CN108969187A - 角膜超声显微环切系统 - Google Patents

Abstract

角膜超声显微环切系统，涉及眼部角膜移植手术。由于采用模块化结构，因此结构精巧，超声波换能器具有偏心调整功能，由于偏心调整量即为环切圆的半径，进而角膜环切圆的直径可达10mm，垂直运动精度为1μm，超声波换能器的振动频率为20～40kHz，振幅为8～20μm，超声切割力感应精度为0.1mN，可适应角膜显微环切的高精度操作要求。

Description

角膜超声显微环切系统

技术领域

本发明涉及眼部角膜移植手术，尤其是涉及角膜超声显微环切系统。

背景技术

目前，眼部角膜移植手术中普遍采用的是角膜环钻进行手工环切或采用激光进行环切。角膜环切操作是一项高度精细的显微手术。尤其在板层角膜移植手术中，环切深度约为角膜厚度的2/3，即300～400μm，环切的角膜植片或病变角膜的直径通常为7.5mm，因此手术对角膜环切深度的精度要求较高。传统人工环切需要经过长时间的训练，切口不平滑且由于角膜组织的粘弹性和超弹性特征使得环切深度无法保证；激光切削虽然精度高，但对眼球存在一定的风险，如飞秒激光在角膜移植手术中，存在不安全性(易损伤眼内组织)、不稳定性(病变的角膜会影响激光能量)、局限性(需负压吸引而不适用于角膜濒临穿孔的病例)等问题(①段娴艺.南京大学,2015；②刘笑宇.北京航空航天大学，2008；③Botchway SW,Reynolds P,Parker A W,et al.Mutation Research/reviews in Mutation Research,2010,704(1-3):38–44)。目前还未见自动控制的角膜超声显微环切系统的报道。

发明内容

本发明的目的是提供角膜超声显微环切系统，以提高角膜环切深度的控制精度。

本发明设有底板，所述底板上一侧设有立柱，所述立柱上部设有竖直伺服电机，竖直伺服电机设在竖直电机座上，所述竖直伺服电机的下端设有丝杠和滑动支承导轨，所述滑动支承导轨上设有旋转伺服电机座，所述旋转伺服电机座上端设有旋转伺服电机，所述旋转伺服电机下端设有偏心调整板，所述偏心调整板下端固定安装有偏心调整微导轨滑块，所述偏心调整微导轨滑块与偏心调整微导轨滑动联接，所述偏心调整微导轨下端固定安装有旋转过渡套，所述旋转过渡套内固定安装有超声波换能器，所述超声波换能器通过旋转导电滑环、电源线与超声波发生器相连。所述旋转过渡套下方安装有紧定法兰。所述超声波换能器下方固定安装有超声波工具头，所述超声波工具头夹持弯刀，所述弯刀的切割方向可以通过紧定法兰进行调整。利用旋转过渡套与超声波换能器之间的螺纹将弯刀尖端调整为所切割圆的切线方向后，再利用顶紧螺栓将紧定法兰与旋转过渡套进行固定；所述偏心调整微导轨与旋转过渡套固定联接，偏心调整微导轨与偏心调整微导轨滑块滑动联接，所述偏心调整微导轨滑块固定在偏心调整板上，所述旋转过渡套通过偏心调整微导轨、偏心调整微导轨滑块与偏心调整板滑动联接；所述偏心调整板下方固定安装有微分表头顶紧块和弹簧顶紧块；所述微分表头顶紧块与微分表头固定联接，所述弹簧顶紧块与弹簧通过弹力顶紧联接；与偏心调整板固定联接的弹簧、微分表头测杆的中间为与偏心调整板滑动联接的旋转过渡套。旋转过渡套的轴向位置可以通过旋转微分表头的微分筒调整，所述旋转过渡套内安装有超声波换能器，所述超声波换能器下方安装有超声波工具头，所述超声波工具头夹持弯刀，弯刀尖端的偏心量与旋转过渡套的偏心量一致。若顺时针旋转微分表头的微分筒，则微分表头的测杆伸长，弯刀尖端左移；若逆时针旋转微分表头的微分筒，则微分表头的测杆收回，弯刀尖端右移，从而可以实现弯刀尖端的偏心调整功能。

