【作 者】郭占社，宋珂，梁向黨，李博宇

1 北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京市，100191

2 北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)國家重點實驗室，北京市，100191

3 解放軍總醫(yī)院骨科，北京市，100853

血管力學(xué)特性測試裝置

【作 者】郭占社1,2，宋珂1,2，梁向黨3，李博宇1,2

1 北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京市，100191

2 北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)國家重點實驗室，北京市，100191

3 解放軍總醫(yī)院骨科，北京市，100853

血管力學(xué)特性參數(shù)是血管重要指標(biāo)之一，對臨床醫(yī)學(xué)研究等具有重要意義。該文研制了一套全新的血管力學(xué)特性測試系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了常規(guī)的一維拉伸斷裂實驗，而且能對血管進行疲勞往復(fù)拉伸測試。該測試系統(tǒng)包括測試機械平臺、基于FPGA的硬件測試電路及數(shù)據(jù)處理軟件等。機械平臺通過滾珠絲杠把電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，為血管拉伸提供軸向拉力。滾珠絲杠與力學(xué)傳感器相連接，用于實現(xiàn)對力學(xué)數(shù)據(jù)的讀取。拉力作用下血管位移數(shù)據(jù)的讀取通過光柵尺實現(xiàn)。對血管測試的結(jié)果表明誤差在0.292%，該系統(tǒng)完全可以實現(xiàn)對血管力學(xué)特性的測試。

血管力學(xué)特性測試系統(tǒng)；斷裂試驗；疲勞特性實驗；往復(fù)拉伸測試

0 引言

血管是血液循環(huán)的基礎(chǔ)，是人體循環(huán)系統(tǒng)的主要組成部分之一，對于人類健康具有非常重要的影響，血管特性的改變與很多人類疾病都有密切的關(guān)系，對血管特性的研究[1-4]已經(jīng)成為現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)的一項重大課題。但隨著血管生物力學(xué)的發(fā)展，對血管力學(xué)特性測試裝置的要求越來越高，目前國內(nèi)外學(xué)者主要從材料力學(xué)的角度出發(fā)，開發(fā)出了萬能強力儀[5-6]，但這種設(shè)備在血管力學(xué)特性測試中有著明顯的缺點，比如量程太大，完全超出血管最大測量范圍；萬能強力儀上的夾具并不能很好適應(yīng)人體血管這種脆弱和不規(guī)則的材料；并且這種儀器體積龐大價格昂貴。

本文著眼于人體血管的力學(xué)特性[7-9]測試，目的是研制微小力微小位移測試系統(tǒng)，專門用于人體血管生物力學(xué)測試等研究，通過實現(xiàn)一維拉伸測試以及往復(fù)疲勞測試等，進行人體血管的生物力學(xué)參數(shù)測試，為人體血管的研究提供實驗數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 測試系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)由三部分組成，包括測試機械平臺，基于FPGA的硬件測試電路及數(shù)據(jù)處理軟件。三部分相互配合，實現(xiàn)以下功能：為待測血管試樣提供軸向拉伸力；對待測血管拉力的實時檢測；對待測血管位移的實時檢測；對檢測數(shù)據(jù)的處理與顯示；實現(xiàn)往復(fù)疲勞測試實驗等。對應(yīng)的研究內(nèi)容為：機械測試平臺的設(shè)計與研發(fā)；微小力測試的研究；微小位移測試的研究；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究；電機控制的研究等。

本測試系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

機械平臺通過滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，為血管拉伸提供軸向拉力。滾珠絲杠與光柵尺和力學(xué)傳感器相連，用于實現(xiàn)力學(xué)信號的讀取，拉力作用下血管位移數(shù)據(jù)的讀取通過光柵尺實現(xiàn)。機械平臺并設(shè)計有特殊的卡具用于固定待測血管試樣。

硬件電路基于FPGA設(shè)計程序，并通過外圍電路實現(xiàn)電機驅(qū)動及運動方式控制；拉力及位置數(shù)據(jù)的檢測、采集和傳輸；通過串口RS232協(xié)議與上位機進行通信等功能。

上位機軟件通過MFC編制，實現(xiàn)了通過控制電機正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)對平臺運動方式的控制，另外具有數(shù)據(jù)采集及處理的功能。

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of testing system

2 機械平臺設(shè)計

本文以模塊化設(shè)計的思想設(shè)計了測試機械平臺，它主要包括三部分：拉力形成系統(tǒng)、三維工作平臺、血管固定夾具。

2.1 拉力形成系統(tǒng)

