（机械电子工程专业论文）压电超声显微切割工具的研制与实验.pdf

堕查鎏三些查兰三兰堡圭兰堡篁兰 摘要 随着生物工程和医学研究水平的提高，生物显微操作受到国内外专家学 者的广泛关注。在生物显微操作中，微切割操作是常用且关键的操作之一， 目前普遍采用手工完成，致使工作强度大、操作者易疲劳、人为误差不可避 免。因此，面向生物显微操作的显微切割技术的研究具有重要理论意义和实 践价值。 本文将超声振动切割引入生物显微操作领域，提出压电超声振动微切割 理论。研制了面向生物显微操作的微切割器及其驱动与控制系统，并进行了 生物组织切片显微切割实验研究。 首先，本文介绍了超声的基本特性与应用情况，对超声振动切割过程及 机理作了详细分析，提出超声振动微切割方法，为超声显微切割器的研制提 供了理论依据。 基于超声振动微切割理论，首先提出将复合夹心式压电超声换能器作为 超声发生装置，进行显微切割工具设计，为验证超声振动显微切割理论提供 了条件。但是，夹心式超声换能器只能在固定频率和固定振动幅值工作，无 法满足不同样品对振动频率和振动幅值调整的需求。为保证针对不同样品均 能达到最佳切割效果，本文提出利用叠堆压电陶瓷驱动器作为超声发生装 置，设计了频率和振幅可调节的显微切割器的结构并进行了理论分析。 针对叠堆陶瓷驱动式微切割器对振动频率与幅值调节的需求，设计了微 切割器振动驱动与控制系统。该系统由信号发生单元、功率放大单元以及人 机交互控制部分组成。利用v c 编写的控制程序可以方便集成在显微操作系 统总控制程序中。通过串口通信控制信号发生单元输出不同频率、幅值的电 压信号，并经过功率放大单元放大后驱动压电陶瓷作超声振动。在设计中 f p g a 芯片以及集成功率放大芯片的引入，简化了电路，提高了可靠性。 最后利用研制的压电超声振动微切割器，针对肝脏组织病理切片，进行 了系列超声振动显微切割实验，在得到最佳切割效果的同时，对病理组织切 片切割所需的最优切割条件进行了探讨。实验表明，生物组织切片超声振动 显微切割是可行的。压电超声微切割器的研制为生物显微切割操作系统的研 究开发提供了技术保证，对生物显微操作技术的发展具有积极的推动作用。 关键词显微切割；超声；压电陶瓷；夹心式换能器；组织切片 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i 蠊t h ed e e p e rr e s e a r c hi n t ot o 矗ef i e l d so fb i n - e n g i n e e r i n ga n dm e d i c i n e ， b i nm i c r o m a n i p u l a t i o nh a sw o nm o r ea t t e n t i o nf r o me x p e r t s i nt h ef i e l do fb i n m i c r o m a n i p u l a t i o n ，m i c r o d i s s e c t i o ni su s u a l l yc o m p l e t e db yh a n dt h o u g hi t i s o n eo ft h ei m p o r t a n to p e r a t i o n sa n dt h eh i g hs t r e n g t ht a s km a k eo p e r a t o rt i r e d a n de r r o ri si n e v i t a b l e s ot h es t u d yo fm i c r o d i s s e c t i o n t e c h n o l o g y i nb i n m i c r o m a n i p u l a t i o n f i e l di si m p o r t a n tf o rt h e o r ya n d p r a c t i c e i nt h i sp a p e r , w er e p o r to nam i c r o - d i s s e c t i o nt o o lu s i n gu l t r a s o n i cv i b r a t i o n a n di n t r o d u c ei ti n t ob i o m i c r o m a n i p u l a t i o n t h ec o n t r o la n dd r i v es y s t e mf o r t h em i c r o d i s s e c t i o nt o o lh a v ea l s ob e e n d e v e l o p e d f i n a l l y ，e x p e r i m e n t so f b i o m i c r o d i s s e c t i o no nt i s s u es l i c ew e r ec a r r i e do u t ，w h i c hp r o v e dt h et h e o r yo f m i c r o - d i s s e c t i o nw i t hu l t r a s o n i cv i b r a t i o n a b o v ea l l ，w ei n t r o d u c e