偏心调整的精度与微分表头精度相同，可为0.01mm。

所述偏心调整板安装在旋转导电滑环下方，XY微分平台安装在底板前端。待环切离体猪眼球(其顶端表面为待环切角膜)通过眼球支架、平台过渡板固定在XY微分平台上，眼球支架下方安装有压力传感器，所述压力传感器用于检测超声切割角膜过程中垂直方向的作用力。初始状态下，超声波工具头轴线与旋转导电滑环的轴线重合，且与XY微分平台的中心法线重合，通过手动旋转微分表头的微分筒，可实现超声波工具头的轴线与旋转导电滑环轴线、及与XY微分平台中心法线的偏心量调整，偏心调整量为±5mm，偏心调整的精度为0.01mm。标尺光栅安装在导轨加高块右侧，光栅读数头通过读数头安装板安装在滑块过渡板上，光栅读数头跟随滑块过渡板的上下移动读取脉冲值，进而计算位移数据，测量精度1μm，可满足运动平台精密运动控制的需求。

所述滑动支承导轨安装在导轨加高块上，所述导轨加高块右侧设有标尺光栅，所述标尺光栅的光栅读数头通过读数头安装板安装在滑块过渡板右侧。

所述立柱后侧设有精密两轴运动控制器。

所述超声波工具头具有偏心调整功能，偏心调整范围为±5mm，垂直运动精度为1μm，超声波换能器的振动频率为20～40kHz，振幅为8～20μm，超声切割力感应精度为0.1mN。

所述偏心调整板下端可通过螺钉方式固定安装有偏心调整微导轨滑块。

所述偏心调整微导轨下端可通过螺钉方式固定安装有旋转过渡套，所述旋转过渡套内可通过螺纹方式固定安装有超声波换能器。

所述旋转过渡套下方可通过螺栓顶紧方式安装有紧定法兰。所述超声波换能器下方可通过螺纹方式固定安装有超声波工具头。

所述偏心调整微导轨与旋转过渡套可通过螺钉方式固定联接，所述偏心调整微导轨滑块可通过螺钉方式固定在偏心调整板上。

所述偏心调整板下方可通过螺钉方式固定安装有微分表头顶紧块和弹簧顶紧块。所述微分表头顶紧块可通过螺纹方式与微分表头固定联接。

所述旋转过渡套内可通过螺纹方式安装有超声波换能器，所述超声波换能器下方可通过螺纹方式安装有超声波工具头。

所述旋转伺服电机座通过导轨滑块上的滑块过渡板与立柱滑动联接。

所述立柱前端、弯刀正下方设有XY微分平台，所述XY微分平台上设有平台过渡板、眼球支架以及离体猪眼球，所述眼球支架下方设有压力传感器。

所述滑块过渡板左侧设有竖直电机零点位置块，所述立柱的零点位置及最大位移位置均设有光电开关。所述立柱后侧设有精密两轴运动控制器。

所述导轨加高块设有滑动支承导轨，导轨加高块右侧设有标尺光栅，所述标尺光栅的光栅读数头通过读数头安装板安装在滑块过渡板右侧。

所述超声波换能器与超声波工具头通过螺纹联接，所述超声波工具头夹持弯刀，所述弯刀的切割方向可以通过紧定法兰来调整。

所述超声波工具头具有偏心调整功能，偏心调整范围为±5mm，垂直运动精度为1μm，超声波换能器的振动频率为20～40kHz，振幅为8～20μm，超声切割压力敏感精度0.1mN。

本发明的有益效果为：

由于采用模块化结构，因此结构精巧，超声波换能器具有偏心调整功能，偏心调整范围为±5mm，由于偏心调整量即为环切圆的半径，进而角膜环切圆的直径可达10mm，垂直运动精度为1μm，超声波换能器的振动频率为20～40kHz，振幅为8～20μm，超声切割力感应精度为0.1mN，可适应角膜显微环切的高精度操作要求。

附图说明

图1是本发明实施例的主视结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3是图1和图2的三维西南等轴测视图。

图4是弯刀尖端偏心调整示意图。

图5是图4的仰视示意图。

图6是人工环钻与角膜超声环切系统切割角膜的组织学切片染色图像对比图。在图6中，图(a)为人工环钻；图(b)为超声弯刀。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步说明。