系統(tǒng)完成涉及到電機的選型，測試機械平臺的拉力形成系統(tǒng)包括驅(qū)動源與機械執(zhí)行機構(gòu)，在驅(qū)動源的選擇上，由于人體血管所能承受的極限拉力一般在30 N以下，所以選擇扭矩較小但是成本更低的步進電機就可以滿足系統(tǒng)對驅(qū)動源的要求。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 拉力形成系統(tǒng)方案Fig.2 Scheme of tension forming system

其中產(chǎn)生軸向拉力的機械執(zhí)行機構(gòu)，采用通過步進電機直接驅(qū)動絲杠，帶動滑臺運動。它具有傳動鏈短、剛度大、傳動精度高等特點，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床等領(lǐng)域。

絲杠選型 在絲杠選擇上，采用圖3的方式，直接將電機與絲杠相連的方式，這樣的機械結(jié)構(gòu)與輸出轉(zhuǎn)換關(guān)系相對比較簡單，易于制造，并且相對速度較快，對于測試系統(tǒng)提高疲勞往復(fù)拉伸實驗的頻率有重要作用。

圖3 絲杠滑臺機械組合結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Structure diagram of screw and slide platform

通過以上設(shè)計，制作了拉力形成系統(tǒng)。根據(jù)以上的分析與推導(dǎo)可以看出，本文所設(shè)計的測試機械平臺上的拉力形成系統(tǒng)是可靠的，其實物圖如圖4所示。

圖4 拉力形成系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)實物圖Fig.4 Picture of tension forming system

傳感器選型 拉力傳感器最終選用量程為50 N且易于安裝的S型壓力傳感器，該傳感器精度、靈敏度高，分辨率高，穩(wěn)定性好，由于這種傳感器采用差分輸出，可以有效降低共模干擾對結(jié)果的影響，有利于后續(xù)信號調(diào)理電路的處理和模數(shù)轉(zhuǎn)化；位移傳感器為高精度光柵尺位移傳感器，型號KA300傳感器行程120 mm，最高精度為5 μm。

2.2 三維工作平臺設(shè)計

在血管生物力學(xué)測試的實際實驗過程中，經(jīng)常需要根據(jù)待測血管試樣大小形狀的不同而調(diào)整血管固定夾具的位置。為使待測血管試樣保持水平，必須至少有一端為活動可調(diào)節(jié)，這樣才能提高一維軸向拉伸實驗的精度，為此設(shè)計了xyz三維方向可調(diào)節(jié)的工作平臺，其實物圖如圖5所示。

圖5 三維工作平臺實物圖Fig.5 Picture of 3D mechanical platform

為了固定待測血管試樣，本文在醫(yī)用血管夾的基礎(chǔ)上專門設(shè)計了應(yīng)用于血管生物力學(xué)測試的固定夾具。血管固定夾具有左右兩端，實物圖如圖6所示。

左端血管固定夾具可以360°旋轉(zhuǎn)，通過兩級旋鈕進行鎖定，可根據(jù)具體實驗情況的不同進行調(diào)節(jié)。通過機械固定結(jié)構(gòu)與滑臺相連，牽引待測血管試樣的左端進行一維拉伸運動；右端血管固定夾具通過螺絲螺母固定在S型拉壓力傳感器上，在實驗中負(fù)責(zé)固定待測血管試樣的右端。

圖6 血管固定夾具Fig.6 The fixture of vessel

2.3 機械平臺整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

綜上介紹了本文所設(shè)計的測試機械平臺的主要組成部分：拉力形成系統(tǒng)、三維工作平臺以及血管固定夾具。血管生物力學(xué)特性測試機械平臺的實物圖如圖7所示。

圖7 機械平臺實物圖Fig.7 Picture of the mechanical platform

通過后面設(shè)計的硬件電路與上位機軟件便可以控制該測試機械平臺，實現(xiàn)對待測血管試樣進行的一維拉伸實驗與往復(fù)疲勞實驗，將實驗數(shù)據(jù)進行處理以后得出血管生物力學(xué)特性參數(shù)，為人體血管的研究提供理論基礎(chǔ)和實驗數(shù)據(jù)。

3 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 電路功能介紹

本文所設(shè)計的測試系統(tǒng)硬件電路包括傳感器信號處理電路、AD數(shù)據(jù)采集模塊、位移檢測模塊、串口通訊模塊、電機控制模塊、FPGA及其相關(guān)配置模塊等。硬件電路配合上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、串口通訊、電機控制等功能。整體框圖如圖8所示。

