基于虛擬儀器的瓣膜組織平面力學(xué)實驗裝置的設(shè)計

青島市中醫(yī)醫(yī)院醫(yī)學(xué)裝備科，山東青島266000

引言

生物瓣膜組織的主要成分是膠原纖維、彈性纖維和蛋白多糖基質(zhì)，它們的分布和排列決定了其力學(xué)性能。例如人類的心臟瓣膜每時每刻都在靠自己形變重復(fù)的啟閉保證血液的單向流動[1]，這樣的生物組織的力學(xué)特性值得我們?nèi)ド钊胙芯?，并且科學(xué)家建立瓣膜組織的數(shù)學(xué)模型、尋找人工瓣膜材料時也需要更加準確方便的實驗裝備來提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以往對瓣膜組織研究其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，主要通過簡單的單向拉伸實驗，但是研究表明一維拉伸實驗具有較大的局限和不足，例如二尖瓣瓣膜在正常工作狀態(tài)下并不是只在一個方向受力，而是心室收縮使心房和心室之間產(chǎn)生跨瓣壓差而受到的張力[2]。而且一維拉伸容易使瓣膜在較大形變時產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象造成較大誤差。后來越來越多的人設(shè)計二維拉伸實驗裝置即能夠在兩個垂直方向上對瓣膜組織進行拉伸的測試裝置對膜組織進行力學(xué)實驗來彌補單向拉伸的缺陷[3-5]。本實驗裝置是一種二維拉伸試驗平臺，其優(yōu)勢是利用虛擬儀器強大的專業(yè)測量控件和數(shù)據(jù)處理能力對數(shù)據(jù)進行采集、處理、并且友好的人機交互界面便于制定實驗方案，實驗結(jié)果可直觀顯示在電腦屏幕上。外部硬件巧妙設(shè)計使平臺更加適用于生物瓣膜組織的平面力學(xué)的研究。

1 實驗裝置和方法

目前市面上二維拉伸試驗儀器基本上是針對建筑膜材料和紡織材料的研究，但是能用于對生物膜組織的設(shè)備少之又少[6-8]。針對天然瓣膜組織具有大變形、粘彈性、非線性、各向異性、面積較小和應(yīng)力相對較小等特點，本研究設(shè)計了一種基于虛擬儀器的瓣膜組織平面力學(xué)實驗裝置如圖1所示。由安裝有LabVIEW軟件和數(shù)據(jù)采集卡PCI-6010的電腦作為整個裝置的上位機，步進電機控制器及步進電機驅(qū)動器作為下位機接受上位機的控制，四臺步進電機和拉伸部件作為整個平臺的拉伸裝置，力學(xué)傳感器和高清數(shù)碼相機作為應(yīng)力和應(yīng)變的采集裝置。

圖1 實驗裝置示意圖

1.1 上位機的功能與實現(xiàn)

LabVIEW軟件在PC機上快速方便的搭建一個虛擬的測量儀器與采集卡配合產(chǎn)生控制信號并對實驗數(shù)據(jù)進行采集、數(shù)據(jù)運算，存儲并顯示在電腦屏幕上[8]，見圖2。數(shù)據(jù)采集卡PCI-6010插在電腦主板的PCI插槽中，為虛擬儀器與外部硬件溝通的橋梁。虛擬儀器作為整個系統(tǒng)的大腦，對執(zhí)行部件的控制利用數(shù)據(jù)采集卡輸出端口的高低電平來控制步進電機控制器，數(shù)據(jù)的采集利用外部觸發(fā)方式，兩個方向的步進電機按所設(shè)定的比例運動到某采集點后輸出一個下降沿觸發(fā)信號輸入到數(shù)據(jù)采集卡來觸發(fā)虛擬儀器進行采集，并同時用數(shù)碼相機進行拍照以記錄應(yīng)變數(shù)據(jù)，采集過程在幾十毫秒之內(nèi)，完畢產(chǎn)生一個脈沖信號輸入到步進電機控制器使其繼續(xù)運動，來獲取不同采集點的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)。

圖2 虛擬儀器界面

1.2 下位機的功能與實現(xiàn)

整個系統(tǒng)的外部控制部分如圖3所示，步進電機控制器的啟動和停止由來自數(shù)據(jù)采集卡輸出的信號來控制，可編程步進電機控制器再通過四個步進電機驅(qū)動分別對四臺步進電機的運動邏輯進行控制。采集卡和控制器之間利用光耦元件做成的信號調(diào)理適配器解決信號不匹配的問題。力學(xué)傳感器和采集卡之間利用信號調(diào)理裝置對信號進行放大和濾波。

