超声换能器在猪组织中的负载特性研究

超声换能器在猪组织中的负载特性研究

0单负载对换能器稳定性的影响超声骨科换能器具有切割精确、低温冷血、热损伤小等特点。适用于脊柱外科、骨科、关节置换术和其他精细手术。在骨科临床手术过程中,换能器要接触到松质骨、密质骨、肌肉、脂肪、血管、脊髓等各种软、硬组织,研究负载对超声换能器的影响,对提高切割性能和安全性有重要意义。在工业和医学领域应用中,超声换能器都是在负载作用下工作,且在工作过程中,负载在一定范围内是变动的。林书玉将超声清洗中的液体负载、超声钻孔和机械加工中的固体负载用等效电路法进行了研究,探讨了负载对换能器共振频率的影响,结果表明,对于固体负载,当超声加工工具的长度减小时,换能器振动系统的共振频率升高。林书玉还研究了电负载阻抗对夹心式压电换能器的影响,提出了电阻和电抗对超声换能器的谐振频率、反共振频率和机电耦合系数有不同的影响。姚文苇等的研究结果表明,负载较小时,频率与放大系数有较快的改变;负载较大时,频率与放大系数变化较小,基本趋于稳定。张云电等研究了质量负载和力负载对超声珩磨系统的影响,结果表明,力负载越大,系统谐振频率越低。林仲茂考虑了实际应用中常见的单边负载的情况,得到了压电元件两端的金属棒为不同材料及长度时的共振频率和效率表达式。文献研究了负载对工业超声换能器的影响。与工业中的负载相比,手术中切割软、硬组织的过程更复杂。因为组织是水、蛋白质和纤维等的不同组合,即使同种类型的组织其特性也不同,如心脏部位的肌肉较其他部位的肌肉弹性更强。目前关于手术中负载方面的研究报道很少。Khambay研究了利用超声凿子切割骨骼的过程,文中只给出了切割骨骼过程中不同因素(如切割速度、切割力和深度)的影响,没有对各种不同负载对换能器的影响进行研究。Chen等初步研究了组织负载对非工作状态换能器的影响,但未对现象进行深入的解释。本文对超声换能器负载特性进行小信号和大信号的研究,负载主要为离体动物骨骼组织和各种软组织,对负载特性进行了分析,从而为骨科超声换能器的临床应用提供依据。1信号中的不同组织的负载特性1.1软骨组织及细胞实验材料为新鲜的猪离体组织。其中软组织包括脂肪、肌肉及皮,骨骼组织包括软骨、密质骨及松质骨。软组织切成5cm×5cm×5cm的块状。密质骨选用去除表面骨膜的大腿骨,松质骨选用猪脊柱骨。1.2测试模块和动态信号分析方法图1为实验装置。实验中负载组织放置在升降平台的玻璃器皿内。换能器用支架轻轻夹持,保证以其自身质量(120g)接触各种组织。超声换能器垂直接触负载组织部位的面积约为2mm2。测试模块集成了1Ω的大功率电阻、与SR785连接的两个端口以及与超声换能器的接口。经测试1Ω电阻上的电压即可得通过换能器的电流值。SR785采用测量导纳的特定接法,通道1、2的两端分别与测试模块的2个端口相连接。动态信号分析仪SR785为美国斯坦福公司的最新产品,其频率范围是195.3mHz～102.4kHz,动态范围小于90dB,输出电压0～5V,具有快速傅里叶变换分析、互相关分析及正弦扫频分析等功能。实验中采用正弦扫频分析,频率范围为40～44kHz,输出电压为2V。1.3不同组织负载的弹性对低能器谐振频率的影响图2为负载为各种离体猪组织时,超声换能器的电导曲线。图3为其相应的导纳圆图。由图2、3可见,与空载的谐振频率相比,当负载为软组织(脂肪、肌肉、皮和软骨)时,换能器的谐振频率减小;负载为骨骼组织(松质骨、密质骨)时,换能器谐振频率变大。