устройство для определения механических свойств биологических тканей

Формула изобретения

Устройство для определения механических свойств биологических тканей, содержащее кoрпус, измерительный шток с пелотом, тарированную пружину, один конец которой закреплен на измерительном штоке, а другой на корпусе, и блок обработки информации, отличающееся тем, что устройство снабжено отражающей ультразвук площадкой, закрепленной на измерительном штоке, и двумя преобразователями ультразвуковых измерителей виброперемещений, один из которых установлен с возможностью бесконтактного измерения расстояния между корпусом и отражающей ультразвук площадкой в направлении оси измерительного штока, а второй закреплен в корпусе со стороны пелота, причем оси измерения второго преобразователя и измерительного штока параллельны.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для определения механических свойств биологических тканей.

Известно устройство для определения тонуса мышц (Авт. св. N 1026767, А 61 В 5/10, 1983), содержащее цилиндрический корпус, в центре которого закреплена первая упругая пластинка, с другой стороны закрепленная на стакане, на котором установлена вторая упругая пластинка, соединенная со штоком, на котором смонтирован пелот, с противоположных сторон упругих пластинок расположены тензодатчики, подключенные к внешним усилителям. Рабочие поверхности пелота и стакана имеют токопроводящее покрытие, изолированное от корпусов пелота и стакана, снабженное электродами, связанными с электростимулятором.

Недостатком этого устройства является низкая точность измерений. Это связано, во-первых, с тем, что корпус и стакан размещаются непосредственно на исследуемой поверхности, что приводит к ее деформации и, следовательно, уже измеряются свойства нагруженной поверхности объекта, включающей в себя и такой фактор как физиологическая реакция организма на внесенное возмущение (в данном случае на массу всего устройства). Во-вторых, низкая точность измерения силы и величины внедрения пелота, обусловлена тем, что между штоком и стаканом и стаканом и корпусом существует значительная сила трения, приводящая к возникновению значительной зоны нечувствительности, то есть малые перемещения штока, стакана и корпуса относительно друг друга не будут чувствоваться и, следовательно, измеряться.

Кроме того, недостатком устройства является также малая производительность измерений, связанная тем, что корпус и стакан в момент установки пелота на исследуемый участок поверхности затрудняют визуальный контроль положения пелота, что может привести к его неточной установке. При исследовании механических свойств биоткани вдоль поверхности из-за неправильной установки пелота увеличивается общее время проведения измерений, что приводит к их малой производительности.

Наличие зазоров между пелотом и стаканом и стаканом и корпусом затрудняет стериализуемость устройства, так как между ними могут оставаться жидкость и микровещества, удаление которых затруднено. При измерении свойств ткани в различных местах вместе с корпусом и стаканом (которые имеют большую площадь контакта с исследуемой тканью) будет переноситься значительная масса жидкости, что нежелательно.

Известно устройство для диагностики функционального состояния мышц (Авт. св. N 1242111, А 61 В 5/0О, 1986). Устройство содержит измеритель упругости, имеющий индикатор со стрелкой, фиксатор стрелки индикатора, дозатор линейного смещения с подвижным контактом, электромиографические электроды, миограф и синхронизатор, причем электроды представляют собой диэлектрическое основание с контактными элементами, между которыми выполнено отверстие для щупа измерения упругости, электроды непосредственно, а подвижный контакт через синхронизатор соединены с миографом.

Недостатком устройства является малая производительность и низкая точность измерений. Малая производительность связана, во-первых, с тем, что измерение упругости происходит при заранее заданной величине внедрения щупа в поверхность ткани.

Для измерения деформационно нагрузочной характеристики (зависимости силы от глубины внедрения) необходимо произвести большое число измерений силы при различных глубинах вдавливания, данное устройство требует значительного времени, поскольку изменение задаваемой глубины внедрения происходит вручную с помощью дозатора линейного смещения. Во-вторых, в известном устройстве затруднен визуальный контроль установки щупа в исследуемое место поверхности, поскольку оно закрывается диэлектрическим основанием.

