专利名称：利用声波测量人工生物瓣膜改性程度的装置及方法在人工生物瓣的制备过程中，生物瓣本身存在着机械强度低，易降解和失效等缺点，因此往往需要通过化学交联修饰(或改性)的方法来提高其稳定性。此外，人工生物瓣膜在植入人体的过程中，只有通过修饰来改变其表面性能和组织结构才能提高其使用寿命。常用的化学交联剂是戊二醛，它可以提高瓣膜(即心包)材料的强度，改进心包材料的物理及化学性能。由于戊二醛是一种同型双功能交联剂，其两个醛基可分别与两个相同或不同分子的伯氨基形成khiff碱，将两个分子以五碳桥连接起来。当戊二醛在水溶性的体系中与生物性材料发生交联时，情况较复杂，戊二醛单体的醛基可与生物材料中胶原成分的赖氨酸或羟赖氨酸残基的E2氨基反应生成khiff碱并形成胶原分子内交联；同时，因在水溶液中发生醇醛缩合而生成的长链的戊二醛聚合物也与前述氨基酸残基的E2氨基发生反应形成胶原分子间交联，甚至形成胶原微纤维间的交联。戊二醛具有亲水和疏水的混合特性，可很快地渗入生物性材料的水性介质和细胞膜内，故能在短时间内有效地交联材料。 但浓度不宜高，因高浓度的戊二醛可快速交联组织材料的表面部分并形成一层保护屏障， 阻止进一步的交联，而这也伴随着心包材料的孔隙率(或吸音率)的变化。在人工生物瓣膜改性过程中，由于需要使用多种化学试剂进行处理，一旦其中某一步处理过度或者处理不足，都将会影响到后续的处理工艺，其中包括温度，化学试剂浓度，PH值等的改变，这些过程是一个组态化的工艺流程，所以要求在处理过程中，对心包材料在经过物理及化学修饰后所发生的结构变化(即修饰或改性程度)作出实时快速的测定。例如，由于交联剂导致的人工生物瓣膜中胶原蛋白之间和弹性蛋白之间的交联作用，因而需要通过一定的测量手段来确定在交联处理后瓣膜的改性程度。现有技术中存在以下几种方式来测量经过戊二醛修饰或改性后所导致的人工生物瓣膜(以下简称瓣膜)的结构变化，来确定修饰或改性程度。如文献 Gilberto Goissis, Domingo Marcolino Brai 1 e, Nel Iy CristinaCarneval1i, Vladimir Aparecido Ramirez. Materials Research. 2009，12 113-119所公开的，采用差示扫描量热法测定了心包材料经过戊二醛改性后的结构变化而导致的吸水率的变化。再如文献 Beatriz Arenaz, Marian Martin Maestro, Pilar Fernandez, Javier Turnay, Nieves Olmo, Jesiis Senen, Javier Gil Mur, Maria AntoniaLizarbe, Eduardo Jorge-Herrero. Biomaterials. 2004,25 :3359-3368 所记载的，其采用 X-射线衍射的方法观察了心包材料经过戊二醛改性后的修饰程度。然而，上述两篇对比文献中所测量的变化都受到人工生物瓣膜中的交联度影响， 同时孔隙率的大小则反映交联度的大小，两者是正相关的。这些现有技术中存在的技术问题是测量样品的面积太小，而且它们都是随机取样，无法表征人工生物瓣膜的整体交联度特征。此外，这些现有测量技术所使用的仪器存在价格昂贵、操作复杂、样品测试时间长等缺点。
