生物组织弹性测量仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型提出一种生物组织弹性测量仪，包括：试样置台，用于放置组织试样；压头，在驱动力的作用下触压所述组织试样，以在所述组织试样表面产生一定压痕深度；作用力加载部，提供所述压头触压动作的驱动力；位移测量装置，用于测量所述压头的位移；以及工控机，用于控制所述作用力加载部提供驱动力及采集所述位移测量装置的位移信号。本实用新型能够实现软组织块体的弹性测量。
【专利说明】
生物组织弹性测量仪
技术领域
[0001] 本实用新型设及软组织块体的弹性测量技术，特别设及一种压痕法检测生物组织 弹性的测量装置。
【背景技术】
[0002] 生物软组织的弹性是辨识其病变与否的重要依据，若某组织的弹性发生变化，预 示着该组织开始发生某种病变或损伤，如癌症通常表现为组织硬块，囊肿呈现为柔软的结 构，而类似肝硬化、纤维化肝之类的疾病也会使肝的弹性系数发生明显的变化。因此，开展 生物软组织弹性的测量和研究，有助于辅助疾病情况的准确诊断和确立针对性的治疗方案 W及对治疗方案效果的评估。
[0003] 尽管利用生物组织的弹性而发展形成的各种弹性成像技术，如磁共振弹性成像、 超声成像、声福射力冲击成像等，已成为临床诊断的重要手段，但是，由于弹性成像技术仅 仅是对生物组织弹性的定性研究，若能进一步定量生物组织的弹性，建立病变和正常组织 的弹性数据库，对于临床诊疗的有效性和准确性，将会是极大的增强。
[0004] 近年来，基于扫描探针显微技术发展起来的纳米压痕技术成功地实现了细胞和软 组织微区的等效杨氏模量检测，则更进一步证实了压痕法具有定量和操作简便的特点。但 生物组织细胞层次上的力学特性检测的目的通常用于病理的研究，无法为病变块体的治疗 提供依据。如屯、血管病的治疗，若能获取血管斑块力学特性，则对其治疗方案和手段的确立 具有重要意义。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型所要解决的技术问题是提供一种生物组织弹性测量仪，能够实现软组 织块体的弹性测量。
[0006] 为解决上述问题，本实用新型提出一种生物组织弹性测量仪，包括：
[0007] 试样置台，用于放置组织试样；
[000引压头，在驱动力的作用下触压所述组织试样，W在所述组织试样表面产生一定压 痕深度；
[0009]作用力加载部，提供所述压头触压动作的驱动力；
[0010]位移现慢装置，用于现慢所述压头的位移；W及
[0011] 工控机，用于控制所述作用力加载部提供驱动力及采集所述位移测量装置的位移 信号。
[0012] 根据本实用新型的一个实施例，所述作用力加载部包括:悬梁臂，其上固定连接所 述压头;及驱动装置，用于驱动所述悬梁臂向下运动W带动所述压头触压所述组织试样。
[0013] 根据本实用新型的一个实施例，所述悬梁臂为微力敏感器件。
[0014] 根据本实用新型的一个实施例，所述悬梁臂的弹性系数在10-3~102N/m之间。
[0015] 根据本实用新型的一个实施例，所述悬梁臂为Ξ角框型悬梁臂，所述驱动装置连 接所述Ξ角框型悬梁臂的底边，所述压头固定连接在所述Ξ角框型悬梁臂的中轴线上。
[0016] 根据本实用新型的一个实施例，所述压头固定连接在所述悬梁臂的端部。
[0017] 根据本实用新型的一个实施例，还包括Ξ维控制台，所述作用力加载部设置在所 述Ξ维控制台上且能够Ξ维移动，W调整所述压头和组织试样的相对位置。
[0018] 根据本实用新型的一个实施例，所述压头为球形压头。
[0019] 根据本实用新型的一个实施例，所述位移测量装置为激光位移传感器。
[0020] 根据本实用新型的一个实施例，所述激光位移传感器设置在所述压头上方，且激 光测试点对准所述压头处。
[0021] 采用上述技术方案后，本实用新型相比现有技术具有W下有益效果:通过作用力 加载部带动压头完成对组织试样的作用力加载和卸载，在组织试样上产生一定的压痕深 度，利用位移测量装置测量压头的位移，从而可获取压头在组织试样表面形成的压痕深度， 则根据压头作用力与压痕深度之间的力曲线和相应的理论模型，可W定量测定组织试样接 触区域的等效杨氏模量，能够实现软组织块体的弹性测量。
