CN110090075A - 一种基于光信号监测的飞秒激光骨加工定位和加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于1μm飞秒激光与骨材料相互作用产生的光信号监测进行激光骨加工定位和加工的方法，通过二次谐波绿光信号实现精确定位，并根据加工过程光信号变化快速优化飞秒激光加工参数，实现一种集定位、加工和监测一体的低损伤和无碳化骨加工。本发明基于光信号监测的飞秒激光骨钻孔定位和加工的方法按以下步骤实现：一、对骨组织做清洁和冷冻处理，二、基于低功率密度飞秒激光照射产生的二次谐波绿光信号指示定位，三、调整和优化激光加工参数使光信号处于绿光信号相对降低的状态，并根据光信号变化快速调整激光加工参数，完成飞秒激光骨加工。本发明有望应用于体外人造骨和动物骨加工以及骨外科临床治疗领域。

Description

一种基于光信号监测的飞秒激光骨加工定位和加工方法

技术领域

本发明属于激光定位和加工技术在医疗领域的应用，特别涉及一种基于光信号监测的飞秒激光骨加工定位和加工方法。有望应用于骨外科手术治疗，并为体外人造骨和动物骨加工提供一种的新的思路和技术支持。本发明在骨加工定位和骨缺损治疗领域具有较好的应用前景。

技术背景

近年来，随着社会和生活方式的发展变化以及人口老龄化逐渐突出，关节炎和骨折等骨科疾病发病率逐年增高，而骨加工是骨科治疗最常用技术手段之一。传统骨加工方式采用的是机械加工方式，骨组织由于受机械作用和加工过程积累的热效应而出现机械损伤和热损伤，不利于术后愈合，病人手术体验差。以骨钻孔为例，机械钻孔通过高速旋转的碳化物或金刚石钻头实现，除了由于挤压等造成的机械损伤外，由于短时间内钻头与骨头高速摩擦产生大量摩擦热，造成骨头及周围组织碳化等多种形式的热损伤，而且碎骨组织难以清理。

激光骨加工技术是一种新的加工技术手段，具有降低流血、避免感染、无机械损伤、降低术后疼痛和水肿等诸多优势，和现有的骨科机器人和骨加工先验模型等技术手段结合，有望进一步提升其加工效果。目前报道的用于骨加工的激光器主要为连续波或脉宽在纳秒以上的中远红外激光器，包括CO₂激光器、Er:YAG激光器和Cr:CdSe激光器等，其中心波长分别为10.6μm、2.8μm和2.25-3.08μm。其激光去除骨组织的机理是利用骨组织中的水和羟磷灰石等成分对于中远红外光的强烈吸收而产生的热机械作用，通过热机械作用实现骨组织的快速去除。由于去除过程热效应明显，需要采用惰性气体或者水冷却以避免热损伤，故而如何确定最佳的冷却工艺参数成为亟待解决的问题。更为复杂的是，骨组织具有分层结构且每层的组织、成分和结构不同，因而需要对应调整不同的加工和冷却参数以优化加工过程，但如何去精确调整仍亟需解决。同时，目前激光加工中的定位问题基本通过辅助红光定位或者CCD相机图像定位解决，如何实现精确定位而不增加操作复杂性和系统成本，同样是一个值得研究的课题。

而飞秒激光加工技术是一种低热效应和高精度的加工技术，而且对于目标物质的材料无选择性，基本可加工任何材料。通常认为飞秒激光脉冲宽度为1-1000fs，而电子-声子耦合，能量传递至晶格与晶格达到热平衡的时间尺度在几个到几十ps量级，热扩散、材料熔融的时间大致在几十到几百ps量级，材料表面烧蚀形成的时间尺度在几百ps到ns量级，因而当飞秒激光脉冲辐照在物质上时，飞秒激光能量未及扩散，辐照就结束了，故而飞秒激光被认为是一种“冷”加工技术，有利于降低骨加工的热损伤。同时，由于热影响区小，加工区域被限制在光斑尺寸范围内，并且飞秒激光与物质相互作用主要过程是多光子吸收，可进一步增强空间分辨率，故而飞秒激光有望实现亚衍射极限的空间分辨率。同时，由于飞秒激光具有极高的峰值功率，在与骨组织相互作用时可引发各类光信号产生，尤其是骨组织中的羟磷灰石具有高的二阶电极化率，在1μm飞秒激光与骨相互作用时可产生二次谐波绿光信号，在去除过程中可产生白光和骨组成元素激发光信号。

