本發(fā)明涉及皮膚粘彈性檢測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)：

目前，在臨床或日常健康檢測(cè)時(shí)的皮膚粘彈性測(cè)量方法有多種。例如，基于傳統(tǒng)材料力學(xué)測(cè)試的離體壓縮或拉伸皮膚粘彈性測(cè)量方法；基于印壓法的在體鋼印擠壓測(cè)量方法；基于吸入法的氣動(dòng)吸料測(cè)量方法；基于多普勒原理的超聲波測(cè)量方法等。其中，在體鋼印擠壓測(cè)量方法，根據(jù)激勵(lì)的形式，又分為靜載印壓測(cè)量方法和動(dòng)載印壓測(cè)量方法。傳統(tǒng)動(dòng)載印壓測(cè)量方法不能忽略傳統(tǒng)印探頭質(zhì)量，皮下組織對(duì)皮膚粘彈性測(cè)量影響大，導(dǎo)致測(cè)量精度低，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用電子元器件多，不能實(shí)現(xiàn)小型化，導(dǎo)致測(cè)量成本高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)動(dòng)載印壓測(cè)量方法測(cè)量精度低，測(cè)量成本高的問題，而提出一種皮膚粘彈性檢測(cè)裝置及方法。

一種皮膚粘彈性檢測(cè)裝置包括底板、壓力傳感探頭、u型支承架、彈簧、框架、夾板、滑桿、電機(jī)座、凸輪和電機(jī)；

底板上設(shè)置框架，電機(jī)通過電機(jī)座固定在框架上，凸輪安裝在電機(jī)的輸出軸上；

滑桿貫穿u型支承架，u型支承架固定于框架的側(cè)面，u型支承架中的彈簧套于滑桿上，其下端固定在u型支承架上，其上端固定在與滑桿固接的夾板上，使滑桿上端與凸輪輪廓靠緊，夾板的下表面設(shè)置位移檢測(cè)組件，用于檢測(cè)滑桿位移變化的電壓信號(hào)，滑桿下端與壓力傳感探頭剛性相連，壓力傳感探頭穿過底板孔與皮膚表面接觸，用于檢測(cè)皮膚所受壓力的電壓信號(hào)。

一種基于皮膚粘彈性檢測(cè)裝置的方法具體過程為：

將皮膚粘彈性檢測(cè)裝置的底板與待檢測(cè)部位的皮膚表面接觸，通過粘帶將皮膚粘彈性檢測(cè)裝置固定于待檢測(cè)部位的皮膚表面，打開電源開關(guān)，電機(jī)按720～780r/min的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，彈簧力的作用使滑桿與凸輪邊緣接觸，滑桿下端與壓力傳感探頭剛性相連，壓力傳感探頭穿過底板孔與皮膚表面接觸，并通過滑桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，給待檢測(cè)部位的皮膚表面輸入周期性位移；通過位移檢測(cè)組件檢出；同時(shí)，待檢測(cè)部位的皮膚表面由輸入周期性位移產(chǎn)生反作用力，反作用力由壓力傳感探頭檢出；

步驟一、構(gòu)建皮膚粘彈性檢測(cè)系統(tǒng)的受力模型的運(yùn)動(dòng)微分方程；具體過程為：

步驟二、消去皮膚粘彈性檢測(cè)系統(tǒng)的受力模型的運(yùn)動(dòng)微分方程中的質(zhì)量m，求解皮膚的粘性系數(shù)c和彈性系數(shù)k。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明提出一種皮膚粘彈性檢測(cè)方法及裝置。本方法基于動(dòng)態(tài)印壓法，通過多頻率耦合位移曲線構(gòu)成凸輪輪廓，以傳統(tǒng)凸輪與滑桿方式完成位移輸入，利用兩組傳感器，同時(shí)得到皮膚位移、壓力與時(shí)間的關(guān)系曲線，提高了測(cè)量精度。此外，提出了基于單自由度受迫振動(dòng)模型的皮膚粘彈性檢測(cè)新方法，推導(dǎo)基于有阻尼單自由度系統(tǒng)振動(dòng)理論的皮膚粘性、彈性計(jì)算公式，測(cè)定皮膚檢測(cè)部位輸入位移和壓力響應(yīng)的振幅幅值及其二者之間的相位差，計(jì)算出皮膚的粘性、彈性值；設(shè)計(jì)開發(fā)了以機(jī)械式位移輸入為特征的測(cè)量裝置，克服了印探頭等活動(dòng)部件質(zhì)量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)了無創(chuàng)性在體皮膚特性的測(cè)量；同時(shí)，簡(jiǎn)化了裝置結(jié)構(gòu)，可使裝置實(shí)現(xiàn)小型化，便于家庭應(yīng)用，降低檢測(cè)成本。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)動(dòng)載印壓測(cè)量方法測(cè)量精度低，測(cè)量成本高的問題。

