[发明专利]测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置与方法

权利要求书

1.一种测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置，其特征在于包括：均质方形铁块、固定均质方形铁块的夹持器、穿刺针体或刀片、盛放试样装置和高速摄像机，穿刺针体或刀片固定在均质方形铁块上，穿刺针体或刀片和均质方形铁块固定使穿刺针体或刀片的底端与试样顶部距离在0.2～1m范围内；所述固定均质方形铁块的夹持器是电动控制的平行机械手，由基座和手爪组成，通过外部舵机控制左右两个手爪在基座表面滑动，使均质方形铁块夹紧或释放；所述盛放试样装置由一个扁平的大圆盘和两个长圆柱体焊接而成，左右两个长圆柱体用来支撑扁平圆盘，圆盘中心又设有圆形凹槽，在凹槽内放置试样且圆形凹槽底部有孔允许穿刺针体或刀片穿过；穿刺针体或刀片固定在均质方形铁块表面，试样放在盛放试样装置的圆形凹槽内，以免穿刺过程中发生移动；高速摄像机位于盛放试样装置的侧面且与其保持同一水平高度。

2.根据权利要求1所述的测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置，其特征在于：穿刺针体或刀片和均质方形铁块整体固定在一起，释放该整体使其垂直落下；穿刺针体或刀片垂直下落后穿过盛放试样装置的凹槽底部圆孔的圆心。

3.根据权利要求1所述的测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置，其特征在于：所述穿刺针体或刀片能够穿透试样且穿刺过程中不产生弯曲和变形；所述针体为实心的柱形不锈钢针；所述刀片为未开刃的SK2刚性刀片。

4.根据权利要求3所述的测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置，其特征在于：所述刀片的尖端形状是矩形、直角三角形、梯形或等腰三角形中的一种。

5.根据权利要求1所述的测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置，其特征在于：所述试件为待测软组织试件，形状为薄圆形，材料为水凝胶、柔性垫、软骨、跟腱、皮肤、血管、肝脏中的一种。

6.根据权利要求1所述的测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置，其特征在于：穿刺针体或刀片通过胶水固定在均质方形铁块表面。

7.根据权利要求1所述的测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置，其特征在于：所述高速摄像机为FASTCAM SA-Z，镜头设置为5000帧，像素为1024×1024。

8.一种测试软物质材料在动态穿刺下断裂能的方法，穿刺工具为柱形针，采用权利要求1～7任一项所述的测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置，其特征在于包括以下步骤：

(1)测量均质方形铁块的质量m₁；

(2)测量穿刺针体的质量m₂,针体横截面周长c，横截面面积s以及针体下端距离试样底部的高度h₁；

(3)测量圆形试样的厚度t；

(4)穿刺针体通过胶水固定在均质方形铁块上，试样放在盛放试样装置的圆形凹槽内，将粘有针的方形铁块从试样正上方释放，释放前针体下端距离试样底部的高度h₁，高速摄像机在铁块释放时开始拍摄；利用高速摄像机拍摄的针体刚刚穿透试样底部的一小段位移除以拍摄时间间隔计算第一次试验针体刚刚穿透试样底部的速度为v₁；

(5)将粘有针的均质方形铁块从同一高度同一位置释放，利用高速摄像机拍摄的针体刚穿透试样底部的一小段位移除以拍摄时间间隔计算第二次试验针体刚穿透试样底部时的速度为v₂；

(6)穿刺工具为圆柱形针体时，将实验所测得数据m₁,m₂,c,s,t,h₁，v₁,v₂,带入下式即可计算穿刺过程中的穿刺断裂能

9.一种测试软物质材料在动态切割下断裂能的方法，穿刺工具为矩形刀片，采用权利要求1～7任一项所述的测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置，其特征在于包括以下步骤：

(1)测量均质方形铁块的质量m₁；

(2)采用矩形刀片，需要测量刀片的质量m₃，宽度a，厚度b以及刀片下端距离试样底部的高度h₂；

(3)测量圆形试样的厚度t；

(4)将刀片通过胶水固定在均质方形铁块上，试样放在盛放试样装置的圆形凹槽内，将粘有刀片的方形铁块从试样正上方释放，释放前刀片下端距离试样底部的高度为h₂，高速摄像机在铁块释放时开始拍摄；利用高速摄像机拍摄的刀片刚刚穿透试样底部的一小段位移除以拍摄时间间隔计算第一次试验刀片刚刚穿透试样底部的速度为v₁；

(5)将粘有刀片的均质方形铁块从同一高度同一位置释放，利用高速摄像机拍摄的刀片刚穿透试样底部的一小段位移除以拍摄时间间隔计算第二次试验刀片刚穿透试样底部时的速度为v₂；

(6)穿刺工具为矩形刀片，将实验所测得数据m₁,m₃,a,b,t,h₂，v₁,v₂代入下式即可计算穿刺过程中的穿刺断裂能