放大电路组成。ph值检测电路由标准ag/agclph探头,温度补偿电阻，放大器lmc6001放大输入信号，然后采用lmc6041和电阻、电容构成的第二级反向和偏置放大电路对信号进行放大后输入到stm32f103rct6的pa3口进行ad转换。
51.所述液位检测模块由液位传感器10-6及信号调理电路组成。第一级电容转换电信号电路由运放和标准电容c1、电容式液位传感器c2，采用运算法测量电路实现电容转化成电信号，第二级和第三级基本运算反放大电路，用于将传感器测量转换的电压进行放大，然后输入到 stm32f103rct6的pc2口进行ad转换。
52.所述安全报警模块由1个pnp三极管、1个蜂鸣器、1个led和2个限流电阻等组成。当参数检测模块的参数达到报警值时灯红闪烁警示并伴蜂鸣器鸣音报警，提示研究人员及时处理。
53.所述机械夹持模块由舵机9-1、机械臂9、夹持器9-2、摄像头9-3组成。舵机9-1设置在机械臂9下方，与机械臂9一端连接，同时机械臂9的另一端连接有夹持器9-2用于夹持置换集气瓶15或样品托架10-2。同时为了方便摄像头9-3拍摄到准确的集气瓶15位置，摄像头9-3设置在机械臂9上，摄像头9-3高度与集气瓶15/样品托架10-2夹持口高度基本持平。其中机械臂9的构造包括底座，关节舵机9-1，连杆，运动关节，具有六个自由度。
54.所述气体收集模块由气体出口、气体管道、三通管、气阀和金属瓶组成。三通管的一端连接气体通道，一端连接金属集气瓶15，中间端口放置气压传感器10-8连接气压检测模块。当气压达到预警值时，机械夹持模块将集气瓶15夹走并放置一个空的集气瓶15，实现自动集气换气瓶功能。
55.所述存储模块和显示模块由2个led灯、4个双色led灯，1个lcd显示屏和1个sd存储卡实现。其中，1个红色led灯与电源相连，指示电源工作状态，1个显示加热运行状态；4个双色led灯分别样品反应室10的温度、ph值、流速和气压参数值状态，正常时为绿色，超出阈值时为红色。lcd显示屏和sd存储卡分别用于显示当前时间、检测参数(温度，ph值，气压，流速、液位)和存储设定取液时间点的时间和检测参数。
56.所述取液补液模块由步进电机、取液箱17移动架、电磁阀16、管道、塑料取液箱17及控制电路等组成。设定取液量后的液位值，主控模块控制样品反应室10取液管道上电磁阀 16打开，至设定液位值时关闭电磁阀16；控制原液箱至样品反应室10的电磁阀16和蠕动泵 14的打开进行补液，至取液前液位后断开电磁阀16和蠕动泵14。每完成一次取液或补液，控制取液模块电机将取液箱17移动架网外推出一个取液箱17位以便下次取液时间到来
取液，实现自动取液和补液功能。
57.所述加液模块和清洗模块由移动配液箱7、移动纯水箱8、电磁阀16、管道、蠕动泵14、原液箱及控制电路组成。设定循环储液室11的液位值和样品反应室10液位值，主控模块控制移动配液箱7至原液箱的蠕动泵14打开，将配液箱中循环液加入到原液室13，然后控制原液箱至样品反应室10的蠕动泵14和电磁阀16打开，至样品反应室10和循环储液室11设定液位值时关闭上述蠕动泵14和电磁阀16，实现自动加液。在试验结束接收到清洗指令后，控制样品反应室10和循环储液室11到废液室12管道电磁阀16打开，将两室中液体放至废液室12，控制原液室13液体出口管道电磁阀16打开，将原液放出，然后关闭上述电磁阀16。然后控制移动纯水箱8至原液室13的电磁阀16打开，直到达到循环储液室11的液位值和样品反应室10液位值设定值关闭电磁阀16，然后控制原液箱至样品反应室10的蠕动泵14和电磁阀16打开，至样品反应室10和循环储液室11设定液位值时关闭上述蠕动泵14和电磁阀16，打开样品反应室10和循环储液室11的蠕动泵14，实现循环清洗，清洗1min后程序循环接收清洗指令后的程序，循环3次后结束，实现自动清洗；若还觉得不够干净，可再执行清洗程序。
58.一种植入物体外试验动态生理环境模拟装置的工作方法实施例如下所示：
59.1、实验前准备
