CN111329580B - 一种液体介质空化增强效应辅助激光钻切骨方法 - Google Patents

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Abstract

一种液体介质空化增强效应辅助激光钻切骨方法属于激光加工技术在医疗领域的应用，采用的合适激光脉冲串调制控制激光作用于骨组织表面的空化位置和强度，有效控制激光空化现象的发生，通过增强空泡溃灭产生的脉冲压力增强液体介质激光钻切骨的能力。此方法突破传统激光钻切中热量积累的局限性，实现骨组织的“冷切割、冷消融”，保证激光切割面区域内骨骼组织的完好和生物活性，大幅提高钻切效率并改善钻切截面的形态。

Description

一种液体介质空化增强效应辅助激光钻切骨方法
技术领域
本发明属于激光加工技术在医疗领域的应用，特别涉及一种液体介质空化增强效应辅助激光钻切骨方法。
背景技术
目前临床骨科手术中常用的电钻打孔、电锯切割等传统机械式钻切操作会由于手术工具与组织之间的物理接触而产生机械刀具和组织界面之间的摩擦导致极大的热量积累或微裂纹，极大降低组织的生物活性和愈合能力，严重时导致骨组织直接彻底坏死。钻切可控性差且刀具退化率高。激光消融效应用于骨组织的切割和磨削已多有尝试，在减少机械式刀具钻切接触式等方面体现出其独特的优点。采用激光钻切骨组织可有效减少对组织的应力损伤、减少手术器械磨损等，然而，传统的激光与骨组织直接钻切骨的作用当时由于其以热烧蚀为主要的去除机理，光能量注入而导致的热效应乃至热损伤一直阻碍着激光骨科手术的发展。激光空化效应是指激光与液体介质相互作用中产生的空泡、冲击波、射流等现象，尤其是空泡脉动和溃灭会产生的强压力冲击波，当冲击压强大于作用材料的屈服强度时，在冲击力的作用下实现材料的去除。
中国发明专利申请201910508756.X公布了一种测量激光诱导空泡溃灭冲击力的装置及方法，通过调节激光聚焦点至工件的距离(即调整激光的功率密度)，来调节空泡溃灭阶段冲击力的大小。E.D.Jansen等人(Lasers Ser Surg Med，1996，18:278-293)发现激光的脉冲宽度能够影响空泡脉动行为，然而其采用单一不变的激光参数，对液体介质进行恒幅循环加载，无法有效控制空化的脉动过程，也就无法有效调控脉动冲击波的强弱。福建师范大学张先增等人(Lasers Med Sci，2016，31:891-898)研究了液膜层厚度对空泡形态和蚀坑形貌的影响，然而其采用单一不变的激光参数，使得空泡的脉动过程无法连续循环，空泡构型保持不变，空泡效应得不到最大限度的发挥，骨组织表面蚀坑宽度0.9～1.4mm、深度仅有0.2～0.5mm，无法满足骨科钻切尺寸的实际需求。已有研究和专利大多专注于通过调节单一的工艺参数，研究激光能量和激光聚焦点对空泡演化过程的影响，但是关于脉冲串调制方法对空泡构型、空化强度的调控作用目前尚未见报道。
为了克服上述问题，本发明首次提出了引入合适激光脉冲串调制的方法控制空泡作用于骨组织表面的空化位置、空泡构型和冲击强度。利用脉冲激光工作特点，通过激光脉冲串的调制，采用不同脉冲频率和脉冲宽度的激光脉冲串的组合，实现不同模式的变幅循环加载，在钻切过程中有效控制空化脉动现象，增强空泡溃灭产生的脉冲压力和射流速度，从而提高液体介质激光钻切骨的效率和效果。
发明内容
本发明的目的所要解决的技术问题是，采用的合适激光脉冲串调制控制激光作用于骨组织表面的空化位置和强度，有效控制激光空化现象的发生，通过增强空泡溃灭产生的脉冲压力增强液体介质激光钻切骨的能力。此方法突破传统激光钻切中热量积累的局限性，实现骨组织的“冷切割、冷消融”，保证激光切割面区域内骨骼组织的完好和生物活性，大幅提高钻切效率并改善钻切截面的形态。
