一种生物软组织力学性能测试装置的制作方法

本发明涉及一种力学性能测试装置，具体涉及一种生物软组织力学性能测试装置，属于医疗器械领域。

背景技术：

微创外科手术因可大大减小手术过程中所造成的损伤而受到广泛关注，近年来已取得了重要的发展。目前，已有很多外科手术过程采用微创手术治疗技术。然而微创外科手术过程需要进行一些复杂的操作来对组织进行解剖、切除和修复，包括利用微创手术方法进行诊断。这些都要求医生对工具与组织相互作用时组织的反应特性进行详细的了解。而工具与组织之间反馈信息的不足是微创手术发展的一个关键的制约因素。因此建立一个完整的生物软组织力学性能测试系统至关重要。

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。其中采用压痕检测设备是通过拉伸软组织而发生长度和张力的变化，该方法测量了表皮的位移和压痕的位移，而没有测量组织的厚度，同时也受到一些几何因素的影响，影响软组织力学特性的真实性。超声波检测利用超声波和压力六维传感器组成传感系统，测量生物软组织的压力和形变信息，通过软组织生物力学模型和所测信号，提取软组织的特性参数，该方法精度较高，但应用前景较为单一。近年来，研究人员对机器人辅助穿刺的研究比较广泛，中国专利CN102018575A的“机器人辅助柔性针穿刺软组织实时操控系统及方法”中提出了一种柔性针的控制方法及设备，视针穿刺过程为准静态过程，将任意针段视为悬臂梁，每个针段用向量描述并被视为一个悬臂梁；按照悬臂梁理论，计算其挠度和截面转角；采用迭代方法，实时计算出针体和针尖位置。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无法获得更多的模型。哈尔滨工业大学利用穿刺机器人对猪肝脏进行穿刺实验，通过对穿刺力的数据的提取，建立模型，获取软组织的力学特性参数，但其只有刺入过程，没有拨出组织的分析，设计的软件功能单一。鉴于上述两种方法测量的单一性以及无法获得临床手术过程中生物软组织在手术器械作用下的力学性能参数的缺点，提出了一种具有六自由度的生物软组织力学性能测试装置，能够测量在缝合、穿刺、提拉、按压、切割等多种手术操作下生物软组织的力学性能，为优化手术方案，改造手术器械，和改善手术模拟系统提供了理论依据。

技术实现要素：

本发明为解决现有生物软组织力学性能测试装置无法获得临床手术过程中生物软组织在手术器械下的力学性能参数的问题，进而提出一种生物软组织力学性能测试装置。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括机械臂、第一模组、第二模组、第三模组、第一导轨组件、第二导轨组件、箱体、大架、夹具和多个地脚螺钉，箱体由上盖、前板、后板、左侧板、右侧板和底板组成，左侧板竖直安装在底板上表面的左侧，右侧板竖直安装在底板上表面的右侧，左侧板、右侧板、底板组成底座组件，前板竖直安装在上盖下表面的前端，后板竖直安装在上盖下表面的后端，上盖、前板、后板组成上盖组件，所述上盖组件扣装在所述底座组件上组成箱体；大架由滑台、横梁、第一侧肋和第二侧肋组成，横梁和滑台由上至下并排平行设置，横梁的两端通过分别通过第一侧肋、第二侧肋与滑台的两端连接；滑台设置在上盖的下表面与底板的上表面之间，滑台通过平行设置的第一导轨组件、第二导轨组件、第一模组与底板的上表面连接，且第一导轨组件和第二导轨组件沿长度方向的中心线均与滑台沿宽度方向的中心线平行，第一模组安装在底板的上表面，且第一模组位于第一导轨组件与第二导轨组件之间，第二模组安装在横梁上，第三模组通过加强肋安装在第二模组上，机械臂安装在第三模组上，夹具安装在上盖上表面的孔板上，多个地脚螺钉均布设置在底板的下表面。

进一步的，机械臂包括第一连接板、第一旋转关节、第二旋转关节和第三旋转关节关节，第三旋转关节通过第一连接板安装在第三模组上，第二旋转关节与第三旋转关节相连，第一旋转关节与第二旋转关节相连；第一旋转关节包括第一步进电机、第一轴承端盖、第一角接触球轴承、第二角接触球轴承、第一轴承座、第一板、第二板、第三板、第一主轴六维传感器、传感器法兰、快换夹头和手术器械，第一步进电机通过第一板与第一主轴连接，六维传感器安装在第一主轴上，手术器械通过快换夹头和传感器法兰与六维传感器连接，第一轴承端盖、第一角接触球轴承、第二角接触球轴承、第一轴承座安装在第三板上，第一板、第三板安装在第二板的两侧；第二旋转关节与第一旋转关节安装方式相同；第三旋转关节包括第二步进电机、步进电机法兰、第二连接板、第二轴承座、第三角接触球轴承、第四角接触球轴承、第二轴承端盖和第二主轴，第二步进电机安装在步进电机法兰上，步进电机法兰安装在连接第二板上，第二连接板安装在第一连接板的下表面上，第二轴承座、第三角接触球轴承、第四角接触球轴承、第二轴承端盖安装在第二连接板上。