谐振频率从小到大的负载组织顺序为脂肪、肌肉、软骨、皮、空载、松质骨、密质骨。研究表明,造成谐振频率不同变化的主要原因是各种组织负载表面的弹性模量的不同。弹性模量较大的松质骨和密质骨使谐振频率变大,弹性模量较小的软组织使谐振频率变小。人体各种软组织的弹性模量是在某一范围内,因此,测试中这些组织对负载谐振频率的影响也是在一定范围内变动。2大信号状态下的超声算例利用动态信号分析仪的实验是在小信号(电压小于5V)下进行。实际切割骨骼时,输出的电压和功率较大,即为换能器的大信号工作状态。研究大信号状态下的超声骨科换能器负载特性的目的是为验证小信号下的规律,为实际的临床手术提供参考。为实现大信号测试,搭建了输入导纳在线测试系统,该系统是在超声骨科手术系统上搭建的。2.1超声传感检测控制系统超声骨科手术系统主要由超声发生部分及超声换能器组成。超声发生部分主要由控制系统、超声发生模块、功率自适应模块、阻抗匹配模块及温度保护装置组成。控制系统的作用是对超声骨科系统的各组成部分进行操控,具体功能包括超声信号发生器输出频率控制,功率的检测与调节,谐振点的检测、匹配网络的调节,温度的检测,冷却装置的启动等,还可控制人机交互部分,如脚闸及屏幕显示,触摸,遥控等。超声换能器是将主机发出的超声电信号转换成机械振动的关键部件。与小信号测试中使用的换能器相同。2.2在线实时采集数据的采集输入导纳在线测试系统的功能是实现输入导纳频率特性的测量和分析,包括硬件和软件两部分。图4为硬件系统。信号处理电路是超声骨科手术系统中的功率自适应部分的电压、电流信号进行提取。数据采集模块的主要部分是数据采集卡,其功能是将信号提取电路中输出的模拟信号转化成二进制数字信号,利用采集卡自带转换程序将二进制数据转化为十进制,送入计算机进行数据处理。利用软件系统,将时域信号转化为频域信号,实现导纳在线频域特性曲线的绘制和分析。在线测试系统的难点是导纳信号的频率很高,因此对实时数据采集要求较高。我们选用的是阿尔泰PCI8020数据采集卡,其AD芯片AD7484,具有2.5MHz实时采样频率和14位分辨率,能实现4通道同步采集数据。图5为系统的软件流程。首先将采集的数据通过切比雪夫滤波器进行滤波,滤除60kHz以上的噪声,然后对电压和电流两路信号分别从相同起点取足够的数据点进行快速傅里叶变换(FFT),得到峰值电压、峰值电流及两者对应的频率。将峰值电流除以峰值电压后得到该频率下对应的导纳值。继续取数据进行滤波、FFT处理,得到另一个频率点及其对应的导纳。将各点连成曲线,即可得到大信号下的导纳频率特性曲线。2.3超声切割与患者个人信息的关系实验材料为猪脊柱部位的松质骨、肌肉和脊髓。利用导纳实时采集系统进行数据的采集和处理,得到大信号下频域的电导和导纳圆,如图6、7所示。由图6、7可见,在超声换能器进行切割的过程中,接触或切割软组织时,系统的谐振频率低于空载谐振频率,而切割骨骼组织时谐振频率高于空载的谐振频率。但大信号下的精度没有小信号精度高,其原因可能是由于大功率下换能器的振动幅度很大,且换能器与组织间的作用随着组织被切除掉而不断变化,引入了很多的非线性因素。同时,信号的低通滤波可能滤除了一些有用信号,因此,负载对于大信号时影响没有在小信号下的规律明显。3导纳在线测试方法的搭建在小信号下,当负载为各种组织时,换能器的导纳特性会发生不同的改变。负载为骨骼组织(如松质骨、密质骨)时,换能器谐振频率大于空载谐振频率,而负载为软组织(如