本发明实施例设有底板1，所述底板1上一侧设有立柱2，所述立柱2上部设有竖直伺服电机11，竖直伺服电机11设在竖直电机座10上，所述竖直伺服电机11的下端设有丝杠24和滑动支承导轨15，所述滑动支承导轨15上设有旋转伺服电机座26，所述旋转伺服电机座26上端设有旋转伺服电机25，所述旋转伺服电机25下端设有偏心调整板28，所述偏心调整板28下端固定安装有偏心调整微导轨滑块35，所述偏心调整微导轨滑块35与偏心调整微导轨33滑动联接，所述偏心调整微导轨33下端固定安装有旋转过渡套6，所述旋转过渡套6内固定安装有超声波换能器5，所述超声波换能器5通过旋转导电滑环7、电源线21与超声波发生器22相连。所述旋转过渡套6下方安装有紧定法兰36。所述超声波换能器5下方固定安装有超声波工具头4，所述超声波工具头4夹持弯刀3，所述弯刀3的切割方向可以通过紧定法兰36进行调整。利用旋转过渡套6与超声波换能器5间的螺纹将弯刀3尖端调整为所切割圆的切线方向后，再利用顶紧螺栓将紧定法兰36与旋转过渡套6进行固定。偏心调整微导轨33与旋转过渡套6固定联接，所述偏心调整微导轨33与偏心调整微导轨滑块35滑动联接，所述偏心调整微导轨滑块35固定在偏心调整板28上，所述旋转过渡套6通过偏心调整微导轨33、偏心调整微导轨滑块35与偏心调整板28滑动联接。所述偏心调整板28下方固定安装有微分表头顶紧块34和弹簧顶紧块32。所述微分表头顶紧块34与微分表头29固定联接，所述弹簧顶紧块32与弹簧30通过弹力顶紧联接。与偏心调整板28固定联接的弹簧30、微分表头29测杆的中间为与偏心调整板28滑动联接的旋转过渡套6。旋转过渡套6的轴向位置可以通过旋转微分表头29的微分筒调整，所述旋转过渡套6内安装有超声波换能器5，所述超声波换能器5下方安装有超声波工具头4，所述超声波工具头4夹持弯刀3，弯刀3尖端的偏心量与旋转过渡套6的偏心量一致。若顺时针旋转微分表头29的微分筒，则微分表头29的测杆伸长，弯刀3尖端左移，若逆时针旋转微分表头29的微分筒，则微分表头29的测杆收回，弯刀3尖端右移，从而可以实现弯刀3尖端的偏心调整功能。

偏心调整的精度与微分头精度相同，为0.01mm。

偏心调整板28安装在旋转导电滑环7下方，XY微分平台20安装在底板1前端。待环切离体猪眼球17(其顶端表面为待环切角膜)通过眼球支架18、平台过渡板19固定在XY微分平台20上，眼球支架18下方安装有压力传感器31，所述压力传感器31用于检测超声切割角膜过程中垂直方向的作用力。初始状态下，超声波工具头4轴线与旋转导电滑环7的轴线重合，且与XY微分平台20的中心法线重合，通过手动旋转微分表头29的微分筒，可实现超声波工具头4的轴线与旋转导电滑环7轴线、及与XY微分平台20中心法线的偏心量调整，偏心调整量为±5mm，偏心调整的精度为0.01mm。标尺光栅16安装在导轨加高块14右侧，光栅读数头13通过读数头安装板12安装在滑块过渡板27上，光栅读数头13跟随滑块过渡板27的上下移动读取脉冲值，进而计算位移数据，测量精度1μm，可满足运动平台精密运动控制的需求。

所述滑动支承导轨15安装在导轨加高块14上，所述导轨加高块14右侧设有标尺光栅16，所述标尺光栅16的光栅读数头13通过读数头安装板12安装在滑块过渡板27右侧。

所述立柱2后侧设有精密两轴运动控制器23。

所述超声波工具头4具有偏心调整功能，偏心调整范围为±5mm，垂直运动精度为1μm，超声波换能器5的振动频率为20-40kHz，振幅为8-20μm，超声切割力感应精度为0.1mN。

