整體膨脹教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

張昆亞　吳寶平　王輝等

摘要：整體膨脹實(shí)驗(yàn)是獲得具有特定形狀軟組織力學(xué)特性的重要研究方法，該方法有助于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和獨(dú)立思考能力，該實(shí)驗(yàn)很少應(yīng)用于在相關(guān)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐工作中，因此，本文旨在設(shè)計(jì)用于生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)的整體膨脹實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以滿足相關(guān)教學(xué)需要。

關(guān)鍵詞：膨脹教學(xué)；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；思考能力

軟組織力學(xué)特性是生物力學(xué)教學(xué)中的重要內(nèi)容，對(duì)于解釋疾病的發(fā)生發(fā)展具有重要的作用，不同組織（包括正常組織和病理組織）的力學(xué)特性不同，其臨床表現(xiàn)也不同。可見，了解軟組織的力學(xué)特性對(duì)于醫(yī)生深入認(rèn)識(shí)疾病具有重要的意義。而對(duì)于我校生物力學(xué)課程的授課對(duì)象一醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生而言，使他們了解力學(xué)特性的相關(guān)知識(shí)和方法就顯得非常必要。

目前，軟組織力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)方法主要包括拉伸實(shí)驗(yàn)和整體膨脹實(shí)驗(yàn)，拉伸實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)軟組織的條狀試件進(jìn)行單軸或雙軸拉伸，利用實(shí)驗(yàn)機(jī)記錄軸向或雙方向的載荷位移數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理獲得材料的力學(xué)特性。拉伸實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、所用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，數(shù)據(jù)處理方便等，但對(duì)于具有特定性狀的軟組織而言，通過拉伸實(shí)驗(yàn)無法獲得準(zhǔn)確的力學(xué)響應(yīng)，整體膨脹實(shí)驗(yàn)則可以在不破壞軟組織形狀的基礎(chǔ)上，模擬生物體在體時(shí)的生理狀態(tài)，通過對(duì)整體軟組織進(jìn)行加壓，進(jìn)而獲得軟組織形變隨壓強(qiáng)的變化規(guī)律。

可見，對(duì)于具有特性形狀的軟組織材料，通過整體膨脹實(shí)驗(yàn)獲得的力學(xué)響應(yīng)更符合生理實(shí)際，獲得的力學(xué)特性更準(zhǔn)確，該方法是目前研究軟組織力學(xué)特性的重要實(shí)驗(yàn)方法。對(duì)于生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)而言，讓學(xué)生了解生物力學(xué)領(lǐng)域的重要研究方法是重要的教學(xué)任務(wù)，雖然整體膨脹實(shí)驗(yàn)在相關(guān)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐工作中很少見到，但是考慮到我校生物力學(xué)課程的授課對(duì)象為醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生，因此，開發(fā)滿足實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)需要的整體膨脹實(shí)驗(yàn)非常必要。

1.整體膨脹實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

整體膨脹實(shí)驗(yàn)是在不破壞軟組織整體形狀的情況下，對(duì)整體軟組織進(jìn)行加壓，同時(shí)記錄軟組織內(nèi)壓和變形的信息，通過數(shù)據(jù)處理，獲得軟組織的力學(xué)響應(yīng)。整體膨脹實(shí)驗(yàn)的主要研究對(duì)象是管狀組織（主要包括血管）和類球缺狀組織（角膜、鞏膜、虹膜）。通過對(duì)血管等管狀材料進(jìn)行整體膨脹實(shí)驗(yàn)，可以獲得血管直徑隨血管內(nèi)壓的變化規(guī)律；而對(duì)于類球缺狀材料，則可以得到頂點(diǎn)位移隨眼內(nèi)壓的變化或面積變化隨眼內(nèi)壓的變化。實(shí)際中，我們以管狀材料（兔腹主動(dòng)脈）整體膨脹實(shí)驗(yàn)為例，在已有工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和搭建了整體膨脹實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，規(guī)范了實(shí)驗(yàn)操作流程，統(tǒng)一了圖像和數(shù)據(jù)處理等流程，獲得了管狀材料的力學(xué)響應(yīng)和材料特性。

1.1實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 管狀材料的整體膨脹實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括加壓裝置和軟組織形變圖像采集和記錄系統(tǒng)。具體的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖1，加壓裝置為微量注射泵，通過傳感器和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)記錄加壓過程中的壓力變化；軟組織形變圖像采集和記錄系統(tǒng)主要包括顯微鏡、CCD和計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)過程中，通過加壓裝置對(duì)管狀材料進(jìn)行加壓，同時(shí)采集和記錄軟組織的變形信息。

1.2實(shí)驗(yàn)操作步驟 采用過量麻醉劑將新西蘭兔處死，開腹分離腹主動(dòng)脈，取出試件并置于生理鹽水中備用。測(cè)量并記錄血管壁厚、直徑和長(zhǎng)度。

將試件兩端固定于夾具，將試件置于生理鹽水浴內(nèi)。連接設(shè)備，將壓力傳感器調(diào)零。調(diào)整試件位置，使CCD拍攝效果最佳。

對(duì)血管試件進(jìn)行預(yù)調(diào)，通過微量注射泵向血管內(nèi)注射生理鹽水，當(dāng)血管內(nèi)壓達(dá)到100 mmHg時(shí)停止注射，并卸載，當(dāng)血管內(nèi)壓達(dá)到0 mmHg時(shí)完成一次預(yù)調(diào)。預(yù)調(diào)三次后，進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)。

利用微量注射泵向血管內(nèi)注入生理鹽水，對(duì)血管進(jìn)行加壓，加壓的同時(shí)，用CCD連續(xù)拍攝血管的形變圖像。當(dāng)血管內(nèi)壓達(dá)到300 mmHg時(shí)，停止注射。之后，利用微量注射泵回抽生理鹽水對(duì)血管進(jìn)行卸載，當(dāng)血管內(nèi)壓達(dá)到0 mmHg時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

1.3數(shù)據(jù)處理 對(duì)于血管材料，我們關(guān)注加壓過程中血管直徑的變化。因此，針對(duì)獲得的血管變形的序列圖像，利用Adobe Imageready軟件對(duì)血管直徑進(jìn)行測(cè)量，見圖2，在血管中段，通過血管上下表面做垂線，圖中的藍(lán)線即為血管直徑。