整体膨胀教学实验平台的设计

张昆亚　吴宝平　王辉等

摘要：整体膨胀实验是获得具有特定形状软组织力学特性的重要研究方法，该方法有助于培养学生的动手能力和独立思考能力，该实验很少应用于在相关的学生实验和实践工作中，因此，本文旨在设计用于生物力学实验和实践教学的整体膨胀实验平台，以满足相关教学需要。

关键词：膨胀教学；实验平台；思考能力

软组织力学特性是生物力学教学中的重要内容，对于解释疾病的发生发展具有重要的作用，不同组织（包括正常组织和病理组织）的力学特性不同，其临床表现也不同。可见，了解软组织的力学特性对于医生深入认识疾病具有重要的意义。而对于我校生物力学课程的授课对象一医学相关专业学生而言，使他们了解力学特性的相关知识和方法就显得非常必要。

目前，软组织力学特性的实验方法主要包括拉伸实验和整体膨胀实验，拉伸实验主要针对软组织的条状试件进行单轴或双轴拉伸，利用实验机记录轴向或双方向的载荷位移数据，通过数据处理获得材料的力学特性。拉伸实验操作简单、所用设备标准规范，数据处理方便等，但对于具有特定性状的软组织而言，通过拉伸实验无法获得准确的力学响应，整体膨胀实验则可以在不破坏软组织形状的基础上，模拟生物体在体时的生理状态，通过对整体软组织进行加压，进而获得软组织形变随压强的变化规律。

可见，对于具有特性形状的软组织材料，通过整体膨胀实验获得的力学响应更符合生理实际，获得的力学特性更准确，该方法是目前研究软组织力学特性的重要实验方法。对于生物力学实验和实践教学而言，让学生了解生物力学领域的重要研究方法是重要的教学任务，虽然整体膨胀实验在相关的学生实验和实践工作中很少见到，但是考虑到我校生物力学课程的授课对象为医学相关专业学生，因此，开发满足实验和实践教学需要的整体膨胀实验非常必要。

1.整体膨胀实验平台的设计

整体膨胀实验是在不破坏软组织整体形状的情况下，对整体软组织进行加压，同时记录软组织内压和变形的信息，通过数据处理，获得软组织的力学响应。整体膨胀实验的主要研究对象是管状组织（主要包括血管）和类球缺状组织（角膜、巩膜、虹膜）。通过对血管等管状材料进行整体膨胀实验，可以获得血管直径随血管内压的变化规律；而对于类球缺状材料，则可以得到顶点位移随眼内压的变化或面积变化随眼内压的变化。实际中，我们以管状材料（兔腹主动脉）整体膨胀实验为例，在已有工作的基础上，设计和搭建了整体膨胀实验平台，规范了实验操作流程，统一了图像和数据处理等流程，获得了管状材料的力学响应和材料特性。

1.1实验测试系统设计 管状材料的整体膨胀实验平台主要包括加压装置和软组织形变图像采集和記录系统。具体的实验装置示意图见图1，加压装置为微量注射泵，通过传感器和数据采集分析系统记录加压过程中的压力变化；软组织形变图像采集和记录系统主要包括显微镜、CCD和计算机。实验过程中，通过加压装置对管状材料进行加压，同时采集和记录软组织的变形信息。

1.2实验操作步骤 采用过量麻醉剂将新西兰兔处死，开腹分离腹主动脉，取出试件并置于生理盐水中备用。测量并记录血管壁厚、直径和长度。

将试件两端固定于夹具，将试件置于生理盐水浴内。连接设备，将压力传感器调零。调整试件位置，使CCD拍摄效果最佳。

对血管试件进行预调，通过微量注射泵向血管内注射生理盐水，当血管内压达到100 mmHg时停止注射，并卸载，当血管内压达到0 mmHg时完成一次预调。预调三次后，进行正式实验。

利用微量注射泵向血管内注入生理盐水，对血管进行加压，加压的同时，用CCD连续拍摄血管的形变图像。当血管内压达到300 mmHg时，停止注射。之后，利用微量注射泵回抽生理盐水对血管进行卸载，当血管内压达到0 mmHg时，实验结束。

1.3数据处理 对于血管材料，我们关注加压过程中血管直径的变化。因此，针对获得的血管变形的序列图像，利用Adobe Imageready软件对血管直径进行测量，见图2，在血管中段，通过血管上下表面做垂线，图中的蓝线即为血管直径。