本发明专利解决其技术问题所采用的方案是：
采用多频率/高低频组合循环激光脉冲串调制的方法增加激光液体介质空化效应的强度，产生更大的机械冲击力。
包括如下步骤：
步骤100，脉冲激光的输出功率I1·τ1的值在为30～60W，与液体介质快速作用，产生空化现象。使用摄像机对水槽中空泡的瞬态特性进行同步拍摄，使用LED灯光源对空化区域进行照明，辅助捕捉空泡初生、脉动和溃灭的全过程(如图1)，并记录空泡构型演化的时间，得到激光触发至空泡初生时间T1，激光脉动过程时间为T2，溃灭阶段时间为T3。
步骤200，在获得空泡构型演化的时间参数后，根据实验记录，调制激光脉冲串的参数(示意图如图2)，针对空泡演化的不同过程相应增强空化效应。调制脉冲串的方法如下：在T1时间内选择高单脉冲能量(I1)、低重复率(τ1)的激光参数组合，此为空泡的初生阶段，采用高单脉冲能量、低重复频率的激光有利于空泡的迅速生成；在T2时间内采用较低单脉冲能量I2(I2＜I1)、较高重复率τ2(τ1＜τ2)，能够使得更多的空气进入液体介质，形成更多的空化核，有利于提高激光空化效应的强度；在T3选择低脉冲能量I3(I3＜I2)、高重复率τ3(τ2＜τ3)的激光参数组合，增强空泡溃灭的冲击压力和射流速度，最大限度的增强空化效应。其中所述脉冲激光的输出功率保持恒定，I1·τ1＝I2·τ2＝I3·τ3，其中1.2τ1≤τ2≤3τ1，1.1τ2≤τ3≤2τ2。使用调制后的脉冲串参数作用于骨组织表面，发现独立的多个空泡形成了连续的空泡柱，空泡柱溃灭时对骨组织面产生的冲击压力和射流速度远大于单个空泡的作用，激光空化效应的强度得到最大限度的提升。原位观察空泡实验之后，按照原位观察的实验，调制脉冲串激光参数，供下一步骨钻切使用。
步骤300，脉冲串调制完成后，取新鲜骨，去除骨表面结缔组织及骨膜后，用蒸馏水冲洗后放置于水槽中固定。所述液体介质可以是蒸馏水、生理盐水等常规介质，也可以是溶解有微颗粒(颗粒直径为1～5μm微颗粒，质量比＜1％，比如溶解有Al2O3或者CeO2)的液体介质，微颗粒的加入能够诱导空化增益，增强光强效应，增加空化核的数目和空化概率，促进空泡的增长。向水槽中倒入液体直至液面距骨组织表面在1～50mm范围内(如图3中h1)，调节激光距离骨组织表面的距离等于激光的焦距(如图3中h2)。设施激光脉冲串参数，在T1时间内选择高单脉冲能量(I1)、低重复率(τ1)的激光参数组合，此为空泡的初生阶段，采用高单脉冲能量、低重复频率的激光有利于空泡的迅速生成；在T2时间内采用较低单脉冲能量I2(I2＜I1)、较高重复率τ2(τ1＜τ2)，能够使得更多的空气进入液体介质，形成更多的空化核，有利于提高激光空化效应的强度；在T3选择低脉冲能量I3(I3＜I2)、高重复率τ3(τ2＜τ3)的激光参数组合，增强空泡溃灭的冲击压力和射流速度，最大限度的增强空化效应。按照上述的激光参数组成的脉冲串。触发激光后，激光固定在机械臂或其它运动控制器上随动，采用0.05～2mm/s的速度垂直于骨组织表面向下移动，直至孔打穿或者切口断裂，其目的是使光纤始终位于靠近骨组织去除的位置并和蚀坑底部相对位置保持不变。结合激光的运动轨迹，实现无碳化、快速精准的激光骨钻切。
激光脉冲频率越低，空泡初生越容易发生，激光脉冲频率越高，液体介质中的空泡半径越小，空泡溃灭时间越长。因此，通过激光脉冲串的调制，能获得一个空化效应的峰值，在相同的时间内，变频的空化效应更明显。首先，在脉动阶段，能使得更多的空气进入液体，形成更多的空化核，产生更强的机械外力。另外，脉冲串调制后，多频率脉冲串激光中的每个激光频率能分别产生空化效应，当各自的空化空泡溃灭时，不仅能产生新的空化核，而且也能为其它激光空化提供更多的空化核，这对于激光空化效应的强度提也是有利的。