ds o m eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fu l t r a s o n i ca n d a n a l y z e dt h ee l e m e n t s a n dc o u r s ef o ru l t r a s o n i cv i b r a t i o n c u t t i n g ，w h i c hi s h e l p f u l f o rd e s i g n i n gm i c r o d i s s e c t i o nt 0 0 1 b a s e do nt h et 1 1 e o r yo fm i c r o d i s s e c t i o nw i t hu l t r a s o n i cv i b r a t i o n w e d e s i g n e dm i c r o d i s s e c t i o nt o o tu s i n gs a n d w i c ht r a n s d u c e rf i r s t l y u t i l i z e dt h e t o o lw ec a r r i e do u te x p e r i m e n to fb i n - m i c r o - d i s s e c t i o no nt i s s u es l i c ea n dm i c r o d i s s e c t i o nw i t hu l t r a s o n i cv i b r a t i o np r o v e df e a s i b l e t h es a n d w i c ht r a n s d u c e r c o u l do n l ya d j u s tf r e q u e n c ya n dv i b r a t i o na m p l i t u d ea tan a r r o wr a n g e ，w h i c h c o u l dn o tm e e tt h er e q u i r e m e n tf o rm o d u l a t i o no ff r e q u e n c ya n dv i b r a t i o n a m p l i t u d et o a c h i e v eb e t t e rd i s s e c t i o np u r p o s e s ow ee m p l o y e dt h em u l t i l a y e r p i e z o e l e c t r i ca c t u a t o rf o rg e n e r a t i n gt h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o nf o rm i c r o d i s s e c t i o n a n d d e s i g n e dm i c r o d i s s e c t i o nt o o lw i t hi t t om e e tt h e r e q u i r e m e n t f o rm o d u l a t i o no ff r e q u e n c ya n dv i b r a t i o n a m p l i t u d ef o rm i c r o d i s s e c t i o nt o o l ，w ed e s i g n e dc o n t r o la n dd r i v es y s t e mf o ri t t h e s y s t e mi sc o m p o s e do f w a v es i g n a lg e n e r a t i o np a r t p o w e r a m p l i f i e rp a r ta n d c o n t r o lp a r t t h ec o n t r o lp r o c e d u r ep r o g r a m m e dw i t hv cs o f t w a r ec o u l db e e m b e d d e di nt h ec o n t r o lp r o c e d u r eo ft h ew h o l e m i c r o - m i c r o m a n i p u l a t i o i le a s i l y 。 