针对简化定位系统和实时精确调整激光加工参数的需求，本项目提出利用1μm飞秒激光进行天然骨组织加工，降低热损伤，并基于1μm飞秒激光与骨组织中羟磷灰石等无机物相互作用产生的二次谐波，白光和组成元素激发光信号进行精确定位和在线监测，给出一种基于同一个飞秒光源的定位、加工和监测一体化的骨加工方案。

发明内容

本发明的主要目的在于基于1μm飞秒激光骨加工过程中光信号监测，实现高精度定位和加工过程在线监测，完成低损伤和无碳化骨组织加工。本发明提出一种基于二次谐波，白光和元素激发光信号进行1μm飞秒激光骨加工定位和在线监测的方法，通过低功率密度飞秒激光照射下产生的二次谐波绿光信号指示定位实现初始定位，并在线监测加工过程中的光信号变化，根据信号变化快速调整和优化激光加工参数，抑制热累积损伤，实现高效、低损伤和无碳化骨加工。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于光信号监测的飞秒激光骨加工定位和加工方法，包括以下步骤：

步骤一、在加工前进行骨组织冷冻和清洁处理。

步骤二、利用飞秒激光加工系统图形设计软件进行加工设计，并确定加工参数。

步骤三、启动1μm飞秒激光加工系统(如示意图图1所示)，逐步提高功率密度产生二次谐波绿光信号，根据绿光信号进行指示定位。

步骤四、实时测量和分析光信号变化，继续提高1μm飞秒激光功率密度至绿光信号相对降低，光信号发生变化(如图2所示)，开始加工过程。

步骤五、实时测量和分析光信号变化，根据信号变化快速调整激光加工参数，直至加工结束。

其中，

步骤一所述冷冻和清洁处理，冷冻处理指在脱离活体组织之后和加工之前需进行冷冻，冷冻温度为-10℃以下；冷冻方式为冰箱冷冻，清洁处理指冲洗和去除骨组织以外其他组织。

步骤三所述二次谐波绿光信号为1μm飞秒激光与骨组织羟磷灰石相互作用产生的倍频信号，波长为513.5nm，位于绿光波段(如图2所示)，通过目视和图像观测移动样品或者激光到指定位置完成定位。

步骤三所述飞秒激光器为1μm波段飞秒激光器，可以是掺镱飞秒光纤激光器，也可以是飞秒光参量震荡器，Nd：YAG飞秒固体激光器。所述根据绿光信号指示定位为通过目视和图像观测，以手动或电动方式移动样品或激光到待加工位置。

步骤四所述的绿光信号相对减弱，光信号发生变化是指此时已在持续去除与1μm飞秒激光作用产生二次谐波的羟磷灰石等成分，由于羟磷灰石不断减少，相应绿光信号相对减弱。同时，骨组织不断去除过程中产生的白光和组成元素激发光信号逐渐增强，故而随着加工过程的进行，光信号变化(如图2所示)。

步骤五所述的激光加工参数包括1μm飞秒激光的激光平均功率，调整功率范围为0.01-1000W；激光脉冲重复频率，调整范围为100Hz-10MHz；脉冲选择器，设定数值范围为1-10000；样品移动速度，设定范围为0-1000mm/s；光束扫描速度，调整范围为0-10000mm/s；冷却工艺，采用惰性气体冷却或者水冷。

步骤四和步骤五所述的实时测量和分析光信号是指通过采用目视、光谱和图像观察光信号变化，基于光信号变化与加工状态的映射规律分析和优化激光加工参数。

本发明一种基于光信号监测的飞秒激光骨加工定位和加工方法，其优点包括：

(1)基于1μm飞秒激光骨加工过程中的二次谐波绿光信号进行初始指示定位，与加工光路一致，精度高，且无须引入额外设备和化学试剂，方法简单直观，无损伤，人眼可见；

(2)在线监测1μm飞秒激光骨加工过程中的光信号变化，根据光信号变化可精确调整和优化加工参数，实现基于1μm飞秒激光的骨加工定位、加工和监测一体化，易于实现自动化；

附图说明

图1为基于光信号监测的1μm飞秒激光骨加工定位和加工的装置示意图；

图2为骨加工初始定位和加工过程时的光谱图；

图3为光学显微镜下的飞秒激光骨钻孔照片。

具体实施方式

为更好地理解本发明内容，以下结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细介绍，所举实例只用于解释本发明，并不用于限定本发明的范围。