附图说明：
图1是激光诱导空化过程实时监测架构图
图2是激光脉冲串调制示意图
图3液面和激光光纤距离骨组织表面的示意图
图4是脉冲串调制后激光钻骨孔的表面
图5是脉冲串调制后激光钻骨孔的剖面
具体实施方式
本发明一个实施例所涉及的激光诱导液体介质可调式空化钻切骨方法一般性地包括如下步骤：
选择单脉冲能量2J，频率20Hz，脉宽300μs的激光参数，采用高速摄像机(摄像机帧数15万帧/秒，最低分辨率128×128)对装有蒸馏水的水槽中空泡的瞬态特性进行拍摄，使用LED灯冷光源(照度4×106lx，色温5500K)对空化区域进行照明，帮助捕捉空泡(如图1)。通过高速摄影观察到空泡的初生，液体介质发出微爆声，记录时间T1，随后观察到空泡的脉动现象，记录时间T2，最后观察到空泡溃灭和射流阶段，记录时间T3。
按照实验记录，进行脉冲串激光参数调制(示意图如图2)：在T1(1500μs)时间内(空泡初生阶段)，选择单脉冲能量2.5J，频率20Hz，脉宽300μs的激光参数；在T2(1200μs)时间内(空泡脉动阶段)选较低单脉冲能量2J，较高脉冲频率25Hz，脉宽300μs激光参数组合，使得更多的空气进入液体介质，形成更多的空化核，此时观察到形成多个2～6mm直径的空泡，多个空泡的形成增强了激光空化效应的强度。在T3(600μs)时间内(空泡溃灭阶段)，选择低单脉冲能量1J，高频率50Hz，脉宽300μs激光参数组合，此时观察到多个空泡形成了连续的空泡柱，空泡柱溃灭时对骨组织面产生的冲击压力和射流速度远大于单个空泡的作用，激光空化效应的强度得到最大限度的提升。原位观察空泡实验之后，按照原位观察的实验，调制脉冲串激光参数，供下一步骨钻切使用。
取新鲜猪棒骨去除骨表面结缔组织及骨膜后，用蒸馏水冲洗后放置于生理盐水中固定，向水槽中倒入生理盐水直至生理盐水液面距骨组织表面6mm(如图3中h1)。将直径为500μm的激光光纤固定在机械臂上随动，调节激光距离骨组织表面的距离等于激光的焦距(如图3中h2)。设施激光脉冲串参数，即T1(1500μs)时间内单脉冲能量为2.5J、频率为20Hz、脉宽300μs；在T2(1200μs)时间内单脉冲能量2J、频率25Hz、脉宽300μs；在T3(600μs)时间内单脉冲能量1J、高频率50Hz、脉宽300μs，按照上述的激光参数组成的脉冲串。触发激光后，激光光纤被机械臂夹持以0.2mm/s的速度垂直于骨组织表面向下移动，直至孔打穿，其目的是使光纤始终位于靠近骨组织去除的位置并和蚀坑底部相对位置保持不变。骨组织被打穿瞬时骨髓流出，表面形成通孔。孔宽2～3mm、深3～5mm，表面和截面内壁干净规则，无碳化现象，也无明显的裂纹，实现了骨组织的“冷”钻孔，如图4、5所示。
实施例二
本发明一个实施例所涉及的激光诱导液体介质可调式空化钻切骨方法一般性地包括如下步骤：
选择单脉冲能量200μJ，频率200kHz，脉宽10ps的激光参数，采用高速摄像机(摄像机帧数60万帧/秒，最低分辨率1280×1024)对水槽中空泡的瞬态特性进行拍摄，使用LED灯冷光源(照度4×106lx，色温5500K)对空化区域进行照明，帮助捕捉空泡。通过高速摄影观察到空泡的初生，液体介质发出微爆声，记录时间T1，随后观察到空泡的脉动现象，记录时间T2，最后观察到空泡溃灭和射流阶段，记录时间T3。
按照实验记录，进行脉冲串激光参数调制：在T1(93ns)时间内(空泡初生阶段)，选择单脉冲能量200μJ，频率200kHz，脉宽10ps的激光参数；在T2(75ns)时间内(空泡脉动阶段)选较低单脉冲能量100μJ，较高脉冲频率400kHz，脉宽10ps激光参数组合，使得更多的空气进入液体介质，形成更多的空化核，此时观察到形成多个百微米量级直径的空泡，多个空泡的形成增强了激光空化效应的强度。在T3(38ns)时间内(空泡溃灭阶段)，选择低单脉冲能量80μJ，高频率500kHz，脉宽10ps激光参数组合，此时观察到多个百微米量级的空泡形成了连续的空泡串，空泡串溃灭时对骨组织面产生的冲击压力和射流速度远大于单个空泡的作用，激光空化效应的强度得到最大限度的提升。
