本发明涉及待测生物组织检测技术，具体涉及一种激光共聚焦载物台生物组织单轴拉伸仪及其测量方法。
背景技术：
激光共聚焦显微镜被广泛地用来观察待测生物组织微观形态、辨别组织成分和比例。随着科学研究的深入，人们需要进一步解析待测生物组织在力学信号下的响应，来进一步探究微观尺度下组织中弹性纤维、胶原纤维、细胞以及细胞基质之间的作用关系，以及在拉伸荷载作用下各组分产生的变形情况，以此作为基准发展生物力学实验体系，所测试实验结果可用于有限元理论分析，也可以为组织工程和3d打印生物器官作理论基础。由于激光共聚焦显微镜的载物台主要功能是放置试样，普遍特点是空间提及狭小并且不能放置太重物品，否则影响观测精度，且待测生物组织必须放在生理容易中保持活性。但是目前激光共聚焦显微镜没有匹配的微拉伸装置，不能时时观测在拉力作用下产生的组织结构变形，待测生物组织的原位拉伸实验与微结构研究受到限制。
技术实现要素：
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种激光共聚焦载物台生物组织单轴拉伸仪及其测量方法。
本发明的一个目的在于提出一种激光共聚焦载物台生物组织单轴拉伸仪。
本发明的激光共聚焦载物台生物组织单轴拉伸仪包括：框架、力传感器、滚珠滑板、螺旋千分尺、刻度尺、移动连接块、平动转换块、滚珠、移动钩式夹具、固定钩式夹具、固定件、玻璃皿、传力杆、连杆、盖玻片、计算机和激光共聚焦显微镜；其中，框架位于水平平面，置于激光共聚焦显微镜载物台上，内部中空；在框架的中心设置有玻璃皿；玻璃皿的底面中心具有凸台，凸台的中心开设有通光孔，在通光孔上设置盖玻片密封，从而形成通光窗口；在玻璃皿之下设置激光共聚焦显微镜，激光共聚焦显微镜的镜头对准通光窗口；在框架的一端开设有通孔，螺旋千分尺的螺旋杆的顶端穿过通孔深入至框架内，螺旋千分尺的中心轴为拉伸方向；螺旋千分尺的螺旋杆的顶端固定在位于框架内的移动连接块上；移动连接块对着玻璃皿的一端设置有平动转换块；平动转换块对着玻璃皿的一端设置有移动钩式夹具；框架位于移动钩式夹具的两侧内边缘分别设置有滚珠滑板；在每一个滚珠滑板的内置轨道中设置有多个滚珠；平动转换块位于在一对滚珠滑板之间，平动转换块通过滚珠在滚珠滑板的内置轨道中移动；在框架的另一端设置有力传感器，力传感器连接至计算机；力传感器对着玻璃皿的一端抵在传力杆的一端，传力杆的另一端通过固定件固定在固定钩式夹具上；传力杆为阶梯状，包括依次连接的第一平行杆、阶梯杆和第二平行杆，第一和第二平行杆平行于拉伸方向，且第二平行杆低于第一平行杆，二者之间由阶梯杆连接，第一平行杆、阶梯杆和第二平行杆位于拉伸方向所在的平面内，阶梯杆的中心固定在垂直于拉伸方向的连杆上，连杆的两端分别固定在框架的两侧；玻璃皿的上表面低于滚珠滑板，移动连接块、平动转换块、螺旋千分尺和第一平行杆均高于玻璃皿的上表面；玻璃皿内盛装保证待测生物组织活性的生理溶液；移动钩式夹具和固定钩式夹具分别位于玻璃皿的两端且均低于玻璃皿的上表面，并且与玻璃皿内凸台上盖玻片表面在同一水平面上，等厚薄片状的待测生物组织夹在移动钩式夹具和固定钩式夹具之间位于玻璃皿的生理溶液内，使得待测生物组织紧贴于玻璃皿内凸台上盖玻片上；刻度尺固定在框架