所述偏心调整板28下端可通过螺钉方式固定安装有偏心调整微导轨滑块35。

所述偏心调整微导轨33下端可通过螺钉方式固定安装有旋转过渡套6，所述旋转过渡套6内可通过螺纹方式固定安装有超声波换能器5。

所述旋转过渡套6下方可通过螺栓顶紧方式安装有紧定法兰36。所述超声波换能器5下方可通过螺纹方式固定安装有超声波工具头4。

所述偏心调整微导轨33与旋转过渡套6可通过螺钉方式固定联接，所述偏心调整微导轨滑块35可通过螺钉方式固定在偏心调整板28上。

所述偏心调整板28下方可通过螺钉方式固定安装有微分表头顶紧块34和弹簧顶紧块32。所述微分表头顶紧块34可通过螺纹方式与微分表头29固定联接。

所述旋转过渡套6内可通过螺纹方式安装有超声波换能器5，所述超声波换能器5下方可通过螺纹方式安装有超声波工具头4。

所述旋转伺服电机座26通过导轨滑块上的滑块过渡板27与立柱2滑动联接。

所述立柱2前端、弯刀3正下方设有XY微分平台20，所述微分平台上设有平台过渡板19、眼球支架18以及离体猪眼球17，所述眼球支架下方设有压力传感器31。

所述滑块过渡板27左侧设有竖直电机零点位置块8，所述立柱的零点位置及最大位移位置均设有光电开关9。

所述导轨加高块14设有滑动支承导轨15，导轨加高块14右侧设有标尺光栅16，所述标尺光栅16的光栅读数头13通过读数头安装板12安装在滑块过渡板27右侧。

所述立柱2后侧设有精密两轴运动控制器23。

所述超声波换能器5与超声波工具头4通过螺纹联接，所述超声波工具头4夹持弯刀3，所述弯刀3的切割方向可以通过紧定法兰33来调整。

所述超声波工具头4具有偏心调整功能，偏心调整范围为±5mm，垂直运动精度为1μm，超声波换能器的振动频率为20～40kHz，振幅为8～20μm，超声切割压力敏感精度0.1mN。

如图4和5所示，为了利用弯刀在角膜组织上切割出一个整圆形状的角膜植片或病变角膜，需要设计弯刀3尖端具有偏心调整功能，且弯刀3的切割方向应设置为所切割圆的切线方向。首先，弯刀3的切割方向可以通过紧定法兰36进行调整。利用旋转过渡套6与超声波换能器5间的螺纹将弯刀3尖端调整为所切割圆的切线方向后，再利用顶紧螺栓将紧定法兰36与旋转过渡套6进行固定。其次，偏心调整功能由旋转微分表头29的微分筒来实现。偏心调整微导轨33与旋转过渡套6通过螺钉方式固定联接，所述偏心调整微导轨33与偏心调整微导轨滑块35滑动联接，所述偏心调整微导轨滑块35通过螺钉方式固定在偏心调整板28上，因此所述旋转过渡套6通过偏心调整微导轨33、偏心调整微导轨滑块35与偏心调整板28滑动联接。所述偏心调整板28下方通过螺钉方式固定安装有微分表头顶紧块34和弹簧顶紧块32。所述微分表头顶紧块34通过螺纹方式与微分表头29固定联接，所述弹簧顶紧块32与弹簧30通过弹力顶紧联接。所述与偏心调整板28固定联接的弹簧30、微分表头29测杆的中间为与偏心调整板28滑动联接的旋转过渡套6。因此旋转过渡套6的轴向位置可以通过旋转微分表头29的微分筒来调整。所述旋转过渡套6内通过螺纹方式安装有超声波换能器5，所述超声波换能器5下方通过螺纹方式安装有超声波工具头4，所述超声波工具头4夹持弯刀3，因此弯刀3尖端的偏心量与旋转过渡套6的偏心量完全一致。若顺时针旋转微分表头29的微分筒，则微分表头29的测杆伸长，弯刀3尖端左移，若逆时针旋转微分表头29的微分筒，则微分表头29的测杆收回，弯刀3尖端右移，从而可以实现弯刀3尖端的偏心调整功能。偏心调整的精度与微分头精度相同，为0.01mm。

