胡 偉，汪道輝，陳 科，林江莉

(四川大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065)

軟組織壓彈性模量力學(xué)測量裝置的設(shè)計

胡 偉，汪道輝，陳 科，林江莉

(四川大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065)

軟組織彈性模量測量難度主要體現(xiàn)在其位移無法精確獲取，夾具是一個難題(對于拉應(yīng)力而言)，以及軟組織的尺寸切割不精確。文中通過多種模具切割軟組織，利用步進電機驅(qū)動偏心輪旋轉(zhuǎn)，壓迫組織產(chǎn)生形變，通過距離傳感器記錄組織產(chǎn)生的形變，再用壓力傳感器記錄組織的受力情況，計算機采集并存儲相應(yīng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過模擬計算出組織的彈性參數(shù)。本文設(shè)計著重于組織的形變量的精確獲取以及應(yīng)力的精確獲取。

軟組織；壓彈性模量；力學(xué)測量；壓頭尺寸；步進電機

生物軟組織的彈性是辨識組織病變的重要依據(jù)[1]。人體不同部位的軟組織生物力學(xué)特性是不同的，且隨著年齡和病理條件而變化。生物力學(xué)特性有的與時間相關(guān)，例如粘彈性，有的與方向相關(guān)，比如各向異性。有關(guān)研究表明，大多數(shù)疾病都能引起組織硬度發(fā)生不同程度的變化。例如，癌癥表現(xiàn)為組織變硬；脂肪過多會使組織彈性系數(shù)增大，囊腫呈現(xiàn)出十分柔軟的結(jié)構(gòu)[2]。

用于生物組織力學(xué)測量的間接測量有光聲技術(shù)測量、超聲波傳播速度測量等方法[3]。光聲技術(shù)測量法即為用脈沖激光在生物組織中激發(fā)光聲信號，也即產(chǎn)生應(yīng)力波，獲取組織的光聲信號，從光聲信號的弛豫特性曲線中測量出應(yīng)力波的弛豫時間，根據(jù)粘彈性理論，該弛豫時間就等于組織的粘彈比。超聲波傳播法是利用超聲發(fā)射探頭向組織發(fā)射超聲束，超聲在組織內(nèi)部反射回波，再通過接收探頭接收反射回波，利用粘彈性與波速的關(guān)系進行反演推算出組織的粘彈性參數(shù)。

無論是光聲技術(shù)測量法還是超聲波傳播速度法都是在體測量，而不同的測量方法會有不同的測試結(jié)果，對于不同的組織進行測量其結(jié)果也會不同，而臨床上沒有一種用于此類檢測結(jié)果的參考標(biāo)準(zhǔn)。然而，力學(xué)測量結(jié)果可以為間接測量結(jié)果提供一種參考驗證。本設(shè)計的目的就是設(shè)計一種軟組織力學(xué)測量儀器為載體測量方法提供驗證。

臨床上有一些測量軟組織的儀器。郝冬梅、劉志誠等(2001)研究了一個測量軟組織力學(xué)參數(shù)的二維動態(tài)測試系統(tǒng)[4]。本系統(tǒng)通過測量作用在軟組織上的外力及軟組織的形變進而反映軟組織的力學(xué)特性。該系統(tǒng)的最大特點是能夠?qū)π颖具M行生物力學(xué)特性測試，并可選擇進行一維和二維的動態(tài)測試。測試的條件也具有一定的特點：利用攝像頭抓拍獲取試樣的形變數(shù)據(jù)。曾凡龍、李文春等(2003)研究和設(shè)計了STBM-2型軟組織生物力學(xué)分析儀[5]。該儀器適用于軟組織生物力學(xué)研究的多種實驗，實驗中充分考慮了實驗材料的狀態(tài)和實驗環(huán)境，實驗采集自動化并能獲取較高精度。王晴(2009)設(shè)計了一種利用液體加載的皮膚軟組織生物力學(xué)測試儀。該系統(tǒng)使用液體加載的方法，從力學(xué)的角度，利用液體的不可壓縮性，精確計算粘彈性皮膚式樣變形量和液體加載量之間的對應(yīng)關(guān)系，從三維角度描述皮膚軟組織的形變過程。

對于生物軟組織的測量，拉伸測試對夾具的要求很高，一般很難滿足其要求，壓縮測試既能很好地固定組織又不至于對組織造成破壞。在國內(nèi)，目前的技術(shù)很難達到，技術(shù)還不成熟，價格昂貴。本設(shè)計采用壓的方法對組織進行直接測量，設(shè)計中考慮了組織形變和所受壓力地精確獲取，以及組織尺寸的精確切割的問題。設(shè)計利用步進電機驅(qū)動偏心輪旋轉(zhuǎn)，采用距離傳感器精確獲取組織的形變信息，利用壓力傳感器精確獲取組織受力情況。通過單片機將采集的數(shù)據(jù)傳送到計算機，進行進一步處理以提取組織的力學(xué)參數(shù)。本文對步進電機驅(qū)動進行了設(shè)計和模數(shù)轉(zhuǎn)換的驗證，驗證了其可行性。