内侧与待测生物组织平行，以便读取移动位移；框架、力传感器、滚珠滑板、螺旋千分尺、移动连接块、平动转换块、滚珠、移动钩式夹具、固定钩式夹具、固定件、玻璃皿、传力杆和连杆均关于拉伸方向对称；旋转螺旋千分尺，螺旋千分尺的螺旋杆转动带动平动转换块沿拉伸方向移动，将旋转转换成水平移动，改变移动钩式夹具与固定钩式夹具之间的位移，对等厚薄片状的待测生物组织进行均匀拉伸，拉伸过程处于单轴拉伸状态，不发生剪切与扭转变形；待测生物组织由于均匀拉伸产生均匀变形，从而受力均匀；力通过传力杆传递至力传感器，力传感器采集力并传输至计算机，从而得到待测生物组织所受到的应力；读取螺旋千分尺和刻度尺的刻度得到位移，对两个位移取平均值得到最终位移，计算机根据位移计算应变，从而得到应力与应变之间的关系，得到待测生物组织的力学响应；同时，通过激光共聚焦显微镜，在力学环境下，观察待测生物组织的结构改变并拍摄，实现在原位拉伸下测量力学响应和观察微结构改变。
移动钩式夹具和固定钩式夹具包括固定端板和多个弯钩，在固定端板上设置多个等间隔的弯钩。本发明采用钩式夹具，具体操作将均匀的弯钩均匀插入待测生物组织里面，钩住待测生物组织，然后实施拉伸，由于圣维南原理，待测生物组织中间段认为是均匀拉伸，从而保证夹具能夹住柔软的待测生物组织。一侧弯钩的数量为3～5；相邻的弯钩之间的距离为3～5mm。
玻璃皿为恒温生理溶液槽，组织没有染色，待测生物试件通过震荡切片机切片成等厚薄片状的待测生物组织保证了厚度均匀，仅通过自发荧光在激光共聚焦显微镜下观测其微结构改变，未进行染色固定，并放置在生理溶液中，通过向恒温水槽内输送外置循环水保持37°恒温以模拟体内环境，完全模拟载体环境，同时观测微结构改变。内置凸台为匹配倒置激光共聚焦显微镜镜头，其凸台截面为梯形截面，上端有通光孔用盖玻片密封。恒温生理溶液槽内内置空槽凸台处所用载玻片的厚度在0.15～0.2mm之间，以保证激光共聚焦观测效果；并在使用不同待测生物组织时，可以更换，以盖玻片保证洁净。从而能够结合倒置激光共聚焦显微镜，实现原位观测待测生物组织微结构的目的。
传力杆的第一平行杆的前端为球形压头，球形压头与力传感器紧密接触连接，传力杆在拉伸过程中，属于二力杆，即下端的待测生物组织所受的拉力等于球形压头与力传感器之间的接触力，以确保力传感器读数等于待测生物组织受到的拉力。并且传力杆相比于待测生物组织具有105倍刚度，在拉伸过程中，保证传力杆产生的变形可以忽略不计。平动转换块与滚珠滑板设有圆形槽轨道，滚珠位于圆形槽轨道内，两者刚度比较高、材料硬度比较高，如铜或者不锈钢，在使用过程中几乎无形变和无磨损。
本发明的另一个目的在于提出一种激光共聚焦载物台生物组织单轴拉伸仪的测量方法。
本发明的激光共聚焦载物台生物组织单轴拉伸仪的测量方法，包括以下步骤：
1)在玻璃皿之下设置激光共聚焦显微镜，激光共聚焦显微镜的镜头对准通光窗口；
2)在玻璃皿内盛装生理溶液；
3)使用震荡切片机将待测生物试件切割成等厚薄片状的待测生物组织，夹在移动钩式夹具和固定钩式夹具之间，并且位于玻璃皿的生理溶液内；
4)旋转螺旋千分尺，螺旋千分尺的螺旋杆转动带动平动转换块沿拉伸方向移动，将旋转转换成水平移动，改变移动钩式夹具与固定钩式夹具之间的位移，对待测生物组织进行均匀拉伸，拉伸过程处于单轴拉伸状态，不发生剪切与扭转变形；
