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        基于閉環(huán)反饋控制的小動物長骨軸向壓縮應力載荷加載系統(tǒng)的研制

        2020-01-19 01:14:12羅二平王佳晨劉曦雨顏澤棟
        醫(yī)療衛(wèi)生裝備 2020年1期
        關(guān)鍵詞:長骨閉環(huán)骨骼

        邵 希,羅二平,王佳晨,2,劉曦雨,顏澤棟,封 穎,蔡 婧,景 達*

        (1.空軍軍醫(yī)大學軍事生物醫(yī)學工程學系,西安 710032;2.解放軍總醫(yī)院醫(yī)學工程保障中心,北京100853;3.陜西中醫(yī)藥大學基礎醫(yī)學院,陜西咸陽 712046)

        0 引言

        骨骼是機體的應力承載系統(tǒng),其承受外源性應力刺激時,骨組織能夠改變自身結(jié)構(gòu)以適應應力的改變[1-2]。Frost[3]指出骨功能適應的控制過程是使應變和骨質(zhì)量之間達到平衡的生物學過程。適當?shù)膽Υ碳つ軌蚓S持骨骼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和骨骼功能的正常行使,缺乏應力刺激或應力刺激超出骨骼的承受范圍均會導致疾病的發(fā)生[4-5]。因此,研制可構(gòu)建動物骨骼應力載荷模型的實驗平臺對于研究機械載荷刺激與骨骼的關(guān)系至關(guān)重要。

        周期性軸向壓縮加載法是目前國際通用的骨骼載荷施加方法[6-7]。該方法具有無創(chuàng)、可只對動物一側(cè)骨骼施加載荷(以對側(cè)骨骼為參照)[8]從而減少實驗動物使用量等優(yōu)點,與跑臺訓練法、三點或四點彎曲法相比具有明顯優(yōu)勢。課題組前期根據(jù)周期性軸向壓縮加載法設計了一套小動物長骨應力加載裝置[9],該裝置通過一組與動物骨骼大小及形狀匹配的夾具在水平方向上固定動物的尺骨或脛骨,并利用電動機對動物長骨進行軸向壓縮加載。該裝置可施加頻率可控、強度精準的周期載荷,能精確、實時地檢測骨骼承受的應力和位移。但該裝置尚存在幾點不足:由于骨組織蠕變效應和固/液相比例變化,加載初期應力逐漸偏離預設值,需手動調(diào)整電動機位置;應變變化是研究骨骼疾?。ㄈ鐟π怨钦郏┑囊粋€重要指標,但缺少測量應變的模塊;加載頻率范圍較?。?~1.5 Hz),不能滿足某些實驗需求。

        針對以上問題,本研究基于LabVIEW設計的小動物長骨軸向壓縮應力載荷加載系統(tǒng)增加了閉環(huán)反饋和應變測量模塊,并將原裝置的步進電動機更換為伺服電動機。改進后系統(tǒng)能精確、實時地檢測骨骼承受的壓力及骨表面的應變,施加的載荷能模擬生理狀態(tài)下骨骼承受的應力刺激。閉環(huán)反饋模塊可自動調(diào)節(jié)峰值力的大小以保證骨骼承受應力的精確性和穩(wěn)定性。應變測量模塊能實時顯示應變大小,為判斷骨骼狀態(tài)提供了有力依據(jù)。伺服電動機有效提高了裝置的加載頻率范圍,為開展多參數(shù)實驗提供了平臺。改進后的小動物長骨軸向壓縮應力載荷加載系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性得到提高,為探索骨骼疾病(如骨質(zhì)疏松、應力性骨折等)的發(fā)病機理及預防治療措施提供了有力支撐。