1 系統(tǒng)測量原理

在綜合大量軟組織力學(xué)特性實驗的情況下，馮元楨院士針對軟組織力學(xué)性質(zhì)提出了關(guān)于軟組織應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的準(zhǔn)線性粘彈性理論[6]。

對于印壓測試，對測試樣本要求較小，假設(shè)組織是半無限大的各向同性且均勻的，組織初始厚度為h，把組織固定在比組織更大的一個堅硬的平面上，那么組織的楊氏模量可以用下式求出[7]：

式中：P為印壓力；w為印壓形變；v是泊松比；a是圓柱形壓頭的半徑；k是一個與泊松比v、壓頭半徑/組織初始厚度a/h有關(guān)的修正因子，可以通過查表獲得[5]。

a/h越大，則k越大，a/h趨近于0時，則k趨近于下限1，此時式(1)可以化簡為式(2)。

通過獲取組織的應(yīng)力P、形變w以及軟組織的初始厚度h，壓頭半徑a，求出軟組織的彈性參數(shù)。

2 部件設(shè)計

2.1 壓頭半徑的設(shè)計

壓頭半徑一般有寬窄兩種設(shè)計，美國BOSE公司的5X00系列粘彈性測量儀選擇的是寬壓頭設(shè)計，接觸面積都和組織上表面積相當(dāng)；TE公司的彈性測量儀TissueElastometer則選擇的是窄面積壓頭，壓頭半徑僅1.5mm左右?？紤]整體下壓會造成組織嚴(yán)重的泊松現(xiàn)象(即組織的四周往外凸)，所以壓頭的設(shè)計很關(guān)鍵，既不能太大，也不能太小，過于小容易造成組織的塑形形變，不能完成測量。由于把生物組織假設(shè)成半無限大的材料，基于前面所述的系統(tǒng)測試?yán)碚摚瑝侯^設(shè)計成圓盤柱狀形。為了使k值趨近于1，a/h應(yīng)盡可能趨近于0，組織厚度一般在5cm，直徑可設(shè)計為φ=1.5mm。

2.2 壓應(yīng)力P的獲取

應(yīng)力P的獲取分為兩個步驟：第一是力的產(chǎn)生及施加；第二是傳感器對力的反饋。

本設(shè)計的施力裝置是步進電機。中央控制器輸出脈沖驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)，通過步進電機的轉(zhuǎn)動帶動偏心輪的轉(zhuǎn)動，進而帶動連桿的移動，以達到壓迫組織造成形變的目的，選擇步進電機的優(yōu)勢在于可以通過程序?qū)M織的壓迫程度進行控制，下壓的程度可以選擇淺中深三個程度。在進行實驗前需要對偏心輪進行調(diào)整，以保證偏心輪處于最高點(偏心從最高點向下移動然后往復(fù))。基于組織的軟硬度考慮，選擇的步進電機為兩相直線電機，扭矩為2 N·m，步矩角為1.8°，如圖1所示。

圖1 步進電機接線示意圖

本設(shè)計中的壓力傳感器的作用是獲取組織的受力情況。步進電機接受來自單片機的驅(qū)動電平信號同時旋轉(zhuǎn)，壓迫組織產(chǎn)生形變，通過步進電機的下壓組織同時受到來自印壓頭的力。根據(jù)力的傳遞性，傳感器感知生物組織的受力情況，在經(jīng)MAX197模數(shù)轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)傳送至單片機。由于組織的形變較微小，處于毫米級別 ，這對于傳感器的要求就較高，本設(shè)計選擇的傳感器是壓阻式壓力傳感器，其原理是將應(yīng)變片黏貼到受力的力敏型彈性元件上，當(dāng)彈性元器件受力產(chǎn)生變形時，應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的變化，進而使電阻阻值發(fā)生變化，有力引起的阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，通過測量輸出電壓的數(shù)值再通過相應(yīng)的計算即可算出組織所受的壓力。本實驗中對壓力載荷的精確度要求較高，因此本設(shè)計使用四臂全橋補償式箔應(yīng)變片結(jié)構(gòu)，每一個臂上都安裝有一個應(yīng)變片。

四個應(yīng)變片分布在四個橋臂上，應(yīng)變片與臂梁較好的粘在一起，具有較強的穩(wěn)定性。靈敏度是1 mV，量程為5 mV。壓力傳感器的連接方式如圖2所示，以此保證傳感器的精度。電橋輸出信號經(jīng)過放大器放大后，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后在中央處理器的控制下保存到外部存儲器里。

圖2 壓阻式壓力傳感器

2.3 組織形變的獲取

由于受到來自壓頭的壓迫，組織會產(chǎn)生一定的凹陷形變，借助于步進電機的精確步數(shù)轉(zhuǎn)動，可以有效地控制下壓的程度。本設(shè)計是通過高精度的位移傳感器來獲取組織的形變量。傳統(tǒng)的測量都是通過直接測量的方式進行的，由于在壓迫組織的時候，組織的形變主要集中于一處，其狀態(tài)是中間凹陷四周高于中間，這給測量帶來了不便，所以本設(shè)計考慮在連接桿處通過支架連接一位移傳感器，通過測量連桿下移的距離從而來獲取組織的型變量，連接形式如圖3所示。