t h ew a v e s i g n a lg e n e r a t i o np a r tg e n e r a t ew a v eo fd i f f e r e n tf r e q u e n c ya n d a m p l i t u d eu n d e rt h ec o n t r o lo ft h ec o n t r o lp r o c e d u r ev i as e r i a lc o m m u n i c a t i o n i i - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 w i t hc o m p u t e r t h e nt h ew a v es i g n a li sa m p l i f i e dt o d r i v et h ep i e z o e l e c t r i c w e a l s oi n t r o d u c ef p g ac h i pa n dt h ei n t e g r a t e dp o w e ra m p l i f i e rc h i pi nt h ec i r c u i t d e s i g n ，w h i c hm a d e t h es y s t e ms i m p l ea n dr e l i a b l e f i n a l l y ，m a n ye x p e r i m e n t sc u t t i n g t h el i v e rt i s s u es l i c ew e r ec a r r i e do u t u s i n gt h ep i e z ou l t r a s o n i cv i b r a t i o nm i c r o d i s s e c t i o nm e t h o d b e s i d e sg o tb e t t e r m i c r o d i s s e c t i o nr e s u l t w ed i s c u s s e d 恤ec o n d i t i o n sf o rb e t t e rm i c r o - d i s s e c t i o n t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h em i c r o d i s s e c t i o nw i t hu l t r a s o n i c v i b r a t i o ni s f e a s i b l e t h em i c r o - d i s s e c t i o nt o o l d e s i g n e d b a s e do nt h i s t h e o r yp r o v i d e t e c h n i c a la s s u r a n c ef o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft l l ew h o l em i c r o d i s s e c t i o n s y s t e ma n d i tw i l lp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to f m i c r o m a n i p u l a t i o n k e y w o r d sm i c r o - d i s s e c t i o n ；u l t r a s o n i c ；p i e z o e l e c t r i c ；s a n d w i c ht r a n s d u c e r ； t i s s u es l i c e - i l l 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 近年来，现代生物工程技术与医疗研究水平突飞猛进地发展，基因转移、 诊断、治疗、动植物克隆和染色体分析、人工授精、显微外科手术以及疾病组 织病理分析、组织细胞培养等技术成为推动生物医学等领域发展的重要技术手 段。这些操作面临的对象非常微小，尺寸一般是微米级甚至纳米级，这对生物 显微操作技术提出了很高的要求。常用的生物显微操作过程主要有两大类：微 注射操作和微切割操作。其中微切割操作应用更加普遍，比微注射操作精度要 求更高，操作更加困难，目前一直停留在手动或半自动状态，迫切需要技术提 高】。因此，对显微切割技术及其操作工具的研究是提高生物显微操作研究 水平，推动生物、医学等领域技术研究发展的关键。 在医学研究领域，生物医学已经发展到从分子水平上探索疾病发病机理和 揭示生命现象本质的阶段。例如，癌症细胞侵袭和转移情况是判断癌症愈后情 况的重要因素，也是影响其疗效的主要因素。研究其侵袭转移的分子机制，将 为揭示癌细胞侵袭和转移本质奠定基础，同时为阻断癌细胞侵袭和转移提供科 学理论依据。对用常规方法制成的研究材料进行癌症基因突变、新基因的发现 及转移过程中癌细胞基因的转化规律等分子病理学机制的研究中，由于受多种 细胞具有同质性的干扰，得不到癌细胞本身特异的基因改变，更无法检测转移 癌细胞基因变化，因而制约了临床分子诊断技术的应用。现代医学常用的做法 是从患病器官中提取少量细胞组织制成病理切片，从病理切片中提取肿瘤细胞 或细胞群进行下一步显微分析，如：r n aa m p l i f i c a t i o n 、r t - p c r 化验 ( r e a l t i m eq u a n t i t a t i v er e v e r s et r a n s c r i p t a s e - p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n 实时连续变 异逆转录酶聚合酶链反应) 等【3 l ，这也是目前最常用、最准确的方法。但这也 面临一个问题，由于组织切片中细胞的相互影响，要分析病理或分析基因排列 情况等，必须从切片中提取指定的单个细胞或细胞群。