进一步的，第一模组、第二模组、第三模组结构相同，且第一模组、第二模组、第三模组均包括模组电机、模组保护盖、模组滑台、模组滑块、模组电机法兰、模组丝杠、联轴器、第一限位开关、原点开关和第二限位开关，模组滑块安装在模组丝杠上，模组滑台安装在模组滑块上，模组保护盖安装在模组上表面，模组电机通过模组电机法兰与模组丝杠连接。

进一步的，第一导轨组件和第二导轨组件结构相同，且第一导轨组件和第二导轨组件均包括导轨滑块和导轨，导轨滑块安装在导轨上，导轨滑块与滑台的下表面连接，导轨与底板上表面连接。

进一步的，夹具包括板、第一夹条和第二夹条，板的上表面均布设有多个螺纹孔，第一夹条和第二夹条通过螺栓与板上表面的螺纹孔连接。

进一步的，每个地脚螺钉包括螺钉、支撑脚垫和两个六角螺母，两个六角螺母套装在螺钉上，螺钉的下端设有支撑脚垫。

本发明的有益效果是：1.本装置在第一关节上安装六维力/力矩传感器，其中力最小能精确到1/512N，力矩能精确到1/20Nmm，能够精确的采集手术器械和软组织之间的力和力矩。

2.本装置的三个模组的定位重现行为±0.003mm，定位精度为0.02，行走平行度为0.01，这样都够减小实验中的误差，使得到的力模型更加精确。

3.本装置通过三个旋转关节，可以任意改变手术器械的姿态，能够实现五种手术操作—按压、提拉、穿刺、切割和缝合。

4.本装置操作简单，可以通过VC++编程，实现手术器械的特定运动。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是箱体的结构示意图，图3是大架的结构示意图，图4是机械臂的结构示意图，图5是机械臂的立体结构示意图，图6是模组的结构示意图，图7是导轨的结构示意图，图8是夹具的结构示意图，图9是地脚螺钉结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种生物软组织力学性能测试装置包括机械臂1、第一模组2、第二模组3、第三模组4、第一导轨组件5、第二导轨组件6、箱体7、大架8、夹具9和多个地脚螺钉10，箱体7由上盖7-1、前板7-2、后板7-3、左侧板7-4、右侧板7-5和底板7-6组成，左侧板7-4竖直安装在底板7-6上表面的左侧，右侧板7-5竖直安装在底板7-6上表面的右侧，左侧板7-4、右侧板7-5、底板7-6组成底座组件，前板7-2竖直安装在上盖7-1下表面的前端，后板7-3竖直安装在上盖7-1下表面的后端，上盖7-1、前板7-2、后板7-3组成上盖组件，所述上盖组件扣装在所述底座组件上组成箱体7；大架8由滑台8-1、横梁8-2、第一侧肋8-3和第二侧肋8-4组成，横梁8-2和滑台8-1由上至下并排平行设置，横梁8-2的两端通过分别通过第一侧肋8-3、第二侧肋8-4与滑台8-1的两端连接；滑台8-1设置在上盖7-1的下表面与底板7-6的上表面之间，滑台8-1通过平行设置的第一导轨组件5、第二导轨组件6、第一模组2与底板7-6的上表面连接，且第一导轨组件5和第二导轨组件6沿长度方向的中心线均与滑台8-1沿宽度方向的中心线平行，第一模组2安装在底板7-6的上表面，且第一模组2位于第一导轨组件5与第二导轨组件6之间，第二模组3安装在横梁8-2上，第三模组4通过加强肋11安装在第二模组3上，机械臂1安装在第三模组4上，夹具9安装在上盖7-1上表面的孔板上，多个地脚螺钉10均布设置在底板7-6的下表面。

