CN101082548B

CN101082548B - 用于微操作的显微操作装置

Info

Publication number: CN101082548B
Application number: CN2007100724681A
Authority: CN
Inventors: 汝长海; 郭书祥; 王希花; 叶秀芬
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2007-07-06
Filing date: 2007-07-06
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2027-07-06
Also published as: CN101082548A

Abstract

本发明提供了一种用于微操作的显微操作装置，它包括控制单元和显微操作手，控制单元包括控制器、连接控制器的A/D转换电路和位移采集单元，显微操作手包括两条形状记忆合金、显微操作针和固定部分，两条形状记忆合金通过固定部分设置在显微操作针两侧，两条形状记忆合金与控制单元连接。该显微操作针可以在低频较电流条件下工作，具有响应速度快，结构简单等特点。通过实验可以得出，该闭环系统在驱动频率在0.2Hz的时候可以得到较好的位移响应，并且该位移可以随着电流在一定范围内的增大而继续增加。

Description

用于微操作的显微操作装置

(一)技术领域

本发明涉及一种对微米级物体的穿刺的操作装置。

(二)背景技术

生物细胞的穿刺是显微切割的基础，可以对单细胞进行DNA、RNA和蛋白质分析的一种简单快捷的方法，特别是对细胞病变、癌症等的研究，该技术应用于单细胞可以给研究人员提供一种基于形态学传统方法和分子技术相结合的新技术。例如研究病变组织的分子机理，需要对病变细胞进行显微分析，由于组织切片中存在正常细胞因此一些生物信息经常被干扰，因而抑制细胞诊断技术的应用。从这个角度来讲必须从切片中提取制定的细胞或细胞群。在此提取过程中就要用到穿刺技术。目前医院和科研机构普遍采用人工操作，操作者使用微玻璃针等工具，在显微镜下长期工作，工作强度大，操作人员容易疲劳，人为误差很难避免。因此手动系统操作复杂效率低，生物医学工程中提供一套自动或半自动的微操作系统，提高微操作成功率，提高工作效率有着重要意义。

目前国外主要的显微穿刺系统包括，一是应用红外激光热熔切割技术，如美国ArcturuS公司研制的激光捕获微切割系统LCM，二是应用紫外激光冷切割技术，如德国莱卡公司研制的激光为切割系统LMD，但是使用激光切割技术整套机构庞大，设备复杂，费用高。三是日本Nogoya大学研制的超声波振动切割技术。但是超声波的引入加入了外场效应，从而会改变物体本身的某些物理化学行为，以至于影响对真实过程的理解。国内研究的有哈尔滨工业大学研制的压电陶瓷驱动显微操作针的穿刺技术。压电陶瓷驱动存在的缺点有驱动电压较大等等。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种闭环系统，利用反馈的位移量控制形状记忆合金的电流的频率和幅值，实现形状记忆合金带动显微操作针的前后运动，引入加速记忆合金冷却时间的半导体制冷片，提高运动效率，最终能够实现对生物细胞进行穿刺操作的用于微操作的显微操作装置。

本发明的目的是这样实现的：它包括控制单元和显微操作手，控制单元包括控制器、连接控制器的A/D转换电路和位移采集单元，显微操作手包括两条形状记忆合金、显微操作针和固定部分，两条形状记忆合金通过固定部分设置在显微操作针两侧，两条形状记忆合金与控制单元连接；。所述的控制器为单片机，位移采集单元为激光测位仪，A/D转换电路包括连接激光测位仪和单片机的AD转换电路和连接单片机和显微操作手的DA转换电路，激光测位仪同时连接显微操作手；所述的连接单片机和显微操作手的DA转换电路包括两条DA转换电路，两条DA转换电路的输出端分别连接放大电路，其中一条放大电路的输出端连接显微操作手，另一条放大电路的输出端连接半导体制冷片，半导体制冷片的输出端连接显微操作手；所述的显微操作针的一端与一条形状记忆合金固定在一起，另一端与另一条形状记忆合金固定在一起，每条形状记忆合金的另一端固定在用于盛放显微操作针的外围装置。