5)待测生物组织由于均匀拉伸产生均匀变形，从而受力均匀；
6)力通过传力杆传递至力传感器，力传感器采集力并传输至计算机，从而得到待测生物组织所受到的应力；
7)读取螺旋千分尺和刻度尺的刻度得到位移，两个读数相互校对，如果误差小于5％，
对两个位移取平均值得到最终位移，如果误差大于5％，则卸载螺旋千分尺施加的应力，将螺旋千分尺的螺旋杆归零，然后旋转螺旋千分尺重复步骤4)～6)重新进行加载，计算机根据位移计算应变，从而得到应力与应变之间的关系，得到待测生物组织的力学响应；
8)同时，通过激光共聚焦显微镜，在力学环境下，观察待测生物组织的结构改变并拍摄，实现在原位拉伸下测量力学响应和观察微结构改变。
其中，在步骤7)中，应变满足：
本发明的优点：
本发明采用钩式夹具，将片状的待测生物组织加在移动钩式夹具和固定钩式夹具之间，再实施拉伸，从而保证夹具能夹住柔软的待测生物组织；在移动端，采用平动转换块与滚珠滑板，两者刚度比较高、材料硬度比较高，在使用过程中几乎无形变和无磨损；在玻璃皿的底部中心设置有通光窗口，通过激光共聚焦显微镜，在力学环境下，观察待测生物组织的结构改变并拍摄，实现在原位拉伸下测量力学响应和观察微结构改变；待测生物组织至于恒温生理溶液内，能保证待测生物组织在拉伸过程中的活性，从而能反映载体情况；变形的测量采用螺旋千分尺和刻度尺相互校对，力的测量采用了刚度大的二力杆，能保证测量的准确性。
附图说明
图1为本发明的激光共聚焦载物台生物组织单轴拉伸仪的俯视图；
图2为本发明的激光共聚焦载物台生物组织单轴拉伸仪的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的激光共聚焦载物台生物组织单轴拉伸仪包括：框架1、力传感器2、滚珠滑板3、螺旋千分尺4、移动连接块5、平动转换块6、滚珠7、移动钩式夹具8、固定钩式夹具9、固定件10、玻璃皿11、传力杆12、连杆14、刻度尺15、盖玻片16、弯钩17、计算机和激光共聚焦显微镜；其中，框架1位于水平平面，置于激光共聚焦显微镜载物台上，内部中空；在框架1的中心设置有玻璃皿11；玻璃皿11的底面中心具有凸台，凸台的中心开设有通光孔，在通光孔上设置盖玻片16密封，从而形成通光窗口；在玻璃皿11之下设置激光共聚焦显微镜，激光共聚焦显微镜的镜头对准通光窗口；在框架1的一端开设有通孔，螺旋千分尺4的螺旋杆的顶端穿过通孔深入至框架1内，螺旋千分尺4的中心轴为拉伸方向；螺旋千分尺4的螺旋杆的顶端固定在位于框架1内的移动连接块5上；移动连接块5对着玻璃皿11的一端设置有平动转换块6；平动转换块6对着玻璃皿11的一端设置有移动钩式夹具8；框架1位于移动钩式夹具8的两侧内边缘分别设置有滚珠滑板3；在每一个滚珠滑板3的内置轨道中设置有多个滚珠7；在滚珠滑板3之间设置有平动转换块6，平动转换块6通过滚珠7在滚珠滑板3的内置轨道中移动；在框架1的另一端设置有力传感器2，力传感器2通过第一螺丝13-1与框架1固定，力传感器2连接至计算机；力传感器2对着玻璃皿11的一端抵在传力杆12的一端，传力杆12的另一端通过固定件10固定在固定钩