結(jié)合圖7得出濾波后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為ω1＝12hz、ω2＝24hz、ω3＝37hz、ω4＝48hz，與預(yù)期的輸入頻率結(jié)果完全吻合。將濾波后所得的數(shù)據(jù)代入公式(8)和公式(9)，即可得到彈性系數(shù)和粘性系數(shù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明單自由度受迫振動(dòng)系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明單自由度受迫振動(dòng)系統(tǒng)受力模型示意圖；

圖3為皮膚粘彈性檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖，1為底板，2為壓力傳感探頭，3為u型支承架，4為彈簧，5為框架，6為夾板，7為滑桿，8為電機(jī)座，9為凸輪，10為電機(jī)；

圖4為凸輪輪廓及軌跡曲線示意圖；

圖5為檢測(cè)系統(tǒng)流程圖；

圖6為檢測(cè)實(shí)驗(yàn)圖；

圖7為實(shí)測(cè)位移(壓力)-時(shí)間波形圖；

圖8為彈性系數(shù)k的實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的一種皮膚粘彈性檢測(cè)裝置包括底板1、壓力傳感探頭2、u型支承架3、彈簧4、框架5、夾板6、滑桿7、電機(jī)座8、凸輪9和電機(jī)10；

底板1上設(shè)置框架5，電機(jī)10通過電機(jī)座8固定在框架5上，凸輪9安裝在電機(jī)10的輸出軸上；

滑桿7貫穿u型支承架3，u型支承架3固定于框架5的側(cè)面，夾板6與彈簧4位于u型支承架3u口內(nèi)部，u型支承架3中的彈簧4套于滑桿7上，彈簧4下端固定在u型支承架3上，彈簧4上端固定在與滑桿7固接的夾板6上，使滑桿7上端與凸輪9輪廓靠緊，夾板6的下表面設(shè)置位移檢測(cè)組件，用于檢測(cè)滑桿位移變化的電壓信號(hào)，滑桿7下端與壓力傳感探頭2剛性相連，壓力傳感探頭2穿過底板孔與皮膚表面接觸，用于檢測(cè)皮膚所受壓力的電壓信號(hào)。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：所述壓力傳感探頭2主要由一個(gè)壓力傳感器及其傳感器連接座組成，壓力傳感器的最大荷重為5n。

本發(fā)明中所涉及的皮膚粘彈性檢測(cè)原理與檢測(cè)裝置：圖3為檢測(cè)裝置的組成圖。該裝置主要由支承部分、傳力部分及檢測(cè)部分組成。由底板、u型支承架和框架共同組成了裝置的支承部分，其中底板用于直接接觸皮膚表面；傳力部分主要由電機(jī)、凸輪、滑桿和彈簧等組成，其中電機(jī)通過電機(jī)座固定在支承架上，而彈簧對(duì)滑桿起到支承、回復(fù)作用，其剛度以使滑桿在運(yùn)動(dòng)過程中始終靠緊凸輪輪廓為宜；檢測(cè)部分包括壓力傳感探頭和位移檢測(cè)組件組成，分別用于檢測(cè)皮膚所受壓力的電壓信號(hào)和滑桿位移變化的電壓信號(hào)。該裝置屬于可配戴型儀器。檢測(cè)時(shí)，將底板與皮膚接觸，通過粘帶將裝置固定于檢測(cè)部位。打開電源開關(guān)，電機(jī)按確定的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，因?yàn)閺椈闪Φ淖饔檬箤?dǎo)桿始終與凸輪邊緣緊密接觸，所以滑桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)軌跡由凸輪輪廓曲線確定?；瑮U下端與壓力傳感探頭剛性相連，壓力傳感部件穿過底板孔與皮膚表面接觸，并通過導(dǎo)桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，給檢測(cè)部位的皮膚輸入周期性位移。同時(shí)，由輸入位移產(chǎn)生的皮膚反作用力也由壓力傳感探頭檢出?；瑮U位移的檢測(cè)是采用非接觸式方法。位移檢測(cè)用反射板與滑桿固定在一起，當(dāng)滑桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑竿的位移通過光電位移傳感器檢出。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是：所述框架5與底板1通過螺釘固定連接。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是：所述電機(jī)座8與框架5通過螺釘固定連接。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至三之一相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是：所述u型支承架3與框架5通過螺釘固定連接。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至四之一相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至五之一不同的是：所述壓力傳感探頭2能夠通過底板1上設(shè)置的通過孔，并在通過孔內(nèi)移動(dòng)；所述電機(jī)10通過螺釘固定在電機(jī)座8上；所述凸輪9安裝在電機(jī)10的輸出軸上；所述滑桿7貫穿u型支承架3并通過安裝于u型支承架孔內(nèi)的滑動(dòng)軸承予以支承。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至五之一相同。