60.采用主机配套的移动配液箱7配置sbf模拟体液，接入主机，移动纯水箱8装入纯水放入主机，检测废液室12是否为空。测量样品高度进行记录，拿开机罩1，打开样品反应室盖 10-1，将样品放在样品反应室10样品托架10-2上，然后盖上样品反应室盖10-1，再通过集气口将样品反应室10抽真空，在集气口装上抽空后的集气瓶15，打开气阀门，检测机械臂9、取液箱17、空集气瓶15是否安放好位置，确定都放好后，准备工作完毕。
61.2、主机开机工作
62.打开主机电源“开/关”键，按“加液”键后，根据提示采用
“→”“←”“↑”
、
“↓”
键设置样品反应室10(可设置淹没钽金属植入物样品高度1-2cm)和循环储液室11中的液位，按“确定”键后，主控模块会发出信号控制加液和清洗模块中驱动该模块中的蠕动泵14将移动配液箱7中的sbf模拟体液泵入原液室13，然后控制原液室13与样品反应室10的蠕动泵 14将模拟体液泵入样品反应室10和循环储液室11，到达设定液位后，上述蠕动泵14关闭，完成加液。然后可按“检测”键启动循环加热模块、参数检测模块和存储/显示模块。在显示屏上可看到样品反应室10的当前时间、温度、ph值、气压、流速、液位和循环储液室11的液位值；待温度显示为37℃，流速恒定在设定流速值时，按下“存储”键，通过
“↑”
键、
“↓”
键设置存储间隔时间，确定后按“确定”键，会记录样品开始体外试验的时间、参数 (温度、ph值、气压、流速等)，此后会按设定间隔时间存储当时时间和检测参数。再按“取液”键，通过
“→”
、
“←”
、
“↑”
键、
“↓”
键设置取液间隔时间和取液量，确定后按“确定”键，取液模块将到达间隔时间时启动，主控模块控制电磁阀16打开，至设定取液量液位值时关闭电磁阀16，同时控制取液箱17移动架步进电机推出一个取液箱17位；然后控制加液和清洗模块加液，至取液前液位后结束加液，完成取/补液。过程中，试验人员可自定间隔时间(不超过原空取液箱17的使用时间)将取液箱17取走进行离子浓度检测。过程中当集气瓶15气压达到预警值100kpa，主控模块将发出信号控制机械夹持模块实现集气瓶15 的置换。如出现其它异常，主控模块会发出预警和声光报警信号给安全报警模块，若出现声光报警，需要及时处理；报警10s后还未回归正常会程序产生中断，主控模块进入中断待机状态。发现异常，研究人员可观看显示屏上
错误警报参数或参数指示灯状态针对性处理。正常试验完毕后，按“取样”键，机械夹持模块将自动夹开样品室盖，将样品托格架夹出，试验人员可取下样品，取出sd存储卡，把样品托架10-2放入样品室，将样品室盖盖好。按“清洗”模块，控制样品反应室10和循环储液室11到废液室12管道电磁阀16打开，将两室中液体放至废液室12，控制原液室13液体出口管道电磁阀16打开，将原液放出，然后关闭上述电磁阀16。然后控制移动纯水箱8至原液室13的电磁阀16打开，直到达到循环储液室11 的液位值和样品反应室10液位值设定值关闭电磁阀16，然后控制原液箱至样品反应室10的蠕动泵14和电磁阀16打开，至样品反应室10和循环储液室11设定液位值时关闭上述蠕动泵14和电磁阀16，打开样品反应室10和循环储液室11的蠕动泵14，实现循环清洗，清洗 1min后程序循环接收清洗指令后的程序，循环3次后结束，实现自动清洗；若还觉得不够干净，可再执行清洗程序。若要清洗几次，可按清洗键几次。清洗干净后关机，收拾废液、满集气瓶15、移动纯水箱8、移动配液箱7等，盖上机罩1。
63.使用本实用新型的技术方案，将其中加热控制元件继电器换成大功率mos场效应管，将螺旋加热管替换为ptc等，或根据实施具体情况，将其改成水浴或油浴加热箱或改变结构，将存储/显示模块改为上位机显示和存储，样品托架结构改变或不保留等。同样属于本实用新型的内容。
64.以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型并不限于所述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。