因此，病理切片的显微 分析中需要大量的细胞显微切割分离工作。当前，医院和研究机构普遍采用人 工操作，操作者使用微玻璃针等工具，在显微镜下长时间工作，工作强度大， 操作人员易疲劳，人为误差不可避免。因此，研究自动化显微切割操作系统已 成为提高医疗手段和病情诊断成功率的重要内容。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 可见，生物工程以及医学研究的进步都迫切需要精密、方便甚至智能的微 切割操作手段。目前生物医疗研究领域，实验动植物的净化技术，细胞的培 养、洗涤、消毒技术，基因表达水平的检测技术等自动化程度都已很高，所 以，显微切割微操作技术和手段的提高越发显得关键【4 】。目前有许多大仪器公 司推出了各种类型的显微切割操作产品，但都属于手动或半自动的微操作设 备，无计算机控制，不能实现自动操作，实验人员需经过较长时间的专业培 训，工作效率和实验的成功率都较低。因此，利用计算机、自动控制和图像处 理以及微驱动等先进技术研究新型的自动显微切割操作系统，研制适合于显微 操作系统，能够进行对人体组织和细胞进行切割并且对细胞损伤小、价格低廉 的微切割操作工具，将会大大改变手工操作难、效率低的状况，对推动生物医 学等研究领域的发展具有十分重要意义。 1 2 国内外显微切割技术研究现状分析 1 2 1 显微切割方法简述 显微切割( m i c r o d i s s c c t i o n ) 技术，即利用显微操作系统切割局部组织、单个 细胞、细胞质或细胞核甚至染色体的局部组分用于进一步研究。近年来在医学 研究领域中倍受重视，已广泛应用于肿瘤异质性、细胞突变分析、染色体结构 分析、新基因发现和某些疾病的病因及诊断研究等领域【5 1 。显微切割技术具用 独特的优势，它一方面在细胞和亚细胞层次上使研究目标定位清楚，排除周围 因素的干扰；另一方面又可以与分子克隆、p c r 、免疫组织化学等多种分子生 物学和免疫学的研究方法相结合。从显微切割工具使用情况上看，显微切割分 离技术的发展经历了几个阶段。最早，研究者为达到分离不同类型细胞的目 的，使用消化液破坏掉不需要的组织，再通过显微镜下观察，手工收集剩下的 组织细胞。在这种非常粗略的分离中，污染是显而易见的。随着显微操作技术 的发展，可以通过显微操作系统，利用刀片、针头，甚至是紫外激光进行显微 切割分离，与最早的分离方法相比，无论在效率，或是分离精度上都有了很大 的提高。 显微切割技术在生物、医学等领域的应用经历了显微组织切割、细胞群切 割、单个细胞切割、单细胞内组分切割、染色体切割等阶段，随着技术方法的 不断改进，其应用领域不断扩大，显微切割的区域不断变小，对显微切割技术 要求越来越高1 6 j 。目前，生物医学等领域显微切割的方法主要有以下四种： 堕查堡三竺查兰三耋塑圭茎堡丝圣。：。 1 手工操作的微玻璃针法。此种方法操作时采用直径小于0 5 m m 的微细 玻璃针，在倒置显微镜下对准目标进行切割。该方法设计简单，费用低，但技 术操作较困难。 2 激光赢接作用于生物组织的早期显微切割方法。此方法操作复杂，并且 分离所得的细胞群纯度不够。 3 现代激光显微切割。从切割方式上分类主要有两种：一种是i r 红外光 热熔切割；另一种是u v 紫外光冷切割。 4 压电式显微切割口j 。 其中，手工操作的微玻璃针法和利用激光直接作用于生物组织的早期激光 显微切割技术，已在特定亚细胞群的分离转化中得到了广泛应用，但是其操作 复杂，分离所得细胞群纯度不高。后两种方法是国外最新发展起来的细胞显微 切割技术，也是显微切割技术以后在生物和医学等领域应用中的发展方向。 1 2 2 国内外微切割技术研究现状 目前，国外的激光显微切割技术比较成熟，先进的微切割操作系统常采用 此技术。如图1 1 所示，美国a r c 乱l r 、】s 公司研制的激光捕获微切割系统 ( l c m ：l a s e rc a p t u r em i c r o d i s s e c t i o n ) ，它采用i r 红外激光热熔技术的激光 切割方式。采用这种方式切割时，目标区域将产生9 0 的高温，尽管样品上有 透明的乙酸乙烯乙酯热塑性胶片的保护，但仍将对样品的性质产生一些影响或 伤害【8 , 9 1 。另外一种激光切割方式为紫外光冷切割。例如美国徕卡公司研制的 激光微切割系统l m d ( 1 a s e rm i c r o d i s s e c t i o n ) 以及德国p a l m 研制的激光 束微切割系统l m m ( 1 a s e rm i c r o b e a mm i c r o d i s s e c t i o n ) ，均采用了u v 紫外激 光“冷”切割方式【l q ”j 。如图1 - 2 所示为l m d 的切割原理示意图。与i r 红外激 光热熔切割原理不同，紫外光微处理过程从本质上来说不是“热”处理过程。大 多数材料吸收紫外光比红外光更容易，高能量的紫外光光子可以直接破坏许多 非金属材料表面的分子键所以这种冷加工出来的部件具有光滑的边缘和最低 限度的炭化影响。并且，由于紫外光在聚焦上的独特优点，即把激光耦合到显 微镜后，其聚焦点可小到亚微米数量级，从而使其微处理过程更具优越性。