圖8 基于FPGA的測試系統(tǒng)硬件設(shè)計框架圖Fig.8 SCH of hardware circuit based on FPGA

3.2 硬件電路實現(xiàn)

(1) 傳感器信號處理電路 包括拉力傳感器信號采集、放大及數(shù)模轉(zhuǎn)換，處理電路前端為儀表放大器AD620芯片對信號進行放大，后端采用運算放大器OPA2277，設(shè)計了KRC有源二階低通濾波器進行濾波，截止頻率f0為20 Hz，有效地去除了高頻干擾，特別是廣泛存在的50 Hz工頻干擾。原理圖如圖9所示。

圖9 傳感器調(diào)理電路原理圖Fig.9 SCH of sensor conditioning circuit

(2) AD數(shù)據(jù)采集模塊 是采用了4通道的，16位高精度的AD7655數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，將經(jīng)過信號調(diào)理電路處理以后的S型拉壓力傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號與處理器進行通信。

(3) 位移檢測模塊 位移檢測模塊的主要作用是為光柵尺位移傳感器供電并將其輸出的兩路脈沖信號直接輸入到FPGA中，通過脈沖計數(shù)解得光柵尺讀數(shù)頭的位移量。

(4) 串口通信模塊 實現(xiàn)硬件電路與上位機的通信，實現(xiàn)上位機對傳感器信號的采集及處理的功能，并實現(xiàn)上位機對FPGA的指令控制以完成對電機運動實現(xiàn)智能操作。通訊模塊采用了RS232傳輸協(xié)議，最大波特率為115 200。由于FPGA系統(tǒng)的高電平為3.3 V，采用了MAX3232芯片進行電平轉(zhuǎn)換。

(5) 電機控制模塊 電機控制模塊的主要作用是將上位機通過串口通訊發(fā)送到下位機的步進電機控制指令進行處理，實現(xiàn)對步進電機的驅(qū)動，來控制測試機械平臺動作。電機控制模塊的電路原理圖如圖10所示。

圖10 電機控制模塊原理圖Fig.10 SCH of motor control

(6) FPGA模塊 FPGA模塊的主要功能是實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換部分的邏輯控制、光柵尺數(shù)據(jù)的直接采集處理、電機控制、串口通訊等。功能實現(xiàn)需要經(jīng)過綜合、布局以后的Verilog程序燒寫到FPGA芯片。調(diào)試過程中采用J-Tag這種被動配置的方式，每次斷電程序自動擦除，方便程序調(diào)試；調(diào)試完成后需要通過AS配置這種主動配置的方式將程序保存在FPGA配置芯片EPCS4中，實現(xiàn)斷電保存。配置方式原理圖如圖11所示。

圖11 配置方式硬件電路原理圖Fig.11 SCH of different configuring process

(7) 將以上各個模塊的電路設(shè)計原理圖進行編譯、布局、布線以后得到了測試系統(tǒng)硬件電路圖。電路實物圖如圖12所示。

圖12 測試系統(tǒng)硬件電路圖Fig.12 PCB and picture of hardware circuit

通過硬件電路與上位機的配合，實現(xiàn)以下功能：實時接收拉力、位移實驗數(shù)據(jù)，進行波形顯示與數(shù)據(jù)存儲；對步進電機驅(qū)動器進行控制，實現(xiàn)速度、位移、往復(fù)次數(shù)可控的功能。

4 測試系統(tǒng)實驗研究

4.1 測試系統(tǒng)標(biāo)定試驗

為測試系統(tǒng)的重復(fù)性與遲滯性，采用垂直測量的方法，使用500 g標(biāo)準(zhǔn)砝碼對系統(tǒng)進行標(biāo)定試驗。表1中負(fù)載單位為牛頓(N)。標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試系統(tǒng)標(biāo)定實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data of system calibrating

由標(biāo)定實驗數(shù)據(jù)擬合出的測試系統(tǒng)拉力標(biāo)定擬合直線為：

測試系統(tǒng)拉力標(biāo)定擬合直線圖如圖13所示。

圖 13 測試系統(tǒng)拉力標(biāo)定擬合直線Fig 13 Fitting lines of tension calibrate

由圖13可以看出，本文所設(shè)計的測試系統(tǒng)的拉力擬合曲線線性度很好。然后計算系統(tǒng)的線性度誤差、遲滯誤差、重復(fù)性誤差，綜合以上誤差，完成系統(tǒng)的綜合誤差計算，計算公式為：