        1 系統(tǒng)設計

        1.1 總體設計

        小動物長骨軸向壓縮應力載荷加載系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。其中硬件主體在課題組前期研制的小動物長骨應力加載裝置[9]的基礎上加以改進,由組織固定模塊、線性導軌、力學傳感器、調(diào)制解調(diào)器、電動機控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等部分組成,改進后的裝置如圖1所示。小動物長骨應力加載裝置通過線性導軌調(diào)節(jié)組織固定模塊的移動軸距,由力學傳感器連接組織固定模塊與伺服電動機。在數(shù)據(jù)采集模塊中,數(shù)據(jù)采集卡可分別采集力學傳感器測量的實驗動物長骨所承受的力學信號和應變片采集的骨骼應變信號,并將數(shù)據(jù)傳輸至控制程序進行濾波、放大等處理分析。電動機控制模塊由伺服電動機和電動機控制器構(gòu)成,電動機控制器可控制、驅(qū)動伺服電動機,通過LabVIEW控制程序設定伺服電動機運動的位移和速度。本系統(tǒng)采用周期循環(huán)加載方式,加載波形為斜坡加載,通過設定加載周期、峰值壓力、加載頻率等參數(shù)控制裝置對大鼠或小鼠的脛骨或尺骨進行循環(huán)加載。小動物長骨應力加載裝置測量實物圖如圖2所示,系統(tǒng)總體設計框圖如圖3所示。

        圖1 小動物長骨應力加載裝置實物圖

        圖2 小動物長骨應力加載裝置測量實物圖

        圖3 小動物長骨軸向壓縮應力載荷加載系統(tǒng)總體設計框圖

        1.2 控制程序界面設計

        2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

        2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

        為實時監(jiān)測應力變化情況,本研究基于DAQmx驅(qū)動軟件實時采集力學傳感器檢測的動物長骨承受的力學信號。系統(tǒng)采用美國NI公司USB-6008數(shù)據(jù)采集卡,可提供8個模擬輸入(AI)通道、2個模擬輸出(AO)通道、12個數(shù)字輸入/輸出(DIO)通道以及帶全速USB接口的32位計數(shù)器,可滿足力學信號的采集需求。

        本系統(tǒng)中上位機發(fā)送的電動機運行控制指令經(jīng)RS485串行通信接口發(fā)送至電動機控制器。RS485總線由2根差分信號線組成,驅(qū)動能力和抗干擾能力強,有利于走線和密封,能實現(xiàn)各模塊的互聯(lián)[10]。

        圖4 小動物長骨軸向壓縮應力載荷加載系統(tǒng)界面設計

        2.2 電動機驅(qū)動模塊

        小動物長骨軸向壓縮應力載荷加載系統(tǒng)前期采用的步進驅(qū)動電動機的有效加載頻率范圍僅為0~1.5 Hz,而某些動物骨骼加載模型所需頻率為2~4 Hz[10-11],故不能滿足構(gòu)建頻率較大的動物模型的實驗需求。

        本系統(tǒng)采用的伺服電動機最小行程分辨力為0.02 mm,有效加載頻率范圍為0~6 Hz,均滿足實驗需求。電動機控制器中的電動機驅(qū)動板以脈沖形式控制伺服電動機,伺服電動機每接收一個脈沖就會旋轉(zhuǎn)相應的角度以實現(xiàn)位移[12]。同時,伺服電動機每旋轉(zhuǎn)一次角度就會發(fā)出一個脈沖信號,程序控制系統(tǒng)通過比較接收的脈沖信號數(shù)與已發(fā)送的脈沖信號數(shù)形成閉環(huán),提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與動態(tài)性,能夠精確控制電動機的移動[11]。

        與步進電動機相比,伺服電動機具有精度高、共振抑制能力強、有一定過載能力、運行性能穩(wěn)定等一系列優(yōu)點[12],因此改進后的系統(tǒng)穩(wěn)定性和精確性得到提高,且有效加載頻率范圍明顯擴大。

        2.3 閉環(huán)反饋模塊

        動物骨組織具有蠕變效應,即在骨組織總應變不變的條件下,應力會隨時間逐漸降低。在加載初期,因骨骼蠕變效應,應力會略微下降而后穩(wěn)定。為解決此問題,設計了閉環(huán)反饋模塊。實驗過程中,上位機判斷力學傳感器采集的骨骼承受的實時應力與預設的加載壓力是否一致,若不一致則自動調(diào)節(jié)電動機移動位置以調(diào)節(jié)壓力的大小,從而保證壓力的穩(wěn)定與精準,其程序設計流程圖如圖5所示。閉環(huán)反饋模塊確保計算機能智能精準調(diào)節(jié)電動機位置并維持骨骼峰值壓力的穩(wěn)定,提升了控制系統(tǒng)的精確性和可靠性,為動物模型的成功建立提供了條件。