本发明还有这样一些技术特征：

1、所述的形状记忆合金通过导线与控制单元连接，导线通过粘接剂粘接在形状记忆合金两端。

本发明提供的用于生物细胞显微穿刺的微操作装置，其特点有：

(1)采用两条形状记忆合金。本发明中显微操作针是由形状记忆合金驱动的，结合图7，形状记忆合金2驱动显微操作针1前进，形状记忆合金3控制显微操作针1后退；形状记忆合金驱动具有电压低，无噪声，高弹性、金属橡胶性能、高强度等优点。形状记忆效应来源于一种热弹性马氏体相变。一般的马氏体相变作为钢的淬火强化的方法，就是把钢加热到某个临界温度以上保温一段时间，然后迅速冷却，例如直接插入冷水中(称为淬火)，这时钢转变为一种马氏体的结构，并使钢硬化。后来，在某些合金中发现了不同于上述的另一种所谓热弹性马氏体相变，热弹性马氏体一旦产生便可以随着温度降低继续长大。相反，当温度回升时，长大的马氏体又可以缩小，直至恢复到原来的状态，即马氏体随着温度的变化可以可逆地长大或缩小。本发明应用形状记忆合金作驱动装置驱动显微操作针的前进和后退实现对生物细胞的穿刺等显微操作，达到了操作时控制简单自如、电压低、高效率的目的；

(2)在闭环系统中，采用激光测位仪采集显微操作针的位移量作为反馈信号，同时通过单片机和放大电路转换成PWM信号控制形状记忆合金的位移；

(3)为加速形状记忆合金的冷却速度，引入半导体制冷片，提高了运动效率，控制信号也根据激光测位仪采集的位移经单片机和放大电路转换成直流电流信号控制半导体制冷片；

(4)显微操作针后端为圆柱体，显微操作针的前端为圆锥体，圆锥体的锥度为30度，尖端内径3微米外径7微米；

(5)固定部分，该部分主要用于形状记忆合金与显微操作针的固定，同时该部分还有保证形状记忆合金与显微操作针平行的功能。固定部分的材料为不导热的具有一定硬度的材料；另外，粘合剂为不导电不导热的胶。

在本发明装置中，通过给形状记忆合金通一定频率和幅度的电流，使形状记忆合金2温度升高，形状记忆合金2收缩，从而推动显微操作针以一定速度前移，同时用半导体制冷片给形状记忆合金3冷却实现对生物细胞的穿刺。通过给形状记忆合金3通一定频率和幅度的电流，使形状记忆合金3温度升高，形状记忆合金3收缩，带动显微操作针收缩。同时用半导体制冷片冷却形状记忆合金2从而完成了操作。

本发明提供的用于生物细胞穿刺的操作手，可以进一步安装于使其作三维空间移动的微操作台，连接一用于控制该三自由度微操作台动作的控制器，由一电脑控制操作，还可以包括与电脑连接的立体显微镜一台，激光测位仪用于测量显微操作针尖端的位移作为反馈信号控制记忆合金的电流的大小和半导体制冷片的电流，提高整个微操作手的精度的效率。

综上所述，本发明提供的用于切割生物细胞的微操作手，由于采用形状记忆合金驱动，通过改变加到形状记忆合金电流的大小和频率，实现调节显微操作针位移和速度的大小。本发明可以在低频较小电流条件下工作，具有驱动电压低，响应速度快，结构简单，操作简便等特点。通过实验可以得出，该闭环系统在驱动频率在0.2hz的时候可以得到较好的位移响应，并且该位移可以随着电流在一定范围内的增大而继续增加。

(四)附图说明

图1为实施例状记忆合金丝的应力应变曲线；

图2为实施例状记忆合金丝的应变温度组合曲线；

图3为本发明结构原理图；

图4为图3中放大电路的原理图；

图5为半导体制冷片的结构示意图；

图6为半导体制冷片的制冷量与电流的关系示意图；

图7为本发明显微操作手的结构示意图；

图8为显微操作手对细胞操作示意图；

图9为实验得到的PWM电路幅值与形状记忆合金平均速度的关系曲线；

图10为形状记忆合金电流I＝0.24A，f＝0.2hz时激光测位仪检测到的位移变化曲线。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步的说明：

结合图3和图7，本实施例包括控制单元和显微操作手，控制单元包括控制器、连接控制器的A/D转换电路和位移采集单元，本实施例中控制器为单片机，位移采集单元为激光测位仪，A/D转换电路包括连接激光测位仪和单片机的AD转换电路和连接单片机和显微操作手的DA转换电路，激光测位仪同时连接显微操作手，单片机连接分别连接两条DA转换电路，两条DA转换电路的输出端分别连接放大电路，其中一条放大电路支路的输出端连接显微操作手，另一条放大电路支路的输出端连接半导体制冷片，半导体制冷片的输出端连接显微操作手，显微操作手包括两条形状记忆合金2、3、显微操作针1和固定部分4，两条形状记忆合金2、3通过固定部分4设置在显微操作针1两侧，显微操作针1的一端与一条形状记忆合金2固定在一起，另一端与另一条形状记忆合金3固定在一起，每条形状记忆合金的另一端固定在用于盛放显微操作针的外围装置，本实施例安装于使其作三维空间移动的微操作台，即外围装置，形状记忆合金2、3通过导线6与控制单元连接，导线6通过粘接剂5粘接在形状记忆合金两端。

