[发明专利]一种生物软组织特性测试及力学参数标定系统

说明书

技术领域

本发明涉及软组织的生物力学特性测试领域，具体涉及一种生物软组织特性及力学参数标定系统。

背景技术

生物软组织的力学特性与生物体的运动、生理和病理变化密切相关，许多疾病能够引起组织的弹性或硬度的变化。现今，虚拟手术训练成为热点，软组织的力学测量和参数标定也成为了生物医学研究的重要问题。因此，建立准确的力学特性标定系统作为生物力学测量工具，对医学手术帮助很大。

目前，现有的生物软组织力学特性测试系统通常有压痕检测，超声波检测。采用压痕检测设备是通过拉伸软组织而发生长度和张力的变化，该方法测量了表皮的位移和压痕的位移，而没有测量组织的厚度，同时也受到一些几何因素的影响，影响软组织力学特性的真实性。超声波检测利用超声波和压力传感器组成传感系统，测量生物软组织的压力和形变信息，通过软组织生物力学模型和所测信号，提取软组织的特性参数，该方法精度较高，但应用前景较为单一。近年来，研究人员对机器人辅助穿刺手术兴趣颇大，虚拟手术训练也受到广泛的关注，通过对组织与安装有传感器的手术器械交互时的特性进行参数测量得到关注，哈尔滨工业大学利用穿刺机器人对猪肝脏进行穿刺实验，通过对穿刺力的数据的提取，建立模型，获取软组织的力学特性参数，但其只有刺入过程，没有拨出组织的分析，设计的软件功能单一。因此，针对现有的组织特性和力学参数标定系统的发展情况，需引入新的测试系统和标定方法。

发明内容

本发明的目的就是提供一种结构简单、自动化程度高、参数标定精确的生物软组织特性测试及力学参数标定系统。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

本发明所设计的生物软组织特性测试及力学参数标定系统，一种生物软组织特性及力学参数标定系统，包括有计算机、系统控制装置、机械装置、伺服电机驱动装置、电控箱；其设计要点为：所述的系统控制装置包括有数据采集卡、PMAC运动控制卡，该PMAC运动控制卡的输入、输出端分别与伺服电机驱动装置、计算机、数据采集卡连接；所述机械装置包括有机械臂、XY运动平台、针头升降装置；所述针头升降装置的底端连接有拉压传感器，该拉压传感器的底部连接有医用穿刺针，拉压传感器的输出端通过变送器与系统控制装置中的数据采集卡的输入端连接；所述机械臂的下方设有XY运动平台，该平台上设有组织支架；所述伺服电机驱动装置分别与XY运动平台中的X轴、Y轴及针头升降装置中的Z轴连接；所述伺服电机驱动装置设有位置传感器,该位置传感器的输出端与PMAC运动控制卡的输入端相连接；所述电控箱内置有电路控制装置以及系统控制装置。

本发明所设计的生物软组织特性测试及力学参数标定系统，能够通过对软组织进行针穿刺及实时数据采集、分析，由此获得生物软组织特性及力学参数；其中的系统控制装置可控制XY运动平台进行位置移动，其中的拉压传感器可实时采集拉压力信号，获取穿刺力的大小、方向和位移等信息，计算机可对采集的数据进行分析、处理，从而准确、快捷、方便地得到软组织的力学特性曲线和参数，由此完成了对生物软组织特性及力学参数的标定。

本发明系统经过对动物组织（猪的肝脏）的实际测试，其所显现出的肝脏力学特性曲线与典型的肝脏力学特性曲线具有高度重合性。由此说明，本发明系统参数标定精确，其可为临床病理诊断提供重要数据参考，也可用于指导虚拟手术和机器人辅助穿刺手术。

为使本发明所述标定系统具有测量范围更广、精度更高，标定过程更为简单方便，本发明在计算机中设有数码控制系统，该数码控制系统包括有系统管理集成模块和实时控制集成模块；所述的系统管理集成模块包含有系统初始化模块、运行参数设置模块、在线指令控制模块；所述的实时控制集成模块包含有标定系统控制模块，数据采集模块；其中的标定系统控制模块设有人机交互界面，XY运动平台手动控制程序、XY运动平台自动控制程序、针头升降装置控制程序、系统回零控制程序、实时监控程序。

本发明中的XY运动平台自动控制程序为选择性自动控制程序，当选择启动该程序并输入穿刺位置参数后，数码控制系统自动移动软组织支架（即设置在XY运动平台上的组织支架随着运动平台自行移动至预先设定好的位置），穿刺针即可在预先设定好的位置进行穿刺。

本发明所述生物软组织特性及力学参数标定系统，其重要的创新点还体现在一下几个方面：

1、本发明系统可自行对生物软组织进行力学拉压穿刺测试，其控制稳定，具有较高的标定精度，且能够直观测试及数据分析。