式夹具9上；传力杆12为阶梯状，包括依次连接的第一平行杆、阶梯杆14和第二平行杆，三者与拉伸方向位于同一个平面内，第一和第二平行杆平行于拉伸方向，且第二平行杆低于第一平行杆，二者之间由阶梯杆14连接，阶梯杆的中心固定在垂直于拉伸方向的连杆14上，连杆的两端分别固定在框架1的两侧；玻璃皿11的上表面低于滚珠滑板3，移动连接块5、平动转换块6、螺旋千分尺4和第一平行杆均高于玻璃皿11的上表面；移动钩式夹具8和固定钩式夹具9分别位于玻璃皿11的两端且均低于玻璃皿11的上表面，并且与玻璃皿11内凸台上盖玻片16表面在同一水平面上，移动钩式夹具和固定钩式夹具夹持待测生物组织后能紧贴于玻璃皿内凸台上盖玻片上，盖玻片光滑，不会影响待测生物组织的拉伸平移；玻璃皿11内盛装保证待测生物组织活性的生理溶液；等厚薄片状的待测生物组织夹在移动钩式夹具8和固定钩式夹具9之间位于玻璃皿11的生理溶液内；刻度尺15固定在框架1内侧与待测生物组织平行，以便读取移动位移；框架1、力传感器2、滚珠滑板3、螺旋千分尺4、移动连接块5、平动转换块6、滚珠7、移动钩式夹具8、固定钩式夹具9、固定件10、玻璃皿11、传力杆12和连杆14均关于拉伸方向对称。移动钩式夹具和固定钩式夹具包括固定端板的宽度为25mm，在每一个固定端板沿宽度上设置均匀的五个弯钩17。
在本实施例中，固定件10采用销钉，移动钩式夹具通过第二螺丝13-2与平动转换块6连接，平动转换块6通过第三螺丝13-3与移动连接块5连接。
待测生物试件来自饲养家兔；生理溶液能保证组织的活性，溶液配比为：na ：150mmol/l，k ：3.0mmol/l，cl-：143mmol/l，po43-：0.6mmol/l，ca2 ：2.6mmol/l，mg2 ：1.0mmol/l，hco3-：12.0mmol/l，葡萄糖：10.在实验开始时，须在溶液中通入95％氧气和5％二氧化碳的气体，从而保持溶液ph值为7.4。
本实施例的激光共聚焦载物台生物组织单轴拉伸仪的测量方法，包括以下步骤：
1)在玻璃皿之下设置激光共聚焦显微镜，激光共聚焦显微镜的镜头对准通光窗口；
2)在玻璃皿内盛装生理溶液；
3)使用震荡切片机将待测生物试件切割成等厚薄片状的待测生物组织，夹在移动钩式夹具和固定钩式夹具之间，并且位于玻璃皿的生理溶液内；
4)旋转螺旋千分尺，螺旋千分尺的螺旋杆转动带动平动转换块沿拉伸方向移动，将旋转转换成水平移动，改变移动钩式夹具与固定钩式夹具之间的位移，对片状的待测生物组织进行均匀拉伸，拉伸过程处于单轴拉伸状态，不发生剪切与扭转变形；
5)待测生物组织由于均匀拉伸产生均匀变形，从而受力均匀；
6)力通过传力杆传递至力传感器，力传感器采集力并传输至计算机，从而得到待测生物组织所受到的应力；
7)读取螺旋千分尺和刻度尺的刻度得到位移，两个读数相互校对，如果误差小于5％，
对两个位移取平均值得到最终位移，如果误差大于5％，则卸载螺旋千分尺施加的应力，将螺旋千分尺的螺旋杆归零，然后旋转螺旋千分尺重复步骤4)～6)重新进行加载，计算机根据位移计算应变，从而得到应力与应变之间的关系，得到待测生物组织的力学响应：
σ＝e:ε，求得弹性模量e，即测量了待测生物组织的力学响应；