按图1所示装置示意图连接飞秒激光加工系统，通过光谱测量和目视观测光信号变化，尤其是二次谐波、白光和组成元素激发光信号变化，快速优化飞秒激光加工参数，进行骨加工定位、加工和监测。

实施例1：

(1)选取与人骨结构和组织最为接近的猪棒骨为实验样品，厚度为3mm，在猪屠宰到加工实验开始前，将猪骨置于冰箱冷冻，加工前使用刀片去除表面结缔组织和骨膜，用水冲洗血细胞。

(2)将样品置于飞秒激光加工系统样品台上，设定飞秒激光平均功率为15W，重复频率为100kHz，光束扫描速度为150mm/s，设定扫描图形为圆形，扫描间距为20μm。

(3)首先调整场镜与待加工样品距离高于聚焦位置，产生二次谐波绿光信号，利用绿光指示定位，调整样品位移台X-Y轴，将样品移动至待加工位置。

(4)逐步移动Z轴使场镜与待加工样品距离接近聚焦位置，并实时观察和测量光信号，开始加工。

(5)根据光信号变化快速调整Z轴，直至获得所需加工效果。图3所示为飞秒激光骨钻孔效果，无机械损伤和碳化物。

实施例2：

(1)猪棒骨样品处理同实施案例1。

(2)将样品置于飞秒激光加工系统样品台上，设定飞秒激光平均功率为20W，重复频率为100kHz。

(3)首先调整场镜与待加工样品距离处于聚焦位置，脉冲选择器数值设定为1000，产生二次谐波绿光信号，利用绿光指示定位，调整振镜位置至指定位置。

(4)根据光信号变化快速调节脉冲选择器数值，控制样品台移动带动骨样品，获得所需加工效果。

Claims (8)

1.一种基于光信号监测的飞秒激光骨加工定位和加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在加工前进行骨组织预处理；

步骤二、利用飞秒激光加工系统图形设计软件进行骨加工设计，并确定加工参数；

步骤三、启动1μm飞秒激光加工系统，逐步提高功率密度至产生二次谐波绿光信号，根据绿光信号指示定位；

步骤四、实时测量和分析光信号变化，继续提高激光功率密度至绿光信号相对减弱，开始加工；

步骤五、实时测量和分析光信号变化，并根据信号变化快速调整激光加工参数，直至加工结束。

2.根据权利要求1所述的基于光信号监测的飞秒激光骨加工定位和加工方法，其特征在于，所述步骤一中的预处理包括冷冻处理和清洗处理。

3.根据权利要求1所述的基于光信号监测的飞秒激光骨加工定位和加工方法，其特征在于，所述步骤二中的加工参数如下：设定飞秒激光扫描图形为扫描振镜和样品位移台工作范围内任意图形，图形填充间距为0.01-0.3mm，线宽为2-10000μm，样品位移台运动速度为0-1000mm/s。

4.根据权利要求1所述的基于光信号监测的飞秒激光骨加工定位和加工方法，其特征在于，所述步骤三中的1μm飞秒激光加工系统包括飞秒激光器，所述飞秒激光器为中心波长位于1μm波段的飞秒激光器，包括掺镱飞秒光纤激光器、飞秒光参量震荡器和Nd:YAG飞秒固体激光器。

5.根据权利要求1所述的基于光信号监测的飞秒激光骨钻孔定位和加工方法，其特征在于，所述步骤四、步骤五中的实时测量和分析光信号变化为通过目视、光谱测量、图像测量或者目视、光谱测量与图像测量相结合的方式进行实时测量，并分析光信号变化过程与加工状态的映射关系。

6.根据权利要求1所述的基于光信号监测的飞秒激光骨钻孔定位和加工方法，其特征在于，所述步骤五中的根据光信号变化快速调整激光加工参数为包括通过观测和分析光信号变化手动、自动反馈控制、或者手动和自动反馈控制相结合进行快速调整。

7.根据权利要求1所述的基于光信号监测的飞秒激光骨加工定位和加工方法，其特征在于，所述步骤五中激光加工参数包括平均功率、脉冲选择器数值、振镜扫描速度、振镜扫描间距、样品位移台运动速度和冷却方式中的一种或几种。

8.根据权利要求7所述的基于光信号监测的飞秒激光骨加工定位和加工方法，其特征在于，所述平均功率为0.01-1000W，脉冲选择器数值为1-1000，振镜扫描速度为0-10000mm/s，振镜扫描间距为0.01-0.3mm，样品位移台运动速度为0-1000mm/s，冷却方式采用水冷或者气氛冷却。