一種生物軟組織特性測試及力學參數標定系統技術方案

本發明專利技術公開了一種生物軟組織特性測試及力學參數標定系統，包括有計算機、系統控制裝置、機械裝置、伺服電機驅動裝置、電控箱；其設計要點為：所述的系統控制裝置包括有數據采集卡、PMAC運動控制卡，該PMAC運動控制卡的輸入、輸出端分別與伺服電機驅動裝置、計算機、數據采集卡連接；所述針頭升降裝置的底端連接有拉壓傳感器，該拉壓傳感器的底部連接有醫用穿刺針，拉壓傳感器的輸出端通過變送器與系統控制裝置中的數據采集卡的輸入端連接。本發明專利技術所設計的生物軟組織特性測試及力學參數標定系統，能夠通過對軟組織進行針穿刺及實時數據采集、分析，由此獲得生物軟組織特性及力學參數。

【技術實現步驟摘要】
一種生物軟組織特性測試及力學參數標定系統
本專利技術涉及軟組織的生物力學特性測試領域，具體涉及一種生物軟組織特性及力學參數標定系統。
技術介紹
生物軟組織的力學特性與生物體的運動、生理和病理變化密切相關,許多疾病能夠引起組織的彈性或硬度的變化。現今，虛擬手術訓練成為熱點，軟組織的力學測量和參數標定也成為了生物醫學研究的重要問題。因此，建立準確的力學特性標定系統作為生物力學測量工具，對醫學手術幫助很大。目前，現有的生物軟組織力學特性測試系統通常有壓痕檢測，超聲波檢測。采用壓痕檢測設備是通過拉伸軟組織而發生長度和張力的變化，該方法測量了表皮的位移和壓痕的位移，而沒有測量組織的厚度，同時也受到一些幾何因素的影響，影響軟組織力學特性的真實性。超聲波檢測利用超聲波和壓力傳感器組成傳感系統，測量生物軟組織的壓力和形變信息，通過軟組織生物力學模型和所測信號，提取軟組織的特性參數，該方法精度較高，但應用前景較為單一。近年來，研究人員對機器人輔助穿刺手術興趣頗大，虛擬手術訓練也受到廣泛的關注，通過對組織與安裝有傳感器的手術器械交互時的特性進行參數測量得到關注，哈爾濱工業大學利用穿刺機器人對豬肝臟進行穿刺實驗，通過對穿刺力的數據的提取，建立模型，獲取軟組織的力學特性參數，但其只有刺入過程，沒有撥出組織的分析，設計的軟件功能單一。因此，針對現有的組織特性和力學參數標定系統的發展情況，需引入新的測試系統和標定方法。
技術實現思路
本專利技術的目的就是提供一種結構簡單、自動化程度高、參數標定精確的生物軟組織特性測試及力學參數標定系統。本專利技術的目的是通過以下方式實現的: 本專利技術所設計的生物軟組織特性測試及力學參數標定系統，一種生物軟組織特性及力學參數標定系統，包括有計算機、系統控制裝置、機械裝置、伺服電機驅動裝置、電控箱；其設計要點為:所述的系統控制裝置包括有數據采集卡、PMAC運動控制卡，該PMAC運動控制卡的輸入、輸出端分別與伺服電機驅動裝置、計算機、數據采集卡連接；所述機械裝置包括有機械臂、XY運動平臺、針頭升降裝置；所述針頭升降裝置的底端連接有拉壓傳感器，該拉壓傳感器的底部連接有醫用穿刺針，拉壓傳感器的輸出端通過變送器與系統控制裝置中的數據采集卡的輸入端連接；所述機械臂的下方設有XY運動平臺，該平臺上設有組織支架；所述伺服電機驅動裝置分別與XY運動平臺中的X軸、Y軸及針頭升降裝置中的Z軸連接；所述伺服電機驅動裝置設有位置傳感器，該位置傳感器的輸出端與PMAC運動控制卡的輸入端相連接；所述電控箱內置有電路控制裝置以及系統控制裝置。