其中，εL為線性度誤差，εH為遲滯誤差，εR為重復(fù)性誤差，最后解得測試系統(tǒng)的綜合誤差為0.292%，達到了測試系統(tǒng)的設(shè)計要求，能滿足血管生物力學(xué)特性測試實驗的要求。

4.2 血管力學(xué)特性測試實驗

通過以上實驗驗證了設(shè)計系統(tǒng)滿足血管力學(xué)特性測試的要求，在實際血管力學(xué)特性測試實驗中，取新鮮的待測血管試樣進行一維拉伸斷裂實驗并實時記錄其拉力位移曲線等實驗數(shù)據(jù)，計算各項力學(xué)參數(shù)值。

本次實驗的待測血管試樣為SD大鼠的腹主動脈血管，在301解放軍總醫(yī)院實驗室內(nèi)完成了待測血管試樣的取材，如圖14所示。經(jīng)過測量，SD大鼠的腹主動脈血管的初始長度為4.3 cm。實驗環(huán)境為室溫22oC。

將大鼠血管通過平臺上的夾具固定，完成一維拉伸斷裂試驗，通過上位機軟件觀察血管力學(xué)曲線，記錄力學(xué)參數(shù)值。實驗圖如圖15所示。

圖 14 SD大鼠血管取樣Fig.14 Vessel sample of SD rats

圖15 一維拉伸斷裂實驗波形Fig.15 Waveform of 1D tension rupture

通過上位機的數(shù)據(jù)繪圖可以看出，在血管拉伸過程中，血管試樣的一維拉伸斷裂曲線并不是光滑的，而是呈波浪形地上升，并且出現(xiàn)了兩個波峰。

這是因為血管組織是分層的，血管組織的內(nèi)層結(jié)構(gòu)與外層結(jié)構(gòu)在軸向上的彈性并不相同，血管的內(nèi)外層結(jié)構(gòu)在一維軸向拉伸時并不會同時斷裂，第一個波峰對應(yīng)血管外層結(jié)構(gòu)的斷裂，第二個波峰對應(yīng)血管內(nèi)層組織的斷裂。

4.3 實驗總結(jié)

本文首先從血管的生物力學(xué)特性分析入手，根據(jù)血管生物力學(xué)測量的實驗需求，給出了測試系統(tǒng)的設(shè)計要求，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計出了包括測試系統(tǒng)機械平臺設(shè)計、測試系統(tǒng)硬件設(shè)計、測試系統(tǒng)軟件設(shè)計三個方面的血管生物力學(xué)特性測試系統(tǒng)，并針對血管生物力學(xué)特性測試對系統(tǒng)進行了一系列優(yōu)化設(shè)計，能進行血管試樣一維拉伸斷裂實驗以及疲勞往復(fù)拉伸實驗等，并將實時采集的拉力位移數(shù)據(jù)顯示并存儲，為血管生物力學(xué)方向的研究提供了實驗支持和理論基礎(chǔ)。本測試系統(tǒng)精度較高，達到了0.292%的誤差精度，成本較低，由于采用了模塊化設(shè)計的思想，可擴展性較強，可以用于其他微小力與微小位移檢測的實驗場合。

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Testing Equipment on Vascular Mechanical Properties

【W(wǎng)riters】GUO Zhanshe1,2, SONG Ke1,2, LIANG Xiangdang3, LI Boyu1,2
1 School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering, Beihang University, Beijing, 100191
2 State Key Laboratory of Virtual Reality Technology and Systems, Beihang University, Beijing, 100191
3 Department of Osteology, General Hospital of PLA, Beijing, 100853

The vascular mechanical parameters are important indicators for human vascular and they play important roles in clinical research. This paper developed a new vascular mechanical properties testing system. This system not only realizes the tensile rupture test in one dimensional, but also the reciprocating tensile test for vascular, which provides more comprehensive experimental data and theoretical basis for the study of human vascular. The system consists of three parts: the mechanical platform, hardware circuit and upper computer system. The mechanical platform transforms the rotation movement of motor into linear movement via the structure of ball screw. And the ball screw and tension sensor are connected, which is used for mechanical data reading. The displacement data is collected by displacement sensor. Experiments show that the accuracy is better than 0.292%, and could meet the demand of the testing of vascular biomechanical characteristics.

vascular biomechanics characteristics testing system, tensile breaking test, fatigue properties, reciprocating tensile test

R318.0

A

1671-7104(2017)01-0051-05

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.01.014

2016-05-25

國際合作項目資助（2014DFA31230）

宋珂，E-mail: sk_1417@163.com