基于虚拟仪器的瓣膜组织平面力学实验装置的设计

青岛市中医医院医学装备科，山东青岛266000

引言

生物瓣膜组织的主要成分是胶原纤维、弹性纤维和蛋白多糖基质，它们的分布和排列决定了其力学性能。例如人类的心脏瓣膜每时每刻都在靠自己形变重复的启闭保证血液的单向流动[1]，这样的生物组织的力学特性值得我们去深入研究，并且科学家建立瓣膜组织的数学模型、寻找人工瓣膜材料时也需要更加准确方便的实验装备来提供基础数据，以往对瓣膜组织研究其应力-应变关系，主要通过简单的单向拉伸实验，但是研究表明一维拉伸实验具有较大的局限和不足，例如二尖瓣瓣膜在正常工作状态下并不是只在一个方向受力，而是心室收缩使心房和心室之间产生跨瓣压差而受到的张力[2]。而且一维拉伸容易使瓣膜在较大形变时产生应力集中现象造成较大误差。后来越来越多的人设计二维拉伸实验装置即能够在两个垂直方向上对瓣膜组织进行拉伸的测试装置对膜组织进行力学实验来弥补单向拉伸的缺陷[3-5]。本实验装置是一种二维拉伸试验平台，其优势是利用虚拟仪器强大的专业测量控件和数据处理能力对数据进行采集、处理、并且友好的人机交互界面便于制定实验方案，实验结果可直观显示在电脑屏幕上。外部硬件巧妙设计使平台更加适用于生物瓣膜组织的平面力学的研究。

1 实验装置和方法

目前市面上二维拉伸试验仪器基本上是针对建筑膜材料和纺织材料的研究，但是能用于对生物膜组织的设备少之又少[6-8]。针对天然瓣膜组织具有大变形、粘弹性、非线性、各向异性、面积较小和应力相对较小等特点，本研究设计了一种基于虚拟仪器的瓣膜组织平面力学实验装置如图1所示。由安装有LabVIEW软件和数据采集卡PCI-6010的电脑作为整个装置的上位机，步进电机控制器及步进电机驱动器作为下位机接受上位机的控制，四台步进电机和拉伸部件作为整个平台的拉伸装置，力学传感器和高清数码相机作为应力和应变的采集装置。

图1 实验装置示意图

1.1 上位机的功能与实现

LabVIEW软件在PC机上快速方便的搭建一个虚拟的测量仪器与采集卡配合产生控制信号并对实验数据进行采集、数据运算，存储并显示在电脑屏幕上[8]，见图2。数据采集卡PCI-6010插在电脑主板的PCI插槽中，为虚拟仪器与外部硬件沟通的桥梁。虚拟仪器作为整个系统的大脑，对执行部件的控制利用数据采集卡输出端口的高低电平来控制步进电机控制器，数据的采集利用外部触发方式，两个方向的步进电机按所设定的比例运动到某采集点后输出一个下降沿触发信号输入到数据采集卡来触发虚拟仪器进行采集，并同时用数码相机进行拍照以记录应变数据，采集过程在几十毫秒之内，完毕产生一个脉冲信号输入到步进电机控制器使其继续运动，来获取不同采集点的应力和应变数据。

图2 虚拟仪器界面

1.2 下位机的功能与实现

整个系统的外部控制部分如图3所示，步进电机控制器的启动和停止由来自数据采集卡输出的信号来控制，可编程步进电机控制器再通过四个步进电机驱动分别对四台步进电机的运动逻辑进行控制。采集卡和控制器之间利用光耦元件做成的信号调理适配器解决信号不匹配的问题。力学传感器和采集卡之间利用信号调理装置对信号进行放大和滤波。

图3 外部控制电路

1.3 拉伸装置

针对生物瓣膜组织在拉伸实验中产生的应力相对较小的特点，本实验装置使用的是两个Load Cell Centra生产的微力传感器，其分辨率为0.6 mN，固定于两个互相垂直的拉杆和夹持部件之间，加持部分能够随着变形在拉杆上滑动，使每个夹持部件与力的方向尽量保持平行（图4）。步进电机带动拉伸杆运动。

1.4 试验方法

试验中取瓣膜的标本沿着瓣环的周向和径向剪成矩形形状，取试验样本时应避开键索和瓣环根部。固定试件时尽量保证连接试件和拉杆的线受力均匀，试验前在试件的中心区域标记一个矩形区域，标记区域小于试件总面积的1/3作为应变测量区域，来减小边缘夹持区域的系留效应[9-10]。在二维拉伸的情况下标本在两个方向上都要扩张，在样本的四个边角处会存在较大的剪力，我们在实验中将试样剪成十字型，见图5，以减小四个边角处剪力造成的误差。

应力σ的值利用公式σ=F/l来计算，其中F为采集的拉力的值，为相应轴向边缘夹持区域的初始长度，经过虚拟仪器的一系列的处理将应力值σ存储在电脑里并进行动态显示。

应变ε，利用高分辨率摄像头对标记区域的变形进行监视，采集到电脑中，每个方向的应变量ε利用公式ε=Δl/l0来计算，其中，l是试件拉伸后标记区域沿拉力方向边长的长度，l0为初始长度[11-13]，ε为一个无量纲的比值，利用MATLAB分析软件对获取的标记区域的图像进行计算可便于获得。

图5 试件及应变标记区

利用所获得的应力应变数据可以在Excel中方便的绘制出应力-应变曲线。

2 对猪的二尖瓣进行试验

猪的心脏瓣膜提供了一个和人的尺寸和胶原蛋白的含量纤维结构相似的替代品[14]，试验中我们取的是在市场上买来的成年猪的二尖瓣，获取标本后保存在37℃生理盐水中，试验中利用生理盐水滴注保持瓣膜的活性，本次试验是按照两个轴向的拉伸长度为1∶1的方案进行的，获取20组应力与应变数据，利用数据获得应力-应变曲线如图6所示，可知瓣膜的力学特性具有较强的非线性特性，二尖瓣的周向比径向弹性系数大。在拉力较低时周向和径向都表现为弹性系数小的特点，当应变达到某一值时会突然表现为弹性系数迅速变大的特点。

图6 周向与径向应力-应变曲线

3 讨论

利用本实验装置完成了对猪的二尖瓣的简单平面力学实验，对微弱的瓣膜组织力学信号利用虚拟仪器进行采集处理并将数据保存至电脑对数据进行分析，并且在0～30 N/m的应力范围内与BILLIAR KL研究中的数据和结论进行对比[13]，所得到周向与径向力学曲线趋势相同，实验数据差别控制在5%以内，由于实验样本和环境的不同，此差别在可以忽略的范围内，由此本平台可以用于对瓣膜组织的平面力学的研究。未来的发展方向应该改进实验方法和实验装置使实验条件更加接近于在生物体内的工作状态[14]。

4 结论

本实验平台能够对两个垂直方向的拉伸比例、拉伸速度、数据采集点位等参数进行设置，数据的采集和处理能力强大，能够满足不同二维拉伸实验方案对瓣膜组织平面力学特性的研究。但本实验装置和方法依然是在静态下对瓣膜进行研究，与实际工作状态还是有较大的区别，不能完全反映瓣膜在活体工作状态下的变形和应力之间的规律。