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1、改进型在体张力传感器 及在跟腱张力测定中的应用董 峰 胡佑伦*蒋锡嘉*邱小杉* *湖北医科大学生理教研室 ( 武汉, 430071)摘 要 作者对环扣式张力传感器在结构上作了改进, 改单片梁为双层工字梁, 改平面框架为立体异型框架, 改进后的双层工字梁、立体框架张力传感器, 具有灵敏度高、附加应力小、数据重复性好, 能实测在体生物组织张力的特点, 提出了传感器横梁高度的计算公式, 并且用该传感器实测了 45 只家兔跟腱的张力值, 测得跟腱张力波主要有四种类型。关键词 在体 张力 传感器 跟腱* 湖北医科大学附属第一医院 生物医学工程室 * * 湖北医科大学管理系 计算机室董峰: 男, 33 岁
2、, 硕士, 讲师。描记和评估生物组织如肌腱、韧带、肌肉、血管、神经等张力的力学特征, 在临床医学、康复医学及医学实验性研究中有着重要意义,已成为一个引人注目的问题。目前生物组织张力的测定有两类方法, 即离体( in vitro) 测量法和在体( in vivo) 测量法。在体测量法能极近真 实地反映在体生物组织的张力特征,具有重要的生物学和医学的理论与实践意义, 但这种测量方法技术难度大、 制约因素多, 其关键在于传感器的研究 1。 生物在体张力传感器除应具备一般传感器所具备的要求外, 尚应具备组织相容性好,既不损伤组织又不为体液所损伤;灵敏度高; 不干扰生物组织的生理状态和活动 2; 操作安
3、装方便; 易于消毒等特点。 资料检索发现, 1969 由Salmon 创建了一种可用于在体测量的 “ 环扣式”张力传感器 3, 但由于其灵敏度不高,性能不稳定, 因而其应用范围受到限制。可见,传感器的研制是进行在体测量的关键所在,本文对原环扣式传感器进行了改进, 具有灵敏度高, 数据重复性好, 稳定可靠等特点。传感器设计1. Salmon “ 环扣式”传感器结构原理图 1 传感器结构原理如图 1 所示, 传感器由一封闭的金属框架和一个可卸的 横梁组成。肌腱绕过横梁卡在金属框架上。当肌腱产生张力时必然对横梁产生向下的压力迫使横梁变形, 横梁变形的程度随着压力的变化而变化, 再通过粘贴在横梁上的应
4、变片反映出横梁应变的大小,并转换成电信号, 最后经过标定得出该电信号与张力的对应值。2. 传感器结构的改进( 1) 横梁的改进 将横梁由承受均布力变为承受集中力, 改进后的横梁如图 2所示。由图 2可知横梁分为上、下两层, 中间通过一点相连接, 上层横梁所受的力都通过一点传递到下层梁, 亦即肌腱对横梁任何部位所施加的压力都对横梁的变形起相同作用。所以把分散的均布力变为集中力可以得到增大弯矩、降低弯曲强度的效果。86北京生物医学工程 1998 年第 17 卷第 2 期图 2 横梁受力示意图推导如下:由图 2-a: Mmax1=ql2 8,由图 2- b:Mmax2=ql2 4 又知梁的弯曲正应力
5、强度条件为:Rmax=Mmax Wz R其中: Rmax: 最大工作应力; Wz:抗弯截面模量 R : 许用应力Mmax2= 2Mmax 1 梁的强度降低可以证明, 改进后的横梁承受集中力作用, 比原有均布载荷作用, 在横梁中部产生弯矩多达 1 倍, 因此横梁中部正 应变提高了 1 倍。( 2) 框架的改进 上述 “ 双层工字梁”显然比 “ 单片梁”厚, 由此会明显地拉伸肌腱的长度而影响其正常的生理活动, 同时对横梁也会增加极大的初始附加压力,这不仅会直接使测量结果产生较大误差,而且由于局部肌腱处于明显的弯 曲、非均匀压力分布的初始张力状态, 若长时间埋入体内,显然对实验会造成不利影响。解决此
6、问题的方法是把平面的框架改为如图 3 所示的 “ 立体”框架, 将 “ 双层梁”嵌于框架上与横梁等宽的矩形槽中, 一方面可降低横梁在框架上的高度避免肌腱的过分弯曲, 以减少附 加压力; 另一方面矩形槽对横梁可起到固定作用, 横梁不会因肌腱的反复张驰而发生位移, 保证测量结果的稳定性。图 3 传感器框架示意图( 3) 组织相容性问题 贴应变片处应封以硅橡胶,硅橡胶有很好的组织相容性不会对生物体产生不良影 响, 它可起防水绝缘, 保护应变片在体内不受体液的腐蚀、避免周围组织与应变片磨擦影响测量的作用 4。另外对框架的表面镀金, 所有棱角都作 “ 流线型”处理以避免框架损伤周围组织。 按上述方法处理
7、后的传感器在 家兔体内最长埋藏了 103 天, 传感器工作状态良好, 取出后表面无腐蚀现象, 与肌体接触部位无炎症, 动物运动不受影响,说明该传感器组织相容性较好。跟腱张力测量选用体重在 2kg 左右的家兔 45 只随机分为 3 组,每组 15只。组为正常测量组, 测量兔右后肢跟腱的张力;组也为正常测量组,测量兔左后肢跟腱的张力; 组为胫神经切断 组, 测量胫神经损伤时跟腱受力的变化情况。用生理盐水稀释巴比妥钠 ( 3mg/ kg) 经兔耳缘静脉注射麻醉, 常规消毒,分离出跟腱,经严格消毒的传感器统一安装在跟腱中点处, 将引线套上套管, 经皮下从兔背部穿出焊接在缝于背部的接线板上, 在伤口处给
8、予 5ml 庆大霉素 缝合后包扎。组在按上述方法处理后再分离出坐骨神经切断胫神经造成神经损伤模型。各组术后第 3天开始测量。87北京生物医学工程 1998年第 17 卷第 2 期结 果表 1 “ 双层工字梁”与 “ 单片梁”传感器敏感性比较(单位:8)传感器类型实测点数dr/ dfs双层工字梁390. 006820. 0029单片梁400. 003530. 0023P0. 05) ,故将左、右跟腱合并计算求其正常值,结果如表 2 所示。表 2 家兔跟腱张力各参数正常值 ( Xs)波型波幅 ( N)时间 (ms)冲量 ( Nms)陡直型25. 857. 21240. 7055. 36136. 2
9、059. 08 单峰型16. 416. 23296. 7081. 33107. 6063. 57 双峰型19. 705. 02318. 0085. 97149. 5040. 66 三峰型16. 706. 10272. 9054. 18105. 4054. 74 总计17. 006. 35292. 5079. 09110. 2062. 96表 2 各参数正常值分别为: 张力值 17. 006. 35N、波形时间 292. 579. 09ms、冲量110. 262. 96Nms。结论1. 改进后的双层工字梁、立体框架张力传感器, 具有灵敏度高、附加应力小、数据重复性好,能实测在体生物组织张力的特点
10、。 2. 提出传感器横梁高度的计算公式为:h =L 2tgA- t - b3. 发现家兔跟腱张力波主要为 4种类型, 命名为陡直型、单峰型、双峰型及三峰型, 分析了这些波型形成机制; 提出了波幅、时间、冲量等有关参数。4. 测定了家兔跟腱波有关参数的正常值, 并提供了一种实用的在体张力测试方法。参考文献1. Lewis JL and Frasier G. On the use of buckle transducers to measure knee ligament forces. Proc of 1979;ASME Biomech Symp 71742. Lewis JL,Lew WD a
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