圖3 位移傳感器示意圖

2.4 軟組織的切割

由于本儀器設(shè)計的是對離體組織進行測試，鑒于托盤的尺寸，因此對組織的尺寸有一定的要求，組織的整體形狀根據(jù)模具類型切成長方體或者圓柱體，組織的厚度可以根據(jù)模具的不同高度來進行精確切割，范圍在3～6 cm之間選擇。

本儀器設(shè)計主要包括單片機處理模塊、壓力傳感器模塊、距離傳感器和計算機幾個主要模塊。系統(tǒng)總框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)以中央處理器為中心單元，外接位移傳感器和壓力傳感器以及步進電機，并將測試過程中采集的形變數(shù)據(jù)和應(yīng)力數(shù)據(jù)傳到上位機以進行進一步處理。中央處理器選擇的是89C52型單片機，具有32個雙向I/O口和3個16位可編程計數(shù)器，可以滿足系統(tǒng)的需要。P0口接MAX197，用于采集壓力傳感器獲取的組織受力情況；P2口連接步進電機驅(qū)動，輸出電平，控制步進電機的轉(zhuǎn)動，同時部分接口用于獲取位移傳感器數(shù)據(jù)。P3口與計算機相連，將采集到的形變數(shù)據(jù)與壓力數(shù)據(jù)傳送至計算機等待進一步處理。

在每一次測試前都需要對偏心輪位置進行校正，保證偏心輪從最高點開始往下壓。在測試時，重復(fù)加壓—保持—回復(fù)過程，使軟組織達到穩(wěn)態(tài)。

3 結(jié)束語

本文討論了對軟組織力學(xué)測量儀器的設(shè)計，該測量儀器的核心是通過步進電機對組織施力造成形變，采用高敏壓力傳感器精確獲取組織的受力情況，同時位移傳感器獲取組織的形變量，通過模具對組織的外形進行切割。步進電機通過程序控制，可以有效控制壓頭下壓的程度。本設(shè)計也存在一些不足的地方，只考慮了測量組織的彈性模量，后續(xù)可以通過編寫程序控制步進電機產(chǎn)生不同頻率的正弦信號，以獲得軟組織的粘性模量。

[1]Miettinen，MarkkuM.Diagnosticsofttissuepathology[M].NewYork，ChurchillLivingstone，2003.

[2]ArielIM，ClearyJB.Breastcancerdiagnosisandtreatment[M].NewYork，McGraw-Hill，1987.

[3]郝冬梅，劉志誠，李海云，等.生物軟組織力學(xué)特性

二維動態(tài)測試系統(tǒng)的研究[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程，2001(6)：75.

[4]曾凡龍，李文春，黃鐵柱.STB-2型軟組織生物力學(xué)分析儀的研制[J].鄖陽醫(yī)學(xué)院報，2003(2)：10.

[5]王晴.液體加載式皮膚軟組織生物力學(xué)測試儀的研制與應(yīng)用[D].重慶：第三軍醫(yī)大學(xué)，2009.

[6]zhangM，ZhengYP，MakAFT.EstimatingtheeffectiveYoung’smodulusofsofttissuesfromindentationtests-nonlinearfiniteelementanalysisofeffectsoffrictionandlargedeformation[J]MedEngPhys，1997，19(6):512-517.

[7]HayesWC，HermannG，MockrosLF，eta1.Amathematicalanalysisforindentationtestsofarticularcartilage[J].Biomech，1972，5(5)：541-551.

Scheme for Mechanical Measuring Device Used to the Compression Elasticity of Soft Tissue

HU Wei, WANGg Daohui, CHEN Ke, LIN Jiangli

(Department of Materials Science and Engineer, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

It’s hard to measure the elastic modulus of the soft tissue accurately. Because the stretched length of the soft tissue is difficult to obtain. For tensile stress, the fixture of soft tissue is a problem, and cutting size of soft tissue is inexact. In the paper, the soft tissue is cut by the various molds. The stepper motor is used to drive the eccentric wheel, which compress the tissue. Using the distance sensor records the compressed size and using pressure sensor records the forces. Then the computer collects and stores the data and then calculates the elasticity parameter of the tissue. This paper focuses on the accurate obtaining deformation as well as stress.

soft tissue; compression elasticity; mechanical measurement; indenter size; stepper motor

2015-02-04；修改日期: 2015-03-18

國家自然科學(xué)基金資助項目(30970781；8130 1286)；四川省科技支撐項目(2014GZ0005)。

胡 偉(1988-)，男，碩士，研究方向：醫(yī)學(xué)圖像處理.

林江莉(1971-)，女，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：圖像處理及醫(yī)學(xué)成像。

TP

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.007