CN103743667A

CN103743667A - 一种超声振动辅助生物软组织切削试验装置

Info

Publication number: CN103743667A
Application number: CN201410033265.1A
Authority: CN
Inventors: 张勤河; 高立营; 宋磊; 秦雪梅; 李丹; 辛青
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2014-01-23
Publication date: 2014-04-23

Abstract

本发明属于生物医学工程领域，是一种超声振动辅助生物软组织切削试验装置，包括底座、计算机、切削刀具、软组织固定台、刀具夹持器、力传感器、气缸、横向导轨，计算机内装有数据采集卡；其特征是还包括信号发生器、信号放大器、定向导杆、推板、超声换能器，推板固定在定向导杆前端；力传感器、超声换能器、刀具夹持器、切削刀具依次安装在定向导杆前端推板上组成超声振动切削刀具头集成。力传感器可实时测量切削力，从而实现了对软组织切削的定量研究。本发明能够实现对软组织切削的超声振动辅助，并在计算机控制下实现对整个切削过程的自动测量，测试速度快，精度高，可以为研究组织切削过程中超声波与组织间的作用机理提供完善的试验平台。

Description

一种超声振动辅助生物软组织切削试验装置

技术领域

本发明属于生物医学工程领域，涉及一种超声振动辅助生物软组织切削试验装置。

背景技术

外科手术是一种通过对组织或器官部分或全部切除、修复、重建来治疗疾病的一种医疗手段，广泛应用于临床。外科手术离不开手术刀具，手术刀具是切除或修复组织或器官的工具，手术刀具切削组织的性能决定了其对周围组织的损害。超声手术刀技术是把超声波振动施加到手术刀具上，能明显降低手术过程中的组织切削力，减少对周围组织的损伤。目前超声振动与软组织的相互作用机理还不十分明确，没有人进行过相关研究，缺少研究超声振动与软组织的相互作用机理的试验手段，因此迫切需要开发新的超声振动辅助软组织切削试验装置，以研究清楚组织切削过程中超声波与组织间作用机理，进而开发新型高效手术刀具。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，针对组织切削试验提供一种超声振动辅助生物软组织切削试验装置。

本发明是通过以下方式实现的：

一种超声振动辅助生物软组织切削试验装置，包括底座、计算机、切削刀具、软组织固定台、刀具夹持器、力传感器、气缸、横向导轨，计算机内装有数据采集卡；其特征是还包括信号发生器、信号放大器、定向导杆、推板、超声换能器，推板固定在定向导杆前端；力传感器、超声换能器、刀具夹持器、切削刀具依次安装在定向导杆前端推板上组成超声振动切削刀具头集成；信号发生器、信号放大器、超声换能器组成超声振动辅助系统，信号发生器产生脉冲信号，并通过信号放大器放大后施加在超声换能器上，带动切削刀具振动；气缸、定向导杆、计算机组成直线进给系统，通过计算机控制气缸压强调整切削速度，驱动定向导杆及前端推板，带动固定在刀具夹持器上的切削刀具实现对软组织的切削；力传感器、计算机及数据采集卡组成测力系统，数据采集卡采集力信号并通过PCI接口存储至计算机；力传感器可实时测量切削力，从而实现了对软组织切削的定量研究。

上述一种超声振动辅助生物软组织切削试验装置，其特征是力传感器采用六分量动态测力传感器。

本发明一种超声振动辅助生物软组织切削装置，能够实现对软组织切削的超声振动辅助，并在计算机控制下实现对整个切削过程的自动测量，测试速度快，精度高，可以为研究组织切削过程中超声波与组织间的作用机理提供完善的试验平台。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明超声振动切削刀具头集成示意图；

图中：1-底座；2-横向导轨；3-软组织固定台；4-超声振动切削刀具头集成；5-气缸；6-定向导杆；7-支架；8-计算机；9-信号放大器；10-信号发生器、11-推板；12-力传感器；13-超声换能器；14-刀具夹持器；15-切削刀具