具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式的一種基于皮膚粘彈性檢測(cè)裝置的方法具體過程為：

前提：盡管皮膚由不同力學(xué)特性的三層組織組成，但是在研究皮膚組織整體力學(xué)特性時(shí)，通常將皮膚整體視為各向同性、多孔狀粘彈性材料。

皮膚作為粘彈性材料，當(dāng)探頭及活動(dòng)部件與皮膚接觸時(shí)構(gòu)成了有粘性阻尼的單自由度受迫振動(dòng)系統(tǒng)，模型如圖1所示。當(dāng)通過機(jī)械裝置給探頭輸入位移并加壓皮膚時(shí)，位于探頭前端的壓力傳感器就可測(cè)到皮膚對(duì)探頭產(chǎn)生的反作用力，也即是探頭對(duì)皮膚的作用力。由于肌肉組織不可壓縮，即加壓過程中其厚度不發(fā)生變化，因此可以考慮肌肉組織為剛性材料。而皮膚纖維固體架構(gòu)與毛細(xì)血管等在探頭作用下體積不斷縮小，由此帶來了彈性與粘性的力學(xué)特性。首先，皮膚纖維固體架構(gòu)對(duì)于動(dòng)態(tài)壓力變化，反應(yīng)迅速，在受到探頭作用時(shí)，發(fā)生變形并以彈性行為為主；同時(shí)，毛細(xì)血管逐漸被壓，以致管內(nèi)體積逐漸變小，從而使毛細(xì)血管內(nèi)組織液體不能快速的自由移動(dòng)，皮膚的粘性行為就會(huì)顯現(xiàn)出來。將探頭加壓過程中作用力、位移隨時(shí)間的變化記錄下來，可以發(fā)現(xiàn)兩者之間存在相位差，此相位差主要由皮膚的粘性行為導(dǎo)致。

步驟一、構(gòu)建皮膚粘彈性檢測(cè)系統(tǒng)的受力模型的運(yùn)動(dòng)微分方程；具體過程為：

步驟二、消去皮膚粘彈性檢測(cè)系統(tǒng)的受力模型的運(yùn)動(dòng)微分方程中的質(zhì)量m，求解皮膚的粘性系數(shù)c和彈性系數(shù)k。

具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式七不同的是：所述步驟一中構(gòu)建皮膚粘彈性檢測(cè)系統(tǒng)的受力模型的運(yùn)動(dòng)微分方程；具體過程為：

將皮膚粘彈性檢測(cè)裝置的底板1與待檢測(cè)部位的皮膚表面接觸，通過粘帶將皮膚粘彈性檢測(cè)裝置固定于待檢測(cè)部位的皮膚表面，打開電源開關(guān)，電機(jī)10按720～780r/min的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)凸輪9旋轉(zhuǎn)，彈簧力的作用使滑桿與凸輪9邊緣緊密接觸，滑桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)軌跡由凸輪輪廓曲線確定，滑桿7下端與壓力傳感探頭2剛性相連，壓力傳感探頭2穿過底板1孔與皮膚表面接觸，并通過滑桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，給待檢測(cè)部位的皮膚表面輸入周期性位移；通過位移檢測(cè)組件檢出；同時(shí)，待檢測(cè)部位的皮膚表面由輸入周期性位移產(chǎn)生反作用力，反作用力由壓力傳感探頭檢出；