圖3 外部控制電路

1.3 拉伸裝置

針對生物瓣膜組織在拉伸實驗中產(chǎn)生的應(yīng)力相對較小的特點，本實驗裝置使用的是兩個Load Cell Centra生產(chǎn)的微力傳感器，其分辨率為0.6 mN，固定于兩個互相垂直的拉桿和夾持部件之間，加持部分能夠隨著變形在拉桿上滑動，使每個夾持部件與力的方向盡量保持平行（圖4）。步進電機帶動拉伸桿運動。

1.4 試驗方法

試驗中取瓣膜的標本沿著瓣環(huán)的周向和徑向剪成矩形形狀，取試驗樣本時應(yīng)避開鍵索和瓣環(huán)根部。固定試件時盡量保證連接試件和拉桿的線受力均勻，試驗前在試件的中心區(qū)域標記一個矩形區(qū)域，標記區(qū)域小于試件總面積的1/3作為應(yīng)變測量區(qū)域，來減小邊緣夾持區(qū)域的系留效應(yīng)[9-10]。在二維拉伸的情況下標本在兩個方向上都要擴張，在樣本的四個邊角處會存在較大的剪力，我們在實驗中將試樣剪成十字型，見圖5，以減小四個邊角處剪力造成的誤差。

應(yīng)力σ的值利用公式σ=F/l來計算，其中F為采集的拉力的值，為相應(yīng)軸向邊緣夾持區(qū)域的初始長度，經(jīng)過虛擬儀器的一系列的處理將應(yīng)力值σ存儲在電腦里并進行動態(tài)顯示。

應(yīng)變ε，利用高分辨率攝像頭對標記區(qū)域的變形進行監(jiān)視，采集到電腦中，每個方向的應(yīng)變量ε利用公式ε=Δl/l0來計算，其中，l是試件拉伸后標記區(qū)域沿拉力方向邊長的長度，l0為初始長度[11-13]，ε為一個無量綱的比值，利用MATLAB分析軟件對獲取的標記區(qū)域的圖像進行計算可便于獲得。

圖5 試件及應(yīng)變標記區(qū)

利用所獲得的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)可以在Excel中方便的繪制出應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

2 對豬的二尖瓣進行試驗

豬的心臟瓣膜提供了一個和人的尺寸和膠原蛋白的含量纖維結(jié)構(gòu)相似的替代品[14]，試驗中我們?nèi)〉氖窃谑袌錾腺I來的成年豬的二尖瓣，獲取標本后保存在37℃生理鹽水中，試驗中利用生理鹽水滴注保持瓣膜的活性，本次試驗是按照兩個軸向的拉伸長度為1∶1的方案進行的，獲取20組應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)獲得應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示，可知瓣膜的力學(xué)特性具有較強的非線性特性，二尖瓣的周向比徑向彈性系數(shù)大。在拉力較低時周向和徑向都表現(xiàn)為彈性系數(shù)小的特點，當應(yīng)變達到某一值時會突然表現(xiàn)為彈性系數(shù)迅速變大的特點。

圖6 周向與徑向應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 討論

利用本實驗裝置完成了對豬的二尖瓣的簡單平面力學(xué)實驗，對微弱的瓣膜組織力學(xué)信號利用虛擬儀器進行采集處理并將數(shù)據(jù)保存至電腦對數(shù)據(jù)進行分析，并且在0～30 N/m的應(yīng)力范圍內(nèi)與BILLIAR KL研究中的數(shù)據(jù)和結(jié)論進行對比[13]，所得到周向與徑向力學(xué)曲線趨勢相同，實驗數(shù)據(jù)差別控制在5%以內(nèi)，由于實驗樣本和環(huán)境的不同，此差別在可以忽略的范圍內(nèi)，由此本平臺可以用于對瓣膜組織的平面力學(xué)的研究。未來的發(fā)展方向應(yīng)該改進實驗方法和實驗裝置使實驗條件更加接近于在生物體內(nèi)的工作狀態(tài)[14]。

4 結(jié)論

本實驗平臺能夠?qū)蓚€垂直方向的拉伸比例、拉伸速度、數(shù)據(jù)采集點位等參數(shù)進行設(shè)置，數(shù)據(jù)的采集和處理能力強大，能夠滿足不同二維拉伸實驗方案對瓣膜組織平面力學(xué)特性的研究。但本實驗裝置和方法依然是在靜態(tài)下對瓣膜進行研究，與實際工作狀態(tài)還是有較大的區(qū)別，不能完全反映瓣膜在活體工作狀態(tài)下的變形和應(yīng)力之間的規(guī)律。