        圖5 閉環(huán)反饋模塊程序流程圖

        2.4 應變測量模塊

        應變是指外界作用力和非均勻溫度場等因素對物體造成的相對形變[13],基于應變效應可測量如力、位移等諸多參數(shù)。本研究采用電阻式應變片,當受到壓縮載荷時,骨骼受力產(chǎn)生形變,由金屬導體的壓電效應引起應變片內(nèi)金屬導體電阻值的變化。電阻式應變片的測量原理為

        比如,《意林》雜志刊登的一篇雜文說,諾貝爾獎為什么沒有數(shù)學獎?這問題,不止是我,相信不少人也都不甚了了。究竟什么原因呢?該文說,當年的諾貝爾,有個小他13歲的女友,他很愛她,她也愛他。但后來發(fā)現(xiàn),她和一位數(shù)學家有曖昧關(guān)系,并最終和那位數(shù)學家私奔。對此,諾貝爾一直耿耿于懷。正是這件事,讓諾貝爾在制定“諾貝爾基金會獎勵章程”時,把數(shù)學排除在外。很顯然,他在報復那位數(shù)學家的同時,無意中卻報復了整個數(shù)學界??磥?,有些名人,也有令人驚訝的毛病和缺點。幾十年來,我耳聞目睹不少事,也讀了不少書,但這件事,還是第一次聽說,開了眼界,長了見識。豈能不樂?

        其中,R是無應變時的電阻值;ΔR是產(chǎn)生應變時電阻的變化量;K為應變片金屬導體的靈敏系數(shù),表示金屬應變絲的電阻相對變化與它感受的應變之間的線性系數(shù);ε為應變。本系統(tǒng)采用的應變片的電阻值為120 Ω,靈敏系數(shù)為(2.08±1)%。

        動物骨骼承受壓縮載荷作用后,應變信號轉(zhuǎn)換為應變片的電阻變化并經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號[14],經(jīng)測量電路進行信號放大、低通濾波等處理后,由數(shù)據(jù)采集卡將信號傳輸至計算機進行處理和顯示。應變測量模塊的設計框圖如圖6所示。

        圖6 應變測量模塊設計框圖

        3 系統(tǒng)使用及功能

        小動物長骨軸向壓縮應力載荷加載系統(tǒng)的使用步驟如下:

        (1)按體質(zhì)量為大鼠/小鼠腹腔注射戊巴比妥鈉,使其麻醉。

        (2)連接伺服電動機、力學傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等硬件的電源。

        (3)打開程序控制軟件,點擊“運行”。

        (4)在軟件界面的手動控制模塊設置電動機位置,并點擊“go to”,固定小動物被加載側(cè)于兩夾頭中,并使骨骼承受應力達到預載壓力大小。

        (5)在手動控制模塊設置電動機達到預載壓力的位置、電動機達到峰值壓力的位置、加載頻率、加載周期等參數(shù)。設置完成后由手動控制模塊切換至自動加載模塊,從而實現(xiàn)對小動物長骨的自動加載。

        本系統(tǒng)能夠完成的功能如下:

        (1)可調(diào)節(jié)伺服電動機的移動位置、運行速度,從而控制施加于骨骼表面應力的幅值、頻率、加載次數(shù)。

        (2)基于閉環(huán)反饋的程序設計能保證系統(tǒng)施加于動物骨骼表面壓力峰值的穩(wěn)定性和精確性,無需手動調(diào)整。

        (3)采用的伺服電動機可施加0~358 N的載荷,頻率范圍為0~6 Hz,最小行程分辨力為0.02 mm。

        (4)可測量骨骼承受的應力及應變大小并實時顯示其變化情況。

        (5)可實現(xiàn)處理、分析、存儲及顯示數(shù)據(jù)的功能。

        4 實驗驗證

        4.1 應力載荷峰值穩(wěn)定性測試

        使用小動物長骨軸向壓縮應力載荷加載系統(tǒng)向SD大鼠尺骨施加應力進行應力載荷峰值穩(wěn)定性測試。改進前裝置缺少閉環(huán)反饋模塊,在加載峰值壓力達到預設壓力后,因骨骼蠕變效應影響,加載峰值壓力先呈下降趨勢而后趨于穩(wěn)定,如圖7(a)所示。系統(tǒng)改進后,載荷峰值壓力的幅值基本不變,系統(tǒng)穩(wěn)定性提高,能顯著改善蠕變效應對實驗的不利影響[如圖 7(b)所示]。

