人工生物瓣弯曲性能和层间剪切性能测试装置及方法

摘要

人工生物瓣弯曲性能和层间剪切性能测试装置及方法。本发明的测试装置包括：脉冲流体泵(1)，管道(2、10)，传输电机(3)，传输杆(4)，固定架(5)，摄像系统(6)，数据采集器(7)，过滤器(8)，以及观测池(9)。其中在测量时，将人工生物瓣安放于观测池(9)中的固定架(5)上，通过传输电机(3)和传输杆(4)调节固定架(5)及人工生物瓣的位置；由脉冲流体泵(1)通过管道(2)人工生物瓣发射脉冲流体；摄像系统(6)捕捉人工生物瓣的弯曲形变，并传输给数据采集器(7)；数据采集器(7)计算人工生物瓣的弯曲度，并根据人工生物瓣的弯曲度计算出其弯曲强度和层间剪切强度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种医疗器械测量设备，特别是涉及一种用于对人工生物瓣弯曲性能和层间剪切性能进行测试的装置以及测量方法。 

背景技术

目前在人工生物瓣的改性过程中，通过化学修饰来改善其界面性能后，主要通过力学性能测试来判定其修饰结果。力学性能测试包括单轴拉伸和双轴拉伸，通过观察人工生物瓣在拉伸过程中的应力应变曲线来判定人工生物瓣的拉伸强度和断裂伸长率。但是，由于人工生物瓣胶原纤维的独特结构决定了不能按照传统的方法来判定其弯曲性能和层间剪切性能。 

另外，人工生物瓣在应用过程中的主要弱点除了抗钙化性能外，另一个主要弱点就是其耐久性。找到一种直观的方法以能够判定胶原纤维螺旋结构中的层间结构性能，对于判定人工生物瓣胶原纤维的耐久性起到十分重要的作用。 

因此，通过采用合适的方法来及时检测人工生物瓣的弯曲性能和层间剪切性能，在研制人工生物瓣的过程中起到十分重要的作用。 

Joshua J.Lovekamp，Dan T.Simionescu，Jeremy J.Mercuri，BrettZubiate，Michael S.Sacks，Narendra R.Vyavahare的文献Stability andfunction of glycosaminoglycans in porcine bioprosthetic heart valves(Biomaterials，2006，27：1507-1518)中描述了采用溶液牵引力法来测量人工生物瓣的弯曲性能，其中在液态环境中通过一端增加牵引力的方法来使得人工生物瓣发生弯曲形变，然后通过测量人工生物瓣的弯 曲弧度来判断人工生物瓣的弯曲性能。根据该文献所描述的测量方法，需要采用牵引线慢慢步进的方法来对人工生物瓣进行弯曲性能测量，但是在该牵引过程中很容易使得人工生物瓣周围的液体产生紊流和涡流现象，这种流体作用力的干扰会使得测量过程中的精度受到严重影响。同时该测量方法花费的时间较长，操作步骤繁琐。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种人工生物瓣弯曲性能和层间剪切性能测试装置及方法，以克服现有技术存在的上述缺陷。 

根据本发明的一个方面，提供一种人工生物瓣弯曲性能和层间剪切性能测试装置，其包括：脉冲流体泵，管道，传输电机，传输杆，固定架，摄像系统，数据采集器，过滤器，以及观测池。其中所述传输电机设置在观测池上；所述传输杆的一端连接至传输电机，另一端悬于观测池中；所述固定架固定于传输杆位于观测池中的末端，用于安放人工生物瓣；所述脉冲流体泵通过管道与观测池相连，用于向人工生物瓣发射脉冲流体；所述过滤器通过管道连接在观测池和脉冲流体泵之间，用于将观测池中的流体进行过滤后提供给脉冲流体泵循环使用；所述摄像系统用于捕捉人工生物瓣的弯曲形变，并传输给数据采集器；所述数据采集器用于计算人工生物瓣在脉冲流体的压力作用下所产生的弯曲度，并根据人工生物瓣的弯曲度计算出人工生物瓣的弯曲强度和层间剪切强度。 