皮膚粘彈性檢測(cè)系統(tǒng)與檢測(cè)對(duì)象-皮膚構(gòu)成了有粘性阻尼的單自由度受迫振動(dòng)系統(tǒng)；

滑桿位移的檢測(cè)是采用非接觸式方法。位移檢測(cè)用反射板與滑桿上的夾板固定在一起，當(dāng)滑桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑竿的位移通過光電位移傳感器檢出；

根據(jù)有粘性阻尼的單自由度受迫振動(dòng)系統(tǒng)理論，當(dāng)待檢測(cè)部位的皮膚表面受到垂直方向的輸入周期性位移為x(t)，則待檢測(cè)部位的皮膚表面由輸入周期性位移x(t)產(chǎn)生的反作用力的穩(wěn)態(tài)輸出簡(jiǎn)諧力為f(t)，如圖2所示；得出皮膚粘彈性檢測(cè)系統(tǒng)的受力模型的運(yùn)動(dòng)微分方程：

即

式中，m為皮膚粘彈性檢測(cè)系統(tǒng)探頭及運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，k為皮膚的彈性系數(shù)，c為皮膚的粘性系數(shù)；t為時(shí)間；x為皮膚表面受到垂直方向的輸入周期性位移；為x的一階導(dǎo)數(shù)；為x的二階導(dǎo)數(shù)。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式七相同。

具體實(shí)施方式九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式七或八不同的是：所述步驟二中消去皮膚粘彈性檢測(cè)系統(tǒng)的受力模型的運(yùn)動(dòng)微分方程中的質(zhì)量m，求解皮膚的粘性系數(shù)c和彈性系數(shù)k；具體過程為：

然而，在裝置加振過程中，探頭及活動(dòng)部件與支承部件會(huì)有接觸，即公式(1)中的質(zhì)量m并不獨(dú)立，要消掉公式中的質(zhì)量m，就必須輸入兩個(gè)頻率的簡(jiǎn)諧激振位移，并得到兩個(gè)頻率下的響應(yīng)。

當(dāng)待檢測(cè)部位的皮膚表面受到垂直方向的輸入周期性位移分別為x1(t)＝a1sinω1t和x2(t)＝a2sinω2t，則待檢測(cè)部位的皮膚表面由輸入周期性位移產(chǎn)生的反作用力為穩(wěn)態(tài)振動(dòng)后的輸出簡(jiǎn)諧力，分別為和

式中，b1、ω1、分別為對(duì)應(yīng)輸入周期性位移x1(t)＝a1sinω1t的輸出簡(jiǎn)諧力的振幅、頻率和相位角；b2、ω2、分別為對(duì)應(yīng)輸入周期性位移x2(t)＝a2sinω2t的輸出簡(jiǎn)諧力的振幅、頻率和相位角；a1、a2為輸入周期性位移的振幅；

將x1(t)和f1(t)代入式(2)可得

或

比較(4)式等號(hào)兩邊的系數(shù)得

同理，將x2(t)和f2(t)代入式(2)可得

將(5)式、(6)式中包含m的等式聯(lián)立得(7)式，并消去質(zhì)量m，

進(jìn)而求得彈性系數(shù)k

粘性系數(shù)c通過輸入周期性位移x1(t)＝a1sinω1t及其對(duì)應(yīng)的輸出簡(jiǎn)諧力的振幅、頻率和相位角求得；即，

其中，粘性系數(shù)當(dāng)輸入一個(gè)皮膚檢測(cè)部位沿x方向的輸入位移并測(cè)量穩(wěn)態(tài)振動(dòng)后的輸出簡(jiǎn)諧力后得出，而彈性系數(shù)則需輸入兩個(gè)皮膚檢測(cè)部位沿x方向的輸入位移并測(cè)量穩(wěn)態(tài)振動(dòng)后的輸出簡(jiǎn)諧力后得出；顯然，在選擇兩個(gè)皮膚檢測(cè)部位沿x方向的輸入位移的頻率時(shí)，應(yīng)保證在c和k不隨皮膚檢測(cè)部位的輸入位移的頻率變化的區(qū)間；事實(shí)上，這個(gè)區(qū)間是存在的。