本发明的目的在于提供一种利用声波测量人工生物瓣膜孔隙率的装置，以克服现有技术存在的上述缺陷。为此，本发明提出了采用声波测量人工生物瓣膜改性程度的方法。声波测量设备具有快速、准确、扫描面积大的特点，从而取代了采用耗时且扫描面积小的现有检测方法， 以期能实时反映人工生物瓣的改性结果，快速调节人工生物瓣膜改性的组态化工艺流程。声音源于物体的振动，它引起邻近空气的振动而形成声波，并在空气介质中向四周传播。当声音传入构件材料(例如瓣膜组织)表面时，声能一部分被反射，一部分穿透材料，还有一部由于构件材料的振动或声音在其中传播时与周围介质摩擦，由声能转化成热能，声能被损耗，即通常所说的声音被材料吸收了。由于人工生物瓣膜的多孔性、薄膜作用或共振作用而对入射声能具有吸收作用。 吸声材料要与周围的传声介质的声特性阻抗匹配，使声能无反射地进入吸声材料，并使入射声能绝大部分地被吸收。本发明的声波测定装置和方法正是基于上述原理作出的。具体来说，本发明提出了一种利用声波测量人工生物瓣膜改性程度的装置，该装置包括声波发生器，所述声波发生器能够发射适合测量人工生物瓣膜孔隙率的测量声波； 扬声器，其输入端与声波发生器的输出端耦合；声波传导装置，置于一测量腔室中，通过所述声波传导装置将由扬声器发出的测量声波导入所述测量腔室中，所述声波传导装置的声波输出端口面对待测样品设置，从而将测量声波导向待测样品，同时所述声波传导装置的另一端与声量计耦合；其中声量计还与声波发生器耦合连接；以及样品夹，用于固定待测样品。样品夹可以是双卡环结构，用于在两个卡环结构之间固定待测样品，并且所述双卡环结构的外周与所述测量腔室的内表面滑动配合。样品夹还可以进一步包括一弹性支撑体，该弹性支撑体可以将待测样品朝向所述声波传导装置方向拱起或至少迫使待测样品朝向声波传导装置方向的表面保持平展。将测量腔室作为阻抗匹配器，用于调节待测样品与测量腔室中的传声介质之间的声阻抗。可以通过激光焊接将所述扬声器与所述阻抗匹配器对接，从而共同构成所述测量腔室。在所述扬声器与所述声波发生器之间还可以设置一功率放大器。测量腔室的内部是声波密闭的，并且测量腔室中的各内表面都由声波全反射材料构成。所述装置还可以包括与所述声量计滑动配合的比例尺，该比例尺用于指示出所述声波传导装置的另一端与所述待测样品的表面之间的距离。在测量腔室中所述声波传导装置的远离待测样品的一端处、和/或在所述样品夹背向测量腔室的一侧还设置至少一个声波防反射器。所述装置还可以包括对测量腔室抽真空的装置和向测量腔室中引入作为传声介质的保护气体的装置。此外，本发明还提出了一种利用声波测量人工生物瓣膜改性程度的方法，所述方法包括如下步骤(a)将待测样品置于声密闭的测量腔室内，(b)向待测样品发射预定频率的测量声波，(C)通过测量待测样品的吸音率α或孔隙率，确定样品的改性程度。所述方法还 可以包括重复步骤(a)至(C)并记录每次的测量结果，比对各测量结果或与标准值进行比较，以确定样品的改性程度。当吸音率在0.05 < α <0.2的范围内时，表明改性程度良好所述方法还可以包括如下步骤将密闭的测量腔室抽真空，然后向所述测量腔室中充入用作传声介质的保护性气体。图1为本发明的声波测量人工生物瓣膜孔隙率的装置结构示意图；图2为本发明的声波测量装置中无盖样品夹的透视图；图3为本发明的声波测量装置中有盖样品夹的透视图；图4为本发明的声波测量装置的另一实施方式的示意图。图5为本发明的声波测量方法的流程图。以下将参照附图对本发明进行详细说明，其中示出了本发明的典型实施方式。但是，本发明可以不同的形式来实施，且不能理解为限于这里说明的各种。而是，提供这些实施方式，从而使得该公开更加充分和全面，对于本领域技术人员来说，更充分地表达本发明的范围。全文中，同样的附图标记对应同样的元件或要素。对于每个附图中相同的要素将不再重复说明。