本实施例采用的是直径0.2mm的镍钛形状记忆合金丝，长度为50mm它的名义成份：Ni-49.2at Ti。试验前在冰水(0℃)和沸水(100℃)中进行多次冷热循环，处于马氏体状态的NiTi丝产生塑性变形后，在自由状态下加热，当温度超过奥氏体相变开始温度A_s时，它将发生M-P相变，形状开始回复，温度达到奥氏体相变结束温度A_r后，M-P相变结束，NiTi形状记忆合金回复到原有状态C，马氏体相变开始温度M_s＝30℃，A_s＝62℃和A_r＝67℃.使SMA丝性能趋于稳定其基本驱动特性为在应力为常数的条件下，应变-温度的关系为：

结合图1-2，图1和图2分别是(σ-ε)和(ε-T)曲线，利用它探讨热-机械循环过程对NiTi形状记忆合金性能的影响，测定形状记忆合金丝的最大可回复应变。这组曲线分为两个阶段，第一阶段(ε)r是在温度不变的环境中(T＝30℃)，对试件加载，使它产生一定的预变形，卸载至零。第二阶段(e-T)。为加温回复过程当预应变值E-5时，NiTi丝的变形基本上完全回复，即经历了一个加热-冷却温度循环后，NiTi丝的应变基本为零。

NiTi形状记忆合金的最大可回复应变为3.8％，利用应变温度组合曲线(图2)中的开始的线性部分的特性，实现微米级的位移。

由于形状记忆合金通电加热速度很快，而自然冷却速度很慢，所以如果没有外加的冷却装置，会影响形状记忆合金的运动效率。为了解决该问题，本实施例采用半导体制冷片给形状记忆合金降温，加速降温速度，从而提高整体工作效率。半导体制冷片的结构如图5，半导体制冷片的控制信号是由激光测位仪采集的位移量经过单片机和放大电路得到的直流电流信号。半导体制冷片的制冷量与电流的关系如图6所示。图4为其中的放大电路原理图。结合图4，本实施例中放大电路的同相输入连接PWM信号，反相输入接电阻接地，输出接负载。

本实施例提供的微操作手对生物细胞进行操作的过程是这样实现的：

结合图8-图10，将显微操作手1固定在三自由度微操作台上，启动微操作台控制器、电脑与显微镜，其中被操作细胞12处于载波片13上；

A)通过显微镜的观察，使微操作针的尖部靠近或接触目标细胞；打开激光测位仪，给记忆合金2通电，通过激光测位仪反馈的位移控制记忆合金2的电流大小与幅度，使显微操作针穿入目标细胞或细胞群内部，同时半导体制冷片给形状记忆合金3降温；

B)撤去形状记忆合金2的电流，用半导体制冷片给形状记忆合金2降温。同时给形状记忆合金3通电，同理用激光测位仪反馈的位移控制形状记忆合金和半导体制冷片的电流，使显微操作针从细胞或细胞群中撤出。即实现对生物细胞的穿刺。多次连续位置的穿刺即可完成对生物细胞的切割。

Claims

1.一种用于微操作的显微操作装置，它包括控制单元和显微操作手，其特征在于控制单元包括控制器、连接控制器的A/D转换电路和位移采集单元，显微操作手包括两条形状记忆合金、显微操作针和固定部分，两条形状记忆合金通过固定部分设置在显微操作针两侧，两条形状记忆合金与控制单元连接；所述的控制器为单片机，位移采集单元为激光测位仪，A/D转换电路包括连接激光测位仪和单片机的AD转换电路和连接单片机和显微操作手的DA转换电路，激光测位仪同时连接显微操作手；所述的连接单片机和显微操作手的DA转换电路包括两条DA转换电路，两条DA转换电路的输出端分别连接放大电路，其中一条放大电路的输出端连接显微操作手，另一条放大电路的输出端连接半导体制冷片，半导体制冷片的输出端连接显微操作手；所述的显微操作针的一端与一条形状记忆合金固定在一起，另一端与另一条形状记忆合金固定在一起，每条形状记忆合金的另一端固定在用于盛放显微操作针的外围装置。

2.根据权利要求1所述的用于微操作的显微操作装置，其特征在于所述的形状记忆合金通过导线与控制单元连接，导线通过粘接剂粘接在形状记忆合金两端。