        圖7 應力載荷峰值穩(wěn)定性測試結(jié)果

        4.2 骨骼表面應變測量與分析

        本研究采用應變片測量壓縮載荷作用下小動物長骨表面張應變以研究骨骼表面應變與應力的關(guān)系。將應變片牢固地粘貼于動物長骨前內(nèi)側(cè)表面(如圖8所示),測量時保證骨骼的軸向方向、組織固定器的軸向方向與應變片的軸向方向均保持一致。采用應變片分別測量小鼠脛骨、大鼠尺骨、大鼠脛骨表面張應變的線性回歸結(jié)果,如圖9所示。結(jié)果顯示,小鼠脛骨、大鼠尺骨、大鼠脛骨表面的應變量均隨應力的增加而線性增加(R2>0.99),與前期研究所得趨勢一致[8,15],表明采用本系統(tǒng)測量骨骼表面應變切實可靠。

        圖8 骨骼表面應變測量應變片粘貼示意圖

        5 討論與結(jié)論

        骨細胞能夠適應特定的機械載荷環(huán)境,應力刺激能夠改變?nèi)梭w及動物模型骨量及骨骼結(jié)構(gòu)并與骨形成、骨吸收的過程密切相關(guān)。當機體缺少維持骨骼系統(tǒng)穩(wěn)定的應力時,骨吸收過程大于骨形成過程導致骨丟失增加,最終導致廢用性骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生;當應力刺激超出骨骼的承受范圍時,骨骼微裂紋產(chǎn)生并持續(xù)累積,最終導致應力性骨折的產(chǎn)生。適當?shù)膽Υ碳つ芫徑夤琴|(zhì)疏松、衰老等造成的骨丟失及骨質(zhì)下降。因此,深入研究應力對骨骼的生物學效應,探索應力與骨骼疾病之間的緊密聯(lián)系,對于研究疾病的發(fā)生規(guī)律及探索相應的防治措施至關(guān)重要。

        與跑臺訓練法、跳躍訓練法相比,本研究基于軸向壓縮載荷法設計的小動物長骨軸向壓縮應力載荷加載系統(tǒng)具有可施加頻率可控、強度精準、模式一致的壓縮載荷,避免動物出現(xiàn)耐受性,減少實驗動物的使用量等優(yōu)點。經(jīng)實驗驗證,本系統(tǒng)通過閉環(huán)反饋模塊提高了自身穩(wěn)定性,可有效消除偏差、自動調(diào)整峰值載荷,解決了因蠕變效應導致的加載初期應力下降的問題。增加應變測量模塊后系統(tǒng)能實時監(jiān)測應變變化情況,實時監(jiān)測骨骼表面應變及應力的變化關(guān)系,對于提高力學實驗的重復性具有重要意義。另外,系統(tǒng)的頻率范圍擴大為0~6 Hz,可滿足不同實驗的設計需求,可向動物長骨施加壓縮、拉伸、壓縮協(xié)同拉伸3種模式的周期性載荷,較好地模擬了生理狀態(tài)下骨骼承受外界應力刺激的情景。但是使用本系統(tǒng)構(gòu)建動物模型周期較長時(大于2周),大/小鼠加載側(cè)肘/踝關(guān)節(jié)會出現(xiàn)紅腫、受損等癥狀。因此,后期需改進裝置組織固定模塊的材料及形狀,以更好地契合小動物長骨的生理彎度。

        圖9 骨骼表面張應變測量結(jié)果

        綜上所述,本系統(tǒng)不僅為研究應力刺激與骨骼之間的緊密關(guān)系提供了條件,還為探索防治應力性骨折、骨質(zhì)疏松等骨骼疾病新方法提供了重要的動物模型構(gòu)建平臺,具有廣闊的應用前景。

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