一种鼠尾椎骨动态加载装置

1.本发明涉及一种加载装置，具体涉及一种骨组织力学加载装置，属于骨组织力学加载技术领域。


背景技术：

2.骨是维持人体生命的重要器官，它构成了人体的支架，是人体运动系统的重要组成部分，具有支持、保护和运动的功能。骨组织对力学刺激比较敏感，可以通过不断地调整其外部形态和内部组织结构来适应不断变化的力学环境。力学刺激使骨骼形态发生变化对维持骨骼性能至关重要，当人们从事各种活动时，如爬楼梯、慢跑甚至站在原地，都会在骨上作用有载荷，并引起骨基质不同程度的变形。
3.关于力致骨重建的调控机制，国内外已经从分子、细胞到组织进行了不同方面的探究。而在体实验则通常是选取鼠进行相关研究。目前已有的骨组织力学加载实验装置包括在体状态下对大鼠尾椎进行静态拉伸与压缩或对离体组织的动态加载装置，现有的骨组织力学加载装置主要有以下几个缺点：
4.(1)静态加载装置无法调节加载频率；
5.(2)传统加载装置冗余结构多造成力学损耗较大，不能精确测量作用于样本的实际力的大小。
6.(3)离体加载样本无法获知长期力学载荷作用下骨小梁微结构的演化过程以及相关的细胞分布规律。
7.关于骨的过量加载以及精确控制的动态加载，并没有好的试验装置。但是关于骨的外界载荷变化与骨量及骨结构的量化分析，对于揭示和探究力致骨重建的调控机制具有十分重要的意义。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明提供一种鼠尾椎骨动态加载装置，结构简单，且能够动态调节加载方向及加载频率。
9.本发明的技术方案是：一种鼠尾椎骨动态加载装置，包括：控制单元、底座以及安装在底座上的动态加载单元；
10.所述动态加载单元包括：驱动单元、导轨、移动拉杆和保定器；
11.导轨安装座和保定器分别固定在所述底座同一直线的两端；所述移动拉杆与设置在所述导轨安装座上的导轨滑动配合；
12.所述驱动单元在所述控制单元的控制下驱动所述移动拉杆沿导轨往复滑动；
13.所述保定器用于固定试验鼠体，所述保定器朝向所述导轨安装座一端的端部设置用于使鼠尾穿出的通孔；
14.所述导轨安装座与所述保定器之间的底座上设置有鼠尾固定端，用于固定设定位置处的鼠尾椎骨；
15.所述移动拉杆朝向保定器一端的端部也设置有鼠尾固定端。
16.在上述方案的基础上，进一步的，所述驱动单元包括：电机、凸轮和连杆；
17.所述电机通过电机座固定在导轨安装座上；
18.所述凸轮固定安装在电机的输出轴上；
19.所述连杆的一端通过中心孔支撑在所述凸轮外部，另一端通过连接座与移动拉杆相连；当所述电机带动凸轮转动时，所述凸轮通过所述连杆带动移动拉杆沿导轨往复滑动。
20.在上述方案的基础上，进一步的，在所述在连接座与所述移动拉杆之间固接有力学传感器；所述力学传感器与所述控制单元电连接。
21.在上述方案的基础上，进一步的，所述鼠尾固定端在所述底座的位置可调，使所述移动拉杆与鼠尾固定端之间的距离可调。
22.在上述方案的基础上，进一步的，所述控制单元中设置显示器，实时显示所述力学传感器所获取的动态力学参数。
23.在上述方案的基础上，进一步的，在所述底座上并列设置两个以上所述动态加载单元，所述控制单元对各驱动单元进行分别独立控制。
24.在上述方案的基础上，进一步的，所述鼠尾固定端表面具有凹槽，配合设置在其上方的压片a实现对鼠尾尾椎骨的固定。
25.在上述方案的基础上，进一步的，所述移动拉杆朝向保定器一端的端部向上延伸有凸起，凸起表面具有凹槽，配合设置在其上方的压片b实现对鼠尾尾椎骨的固定。
26.有益效果：
27.(1)本发明能够自动对设定位置的鼠尾椎骨进行设定幅度下的动态循环加载，整个装置由控制单元自由调控所需动态加载条件，操作简单安全。
28.(2)动态加载单元中采用凸轮来控制加载行程，能够实现高频率的循环动态加载。
29.(3)动态加载单元上装有力传感器，能够将加载过程中作用于尾椎骨的作用力实际记录并保存。
30.(4)鼠尾固定端在底座的位置可调，使移动拉杆与鼠尾固定端之间的距离可以灵活调节；由此能够方便改变对尾椎位移加载的边界条件，且使该装置也能够实现对鼠尾椎骨的静态加载。
31.(5)在底座上设置多个动态加载单元，能够实现多实验鼠同时进行不同方向及频率的动态加载。
附图说明
32.图1为本发明的动态加载装置的主视图(不包括底座和控制单元)；
33.图2为本发明的动态加载装置的爆炸图(不包括底座和控制单元)；
34.图3为具有四个动态加载模块的加载装置的俯视图。
35.其中：1-电机；2-连杆；3-凸轮；4-电机座；5-导轨安装座；6-力传感器；7-导轨；8-移动拉杆；9-鼠尾固定端；10-压片a；11-压片b；12-保定器；13-底座；14-控制单元
具体实施方式
36.下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。
37.实施例1：