Низкая точность измерения связана, во-первых, с тем, что основание измерителя размещается непосредственно на исследуемой поверхности, чтo приводит к изменению ее механических свойств, и, в свою очередь, к увеличению погрешности измерения упругости по сравнению с механически ненагруженной поверхностью. Во-вторых, использование в качестве регистратора механического индикатора со стрелкой и передаточной шестерней, которые, как известно, имеют значительную силу трения, приводит к низкой точности измерения упругости за счет малой чувствительности к небольшим изменениям уровня силы.

Кроме того, в устройстве затруднена стерильность участка поверхности между щупом и диэлектрическим основанием, что нежелательно.

В качестве прототипа выбрано устройство по авт. св. N 921512, А 61 В 5/00, 1982, содержащее корпус со стаканом, измерительный шток с пелотом, опорную головку, толкатель, тарированную пружину и измерительный прибор. Механизм установки измерительного штока выполнен в виде платы, подвижно соединенной с гайкой. Движковый потенциометр подключен к измерительному прибору с механизмом перемещения движка потенциометра. Устройство имеет приспособление компенсации толщины жировой прослойки. Механизм установки измерительного штока подвижно соединен со стаканом, а механизм перемещения движка потенциометра выполнен в виде двух телескопически подпружиненных рычагов, один из которых взаимодействует одним концом с движком потенциометра, а другим концом с приспособлением компенсации толщины жировой прослойки. При этом другой рычаг шарнирно закреплен на плате и свободный конец его имеет защелку, взаимодействующую с кольцевой проточкой измерительного штока, который кинематически соединен с помощью тарированной пружины с толкателем, а на корпусе установлен ограничитель движения рычагов.

Недостатком устройства является низкая точность и производительность измерений. Низкая точность измерения связана, во-первых, с тем, что в нем используется большое количестве механических передаточных звеньев. Сила трения каждого звена уменьшает точность измерения силы внедрения, создавая значительную область нечувствительности при малых значениях изменения силы. Этот эффект усугубляется трением защелки о поверхность штока и ее прижимом к нему (защелка должна войти в кольцевую проточку измерительного штока), что приводит к дополнительному прижиму измерительного штока к его направляющим и этим увеличивает трение в направляющих. Во-вторых, опорная головка размещается непосредственно на поверхности ткани, что приводит к ее деформации и изменению ее механических свойств, что в свою очередь, приводит к снижению точности и повторяемости измерений.

Низкая производительность измерений обусловлена, во-первых, тем, что измерения силы и величины вдавливания штока производятся только для априорно заданной величины внедрения, поэтому для измерения деформационно- нагрузочной характеристики необходимо затратить значительное время. Во-вторых, для возвращения устройства в режим измерения необходимо произвести целый ряд механических переключений, что также нежелательно, поскольку усложняет пользование устройством и снижает производительность измерений. В- третьих, в устройстве затруднен визуальный контроль местоположения штока (он закрыт опорной головкой), что может привести к его неточной установке на исследуемый участок поверхности и, как следствие, к необходимости его повторной установки, что затрудняет проведение измерения на двух близко расположенных участках, поскольку измерительным штоком в интересующие места сразу трудно попасть.

Недостатком этого устройства является также то, что оно имеет значительный вес вследствие значительного количества используемых деталей. Это приводит к тому, что рука исследователя во время проведения измерений устает. Кроме того, в устройстве затруднена стерильность измерительной части (между штоком и головкой), куда возможно попадание микрочастиц, жидкости, которые трудно удалить без разбора механической части. При проведении измерений на различных участках исследуемой поверхности ткани будет происходить перенос, в частности, жидкости, остающейся между штоком и головкой, что нежелательно.

Задачей изобретения является увеличение производительности измерений при одновременном повышении точности измерения силы и глубины внедрения измерительного штока.

Поставленная задача решается за счет того, что устройство снабжено отражающей ультразвук площадкой, закрепленной на измерительном штоке, и двумя преобразователями ультразвуковых измерителей виброперемещений, один из которых установлен с возможностью бесконтактного измерения расстояния между корпусом и отражающей площадкой в направлении оси измерительного штока, а второй закреплен в корпусе со стороны пелота, причем оси измерения второго преобразователя и измерительного штока параллельны. На фиг.1 приведена функциональная схема устройства.