优选地，所述脉冲流体泵所发射的脉冲流体具有0.1mmHg-500mmHg范围的脉冲压力。 

优选地，所述流体为PBS缓冲溶液、生理盐水、Hank’s缓冲溶液、水、甘油、硅油和重油中的一种或多种。 

优选地，通过所述传输电机和传输杆来调节安放于固定架上的人 工生物瓣的测量位置。 

优选地，所述摄像系统为能够以每秒10000帧或更高的速度进行记录的高速摄像系统。另外优选地，所述数据采集器为角度计算器。 

优选地，所述摄像系统设置为使其镜头位于所述固定架的与管道的脉冲流体发射口相反的一侧，并与管道的脉冲流体发射口相对。 

根据本发明的另一方面，提供一种人工生物瓣弯曲性能和层间剪切性能测量方法，其包括以下步骤：将人工生物瓣的一端固定，使其另一端自由下垂在流体介质中；调节人工生物瓣在流体介质中的位置，使其中心区域对准流体管道口；从所述流体管道口向人工生物瓣发射脉冲流体；使得人工生物瓣在脉冲流体的压力作用下发生弯曲形变，通过调节流体压力来控制弯曲形变的大小；捕捉人工生物瓣的弯曲形变；计算人工生物瓣的弯曲度，并根据人工生物瓣的弯曲度计算出人工生物瓣的弯曲强度和层间剪切强度。 

在本发明的测量方法中，优选地，所述脉冲流体具有0.1mmHg-500mmHg范围的脉冲压力。另外优选地，所述流体为PBS缓冲溶液、生理盐水、Hank’s缓冲溶液、水、甘油、硅油和重油中的一种或多种。 

本发明的技术方案与现有技术中用于测量人工生物瓣弯曲性能和层间剪切性能的溶液牵引力法有明显不同。本发明的人工生物瓣弯曲性能和层间剪切性能测试装置采用脉冲流体泵所发射的脉冲流体来使得人工生物瓣发生弯曲形变，然后通过摄像系统来测量其弯曲弧度，进而获得人工生物瓣的弯曲性能和层间剪切性能。与现有技术的溶液牵引力法相比，本发明能够快速检测人工生物瓣胶原纤维的弯曲性能和层间剪切性能。 

而且，本发明的人工生物瓣弯曲性能和层间剪切性能测试装置及方法能够十分简便地检测人工生物瓣在化学改性过程中的弯曲性能和层间剪切性能，从而较快地判断人工生物瓣是否具有良好的耐久性；并且本发明的人工生物瓣弯曲性能和层间剪切性能测试装置具有很小的测量偏差，使得人工生物瓣弯曲性能和层间剪切性能得到很真实的表现。 

附图说明

图1为根据本发明优选实施例的人工生物瓣弯曲性能和层间剪切性能测试装置的结构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图示出的优选实施例对本发明的人工生物瓣弯曲性能和层间剪切性能测试装置进行详细说明。 

如图1所示，根据本发明优选实施例的人工生物瓣弯曲性能和层间剪切性能测试装置包括：脉冲流体泵1，管道2，传输电机3，传输杆4，固定架5，摄像系统6，数据采集器7，过滤器8，以及观测池9。 

其中观测池9是在测试过程中用来安放人工生物瓣的容器。观测池中容纳有流体介质。本发明对于采用的流体介质没有特别限制。但通常，所采用的流体介质应具有一定的反应惰性，不容易挥发。例如，可以采用PBS缓冲溶液、生理盐水、Hank’s缓冲溶液、水、甘油、硅油和重油中的一种或多种作为流体介质。观测池9上设置有传输电机3。传输杆4的一端连接至传输电机3，另一端悬于观测池9中。固定架5固定于传输杆4位于观测池9中的末端，起到用于固定人工生物瓣的夹具作用。固定架5例如可由不锈钢、陶瓷或聚四氟乙烯制成，其形状和结构可与普通夹具相同。在测试过程中，将人工生物瓣安放到固定架5上，通过传输电机3和传输杆4来调节固定架5的位置，从而可以调节人工生物瓣的测量位置。这样，能够方便地实现人工生物瓣 的安装和拆卸。 

观测池9通过管道2和脉冲流体泵1相连。在测试过程中，脉冲流体泵1向安放在观测池9中的人工生物瓣发射脉冲流体，使人工生物瓣在脉冲流体的压力下发生弯曲形变。脉冲流体泵1所发射的脉冲流体优选采用与观测池中相同的流体介质，在这种情况下，流体介质可以循环使用，如下文所述。并且优选地，脉冲流体泵1所发射的脉冲流体具有0.1mmHg-500mmHg范围的脉冲压力。 

