Испытательный стенд для изучения вязкопластических свойств биологических тканей

 

Испытательный стенд относится к экспериментальной биологии и обеспечивает получение информации о вязко-пластических свойствах биологической ткани. Стенд представляет собой станину, испытательный инструмент, обеспечивающий разрушающее воздействие на образец биологической ткани, модуль ручной подачи испытательного инструмента. Дополнительно содержит модуль оптического контроля позиционирования пробы, гидравлический привод подачи испытательного инструмента, модуль управления гидравлической подачи испытательного инструмента с постоянной скоростью, сенсор передаваемого на образец усилия, и, сопряженного с ним, персонального компьютера для обработки получаемой информации об изменении вязко-пластических свойств испытуемого образца. Полезная модель обеспечивает получение профиля динамического коэффициента вязкости испытуемого образца по мере прохождения через него разрушающего инструмента с корректной оценкой вязких свойств биологических объектов.

Устройство относится к экспериментальной биологии и обеспечивает получение информации о вязко-пластических свойствах биологической ткани. Изучение этих свойств актуально для построения экспериментальных моделей физических методов разрушения ткани, применяемых в медицине (например, факоэмульсификация вещества хрусталика).

В мире существует несколько серийно-выпускаемых приборов для изучения в эксперименте биомеханических свойств биологических тканей. Известно устройство для изучения вязко-пластических свойств биологических тканей, содержащее станину, испытательный инструмент, обеспечивающий механическое воздействие на образец биологической ткани, модуль ручной подачи испытательного инструмента (www.Malvern.com) Большинство таких установок позволяют оценивать средние вязкие свойства образца и не дают возможности оценивать свойства образца ткани в различных участках, что бывает необходимо.

Задачей предлагаемой полезной модели является усовершенствование устройства для изучения биомеханических свойств. Техническим результатом предлагаемой полезной модели является получение профиля динамического коэффициента вязкости испытуемого образца, по мере прохождения через него разрушающего инструмента с корректной оценкой вязких свойств биологических объектов.

Технический результат достигается за счет дополнительного наличия в стенде гидравлического привода подачи испытательного инструмента с его модулем управления и сенсором передаваемого на образец усилия, сопряженного с персональным компьютером для обработки получаемой информации и модуля оптического контроля позиционирования пробы,.

В предлагаемой конструкции имеется принципиальное разделение на два блока: 1. Гидравлическая система подачи испытательного инструмента (с программируемой постоянной скоростью подачи).2. Система оценки усилия передаваемого на испытуемый образец.

Гидравлическая система подачи испытательного инструмента позволяет осуществлять равномерное поступательное движение инструмента со скоростями от 0,06 мм/мин до 30 мм/мин. Система оценки усилия передаваемого на образец позволяет 5 раз в секунду получать данные с разрешением 0,02 гс. Предельное оцениваемое усилие 300 гс.

Реализованный на этом принципе испытательный стенд для изучения вязко-пластических свойств биологических тканей имеет следующую модульную архитектуру и схематически представлен на фиг.1, где 1 - модуль управления гидравлической подачей испытательного инструмента, 2 - модуль оптического контроля позиционирования пробы, 3 - модуль ручной подачи испытательного инструмента, 4 - гидравлический привод подачи испытательного инструмента, 5 - сенсор нагрузки, 6 - испытательный инструмент, 7 - образец биологической ткани, 8 - персональный компьютер, 9 - станина.

Для грубого позиционирования образца биологической ткани (7), стенд снабжен модулем ручной подачи испытательного инструмента (3) и модулем оптического контроля позиционирования пробы (2). Для оценки вязко-пластических свойств образца биологической ткани, испытательный стенд имеет гидравлический привод (4) подачи испытательного инструмента (6). Постоянную, не зависящей от нагрузки, скорость подачи испытательного инструмента обеспечивает модуль управления (1) гидравлической подачей испытательного инструмента. Анализ передаваемого на образец усилия осуществляется сенсором нагрузки (5), сопряженным с персональным компьютером (8).