但 是，国内外的生物医学专家经过大量的实验及分析后，发现虽然波长在3 3 7 1 的紫外光对细胞的损伤程度最低，可是所要研究的组织材料必须经过特殊的处 理，切割前的预备工序复杂且耗时，并且由于切割作业工具只能采用氮分子紫 外脉冲激光器，此种激光器在工业上其它的用途较少，通常只用来做科学研 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ! = 目一j = e = = = = = = = = ! = = ! ! = = ! = ! ! ! ! ! ! = = ! 究，所以制造及应用较少，这样造成该方法切割成本高且不易维护。 由于激光切割的以上特点，德国e p p e n d o r f 公司旨在降低成本的基础上能 达到显微切割的目的而采用了新的压电切割技术f 1 2 4 1 。该方法利用压电陶瓷驱 使切割金属探头以种高频低幅形式振荡。从而完成目标物质切割。采用此方 图1 il c m 显微切割原理示意图图1 - 2l m d 显微切割原理示意图 f i g 1 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f l c m f i g 1 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f l m d 法，无热能产生，无射线，对组织和细胞无损伤，切割后的组织和细胞可继续 培养，无需特殊的培养基片和培养过程，在普通的组织切片或细胞培养皿中即 可完成切割。如图1 _ 3 所示即为德国e p p e n d o r f 公司研制的微操作系统以及该 系统中微切割与吸取操作工具。但是，这套微操作系统在操作时，操作者是通 过用肉眼观看显微镜，手动控制遥杆来驱动显微切割工具按轨迹动作的。属于 半自动化系统，操作者容易疲劳且不好控制。 a ) 显微切割系统外观b ) 操作手部分外观 图1 3 德国e p p e n d o r f 公司显微切割系统 f i g 1 - 3m i c r o - d i s s e c t i o ns y s t e mo f e p p e n d o r fc o m p a n yi ng e r m a n y 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 利用压电陶瓷驱动原理研制微切割工具，在外文文献中也有相关记载。如 图1 _ 4 所示为日本名古屋大学研制的压电超声微切割刀具切割原理示意图l ”j 。 该切割刀具采用压电陶瓷作为驱动装置带动切割刀具即一根尖端直径非常小的 钨针，做高频振动，振动幅值只有2 0 0 r a n ，完成了洋葱表皮细胞组织的切割。 传统的切割系统若要想改变切割方向，一般都要改变刀具的姿态位姿，而这种 切割方式在切割过程中不需要改变刀头的姿态即可改变切割方向。并且由于超 声作用，通过这种振动切割方式分离的组织细胞，边缘平滑没有褶皱。 图1 4 日本名古屋大学研制超声微切割刀切割原理示意图 f i g 1 - 4s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f m i c r o k n i f eu s i n gu l t r a s o n i cv i b r a t i o n 国内，近几年来也非常重视微操作技术在生物工程领域中的应用。清华大 学、南开大学、北京航空航天大学、中科院沈阳自动化所、北京机械工业自 动化所等高校和研究机构均开展了生物基因工程机器人系统和专用设备的研究 工作。并取得了一定的成果，积累了一些经验【l6 1 。例如，南开大学研制的面向 生物医学工程的微操作机器人系统，该系统适合于在细胞级水平上进行切割、 注射、微电位测量等典型的生物医学工程操作。如图i - 5 所示，为利用该系统 对小鼠卵细胞进行显微注射的图片。 图1 6 所示为中国科技大学研制的“全光学生物微操作系统”外观图。光学 微操控微加工不同于传统的机械加工系统，它对生物细胞、细胞器及其它微小 粒子的微加工是通过光来实现的，没有任何机械接触。 目前，国内在微切割操作工具方面的研究还处于起步阶段，虽然已经研制 一些显微操作系统，并能进行相关生物显微操作，但却只停留在注射、简单捕 获与刺入等操作，与国际上一些比较成熟的微切割操作技术相比，还有很大差 距。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图1 - 5 南开生物医学工程微操作机器人 f i g 1 - 5m i c m r o b o to f n a n k a ii nb i o m e d i c i n e 1 3 课题主要研究内容 图1 6 全光学生物微操作系统 f i g 1 - 6o p t i c sm i c r o s y s t e mi nb i o m e d i c i n e 本课题是来源于哈尔滨市青年科学研究基金项目：压电式生物细胞显微切 割仪的研制。该显微操作系统整体的体系结构如图1 7 所示。主要由显微镜载 物台、切割微操作手、拾取微操作手、操作手驱动和控制系统、倒置显微镜、 显微视觉系统( c c d 彩色摄像机，图像采集卡等) 以及计算机等部分组成。 该系统主要完成对病理组织切片中病变细胞群的切割及拾取。 