还设置有摄像系统6，以用于在测试过程中捕捉人工生物瓣的弯曲形变。摄像系统6优选为高速摄像系统，即，能够以每秒10000帧或更高的速度进行记录。优选地，摄像系统6的镜头设置在固定架5的与管道2的脉冲流体发射口相反的一侧，并与管道2的脉冲流体发射口相对。应该理解，摄像系统6的镜头也可以设置在其他位置，只要其能够清楚捕捉到人工生物瓣的弯曲形变即可。数据采集器7与摄像系统6相连。优选地，采用角度计算器作为数据采集器7。在测试期间，当脉冲流体泵1向观测池9中的人工生物瓣发射脉冲流体时，人工生物瓣会发生弯曲形变，从而产生相应的弧度变化。通过摄像系统6的镜头将此传输给数据采集器7，由数据采集器7对人工生物瓣在脉冲流体压力作用下所产生的弯曲度进行计算，并根据所测得的人工生物瓣的弯曲弧度计算出人工生物瓣的弯曲强度和层间剪切强度。摄像系统和数据采集器(例如角度计算器)可通过商业购置而获得，并且其操作和测量方式均是本领域技术人员所熟知的，在此不再赘述。 

另外，过滤器8通过管道10连接在观测池9与脉冲流体泵1之间，以用于将观测池9中的流体进行过滤后提供给脉冲流体泵1循环使用。这是因为，在人工生物瓣测试过程中，会由于流体作用使得人工生物瓣中所含的一些蛋白颗粒、金属离子和脂肪层碎片等物质游离出来，这些物质会影响脉冲流体发射过程中的流体压力，因此设置过滤器8来确保流体被纯化，从而得到干净的流体，稳定流体性能。 

下面，分别给出采用现有技术的溶液牵引力法和本发明的技术方案对人工生物瓣弯曲性能和层间剪切性能进行测试的实例以进行比较说明。 

实例1-采用溶液牵引力法的对比例： 

其测试过程如下： 

1.将人工生物瓣一端固定在储存有水的容器壁上，另一端固定在牵引线上。 

2.在人工生物瓣上设置三个标记点，以通过三个标记点之间的弧度计算弯曲强度。 

3.通过电机使得牵引线向人工生物瓣固定在容器壁一端的方向移动。 

4.在移动过程中，人工生物瓣上设置的三个标记点的位置会发生相应的变化，通过三点之间的弧度计算出人工生物瓣的弯曲强度和层间剪切强度。 

实例2-本发明的实施例： 

其测试过程如下： 

1.将人工生物瓣一端固定在储存有PBS缓冲溶液的容器(即观测池)中位于传输杆下端的固定架上，另一端则自由下垂在PBS缓冲溶液中。 

2.通过传输电机和传输杆调节人工生物瓣在PBS缓冲溶液中的位置，使其中心区域对准流体管道口。 

3.通过脉冲流体泵发射脉冲流体，脉冲流体强度为0.5mmHg，使得人工生物瓣在脉冲流体压力下发生弯曲形变。 

4.在流体发射过程中，人工生物瓣发生相应的弧度变化，通过摄像系统的镜头将此传输至角度计算器，由角度计算器根据具体弧度计算出人工生物瓣的弯曲强度和层间剪切强度。 

在上述测试实例中，分别测量5组数据，记录完成这5组数据测量所需的时间，并计算这5组测量数据的标准差，以对两种方案进行比较。测试结果列于下表1和2中。其中表1示出了采用本发明的人工生物瓣弯曲性能和层间剪切性能测试装置与采用现有技术的溶液牵引力法分别测得的人工生物瓣的弯曲强度和层间剪切强度的5组测量数据。表2示出了两种方案完成测量所需时间以及由测量标准差所体现的测量稳定性对比。 

表1：人工生物瓣弯曲性能和层间剪切性能对比测试结果 

表2：人工生物瓣弯曲性能和层间剪切性能测试测量时间与测量稳定性比较 

  测试方案  测试时间(s)   弯曲强度标准差   剪切强度标准差   溶液牵引力法  120   ±6.23   ±2.23   本发明  5   ±1.1   ±0.18

从表2中可以清楚地看到，采用根据本发明的人工生物瓣弯曲性能和层间剪切性能测试装置及测量方法，使得测试进程大大加快，并 且测量偏差远小于现有技术的溶液牵引力法，弯曲性能和层间剪切性能得到很真实的表现。

因此，根据本发明的人工生物瓣弯曲性能和层间剪切性能测试装置及方法，能够在流体环境过程中测得模拟人体血液流动状态下的人工生物瓣弯曲性能和层间剪切性能，从而更好地表达出生物模拟条件下人工生物瓣的性能参数。 

应该理解，上述描述仅是示例性的。在不背离本发明的思想和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明作出多种修改和变化。 

附图标记列表： 

1：脉冲流体泵；2、10：管道；3：传输机；4：传输杆；5：固定架；6：摄像系统；7：数据采集器；8：过滤器；9：观测池。