Стенд используется следующим образом. Изучаемый объект размещают в оправке под испытательным инструментом поверх сенсора нагрузки. Под визуальным контролем, используя модуль грубого ручного позиционирования испытательного инструмента, добиваются минимального зазора между плунжером и изучаемым объектом. На модуле управления гидравлической подачей испытательного инструмента, выбирают скорость подачи. По мере подачи испытательного инструмента, передаваемое на образец усилие фиксируют в виде графика на персональном компьютере. Мгновенное значение динамического коэффициента вязкости в каждой точке профиля вычисляется по формуле:

µ=F/(v*S), где

µ - динамический коэффициент вязкости испытуемого образца;

F - усилие передаваемое на образец, в результате разрушения его испытательным инструментом;

v - скорость движения испытательного инструмента;

S - площадь испытательного инструмента.

Пример 1.

Изолированный человеческий хрусталик, не измененный патологическими процессами, размещают в оправке под испытательным инструментом, поверх сенсора нагрузки. В качестве испытательного инструмента выбирают твердосплавный плунжер со сферическим наконечником. Площадь сферического наконечника в проекции движения составляет 0,25 мм2. Под визуальным контролем, используя модуль грубого ручного позиционирования испытательного инструмента, добиваются минимального зазора между плунжером и хрусталиком. На модуле управления гидравлической подачей испытательного инструмента, выбирают скорость подачи 50 мм/ч. По мере подачи испытательного инструмента, передаваемое на образец усилие фиксируют в виде графика на персональном компьютере. Максимальное усилие отмечается в районе первой трети хрусталика и равняется 5,84 гс. Что в пересчете на площадь плунжера равняется динамическому коэффициенту вязкости µ=1,298 мн·с/м 2 (для сравнения, динамический коэффициент вязкости воды µ=1,005 мн·с/2м).

Пример 2.

Изолированное ядро человеческого хрусталика, удаленного по поводу экстракции катаракты (бурая катаракта), размещают в оправке под испытательным инструментом, поверх сенсора нагрузки. В качестве испытательного инструмента выбирают твердосплавный плунжер со сферическим наконечником. Площадь сферического наконечника в проекции движения составляет 0,25 мм2. Под визуальным контролем, используя модуль грубого ручного позиционирования испытательного инструмента, добиваются минимального зазора между плунжером и хрусталиком. На модуле управления гидравлической подачей испытательного инструмента, выбирают скорость подачи 50 мм/ч. По мере подачи испытательного инструмента, передаваемое на образец усилие фиксируют в виде графика на персональном компьютере. Максимальное усилие отмечается в районе центра ядра хрусталика и равняется 210,66 гс. Что в пересчете на площадь плунжера равняется динамическому коэффициенту вязкости µ=46,82 мн·с/м 2, что приблизительно в 36 раз больше, чем у нормального хрусталика.

Таким образом, стенд позволяет строить непрерывный профиль разрушающего усилия в материале по мере подачи инструмента.

Разделение системы на два принципиальных блока позволило применять различные типы испытательного инструмента: от плунжера до оснастки для исследований тканей на растяжение. По сравнению с прямой механической подачей, применение гидравлики в системе делает ее более демпфированной и почти исключает избыточное инерционное воздействие инструмента в момент разгрузки напряжения при локальном разрушении ткани, что позволяет корректно оценить вязкие свойства биологических объектов.

Испытательный стенд для изучения вязкопластических свойств биологических тканей, представляющий собой станину, испытательный инструмент, обеспечивающий механическое воздействие на образец биологической ткани, модуль ручной подачи испытательного инструмента, отличающийся тем, что дополнительно содержит модуль оптического контроля позиционирования пробы, гидравлический привод подачи испытательного инструмента, модуль управления гидравлической подачи испытательного инструмента с постоянной скоростью, сенсор передаваемого на образец усилия и сопряженного с ним персонального компьютера для обработки получаемой информации об изменении вязкопластических свойств испытуемого образца.



 

Наверх