當(dāng)給皮膚一個(gè)定振幅a和定頻率ω的簡(jiǎn)諧激振位移后，如能測(cè)量到皮膚響應(yīng)力的振幅b和相位角就能計(jì)算出皮膚的粘性系數(shù)c。

基于上述的單自由度受迫振動(dòng)系統(tǒng)的原理，把皮膚和加振裝置構(gòu)成一個(gè)具有粘性阻尼的單自由度受迫振動(dòng)系統(tǒng)，通過測(cè)量探頭壓入皮膚的深度(位移)和探頭測(cè)得的皮膚的響應(yīng)力的變化，通過上述公式實(shí)現(xiàn)皮膚的彈性系數(shù)和粘性系數(shù)的測(cè)量。

如前所述，為了能夠檢測(cè)出皮膚的彈性系數(shù)k，位移輸入需要2個(gè)以上的頻率同時(shí)輸入。所以，凸輪輪廓曲線應(yīng)由2個(gè)或2個(gè)以上的簡(jiǎn)諧位移的疊加。圖4所示為按照r＝r0+a0(sinωt+sin2ωt+sin3ωt+sin4ωt)4個(gè)簡(jiǎn)諧位移疊加的凸輪輪廓和位移曲線，其中，r0是凸輪基圓的半徑，a0是根據(jù)皮膚厚度而確定的探頭壓入深度的系數(shù)；

其中a1、a2、b1、b2、ω1、ω2、的求解過程為：

位移檢測(cè)組件檢出輸入周期性位移x1(t),x2(t)和壓力傳感探頭檢出穩(wěn)態(tài)振動(dòng)后的輸出簡(jiǎn)諧力f1(t),f2(t)，將x1(t),x2(t)、f1(t),f2(t)輸入皮膚粘彈性檢測(cè)裝置，如圖5，

送到如圖5所示的電子檢測(cè)系統(tǒng)，將輸入周期性位移和輸出簡(jiǎn)諧力通過高通濾波和低通濾波進(jìn)行分離，求得a1、a2、b1、b2、ω1、ω2、并代入公式(8)和公式式(9)，即可得到皮膚檢測(cè)部位的彈性系數(shù)k和粘性系數(shù)c，實(shí)現(xiàn)皮膚健康情況的隨時(shí)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式七或八相同。

采用以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果：

實(shí)施例一：

本實(shí)施例一種皮膚粘彈性檢測(cè)裝置及方法具體是按照以下步驟制備的：

步驟一，將皮膚粘彈性檢測(cè)系統(tǒng)固定于手臂內(nèi)側(cè)中軸線，距離手腕邊界10cm處，用醫(yī)用粘帶綁于手臂,要求兩繃帶裸露處皮膚不緊繃，即裝置基本通過自身重力與皮膚緊密接觸，如圖6所示

步驟二，打開電源，使電機(jī)按720r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，通過電機(jī)輸出軸上的凸輪給皮膚的檢測(cè)部位在垂直于皮膚表面的方向輸入位移，頻率分別為ω1＝12hz，ω2＝24hz，ω3＝36hz，ω4＝48hz。

步驟三，將位移檢測(cè)組件得到的的輸入周期性位移x(t)和壓力傳感探頭得到的皮膚反作用力的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的輸出f(t)送入示波記錄儀檢出并顯示、記錄，如圖7所示。

步驟四，對(duì)圖7所示的位移-時(shí)間波形和壓力-時(shí)間波形進(jìn)行濾波處理，得到兩個(gè)輸入位移及其輸出力的振幅、頻率和相位角a1、a2、b1、b2、ω1、ω2、以頻率為例，濾波后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為ω1＝12hz、ω2＝24hz、ω3＝37hz、ω4＝48hz，與預(yù)期的輸入頻率結(jié)果是吻合的。

步驟五，將濾波后所得的數(shù)據(jù)代入(8)和(9)式，即可得到彈性系數(shù)和粘性系數(shù)。圖8是7個(gè)實(shí)驗(yàn)者的彈性系數(shù)k的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？紤]到傳感探頭具有一定的面積，所以換算成了單位面積上的力，單位是mpa。粘性系數(shù)c很小，忽略了。

本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。