本專利技術所設計的生物軟組織特性測試及力學參數標定系統，能夠通過對軟組織進行針穿刺及實時數據采集、分析，由此獲得生物軟組織特性及力學參數；其中的系統控制裝置可控制XY運動平臺進行位置移動，其中的拉壓傳感器可實時采集拉壓力信號，獲取穿刺力的大小、方向和位移等信息，計算機可對采集的數據進行分析、處理，從而準確、快捷、方便地得到軟組織的力學特性曲線和參數，由此完成了對生物軟組織特性及力學參數的標定。本專利技術系統經過對動物組織(豬的肝臟)的實際測試，其所顯現出的肝臟力學特性曲線與典型的肝臟力學特性曲線具有高度重合性。由此說明，本專利技術系統參數標定精確，其可為臨床病理診斷提供重要數據參考，也可用于指導虛擬手術和機器人輔助穿刺手術。為使本專利技術所述標定系統具有測量范圍更廣、精度更高，標定過程更為簡單方便，本專利技術在計算機中設有數碼控制系統，該數碼控制系統包括有系統管理集成模塊和實時控制集成模塊；所述的系統管理集成模塊包含有系統初始化模塊、運行參數設置模塊、在線指令控制模塊；所述的實時控制集成模塊包含有標定系統控制模塊，數據采集模塊；其中的標定系統控制模塊設有人機交互界面，XY運動平臺手動控制程序、XY運動平臺自動控制程序、針頭升降裝置控制程序、系統回零控制程序、實時監控程序。本專利技術中的XY運動平臺自動控制程序為選擇性自動控制程序，當選擇啟動該程序并輸入穿刺位置參數后，數碼控制系統自動移動軟組織支架(即設置在XY運動平臺上的組織支架隨著運動平臺自行移動至預先設定好的位置)，穿刺針即可在預先設定好的位置進行穿刺。本專利技術所述生物軟組織特性及力學參數標定系統，其重要的創新點還體現在一下幾個方面: 1、本專利技術系統可自行對生物軟組織進行力學拉壓穿刺測試，其控制穩定，具有較高的標定精度，且能夠直觀測試及數據分析。2、本專利技術系統在獲取軟組織不同部位的力學信息時，可通過系統控制裝置中的選擇性自動控制程序自行移動選取軟組織的測量點，其準確到位，可減小人工操作肝臟支架對參數標定帶來的誤差，也方便了測試人員進行多次測試。3、本專利技術系統中的數據采集模塊通過預設定參數(針穿刺力的數字量、位移的脈沖計數值以及曲線初始坐標)，以及數據采集、處理和分析，得到力與位移曲線圖，反映真實的生物特性，并通過計算得到準確的力學參數。4、本專利技術系統的數碼控制系統設計，使本專利技術具有測量范圍廣、精度高，標定過程簡單方便的優越特性。【附圖說明】: 圖1為本專利技術系統構成框圖。圖2為本專利技術系統中的部分硬件的連接及運行示意圖。圖3為本專利技術系統中主工作臺的機械結構示意圖。圖4為本專利技術系統的數碼控制系統的構成框圖。圖5為本專利技術系統中的XY運動平臺手動控制程序流程圖。圖6為本專利技術系統中的回零控制程序流程圖。圖7為本專利技術系統中的XY運動平臺自動控制程序流程圖。圖8為本專利技術系統中的針頭升降裝置控制程序流程圖。圖9為本專利技術系統中的實時監控程序流程圖。圖10為本專利技術系統中的數據采集模塊的數據采集流程圖。圖11為本專利技術系統中在啟動系統管理集成模塊時的參數設置界面參考圖。圖12為本專利技術系統中標定系統控制模塊的人機交互界面圖。圖13為本專利技術實施例中測試得到的力與位移曲線圖。圖14為本專利技術實施例中測試得到的力與時間的曲線圖。圖15為本專利技術實施例中測試得到的曲線與理想力學特性曲線的對比圖。【具體實施方式】以下結合附圖對本專利技術做進一步的詳述。本專利技術系統構成如圖1所示，包括有計算機14、系統控制裝置、機械裝置、伺服電機驅動裝置4、電控箱9。