8)同时，通过激光共聚焦显微镜，在力学环境下，观察待测生物组织的结构改变并拍摄，实现在原位拉伸下测量力学响应和观察微结构改变。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
1.一种激光共聚焦载物台生物组织单轴拉伸仪，其特征在于，所述激光共聚焦载物台生物组织单轴拉伸仪包括：框架、力传感器、滚珠滑板、螺旋千分尺、刻度尺、移动连接块、平动转换块、滚珠、移动钩式夹具、固定钩式夹具、固定件、玻璃皿、传力杆、连杆、盖玻片、计算机和激光共聚焦显微镜；其中，框架位于水平平面，置于激光共聚焦显微镜载物台上，内部中空；在框架的中心设置有玻璃皿；玻璃皿的底面中心具有凸台，凸台的中心开设有通光孔，在通光孔上设置盖玻片密封，从而形成通光窗口；在玻璃皿之下设置激光共聚焦显微镜，激光共聚焦显微镜的镜头对准通光窗口；在框架的一端开设有通孔，螺旋千分尺的螺旋杆的顶端穿过通孔深入至框架内，螺旋千分尺的中心轴为拉伸方向；螺旋千分尺的螺旋杆的顶端固定在位于框架内的移动连接块上；移动连接块对着玻璃皿的一端设置有平动转换块；平动转换块对着玻璃皿的一端设置有移动钩式夹具；框架位于移动钩式夹具的两侧内边缘分别设置有滚珠滑板；在每一个滚珠滑板的内置轨道中设置有多个滚珠；平动转换块位于在一对滚珠滑板之间，平动转换块通过滚珠在滚珠滑板的内置轨道中移动；在框架的另一端设置有力传感器，力传感器连接至计算机；力传感器对着玻璃皿的一端抵在传力杆的一端，传力杆的另一端通过固定件固定在固定钩式夹具上；传力杆为阶梯状，包括依次连接的第一平行杆、阶梯杆和第二平行杆，第一和第二平行杆平行于拉伸方向，且第二平行杆低于第一平行杆，二者之间由阶梯杆连接，第一平行杆、阶梯杆和第二平行杆位于拉伸方向所在的平面内，阶梯杆的中心固定在垂直于拉伸方向的连杆上，连杆的两端分别固定在框架的两侧；玻璃皿的上表面低于滚珠滑板，移动连接块、平动转换块、螺旋千分尺和第一平行杆均高于玻璃皿的上表面；玻璃皿内盛装保证待测生物组织活性的生理溶液；移动钩式夹具和固定钩式夹具分别位于玻璃皿的两端且均低于玻璃皿的上表面，并且与玻璃皿内凸台上盖玻片表面在同一水平面上，等厚薄片状的待测生物组织夹在移动钩式夹具和固定钩式夹具之间位于玻璃皿的生理溶液内，使得待测生物组织紧贴于玻璃皿内凸台上盖玻片上；刻度尺固定在框架内侧与待测生物组织平行，以便读取移动位移；框架、力传感器、滚珠滑板、螺旋千分尺、移动连接块、平动转换块、滚珠、移动钩式夹具、固定钩式夹具、固定件、玻璃皿、传力杆和连杆均关于拉伸方向对称；旋转螺旋千分尺，螺旋千分尺的螺旋杆转动带动平动转换块沿拉伸方向移动，将旋转转换成水平移动，改变移动钩式夹具与固定钩式夹具之间的位移，对等厚薄片状的待测生物组织进行均匀拉伸，拉伸过程处于单轴拉伸状态，不发生剪切与扭转变形；待测生物组织由于均匀拉伸产生均匀变形，从而受力均匀；力通过传力杆传递至力传感器，力传感器采集力并传输至计算机，从而得到待测生物组织所受到的应力；读取螺旋千分尺和刻度尺的刻度得到位移，对两个位移取平均值得到最终位移，计算机根据位移计算应变，从而得到应力与应变之间的关系，得到待测生物组织的力学响应；同时，通过激光共聚焦显微镜，在力学环境下，观察待测生物组织的结构改变并拍摄，实现在原位拉伸下测量力学响应和观察微结构改变。