【附图说明】
[0022] 图1为本实用新型一实施例的生物组织弹性测量仪的立体结构示意图；
[0023] 图2为本实用新型一实施例的生物组织弹性测量仪的侧面结构示意图；
[0024] 图3为本实用新型一实施例的悬梁臂的结构示意图。
【具体实施方式】
[0025] 为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本 实用新型的【具体实施方式】做详细的说明。
[0026] 在下面的描述中阐述了很多具体细节W便于充分理解本实用新型。但是本实用新 型能够W很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可W在不违背本实用新 型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。
[0027] 参看图1和图2,本实施例的生物组织弹性测量仪，包括试样置台1、压头2、作用力 加载部、位移测量装置4和工控机5。可选的，在图1中，生物组织弹性测量仪还包括试验台7， 生物组织弹性测量仪的其余部件均放置或固定在试验台7上，包括试样置台1、压头2、作用 力加载部、位移测量装置4和工控机5等。
[0028] 试样置台1上用于放置组织试样，试样置台1例如可W是一块垫板。当然在具有试 验台7作为支撑结构的情况下，也可W将试验台7的相应部分代替试样置台1，用来放置组织 试样100,从而可W省略试样置台1。组织试样100为在压力作用下可W发生形变的生物软组 织块。
[0029] 压头2设置在组织试样100的上方，压头2在驱动力的作用下触压组织试样100,压 头2接触组织试样100并对组织试样100产生相应的作用力F，随着压头2下压组织试样100的 深度增加，会在组织试样表面产生一定压痕深度S。较佳的，压头2为球形压头，或者压头2接 触组织试样100的表面呈球形曲面。
[0030] 作用力加载部用来提供压头2触压动作的驱动力，压头2固定在作用力加载部的一 可向下运动的部位上，该部分向下运动带动压头2向下运动触压组织试样100表面。
[0031] 具体的，继续参看图1和图2,作用力加载部可w包括悬梁臂31和驱动装置32,驱动 装置32例如可W是伺服电机，在一个实施例中驱动装置32可W仅为一连接电机的驱动接 口。悬梁臂31上固定连接压头2,较佳的，压头2固定连接在悬梁臂31的远离驱动装置32的端 部（自由端），悬梁臂31相对该端部的部位连接驱动装置32的运动部位。驱动装置32驱动悬 梁臂31向下运动W带动压头2触压组织试样100。受到压头2的压迫，组织试样100表面会产 生一定的凹陷形变，借助于伺服电机的精确步数转动，可W有效地控制凹陷形变的程度。
[0032] 较佳的，悬梁臂31可W为微力敏感器件，既可W当作提供微小力的施力单元，又可 W作为微力传感器，进行高精度力值测量。
[0033] 悬梁臂31的弹性系数在10-3~102N/m之间可选，在压头2触压组织试样100的过程 中，悬梁臂31可W发生一定的弹性形变。一般作用力为10-5~10-2Ν，弹性系数在10- 3~102N/ m之间的悬臂梁31受到很小的力就能产生可检测到的位移，能够达到微力下的位移高分辨 率。
[0034] 参看图3,悬梁臂31优选为Ξ角框型悬梁臂，Ξ角框型悬梁臂的底边211上具有固 定部212,驱动装置32连接Ξ角框型悬梁臂的底边该固定部212,压头2固定连接在Ξ角框型 悬梁臂的中轴线上，若偏离可能导致Ξ角框型悬梁臂弯曲。
[0035] 位移测量装置4用于测量压头的位移。位移测量装置4例如可W为激光位移传感 器，为了精确获取压痕深度，选用高精度激光位移传感器，激光位移传感器设置在压头上 方，且激光测试点对准压头处。
[0036] 参看图2,当压头2与组织试样100表面接触并继续向组织试样100加载作用力即寸， 悬臂梁31发生弯曲，压头2上的激光测试点会偏离原来的位置，即压头2位置由Z0移动到Z1， 因此，可通过激光位移传感器测量压头位置的变化来获取压头在组织试样100表面产生的 压痕深度S。