本发明提供的角膜超声显微环切系统，偏心调整板28安装在旋转导电滑环7下方，XY微分平台20安装在底板1前端。待环切离体猪眼球17(其顶端表面为待环切角膜)通过眼球支架18、平台过渡板19固定在XY微分平台20上。眼球支架18下方安装有压力传感器31，用来检测超声切割角膜过程中垂直方向的作用力。初始状态下，超声波工具头4轴线与旋转导电滑环7的轴线重合，且与XY微分平台20的中心法线重合，通过手动旋转微分表头29的微分筒，可实现超声波工具头4的轴线与旋转导电滑环7轴线、及与XY微分平台20中心法线的偏心量调整，偏心调整量为±5mm，偏心调整的精度为0.01mm。标尺光栅16安装在导轨加高块14右侧，光栅读数头13通过读数头安装板12安装在滑块过渡板27上，光栅读数头13跟随滑块过渡板27的上下移动读取脉冲值，进而计算位移数据，测量精度1μm，可满足运动平台精密运动控制的需求。

工作时，需先对本发明进行对中调整，将待环切角膜通过平台过渡板19固定在XY微分平台20上，保证旋转导电滑环7轴线、超声波工具头4轴线、XY微分平台20中心法线三者重合，对压力传感器31的数据进行清零；竖直伺服电机11处于零点位置，对光栅读数头13的读数数据进行清零。随后，根据任务要求，通过手动旋转微分表头29的微分筒，调整超声波工具头4的偏心量到指定数值。随后，将弯刀3尖端调整为所切角膜植片圆形的切线方向。其次，超声波发生器22启动，随后竖直伺服电机11启动，竖直伺服电机11正转向下进给，进给位移通过读取光栅读数头13的数值进行计算，达到作业深度后，旋转伺服电机25随后启动，利用旋转伺服电机25自带编码器的脉冲读数记录旋转角度，实现旋转(角膜环切)角度的闭环控制，实现角膜植片圆形切割动作的闭合；完成猪眼球角膜的圆形闭合切割后，竖直伺服电机11反转向上退出，超声波发生器22关闭，实现自动角膜显微环切操作，如图6所示，超声环切系统对角膜组织的切割变形小，切口平滑，满足精密作业要求。

Claims (10)

1.角膜超声显微环切系统，其特征在于设有底板，所述底板上一侧设有立柱，所述立柱上部设有竖直伺服电机，竖直伺服电机设在竖直电机座上，所述竖直伺服电机的下端设有丝杠和滑动支承导轨，所述滑动支承导轨上设有旋转伺服电机座，所述旋转伺服电机座上端设有旋转伺服电机，所述旋转伺服电机下端设有偏心调整板，所述偏心调整板下端固定安装有偏心调整微导轨滑块，所述偏心调整微导轨滑块与偏心调整微导轨滑动联接，所述偏心调整微导轨下端固定安装有旋转过渡套，所述旋转过渡套内固定安装有超声波换能器，所述超声波换能器通过旋转导电滑环、电源线与超声波发生器相连；所述旋转过渡套下方安装有紧定法兰；所述超声波换能器下方固定安装有超声波工具头，所述超声波工具头夹持弯刀，所述弯刀的切割方向通过紧定法兰进行调整；利用旋转过渡套与超声波换能器之间的螺纹将弯刀尖端调整为所切角膜植片圆形的切线方向后，再利用顶紧螺栓将紧定法兰与旋转过渡套进行固定；偏心调整微导轨与旋转过渡套固定联接，所述偏心调整微导轨与偏心调整微导轨滑块滑动联接，所述偏心调整微导轨滑块固定在偏心调整板上，所述旋转过渡套通过偏心调整微导轨、偏心调整微导轨滑块与偏心调整板滑动联接；所述偏心调整板下方固定安装有微分表头顶紧块和弹簧顶紧块；所述微分表头顶紧块与微分表头固定联接，所述弹簧顶紧块与弹簧通过弹力顶紧联接；与偏心调整板固定联接的弹簧、微分表头测杆的中间为与偏心调整板滑动联接的旋转过渡套；旋转过渡套的轴向位置通过旋转微分表头的微分筒调整，所述旋转过渡套内安装有超声波换能器，所述超声波换能器下方安装有超声波工具头，所述超声波工具头夹持弯刀，弯刀尖端的偏心量与旋转过渡套的偏心量一致。