2.如权利要求1所述的激光共聚焦载物台生物组织单轴拉伸仪，其特征在于，所述移动钩式夹具和固定钩式夹具包括固定端板和多个弯钩，在固定端板上设置多个等间隔的弯钩；将均匀的弯钩均匀插入待测生物组织里面，钩住待测生物组织，然后实施拉伸，由于圣维南原理，待测生物组织中间段认为是均匀拉伸，从而保证夹具能夹住柔软的待测生物组织。
3.如权利要求1所述的激光共聚焦载物台生物组织单轴拉伸仪，其特征在于，所述玻璃皿为恒温生理溶液槽，待测生物组织没有染色，待测生物试件通过震荡切片机切片成等厚薄片状的待测生物组织保证了厚度均匀，仅通过自发荧光在激光共聚焦显微镜下观测其微结构改变，未进行染色固定，并放置在生理溶液中，通过向恒温水槽内输送外置循环水保持恒温以模拟体内环境，完全模拟载体环境，同时观测微结构改变。
4.如权利要求1所述的激光共聚焦载物台生物组织单轴拉伸仪，其特征在于，所述玻璃皿内的凸台处所用载玻片的厚度在0.15～0.2mm之间，以保证激光共聚焦观测效果。
5.如权利要求1所述的激光共聚焦载物台生物组织单轴拉伸仪，其特征在于，所述传力杆的第一平行杆的前端为球形压头，球形压头与力传感器紧密接触连接，传力杆在拉伸过程中，属于二力杆，即下端的待测生物组织所受的拉力等于球形压头与力传感器之间的接触力。
6.如权利要求1所述的激光共聚焦载物台生物组织单轴拉伸仪，其特征在于，所述平动转换块与滚珠滑板设有圆形槽轨道，滚珠位于圆形槽轨道内，二者采用刚度高且硬度高的材料，在使用过程中无形变和无磨损。
7.一种如权利要求1所述的激光共聚焦载物台生物组织单轴拉伸仪的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：
1)在玻璃皿之下设置激光共聚焦显微镜，激光共聚焦显微镜的镜头对准通光窗口；
2)在玻璃皿内盛装生理溶液；
3)使用震荡切片机将待测生物试件切割成等厚薄片状的待测生物组织，夹在移动钩式夹具和固定钩式夹具之间，并且位于玻璃皿的生理溶液内；
4)旋转螺旋千分尺，螺旋千分尺的螺旋杆转动带动平动转换块沿拉伸方向移动，将旋转转换成水平移动，改变移动钩式夹具与固定钩式夹具之间的位移，对待测生物组织进行均匀拉伸，拉伸过程处于单轴拉伸状态，不发生剪切与扭转变形；
5)待测生物组织由于均匀拉伸产生均匀变形，从而受力均匀；
6)力通过传力杆传递至力传感器，力传感器采集力并传输至计算机，从而得到待测生物组织所受到的应力；
7)读取螺旋千分尺和刻度尺的刻度得到位移，两个读数相互校对，如果误差小于5％，对两个位移取平均值得到最终位移，如果误差大于5％，则卸载螺旋千分尺施加的应力，将螺旋千分尺的螺旋杆归零，然后旋转螺旋千分尺重复步骤4)～6)重新进行加载，计算机根据位移计算应变，从而得到应力与应变之间的关系，得到待测生物组织的力学响应；
8)同时，通过激光共聚焦显微镜，在力学环境下，观察待测生物组织的结构改变并拍摄，实现在原位拉伸下测量力学响应和观察微结构改变。
8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，在步骤7)中，应变满足：