取新鲜猪棒骨去除骨表面结缔组织及骨膜后，用去离子水冲洗后放置于水槽中固定，向水槽中倒入去离子水直至液面距骨表面2mm(如图3中h1)，调节激光距离骨头的距离等于激光的焦距(如图3中h2)。设施激光脉冲串参数，即T1(93ns)时间内单脉冲能量200μJ，频率200kHz，脉宽10ps；在T2(75ns)时间内单脉冲能量100μJ，较高脉冲频率400kHz，脉宽10ps；在T3(38ns)时间内单脉冲能量80μJ，高频率500kHz，脉宽10ps，按照上述的激光参数组成的脉冲串。触发激光后，激光头以0.1mm/s的速度沿z轴向下移动，保持激光焦点与骨消融底部位置不变，采用200mm/s的恒定速率在x-y平面内往复直线扫描运动，进行骨组织切割，观察到骨表面无碳化区域和微裂纹，切缝清洁度高、无激光烧蚀痕迹。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (2)

1.一种液体介质空化增强效应辅助激光钻切骨方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100，脉冲激光的输出功率的值为30~60W，与液体介质作用，产生空化现象；使用摄像机对水槽中空泡的瞬态特性进行同步拍摄，使用 LED灯光源对空化区域进行照明，辅助捕捉空泡初生、脉动和溃灭的全过程，并记录空泡构型演化的时间，得到激光触发至空泡初生时间T1，激光脉动过程时间为T2，溃灭阶段时间为T3；
步骤200，在获得空泡构型演化的时间后，调制激光脉冲串的参数，针对空泡演化的不同过程相应增强空化效应；调制脉冲串的方法如下：在T1时间内选择高单脉冲能量I1、低重复率τ1的激光参数组合，此为空泡的初生阶段；在T2时间内采用较低单脉冲能量I2 ，较高重复率τ2的激光参数组合，其中I2＜I1、τ1＜τ2；在T3选择低脉冲能量I3、高重复率τ3的激光参数组合，其中I3＜I2 ，τ2＜τ3；其中所述脉冲激光的输出功率保持恒定，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其中1.2τ1≤τ2≤3τ1，1.1τ2≤τ3≤2τ2；
原位观察空泡实验之后，按照原位观察的实验，调制脉冲串激光参数，供下一步骨钻切使用；
步骤300，脉冲串调制完成后，取离体骨，去除骨表面结缔组织及骨膜后，用蒸馏水冲洗后放置于水槽中固定；水槽中有液体介质，液体介质是蒸馏水、生理盐水，或者是溶解有微颗粒的液体介质，颗粒直径为1~5μm；
向水槽中倒入液体介质直至液面距骨组织表面在1~50mm范围内，调节激光距离骨组织表面的距离等于激光的焦距；
设施激光脉冲串参数，在T1时间内选择高单脉冲能量I1、低重复率τ1的激光参数组合；在T2时间内采用较低单脉冲能量I2、较高重复率τ2的激光参数组合；在T3选择低脉冲能量I3、高重复率τ3的激光参数组合；按照上述的激光参数组成的脉冲串；触发激光后，激光固定在运动控制器上随动，采用0.05 ~2mm/s的速度垂直于骨组织表面向下移动，直至孔打穿或者切口断裂。
2.根据权利要求1所述的一种液体介质空化增强效应辅助激光钻切骨方法，其特征在于，微颗粒的液体介质为溶质质量比＜1%，溶解有Al2O3或者CeO2的液体介质。
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