图1 - 7 系统结构示意图 f i g 1 - 7s c h e m a t i ci l l u s _ 【r a t i o no f t h ew h o l es y s t e m 该生物显微操作系统工作过程如下： 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 生物显微操作系统复位。 化) 组织切片被放置于显微工作台上并固定。 f 3 ) 通过图像采集系统，由显微视觉显示系统观察组织切片的位置情况。 ( 4 ) 手动调节工作台位置，使组织切片至于视野中央的适当位置，并根据 显微视觉系统反馈的姿态情况对左右微操作手及操作对象的位置姿态进行调整 并调焦。 ( 5 ) 控制左右机械手微动，根据显微视觉系统显示的各个位置情况，对右 操作手( 显微切割工具) 初始起点位置及左操作手( 拾取工具) 的位置进行精 调。 ( 6 ) 通过鼠标选择被切割区域，根据显微视觉伺服系统进行路径规划。 ( 7 ) 驱动右操作手进行切割动作。 ( 8 ) 切割完毕之后，驱动左微操作手进行拾取动作。 ( 9 ) 系统复位，准备进入下一次工作循环。 在本课题中，主要完成生物显微操作系统中微切割操作工具部分的研究工 作。具体工作内容包括： 1 微切割工具切割方式的分析与确定 生物显微切割操作不同于一般的切割操作，被切割目标的特殊性要求其切 割目标范围小、切割精准、切割边缘平整等。本文在分析各种切割方法的基础 上，对超声振动切割的原理作了详细的分析，确定了切割器超声振动微切割的 工作方式。即切割工具按照切割轨迹运动同时，末端同时做超声振动，利用超 声的机械效应，使所接触组织在超声作用下振动，超过其弹性极限而断裂被切 开。与普通医学常用的电切割比较，超声振动切割具有切割精确、可控性强等 优点，其安全性与有效性更胜一筹，因此更具先进性。 2 微切割工具本体的结构设计 分析对比各种超声发生方法，选择压电陶瓷作为超声发生装置利用其逆压 电效应，在交变电场的激励下伸长、缩短，形成超声振动。 根据目前机械超声加工领域以及医学超声手术方面超声加工工具设计经 验，选择复合夹心式换能器作为超声发生装置，进行微切割器设计。该种形式 微切割器超声能量较大，工作稳定，技术成熟。但是，其工作频率以及振动位 移幅值固定，不能满足不同振动频率和振动幅值，即不同声强状态下进行切割 研究，以最少能量完成切割目的，从而达到最佳切割效果的要求。因此又提出 利用叠堆压电陶瓷驱动器作为超声发生装置，设计频率和振幅可调节的微切割 器。本文分别针对夹心式换能器和叠堆陶瓷驱动器设计微切割工具的结构，并 堕堡童三些奎耋三兰堡圭兰竺篁苎 配合整个系统的结构，对整个系统操作台的硬件本体机构进行设计。为下一步 工作与实验提供了必要基础。 3 微切割工具的驱动与控制系统的设计 压电陶瓷驱动控制电源是压电超声振动微切割工具稳定可靠工作的保证。 特别是以叠堆陶瓷作为超声发生装置的微切割器，需要可变频调幅并且足以驱 动微切割器作超声振动的驱动与控制电源。同时由于超声切割的特殊性，一般 的压电陶瓷驱动电源无法满足要求。因此，针对选取的压电换能器，设计频率 及电压规定范围内可调的压电陶瓷驱动电源是本课题的一个重要内容。具体工 作包括： ( 1 ) 波形发生电路模块的设计 ( 2 ) 功率放大电路模块的设计 ( 2 ) 人机接口部分电路的设计 4 微切割工具的性能测试与实验研究 结合以上工作内容，对微切割工具及其驱动电源进行测试，并进行系列超 声振动显微切割实验。具体工作包括： ( 1 ) 控制驱动电路的测试 ( 2 ) 微切割器性能的测试 ( 3 ) 针对肝脏石蜡病理组织切片进行不同切割条件下的切割实验研究。 第2 章超声显微切割机理分析 2 1 超声显微切割技术 近年来，超声学研究迅速发展进步，在加工、检测等很多领域都有广泛应 用。例如超声钻孔、超声铣削等实现了较高的加工精度与平滑的加工表面效 果。在医疗领域，已有超声手术刀应用在骨切割、肝脏手术、腹腔镜手术等一 般外科手术之中i l “，超声的各种生物效应使超声手术后的伤口愈合状况更加 良好，取得了较好的效果。 超声显微切割将超声切割技术引入到生物显微操作领域。在显微镜下，微 细的显微切割工具末端像普通的显微切割过程一样按照预定的切割轨迹运动， 不同之处在于超声显微切割过程中，显微切割工具横向运动的同时，尖端在驱 动作用下不断作高频低幅的超声振动。在超声振动产生的各种效应作用下，被 切割目标物质达到弹性极限，从而断裂切割。将超声应用引入到生物显微操作 领域，实现超声显微切割，为生物显微切割研究带来了新的思想，为研究价格 低廉、损伤小，易于控制、切割效果好的微切割系统的研制提供了技术保证。 2 2 超声的基本特性 弹性媒质中传播的应力、质点位移、质点速度等量的变化均可以称为声 波，当其频率大于超声频率范围的下限( 2 0 k h z ) 时，则称为超声波。或者 说，高频率的弹性机械振动称为超声波，它是一种机械波【2 0 】。 通常，描述声波的主要特征量为：粒子位移y 、粒子速度v 、声压( 或压 力) p o 。这些也是描述超声波的一些基本物理量。 1 位移 对于大多数超声应用场合，声源成分主要是单一频率的平面简谐振动。如 果每隔一定时间测量一次声源离开其平衡位置的位移，则可以得到如图2 1 所 示位移变化曲线。 声源将振动能量传给与它接触的物质时，是先将振动能量传递给该物质直 接与声源接触的那部分粒子，之后能量逐渐传入介质内部。由于各层粒子距离 声源的距离不同，在不考虑能量损耗的情况下，各层的粒子位移可以用下面的 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 位 移 y nn 。 