[0037] 工控机5用于控制作用力加载部提供驱动力及采集位移测量装置4的位移信号。工 控机5中可W具有用来采集位移测量装置4的位移信号和悬梁臂31的力信号的信号采集卡 和用来控制驱动装置32驱动悬梁臂31运动的运动控制卡。工控机5接采集信号后，可W根据 压头半径R、作用力F、压痕深度δ与组织试样等效杨氏模量E*之间关系而确定等效杨氏模量 Ε*，在图1中，工控机5上还具有显示器，可W用来显示信号、处理的数据或处理的图形等。
[0038] 当选取合适的球型压头直径与组织试样100大小，可认为是球形压头2在轴向力作 用下与半无限试样界面相接触。假定刚性压头与试样接触时不产生形变，在微小压痕下，压 头半径R、作用力F、压痕深度δ与试样等效杨氏模量Ε*之间，存在如下式(1)的关系：
[0039] (1)
[0040] 根据式（1)的关系及压头半径、作用力、压痕深度运些已知量，可W确定组织试样 100的弹性模量。
[0041 ] 在一个实施例中，继续参看图1和图2，生物组织弹性测量仪还包括Ξ维控制台6， 作用力加载部设置在Ξ维控制台6上且能够Ξ维移动，W调整压头2和组织试样100的相对 位置。具体的，=维控制台6包括X轴滑台61，Υ轴滑台62和Ζ轴滑台63,作用力加载部设置在Ζ 轴滑台63上，可W相对试验台7表面Ξ维移动。在一个实施例中，位移测量装置4同样可W设 置在Z轴滑台63上，位移测量装置4可w和悬梁臂31-同固定在一支架上，设置在Z轴滑台63 上可上下移动。
[0042]本实用新型虽然W较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本 领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可W做出可能的变动和修改，因此 本实用新型的保护范围应当W本实用新型权利要求所界定的范围为准。
【主权项】
1. 一种生物组织弹性测量仪，其特征在于，包括： 试样置台，用于放置组织试样； 压头，在驱动力的作用下触压所述组织试样，以在所述组织试样表面产生一定压痕深 度； 作用力加载部，提供所述压头触压动作的驱动力； 位移测量装置，用于测量所述压头的位移；以及 工控机，用于控制所述作用力加载部提供驱动力及采集所述位移测量装置的位移信 号。2. 如权利要求1所述的生物组织弹性测量仪，其特征在于，所述作用力加载部包括:悬 梁臂，其上固定连接所述压头;及驱动装置，用于驱动所述悬梁臂向下运动以带动所述压头 触压所述组织试样。3. 如权利要求2所述的生物组织弹性测量仪，其特征在于，所述悬梁臂为微力敏感器 件。4. 如权利要求3所述的生物组织弹性测量仪，其特征在于，所述悬梁臂的弹性系数在10 一3~102N/m之间。5. 如权利要求2所述的生物组织弹性测量仪，其特征在于，所述悬梁臂为三角框型悬梁 臂，所述驱动装置连接所述三角框型悬梁臂的底边，所述压头固定连接在所述三角框型悬 梁臂的中轴线上。6. 如权利要求2所述的生物组织弹性测量仪，其特征在于，所述压头固定连接在所述悬 梁臂的端部。7. 如权利要求1所述的生物组织弹性测量仪，其特征在于，还包括三维控制台，所述作 用力加载部设置在所述三维控制台上且能够三维移动，以调整所述压头和组织试样的相对 位置。8. 如权利要求1所述的生物组织弹性测量仪，其特征在于，所述压头为球形压头。9. 如权利要求1所述的生物组织弹性测量仪，其特征在于，所述位移测量装置为激光位 移传感器。10. 如权利要求9所述的生物组织弹性测量仪，其特征在于，所述激光位移传感器设置 在所述压头上方，且激光测试点对准所述压头处。
【文档编号】G01N3/42GK205483873SQ201620071471
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月25日
【发明人】周红生, 许小芳, 刘逍逸, 杨红穗
【申请人】中国科学院声学研究所东海研究站