Устройство для определения механических свойств биологических тканей содержит корпус 1, измерительный шток 2, один конец которого соединен с пелотом 3, а другой с отражающей площадкой 4 и тарированную пружину 5, один конец которой соединен с измерительным штоком 2, а другой с корпусом 1. Устройство снабжено двумя преобразователями 6 и 7 ультразвуковых измерителей виброперемещений. Преобразователь 6 закреплен в корпусе так, что его направление измерения совпадает с осью измерительного штока 2. Сигнал на выходе ультразвукового измерителя 8 виброперемещений пропорционален перемещению отражающей площадки 4, и следовательно, силе внедрения в корпус 1 измерительного штока 2. Преобразователь 7 ультразвукового измерителя 9 виброперемещений установлен в корпусе 1 со стороны пелота 3 так, что направление измерения преобразователя 7 и ось измерительного штока 2 параллельны. Сигнал на выходе ультразвукового измерителя 9 виброперемещений пропорционален перемещению корпуса датчика относительно поверхности исследуемой ткани и равен величине внедрения пелота в поверхность ткани. Устройство имеет блок 10 обработки информации, входы которого подсоединены к выходам ультразвуковых измерителей 8 и 9 виброперемещений.

Устройство работает следующим образом.

Корпус 1 берут в руку. Пелот 3 устанавливают над исследуемым участком поверхности ткани так, чтобы ось измерительного штока 2 была перпендикулярна исследуемой поверхности. Рукой в направлении оси измерительного штока 2 перемещают корпус 1 и внедряют пелот 3 в ткань. После соприкосновения пелота 3 с исследуемой поверхностью ткани измерительный шток перемещается в направляющих корпуса 1 и перемещают отражающую площадку 4 в направлении преобразователя 6. При этом на выходе ультразвукового измерителя 3 виброперемещений будет изменяться сигнал от нуля соответствующего условия, когда пелот не соприкасается с исследуемой поверхностью до некоторого значения, соответствующего значению силы внедрения пелота 3. определяемого упругостью пружины 5. Синхронно с измерением силы внедрения происходит измерение расстояния между преобразователем 7 и поверхностью исследуемой ткани. При этом поскольку местоположение пелота 3 и участок поверхности, по которой измеряют расстояние с помощью преобразователя 7, разнесены в пространстве, и внедрение пелота не возмущает поверхность ткани в направлении оси измерения преобразователя 7, сигнал на выходе ультразвукового измерителя 9 виброперемещений, пропорционален глубине внедрения пелота в поверхность ткани. Таким образом, при внедрении пелота 3 в поверхность ткани синхронно измеряют силу и глубину его внедрения, и в блоке 10 обработки информации регистрируют деформационно нагрузочную характеристику, по которой определяют механические свойства ткани, в частности модуль упругости.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить производительность измерений за счет точной установки пелота на исследуемом участке поверхности ткани путем бесконтактного измерения глубины внедрения пелота в ткань и избежать ее механического повреждения за счет визуального контроля внедрения пелота и точность измерения за счет минимального воздействия устройством на поверхность ткани и отсутствия механических передаточных звеньев при измерении силы и глубины внедрения пелота.

Кроме этого, устройство позволяет проводить измерение деформационно - нагрузочных характеристик поверхности ткани при различных углах ее наклона.

Достоинством устройства является также то, что оно позволяет реализовать различные режимы измерения: нагружение ( изменение силы от нуля до некоторого значения F max), нагружение разгружение (изменение силы от О до Fmax и от Fmax до O), циклическое (многоразовое) нагружение разгружение, что позволяет определять различные механические свойства ткани и этим расширить возможности использования данного устройства.

Дополнительным преимуществом устройства является простота его стерилизации за счет отсутствия необходимости размещения корпуса устройства на поверхности исследуемой ткани.