v 踟v 帅： 图2 - 1 简谐振动示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f s i m p l eh a r m o n i cv i b r a t i o n 式子表示： y = k s i n c o ( t - ，l c )( 2 1 1 式中y 一粒子位移：k 一振动位移幅值；国一振动角频率；，一粒子与声源距 离：c 一声速 2 速度 粒子的振动速度定义为在给定时间，给定地点的情况下介质中振动粒子的 运动速度( 不是声速) ，可用下面式子表示： ”= n o c o s w ( t - l c ) ( 2 - 2 ) 式中“一粒子振动速度；n o 一粒子的速度幅值 3 。声压 声压是驱使导播介质中粒子振动的交变余量压力，其变化规律满足下式： p ：p os i n c o ( f - z 0( 2 3 ) 式中助一声压( 或压力) 的幅值 对于超声波来说，也同样可以用以上声波的理论来解释。不同之处仅在于 超声振动频率比较高。正因为如此高的频率，产生特殊的效应。一般来说，超 声有如下一些特性： 1 吸收特性 声吸收：声波在媒质内传播过程中，部分声能转换为热能或其他分子能量 的现象声波在各种物质中传播时，随着传播距离的增加，强度会逐渐减弱， 这是因为物质要吸收掉它的能量。对于同一物质，声波的频率越高，吸收越 强。对于一个固定频率的声波，在气体中传播时吸收最强，在液体中传播时吸 收比较弱，在固体中传播时吸收最小。 2 超声波的能量传递特性 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 超声波可传递很强的能量。当声波到达某一物质中时，由于声波的作用使 物质中的分子也随之振动，其振动的频率和声波频率一样，分子振动的频率决 定了分子振动速度，频率愈高速度愈大。物质分子振动所获得的能量除了与分 子的质量有关外，还与分子的振动速度的平方有关，所以声波的频率愈高，物 质分子得到的能量愈高。超声波的频率比声波高很多，它可以使物质分子获 寻 很大的能量，供给足够大的功率。 声场中任意一点的声功率可用声强来表示，声场中某点的声强定义为穿过 该点处一个假想的单位面积平面上的声能流的变化率，该平面垂直于该点处声 波的传播方向。 1 ，：p o u o ：u o p c ： r 2 4 1 22 2 p c 、7 式中风一声压幅值：“。一粒子速度幅值；p 物质密度：c 声速 在没有衰减的平面波场中，任意一点处的声强都是一个常数。 3 工作特性 可闻声波工作时所产生的噪声令人难以忍受，有时甚至是对人体有害的。 超声波工作时很安静，人们昕不到它。这一点特别在高强度工作场合或者需要 安静环境操作时尤为重要。 超声的各种特性使其在各个领域得到了广泛的应用。超声波的应用一般区 分为低强和高强应用两种。若超声波通过某种物质时不会引起这种物质的特性 发生永久性变化，则把此刻的超声波称为低强度超声波。在大多数低强度应用 中，超声波频率很高，典型的工作频率大于l 兆赫兹。其声功率范围较窄，一 般为数瓦到数十瓦。低强度超声主要应用在交通、渔业、医学检测方面。当所 施加的声学应力足够大，使得应力与应变之间不再满足胡克定律的时候，就称 此时的超声波为高强度超声波。高强度应用时超声波通常是利用其高频率、大 功率、高强度来改变它所通过的物质( 即媒质) 的性质。几乎总是在低频的情况 下进行的，通常工作频段在刚好高出可闻声频的上限处。而其声功率则可以从 数毫瓦达上千瓦。高强度超声主要应用在超声清洗、焊接、机械加工等方面。 2 3 超声的生物效应 超声在医学领域的应用主要利用超声产生的生物效应。这也是超声在医学 领域应用的基础。超声的生物效应是指超声对生物组织产生的作用，与超声波 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的声强、频率、及生物组织本身的性质有关。超声生物效应可分为；机械效 应、热效应、声流效应、空化效应、及触变效应等【2 l j 。 1 机械效应 生物组织在超声作用下产生弹性振动，其位移幅值与声强的平方根成正 比，当声强过高时，组织的机械振动超过其弹性极限，而造成组织的断裂或粉 碎，这种效应称为超声的机械效应。 2 热效应 由于生物组织的声吸收特性，超声能量射入组织后，部分超声能量将会变 成热能，并且其温度升高，声吸收与温度有着密切的关系。 3 空化效应 当液体中受到大幅值的迅速交变的压力作用时，液体组织的气核在强大的 超声作用下被激活，就会发生空化效应。利用强大的声波也可以产生空化效 应。它分为稳态空化和瞬态空化。空化效应中空腔的瞬态爆炸所产生的高温、 高压、冲击波及射流等现象等都足以使组织破坏，将引起一系列生物效应，在 超声的应用中同样受到重视。 4 声流效应 超声入射两种不同声阻抗率的媒质界面对，动量发生变化，产生辐射压 力，对组织可产生撕裂和引起声流，即引起组织分子的移动或转动，当这种运 动的幅度足够大时，会引起组织的断裂。 5 触变效应 超声波弓 起生物组织结合状态的改变，如引起粘浠性降低、造成血浆变 稀，血球沉淀等，这种效应称为触变效应。 6 超声弥散效应 超声波可以提高半透明膜的渗透作用，使药物更易于进入细菌体内。 另外，超声对高分子化合物有分裂的作用，起到解聚的作用。