具体实施方式二：结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式所述一种生物软组织力学性能测试装置的机械臂1包括第一连接板1-1、第一旋转关节1-2、第二旋转关节1-3和第三旋转关节关节1-4，第三旋转关节1-4通过第一连接板1-1安装在第三模组4上，第二旋转关节1-3与第三旋转关节1-4相连，第一旋转关节1-2与第二旋转关节1-3相连；第一旋转关节1-2包括第一步进电机1-21、第一轴承端盖1-22、第一角接触球轴承1-23、第二角接触球轴承1-24、第一轴承座1-25、第一板1-26、第二板1-27、第三板1-28、第一主轴1-29六维传感器1-210、传感器法兰1-211、快换夹头1-212和手术器械1-213，第一步进电机1-21通过第一板1-26与第一主轴1-29连接，六维传感器1-210安装在第一主轴1-29上，手术器械1-213通过快换夹头1-212和传感器法兰1-211与六维传感器1-210连接，第一轴承端盖1-22、第一角接触球轴承1-23、第二角接触球轴承1-24、第一轴承座1-25安装在第三板1-28上，第一板1-26、第三板1-28安装在第二板1-27的两侧；第二旋转关节1-3与第一旋转关节1-2安装方式相同；第三旋转关节1-4包括第二步进电机1-41、步进电机法兰1-42、第二连接板1-43、第二轴承座1-44、第三角接触球轴承1-45、第四角接触球轴承1-46、第二轴承端盖1-47和第二主轴1-48，第二步进电机1-41安装在步进电机法兰1-42上，步进电机法兰1-42安装在连接第二板1-43上，第二连接板1-43安装在第一连接板1-1的下表面上，第二轴承座1-44、第三角接触球轴承1-45、第四角接触球轴承1-46、第二轴承端盖1-47安装在第二连接板1-43上。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图6说明本实施方式，本实施方式所述一种生物软组织力学性能测试装置的第一模组2、第二模组3、第三模组4结构相同，且第一模组2、第二模组3、第三模组4均包括模组电机2-1、模组保护盖2-2、模组滑台2-3、模组滑块2-4、模组电机法兰2-5、模组丝杠2-6、联轴器2-7、第一限位开关2-8、原点开关2-9和第二限位开关2-10，模组滑块2-4安装在模组丝杠2-6上，模组滑台2-3安装在模组滑块2-4上，模组保护盖2-2安装在模组上表面，模组电机2-1通过模组电机法兰2-5与模组丝杠2-6连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图7说明本实施方式，本实施方式所述一种生物软组织力学性能测试装置的第一导轨组件5和第二导轨组件6结构相同，且第一导轨组件5和第二导轨组件6均包括导轨滑块5-1和导轨5-2，导轨滑块5-1安装在导轨5-2上，导轨滑块5-1与滑台8-1的下表面连接，导轨5-2与底板7-6上表面连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图8说明本实施方式，本实施方式所述一种生物软组织力学性能测试装置的夹具9包括板9-1、第一夹条9-2和第二夹条9-3，板9-1的上表面均布设有多个螺纹孔9-11，第一夹条9-2和第二夹条9-3通过螺栓与板9-1上表面的螺纹孔9-11连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图9说明本实施方式，本实施方式所述一种生物软组织力学性能测试装置的每个地脚螺钉10包括螺钉10-1、支撑脚垫10-3和两个六角螺母10-2，两个六角螺母10-2套装在螺钉10-1上，螺钉10-1的下端设有支撑脚垫10-3。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

工作原理

确定一种生物软组织后，在计算机控制界面输入相应的命令，测试装置通过六维传感器采集针头在进行提拉、按压、穿刺、切割、缝合等手术操作时所产生的力学参数以及相关的操作位移。并对力和位移进行拟合，根据拟合结果建立与拟合曲线相匹配的数学模型，以此数学模型为该脏器在相应操作下的力学模型。

缝合、穿刺、提拉、按压、切割等五种针头操作可以分为切入式操作与非切入式操作。切入式操作即缝合、穿刺、切割三种。非切入式运动即提拉与按压两种。该五种针头操作具体实施方式如下：

1、提拉操作或按压操作

该两种操作均为单一方向上运动。若使其在某方向上进行提拉运动或按压运动，则首先将被测生物软组织放置在夹具9上，并通过第一夹条9-1和第二夹条9-2固定。通过定位，确定初始操作点，通过第一步进电机、第二步进电机调整针头方向后，固定保持针头方向不变，通过三个模组电机，控制单一运动或通过几个电机的复合运动达到操作效果。

2、切割操作

该运动为切入式运动。首先将被测生物软组织放置在夹具9上，并通过第一夹条9-1和第二夹条9-2固定。通过定位，确定出初始操作点，通过第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机调节针头方向，使其与被切割表以一定角度相交，而后固定针头方向，通过三个模组电机中的一个电机，使得针头进行切割，在切割过程中，可以不断通过第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机调整针头方向，使得装置做多方向的连续切割。

3、穿刺操作

该操作为切入式操作。涉及到刺破前阶段和刺破后阶段。刺破前阶段，穿刺力一直增大，直到刺破该生物软组织。刺破后，有针头与组织之间的摩擦力等其他力。该操作较之非切入式操作的提拉运动与按压运动原理相似，但为之复杂。同样也可通过三个模组电机2-1形成复合运动使针头达到理想的连续操作效果。

4、缝合操作

该操作为切入式操作。涉及到使用相关辅助材料进行操作，如缝合线。同样也可通过三个模组电机形成复合运动使针头达到理想的连续操作效果。

数据采集

在针头进行操作时，六维传感器精准采集针头所受到力矩及力的全部信息与相关位移信息，并通过相关方式输送到计算机。

建立模型

将采集到的力学参数以及相关操作位等试验数据进行拟合，得到力-位移曲线。通过逼近建立与力-位移拟合曲线相匹配的数学模型。以此数学模型为该种脏器在相应操作下的力学模型。以供其他研究或手术使用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。