描述本发明的优选实施例。本装置通过人工生物瓣膜在改性过程中所发生的三维孔洞结构的变化而导致的吸音性能的变化来测量人工生物瓣膜在改性过程中的改性程度，较多的孔洞结构将会导致较大的孔隙率或吸音率，反之亦然。具体来说，本发明提出了一种利用声波测量人工生物瓣膜改性程度的装置，该装置包括测量腔室9、声波发生器1、功率放大器2、阻抗调谐器3、样品夹4、声量计5、扬声器 6、声波传导装置7、比例尺8等。请参照图1，至少一个测量腔室9用于放置待测样品14，所述测量腔室在放入待测样品14后，应保持其内部整体的声波密闭性，从而使所述测量腔室中的声波仅在该腔室内传播而不外泄。所述测量腔室9的截面形状可以是任何适当的平面几何形状，但优选地是圆形、椭圆形或方形等有利于声波密闭的规则几何形状。优选地，仅保留该腔室的一个侧面可以打开，以便将样品导入其中。腔室的其他侧面可以是事先完全封闭好的、或通过其他现有的密封方式密封连接在一起的若干侧壁或其他部件或组件。优选地，除了使样品导入的侧面之外的所述测量腔室的其他所有侧面的内表面都由声波全反射材料构成，例如，由致密的钢板(例如钨钢板)、石英玻璃、或者其他声波全反射合金材料等构成。当所述测量腔室9的各侧面由上述声波全反射材料构成时，可以省略所述测量腔室的外壳。当所述测量腔室的侧壁或外壳由其他材料制成时，优选地，在这些侧壁的内表面上通过现有工艺，涂覆或经镀膜工艺设置至少一层声波全反射材料涂(镀)层，例如，特氟龙、聚氨酯，以便使这些内表面能够保持对测量腔室中的声波进行全反射。所述的声波全反射材料层或涂(镀)层本身或与外壳一同构成了本装置中的阻抗调谐器3，用于调节待测材料与腔室中的传声介质(通常为空气)之间的阻抗匹配。通常情况下，所述阻抗调谐器3在本发明的测量装置出厂时已经设定好，而无需在测量过程中作进一步调整。优选地，可以根据样品的大小等实际需要来调节阻抗调谐器3的横截面，或者配备不同尺寸的阻抗调谐器。 在所述测量腔室的另一个侧面，优选地是在与待测样品的导入侧相对的侧面上设置声波传导装置7，所述声波传导装置7可以是常规的喇叭状扩音器或者是至少一个声波导管，用于将声波导入所述测量腔室9中。所述声波传导装置或声波导管的内、外表面最好也由声波全反射材料涂层构成。优选地，在所述声波传导装置或声波导管的后端(图1中的右侧)处与所述声波传导装置或声波导管同轴地设置一防反射器10，用于将测量腔室9 中传来的声波朝向待测样品方向(例如图1中的左侧方向)全反射。优选地，所述防反射器10由与阻抗调谐器3相同的材料构成，或者由其他声波全反射材料构成，也可以使用在其他材料上涂覆与测量腔室的侧壁相同的声波全反射涂(镀)层来构成所述防反射器10。 当所述测量腔室不太长，例如小于等于0. 5米时，也可以无需设置所述防反射器10。所述声波传导装置7与扬声器6耦合，以便通过扬声器的输出端将测量用声波导入所述声波传导装置7中。可以借助任何常规的方法将扬声器6输出的声波输入到声波传导装置7中。扬声器6的输入端连接功率放大器2，该功率放大器2将来自声波发生器1的声波进行放大后输入给扬声器6。通常，声波发生器1优选使用正弦波发生器，其可选的发声频率范围为1 100000Hz的正弦波，优选使用1600 8000Hz波长范围的声波，更优选为2000Hz。当声波发生器1自身具有功率放大功能时，就不需要再为本发明的测量装置增设功率放大器2，而可以将符合要求的测量声波直接输出至扬声器6。