超声还可以 加速化学变化及氧化作用等。超声的各种生物效应使其在医学领域得到广泛的 应用，比如超声诊断、超声手术等方面的应用。在超声切割过程中，主要是利 用超声的机械效应并辅助以声流效应和空化效应。 2 4 超声显微切割过程分析 超声振动显微切割具体的切割过程如图2 2 所示。切割时，微切割刀具在 微动台的驱动下沿预定切割轨迹运动，被切割物质与切割工具发生横向相对运 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 动，与普通切割方式不同的是，在切割过程中刀具在纵向不断作超声振动。在 超声的作用下，使切割更容易，边缘更平滑。 图2 - 2 超声振动切割示意图 ， f i g 2 - 2s c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no f u l t r a s o n i cv i b r a t i o nc u t t i n g 假设切割刀具沿着刀具轴线的振动轨迹为： y o ) = a c o s ( 2 万一) 式中a 振动位移幅值； 厂振动频率 那么刀具在x y 坐标平面内相对于被切割物质的运动轨迹为： x ( f ) = a c o s ( 2 7 r 力) c o s o + v t y ( f ) = ac o s ( 2 ，r f i ) s i n o 式中0 切割刀具与水平面倾角； v 刀具按切割轨迹横向进给速度即切割速度 那么刀具在x y 坐标平面内的速度为： u ( r ) = v 一4 2 万厂s i n ( 2 万) c o s e v y ( t ) = - a 2 ，r f s i n ( 2 7 r f i ) s i n 0 当a 2 m f v ，即v x y m ，。 o 的时候，切割 刀具与被切割物质和切屑分离，这时的切割叫做分离状态的振动切割【22 1 。对于 超声振动切割频率较高，工作在分离的振动切割状态。这种状态的刀具相对于 被切割物质的切割速度可以表示为： 叱，o ) =4 2 刀f s i n ( 2 牙) 。0 5 口( + ”丁) s ( + 以丁) ( 2 - 1 0 ) ( + n t ) fs ( 毛+ ( + 1 ) 丁) d 乃 趵 p 弘陋 一w m 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 删= p 加抽。邪蛉啪化( ；：篙兰笺：邶。 陋 式中丁一振动周期；一每次循环中切割开始的时间：一每次循环中切割结 束的时间；n 0 ，1 ，2 可见，超声振动切割过程是不连续的，切割过程中的切割力变化也是不连 续的。假设推进切割力正比于切割的深度u o 和宽度b d ，平均推进切割力e 。在 超声切割的过程中可以表述如下： j k 0 ) = e 。b o u o h ( t )( 2 1 2 1 式中k 。推进方向单位阻力； o ) 单位矩形函数，表示切割状态 f 1( + n t ) sr ( + n t ) i 厅0 ) = 1( - i - n t ) r ( + 船r )( 2 1 3 ) 【0( t + n 丁) f ( 屯+ ( 珂+ 1 ) 丁) 式中每次循环中切割力改变方向的时间 当h ( 0 2 l 的时，刀具的切割面和切屑之间的摩擦力方向与一般的摩擦力方 向一致；当办。一1 时，表示摩擦力方向反向；当厅彬= o 的时，表示刀具与被 切割物质和切屑分离。厅函数表示切割状态可以用图2 - 3 来表示。在超声振 动切割的过程中切割力是不连续的，这样平均切割力明显减小【2 3 - 2 4 。 图2 - 3 h ( t ) 表示切割状态示意图 f i g 2 - 3f “n c t i o nr e p r e s e n t i “gt h ec u t t i n gs t a t ei nv i b r a t i o nc u t t i n g 切割过程中的摩擦力可以表示为： z = 幔。 式中一摩擦系数；只。一平均切割力 r 2 1 4 ) 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 不连续的超声切割作用有效地减小了刀具的推进切割阻力1 2 0 “j ，从而平均 摩擦力也显著地减小，有利于减少切割过程中的由于摩擦而产生的热量。因 此，超声振动切割使切割边缘更平整，无褶皱，对切割周围物质影响减小。 在显微切割领域，由于被切割物质一般是组织细胞、病理切片等，切割时 过大的超声能量可能对被切样本产生不良影响，不利于其进一步分析研究。因 此还需要注意控制影响超声振动切割能量的切割参数。 超声振动切割时，微切割工具振动将能量传给与它接触的物质，首先接收 振动能量的是直接与声源接触的那部分粒子，之后能量逐渐传入介质内部。如 果把介质分层考虑，则每层将交替的受到由于波动所致的压力或拉力的作用。 介质可以看作是由许多彼此紧密相连的质点组成。一旦媒质中的质点受到某种 扰动，此质点便产生偏离其平衡位置的运动，这一运动势必推动与其相邻的质 点也开始运动。这里所说的质点实际上是指宏观上足够小的体积元，其中可以 包含大量的分子，但在小体积内部各部分的物理特性近似看作均匀的。这个小 体积a v ，具有质量矿。在切割刀具的带动下，在不考虑能量衰减的理想情 况下，与切割刀具相邻的质点也将按公式(