38.本实施例提供一种鼠尾椎骨动态加载装置，该加载装置为可以自由调控加载方向与频率的在体鼠尾椎加载系统，能够用来研究在体状态下骨内骨小梁的微结构变化规律以及相关的细胞学分布之间的关系，进而探究力致骨组织重建的分子生物学机制。
39.如图1-图3所示，该加载装置包括：控制单元、底座13以及安装在底座13上的动态加载单元；动态加载单元包括：电机1、凸轮3、连杆2、导轨安装座5、导轨7、移动拉杆8和保定器12；
40.导轨安装座5和保定器12分别固定在底座13同一直线的两端；电机1通过电机座4固定在导轨安装座5上(具体的：电机1的输出轴的端部通过轴承3支撑在电机座4上)；凸轮3通过紧固件固定安装在电机1的输出轴上(其中凸轮3基圆的圆心位于电机输出轴的轴线上)，连杆2的一端通过中心孔支撑在凸轮3外部(凸轮3偏心圆的圆心位于连接2的中线孔的轴线上)，另一端通过连接座与移动拉杆8相连，且在连接座与移动拉杆8之间固接有力学传感器6；移动拉杆8以及连接座底面与设置在导轨安装座5上的导轨7滑动配合。电机1为凸轮3提供动力，通过凸轮3提供正弦运动，当电机1带动凸轮3转动时，凸轮3通过连杆2带动移动拉杆8沿导轨7往复滑动。根据凸轮3的偏心距(即凸轮3基圆圆心与偏心圆圆心之间的距离)来确定振幅，以保证拉伸距离为设定值(即保证移动拉杆8的往复移动距离为设定值)。由此能够通过动态加载单元对设定尾椎骨位置进行同一幅度的动态循环加载；通过改变凸轮3的偏心距能够实现动态循环加载幅度的调节。
41.力学传感器6与控制单元电连接，用于实时检测动态加载过程中移动拉杆8的受力情况，并将检测结果发送给控制单元，由此对加载过程中尾椎骨所受力进行实时记录和传输；此外，控制单元通过控制电机1的启停、转速和转动方向，实现整个装置的动态加载开关、频率、方向的控制。
42.保定器12安装在底座13上，用于固定活体大鼠；保定器12端部设置用用于使鼠尾穿出的通孔；使用时，将活体大鼠头部及身体置于保定器12内部，鼠尾穿出保定器12端部通孔。
43.底座13上，导轨7与保定器12之间设置有鼠尾固定端9，用于固定设定位置处的鼠尾尾椎骨；本例中，将第7尾椎骨固定于鼠尾固定端9；鼠尾固定端9表面具有凹槽，配合设置在其上方的压片a11实现对鼠尾尾椎骨的固定；具体的：压片a11下端面同样具有凹槽，与鼠尾固定端9表面凹槽对接后形成用于使鼠尾穿过的通孔，然后将压片a11通过紧固件固定在鼠尾固定端9表面，实现对该位置的鼠尾尾椎骨的夹紧固定。
44.移动拉杆8朝向保定器12一端的端部也设置有鼠尾固定端，即移动拉杆8朝向保定器12一端的端部向上延伸有凸起，凸起表面具有凹槽，配合设置在其上方的压片b10实现对鼠尾尾椎骨的固定(与上述压片a11与鼠尾固定端9的配合方式相同)；本例中，将第9尾椎骨固定于移动拉杆8上的鼠尾固定端。由此，使第八节尾椎骨位于移动拉杆8与鼠尾固定端9之间。
45.本例中，通过固定实验鼠第七和第九节尾椎骨，进而能够通过控制移动拉杆8运动对位于中间的第八节尾椎骨进行动态加载，且可根据实验需要施加不同方向和不同频率的载荷。动态加载单元中采用凸轮3来控制加载行程，以实现高频率的循环动态加载。
46.采用该动态加载装置对鼠尾椎骨进行循环动态加载的步骤为：
47.首先将试验用活体大鼠头朝保定器12，尾朝移动拉杆8放入保定器12中，露出尾巴。然后将将第7尾椎骨通过鼠尾固定端9夹紧固定，将第9尾椎骨通过移动拉杆8上的鼠尾固定端夹紧固定；然后通过控制单元14启动电机1通过移动拉杆8对第八节尾椎骨进行循环动态加载；通过控制单元14调节动态加载的方向与频率，所获动态力学参数通过力学传感器6存储在控制单元14中通过内存卡获取，可于计算机中进行后续实验处理。
48.为直观获得力学参数，可在控制单元14中设置显示器，实时显示力学传感器6所获取的动态力学参数。
49.此外，鼠尾固定端9在底座13的位置可调(可以在底座13上沿移动拉杆8的移动方向设置多组鼠尾固定端9的安装孔，试验时，依据试验需求选择鼠尾固定端9的安装位置)，使移动拉杆8与鼠尾固定端9之间的距离可以灵活调节。由此能够方便改变对尾椎位移加载的边界条件，且使该装置也能够实现对鼠尾椎骨的静态加载，即在动态加载单元处于静止不工作状态下，使鼠尾固定端9与移动拉杆8之间的鼠尾椎骨也处于拉伸或者压缩状态，以实现静态压缩或拉伸。同时，鼠尾固定端9在底座13的位置可调也使该装置能够适应不同的试验鼠。
50.实施例2：
51.在上述实施例1的基础上，可以增加实验组数量，以高效同步的完成多组不同加载方向和频率的实验。
52.如图3所示，在底座13上并列设置多个动态加载单元，各动态加载单元中的电机1分别与控制单元14相连，通过控制单元分别控制各电机1的启停、转速和转动方向；由此能够同时可以提供多实验鼠同时进行不同方向及频率的精确调控。
53.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。