理想地，当声波发生器1可以直接产生测量所需的声波时，除了功率放大器以外，还可以省略扬声器6。S卩，将声波发生器1与声波传导装置7直接耦合。对于扬声器6和功率放大器2都可以采用现有的常规产品，只要它们能够符合测量人工生物瓣膜的声波要求即可。此外功率放大器2和声波发生器1可以分别单独设置， 或者可以将功率放大器设置在测量腔室9的外表面上、或者其他适当的位置处。本发明的一种替代实施方式是将所述扬声器6与所述阻抗调谐器3密闭连接构成所述测量腔室9。具体说，所述阻抗调谐器3由致密的钢板材料构成，所述扬声器6通过激光焊接和/或借助弹性聚氨酯材料作为密封材料与阻抗调谐器3的相应侧面对接以保持声波密闭性。也可以采用其他现有的声波密封方式将扬声器6与阻抗调谐器3对接，从而使扬声器6的内表面与阻抗调谐器3的内表面共同构成测量腔室9。声波传导装置7的一端(图1中的左端)设置成与待测样品面对，而另一端(图 1中的右端)除了与扬声器匹配连接以外，还与声量计5耦合连接。根据实际需要，声波传导装置7可以具有从几厘米到数米范围内的长度，例如0. 5-10米，优选为0. 5米至5米的范围。优选地，如图1所示，当扬声器6与阻抗调谐器3 —同构成所述测量腔室9时，声波传导装置7在穿过扬声器时与扬声器6匹配连接，以便将声波导入声波传导装置7。另外， 与前述的密封结构类似，在声波传导装置7穿过扬声器6时，应保持它们之间连接的声波密闭性。同时，穿 过扬声器6的声波传导装置7的一端向测量腔室外部延伸而与声量计5匹配连接，以便将待测材料经吸收后的反射波沿与入射声波的导入方向相反的方向(图1中向右的方向)进入声波传导装置7，从而在声波传导装置7内形成驻波。声量计5可以是测量声波吸音率或孔隙率的声量计等声波测量装置。声量计5还与声波发生器1匹配耦合。最好通过数据线将声波发生器1和声量计 5耦合连接(图中未示出)，以便协调和控制声量计5对经由声波发生器和/或功率放大器的发射声波的测量与在发射间歇或之后对反射声波的测量，从而在声波发生器1发射测量脉冲声波时测量入射波在声波传导装置7中形成的驻波音压的最大值和最小值，而在声波发生器1的脉冲间歇期间测量经待测材料吸收后的反射波在声波传导装置7内形成的驻波音压的最大值和最小值，并通过本文后面示出的公式计算出材料的吸音率。当使用功率放大器2时，优选地在声波发生器1、功率放大器2和声量计5之间通过数据线彼此耦合连接 (图中未示出)，以实现上述相同的协调和控制功能。此外，优选地，声量计5可以与一比例尺8匹配，用来指示出所述声波传导装置7 的另一端与待测样品之间的距离。可以将声量计5可滑动地安装在比例尺8上，或借助轮子等，使其可以在比例尺8上滑动，以便带动声波传导装置7沿图1中的水平方向移动，使得可以调节声波传导装置7在测量腔室中的端部与待测样品14之间的距离d。该距离可以根据实际需要，通过滑动声量计5进而推/拉声波传导装置7来调节。现在参照附图2和3描述样品夹4。根据样品的形状，样品夹4分为有盖和无盖两种。样品夹4的工作原理可以类似活塞的工作原理，即样品夹4通过周向地声波密封与所述测量腔室9的内表面相匹配，并且借助润滑油等润滑材料在测量腔室9中可自由滑动。 例如，可以借助弹性0型密封圈(例如由丁氰橡胶或硅胶等构成的密封圈)来保证样品夹4 的周边与测量腔室9内表面之间的声波密闭性。优选地，样品夹的外周边的形状与测量腔室9的内表面的截面形状相吻合，以便更好地实现声波密闭性。无盖样品夹适合于较硬的样品，即样品的厚度较厚，或者在固定或测量过程中样品不易产生褶皱或变形。