2.如权利要求书1所述角膜超声显微环切系统，其特征在于所述偏心调整板安装在旋转导电滑环下方，XY微分平台安装在底板前端；待环切离体猪眼球通过眼球支架、平台过渡板固定在XY微分平台上，眼球支架下方安装有压力传感器，所述压力传感器用于检测超声切割角膜过程中垂直方向的作用力；初始状态下，超声波工具头轴线与旋转导电滑环的轴线重合，且与XY微分平台的中心法线重合，通过手动旋转微分表头的微分筒，实现超声波工具头的轴线与旋转导电滑环轴线、及与XY微分平台中心法线的偏心量调整。

3.如权利要求2所述角膜超声显微环切系统，其特征在于所述偏心量调整为±5mm，偏心调整的精度为0.01mm；标尺光栅安装在导轨加高块右侧，光栅读数头通过读数头安装板安装在滑块过渡板上，光栅读数头跟随滑块过渡板的上下移动读取脉冲值，进而计算位移数据，测量精度1μm，满足运动平台精密运动控制的需求。

4.如权利要求1所述角膜超声显微环切系统，其特征在于所述滑动支承导轨安装在导轨加高块上，所述导轨加高块右侧设有标尺光栅，所述标尺光栅的光栅读数头通过读数头安装板安装在滑块过渡板右侧。

5.如权利要求1所述角膜超声显微环切系统，其特征在于所述立柱后侧设有精密两轴运动控制器。

6.如权利要求1所述角膜超声显微环切系统，其特征在于所述超声波工具头具有偏心调整功能，偏心调整范围为±5mm，垂直运动精度为1μm，超声波换能器的振动频率为20～40kHz，振幅为8～20μm，超声切割力感应精度为0.1mN。

7.如权利要求1所述角膜超声显微环切系统，其特征在于所述偏心调整板下端通过螺钉方式固定安装有偏心调整微导轨滑块；所述偏心调整微导轨下端通过螺钉方式固定安装有旋转过渡套，所述旋转过渡套内通过螺纹方式固定安装有超声波换能器；

所述旋转过渡套下方通过螺栓顶紧方式安装有紧定法兰；所述超声波换能器下方通过螺纹方式固定安装有超声波工具头；

所述偏心调整微导轨与旋转过渡套通过螺钉方式固定联接，所述偏心调整微导轨滑块通过螺钉方式固定在偏心调整板上；

所述偏心调整板下方通过螺钉方式固定安装有微分表头顶紧块和弹簧顶紧块；所述微分表头顶紧块通过螺纹方式与微分表头固定联接；

所述旋转过渡套内通过螺纹方式安装有超声波换能器，所述超声波换能器下方通过螺纹方式安装有超声波工具头。

8.如权利要求1所述角膜超声显微环切系统，其特征在于所述旋转伺服电机座通过导轨滑块上的滑块过渡板与立柱滑动联接；

所述立柱前端、弯刀正下方设有XY微分平台，所述XY微分平台上设有平台过渡板、眼球支架以及离体猪眼球，所述眼球支架下方设有压力传感器；

所述滑块过渡板左侧设有竖直电机零点位置块，所述立柱的零点位置及最大位移位置均设有光电开关。

9.如权利要求3所述角膜超声显微环切系统，其特征在于所述导轨加高块设有滑动支承导轨，导轨加高块右侧设有标尺光栅，所述标尺光栅的光栅读数头通过读数头安装板安装在滑块过渡板右侧。

10.如权利要求1所述角膜超声显微环切系统，其特征在于所述立柱后侧设有精密两轴运动控制器；

所述超声波换能器与超声波工具头通过螺纹联接，所述超声波工具头夹持弯刀，所述弯刀的切割方向通过紧定法兰来调整；

所述超声波工具头具有偏心调整功能，偏心调整范围为±5mm，垂直运动精度为1μm，超声波换能器的振动频率为20～40kHz，振幅为8～20μm，超声切割压力敏感精度0.1mN。