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的三个最佳实施例：

实施例一：

如图1、2所示，本发明是一种超声振动辅助生物软组织切削试验装置，包括底座1、横向导轨2、软组织固定台3、气缸5、定向导杆6、支架7、计算机8、信号放大器9、信号发生器10，计算机8内装有数据采集卡；还包括由推板11、力传感器12、超声换能器13、刀具夹持器14、切削刀具15组成的超声振动切削刀具头集成4。横向导轨2、软组织固定台3、支架7、计算机8、信号放大器9、信号发生器10固定在底座1上。气缸5、定向导杆6、计算机8组成直线进给系统，通过计算机8控制气缸5的压强调整切削速度。力传感器12采用六分量动态测力传感器，其最高数据采样频率为250KHz，可同时测量x、y、z三个方向的力的大小和a、b、c三个方向扭矩的大小。力传感器12、超声换能器13、刀具夹持器14、切削刀具15依次安装在定向导杆6前端推板11上。信号发生器10产生超声脉冲信号，并通过信号放大器9放大后施加在超声换能器13上，实现对超声振动频率与振幅的控制。切削试验时控制气缸5驱动超声振动切削刀具头集成4切削固定在软组织固定台3上的软组织。力传感器12的信号输出端口与计算机及数据采集卡8中的数据采集端口相连。

具体操作方式为：首先将待切削的生物软组织放置于软组织固定台3上并在四周用手术胶固定，调整横向导轨2改变与软组织固定台3的位置，使切削刀具15指向目标切削位置。信号放大器9、信号发生器10、超声换能器13组成超声振动辅助系统，信号发生器10产生脉冲信号，并通过信号放大器9放大后施加在超声换能器13上，带动切削刀具15振动。通过计算机8控制气缸5的压强调整切削速度，驱动定向导杆6及前端推板11，带动固定在刀具夹持器14上的切削刀具15实现对软组织的切削。测力系统由力传感器12、计算机8及数据采集卡组成，通过数据采集卡采集力信号并通过PCI接口传递至计算机8并存储。

可以通过改变具体设置使试验装置进行不同的实验。（1）：改变气缸5的压强调整切削速度，使推板11带动切削刀具15切削软组织，研究不同切削速度对软组织切削的影响；（2）：改变信号发生器10产生的脉冲，改变信号放大器9的放大倍率，研究不同脉冲频率与功率产生的振动对软组织切削的辅助效果，并进一步研究组织切削过程中超声波与组织间作用机理；（3）：换装具有不同刀具参数的切削刀具15，研究刀具结构参数对软组织切削的影响；（4）：更换不同类型的生物软组织，研究切削参数对不同组织的影响，建立全面的组织切削工艺数据库。

实施例二：

如图1所示，针对特殊的小型软组织软测试实验，可以将力传感器12安装到软组织夹持装置3的下方，与软组织夹持装置3固定在一起，进而开发出针对大切削加速度、小组织质量的专用实验装置，该实验装置能消除惯性对力传感器12测量精度的影响，尤其适合生物软组织加速度较大时（大于3g）且被切削生物软组织质量较小时（小于200克）的情况，可以提高切削力测量精度。其余同实施例一。

实施例三：

如图1所示，更换刀具夹持器14和切削刀具15为取样针夹持器和取样针，可以开发出针对取样针的实验装置，用于研究超声取样针的振动辅助软组织切削取样效果。其余同实施例一。

Claims

1.一种超声振动辅助生物软组织切削试验装置，其特征是包括底座（1）、计算机（8）、切削刀具（15）、软组织固定台（3）、刀具夹持器（14）、力传感器（12）、气缸（5）、横向导轨（2），计算机（8）内装有数据采集卡；其特征是还包括信号发生器（10）、信号放大器（9）、定向导杆（6）、推板（11）、超声换能器（13），推板（11）固定在定向导杆（6）前端；力传感器（12）、超声换能器（13）、刀具夹持器（14）、切削刀具（15）依次安装在定向导杆（6）前端推板（11）上组成超声振动切削刀具头集成（4）；信号发生器（10）、信号放大器（9）、超声换能器（13）组成超声振动辅助系统，信号发生器（10）产生脉冲信号，并通过信号放大器（9）放大后施加在超声换能器（13）上，带动切削刀具（15）振动；气缸（5）、定向导杆（6）、计算机（8）组成直线进给系统，通过计算机（8）控制气缸（5）压强调整切削速度，驱动定向导杆（6）及前端推板（11），带动固定在刀具夹持器（14）上的切削刀具（15）实现对软组织的切削；力传感器（12）、计算机（8）及数据采集卡组成测力系统，数据采集卡采集力信号并通过PCI接口存储至计算机（8）。

2.根据权利要求1所述一种超声振动辅助生物软组织切削试验装置，其特征是力传感器（12）采用六分量动态测力传感器。