所述的系統控制裝置包括有數據采集卡IUPMAC運動控制卡12，該PMAC運動控制卡12的輸入、輸出端分別與伺服電機驅動裝置4、計算機14、數據采集卡11連接；所述機械裝置包括有機械臂2、XY運動平臺1、針頭升降裝置3 (參見圖3);所述機械臂2上設有針頭升降裝置3，該針頭升降裝置3的底端連接有拉壓傳感器7，該拉壓傳感器7的底部連接有醫用穿刺針10，拉壓傳感器7的輸出端通過變送器8與系統控制裝置中的數據采集卡11的輸入端連接；所述機械臂2的下方設有XY運動平臺1，該平臺I上設有組織支架5 ;所述伺服電機驅動裝置4分別與XY運動平臺中的X軸、Y軸及機械臂上的針頭升降裝置中的Z軸連接；所述伺服電機驅動裝置4設有位置傳感器6，該位置傳感器6的輸出端與PMAC運動控制卡12的輸入端相連接；所述電控箱9內置有電路控制裝置13以及系統控制裝置中的數據采集卡11、PMAC運動控制卡12。電路控制裝置13包括有斷路器、按鈕開關、接觸器。電路控制裝置13用于控制整個系統的電路開關。本專利技術系統中更為細化的硬件連接及運行方式如圖2所示: 計算機(也稱上位機)通過USB接口本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種生物軟組織特性及力學參數標定系統，包括有計算機14、系統控制裝置、機械裝置、伺服電機驅動裝置4、電控箱9；其特征在于：所述的系統控制裝置包括有數據采集卡11、PMAC運動控制卡12，該PMAC運動控制卡12的輸入、輸出端分別與伺服電機驅動裝置4、計算機14、數據采集卡11連接；所述機械裝置包括有機械臂2、XY運動平臺1、針頭升降裝置3；所述針頭升降裝置3的底端連接有拉壓傳感器7，該拉壓傳感器7的底部連接有醫用穿刺針10，拉壓傳感器7的輸出端通過變送器8與系統控制裝置中的數據采集卡11的輸入端連接；所述機械臂2的下方設有XY運動平臺1，該平臺1上設有組織支架5；所述伺服電機驅動裝置4分別與XY運動平臺1中的X軸、Y軸及針頭升降裝置3中的Z軸連接；所述伺服電機驅動裝置4設有位置傳感器6,該位置傳感器6的輸出端與PMAC運動控制卡12的輸入端相連接；所述電控箱9內置有電路控制裝置13以及系統控制裝置。

【技術特征摘要】
1.一種生物軟組織特性及力學參數標定系統，包括有計算機14、系統控制裝置、機械裝置、伺服電機驅動裝置4、電控箱9 ;其特征在于:所述的系統控制裝置包括有數據采集卡IUPMAC運動控制卡12，該PMAC運動控制卡12的輸入、輸出端分別與伺服電機驅動裝置4、計算機14、數據采集卡11連接；所述機械裝置包括有機械臂2、XY運動平臺1、針頭升降裝置3 ;所述針頭升降裝置3的底端連接有拉壓傳感器7，該拉壓傳感器7的底部連接有醫用穿刺針10，拉壓傳感器7的輸出端通過變送器8與系統控制裝置中的數據采集卡11的輸入端連接；所述機械臂2的下方設有XY運動平臺1，該平臺I上設有組織支架5 ;所述伺服電機驅動裝置4分別與XY運動平臺I中的X軸、Y軸及針頭升降裝置3中的Z軸連接；所述伺服電機驅動裝置4設有位置傳感器6，該位置傳感器6的輸出端與PMAC運...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉秀玲，楊建利，陳飛，呂方飛，馬東，董斌，剛芹果，
申請(專利權)人：河北大學，
類型：發明
國別省市：河北;13