样品夹4面向声波传导装置7的表面用来固定待测样品。具体的固定方式可以采用卡扣连接方式，即如图2所示，在两个彼此嵌套扣合的卡环(A，B)之间固定待测样品14，以便使样品的一个表面可以直接暴露于测量腔室9中面对声波传导装置 7而设置。两个卡环(A，B)中的外卡环A的直径或外形应略小于测量腔室的直径或截面形状，以便使携带样品的卡环能顺利载入测量腔室中、并保持与测量腔室的内壁滑动配合。此夕卜，在外卡环A的外周还可以进一步设置，例如弹性密封环，以便保持测量腔室9的声波密闭性。当待测样品较薄、或待测样品在固定或测量期间极易发生褶皱或形变时，最好使用加盖的或有盖的样品夹。如图3所示，所述有盖样品夹4在与待测样品接触的表面之间设置一支撑体或支撑结构15，该支撑结构15可以是钢片或铁片等，优选地该支撑体具有弹性，从而可以将样品朝向声波传导装置7的方向拱起或至少迫使样品朝向声波传导装置方向的表面保持平展，以便保证测量的精确性。可以在支撑结构15的外侧(图3中的左侧) 设置一手柄16，用以通过外力辅助支撑结构15支撑样品。还可以在 内卡环B的一侧与壁面一体成型地设计成具有球面或凸起表面的有盖形状，以该球形或凸起表面作为所述支撑体支撑待测样品。还可以使用其他类似的固定或可形变结构作为所述支撑体。优选地，为了更好地保证测量腔室中的声密闭性能，在样品夹4的外侧(图1中的左端)，即手柄16 —端，还可以设置一与声波传导装置7后端上设置的防反射器10类似的防反射器13。防反射器13的直径或截面可以略大于测量腔室的样品入口，以便完全密闭测量腔室。也可以使防反射器13与样品夹一同随动进入测量腔室9，此时需要通过与前述类似的密封方式来保持防反射器的外周边与测量腔室9的内壁之间的声波密闭性。此外，还可以在样品夹一侧的测量腔室9的入口附近，在测量腔室内壁上设置凸起或挡块(图中未示出)，以便防止样品夹4过度进入测量腔室。再有，还可以通过将上述实施方式中所述的彼此嵌套的扣合卡环的直径设置得比测量腔室的直径略大，以便将固定了样品的卡环反向套接在测量腔室的样品入口上，并同时保证卡环内壁与测量腔室外壁之间的声波密闭性。以此方式也同样可以将待测样品的一个表面面对声波传导装置7设置。当然，最好在卡环或样品的外侧(图1中的左侧)设置一密封装置，例如，一由致密的钢板材料制成的比所述卡环的直径略大的套筒(图中未示出) 作为防反射器13。另外，还可以为待测样品设置与上述实施例相同的支撑体，以保持待测样品表面的平整性。当考虑到测量过程中，由于测量腔室发热而可能导致作为传声介质的空气中的氧与心包材料发生氧化作用，进而影响到对心包材料的孔隙率或吸音率测量的精确度时，可以考虑使用氮气或二氧化碳等来代替空气，这样可以有效地阻止或抑制氧化作用的发生， 从而可以适当延长测量时间。但在这种情况下，需要增加其他必要的外围设备，诸如，对测量腔室抽真空的装置11、以及向测量腔室中导入保护性气体作为传声介质(如氮气或二氧化碳等)的装置12等。图4示出了这种实施方式。以下将结合上述测量装置的实施方式进一步描述本发明的测量方法。本发明将诸如图1中所示的声波传导装置7的声波导管的一端面对待测材料设置，在另一端借助声波发生器(音源)产生特定测量频率的声波、并经由放大器、扬声器、声波传导装置输入到所述测量腔室中，在声波传导装置7的声波导管内模拟一平面波音场。 在入射平面波经待测材料吸音及反射后于声波导管内形成驻波，测量各音频下驻波音压的极大值与极小值。材料的吸声性能可以用吸声系数α表示。入射到材料表面的声波，一部分被反射，一部分透入材料内部而被吸收。被材料吸收的声能与入射声能的比值，称为吸声系数或吸音率。对于全反射表面，α = 0 ；对于全吸收表面，α = 1 ；一般材料的吸声率在0至1 之间。在测量出各音频下驻波音压的极大值与极小值后，再通过如下各公式换算出材料的反射率，进而求出吸音率。Pi = (Pi_max+Pi_min)/2 (公式 1)Pr = (Pr_max+Pr_min) /2 (公式 2)R = Pr/Pi(公式 3)α = I-(R)2(公式 4)其中，Pi_max为入射波音压的最大值，Pi_min为入射波音压的最小值，Pr_max为反射波音压的最大值，Pr_min为反射波音压的最小值，Pi为声波传导装置内驻波音压的最大值，Pr为声波传导装置内驻波音压的最小值，R为人工生物瓣的反射率，α为人工生物瓣的吸音率。优选地，将声量计5设计成可以直接显示出待测材料的吸音率α的值或孔隙率寸。现在参照图5详细描述具体的测量方法。首先，将待测样品，例如未经物理或化学修饰过的、或已经物理或化学修饰过的人工生物瓣膜14固定在样品夹4上，并导入测量腔室9中(步骤100)。开启声波发生器1、 功率放大器2、声量计3。根据需要调节声波发生器的发声频率和功率放大器2。将预定频率的测量声波通过扬声器6和声波传导装置7导入测量腔室9面对待测样品发射(步骤 102)。根据需要，沿比例尺8滑动声量计5来调节声波传导装置在测量腔室中的端部与待测样片之间的距离，从而确定音频扫描范围。在预定的时间期间，例如5秒至1分钟内，优选在5-10秒内，通过声量计5测量出待测材料的吸音率α (步骤104)，或在一定时间范围期间测定出α的平均值。可选地，结合附图4，如果需要对测量腔室抽真空并注入用作传声介质的其他保护性气体，则可以在发射测量声波的步骤102之前，例如在导入样品之后，对测量腔室抽真空并注入保护性气体。在先行测量未经处理过的样品的吸音率后，将经过物理或化学修饰处理后测量的样品吸音率与未处理的样品吸音率进行比对，从而确定改性效果是否达到预期的水平。通过本申请的发明人的实验证明，未经处理过的瓣膜的α值通常在0.3-0. 4之间。进一步的实验证实，当所测得的α的值在0.05-0. 2时，表明人工生物瓣膜的改性效果良好。否则，表明改性或修饰效果不足或过修饰。另外，α的值还取决于所选用的人工瓣膜的材料种类，例如，当选用猪或牛的心脏瓣膜作为原料时，其各阶段的α值会彼此略有不同。可变换的是，还可以将测量腔室9分隔成若干个彼此声密闭的小腔室，并将具有相同或不同频率的声波通过相同或不同的声波传导装置导入各小腔室中，用于对不同的样品同时进行测量，或者对相同样品处于不同频率下的驻波进行测量，以确定不同频率下样品的吸音率。另外，如果可能，也可以直接测量样品的孔隙率，而非吸音率，或者通过一定的换算方法，将所测得的吸音率转换为孔隙率的表达形式。反之亦然。本发明的测量装置还可以用于其它材料或样品的孔隙率或吸音率的测量。虽然已经描述了各种优选实施方式，但是本领域技术人员可以明白，在不偏离由本发明的精神和保护范围的情况下，可以进行适当的改变或修改。


本发明涉及一种利用声波测量人工生物瓣膜改性程度的装置及方法。该装置包括声波发生器、扬声器、声波传导装置、样品夹、声量计等。本装置针对心包材料改性过程中所发生的结构变化，采取了声波测量人工生物瓣膜吸音率或孔隙率的方法。声波测量设备具有快速、准确、扫描面积大的特点，从而避免了采用耗时且扫描面积小的检测方法，以期能实时反映心包材料的改性结果，快速调节心包材料改性的组态化工艺流程。