專利名稱：壓電超聲顯微切割方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)中生物組織切片的切割、分離方法。
背景技術(shù)：
隨著生物技術(shù)及其相關(guān)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，生物顯微操作技術(shù)的研究受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，其中有關(guān)微切割操作的研究尤其成為熱點(diǎn)。例如，隨著生物工程和醫(yī)學(xué)研究水平的提高，生物醫(yī)學(xué)已經(jīng)發(fā)展到從分子水平上探索疾病的發(fā)病機(jī)理和揭示生命現(xiàn)象本質(zhì)的階段。病理切片的顯微鏡分析是行之有效的方法之一，也是比較準(zhǔn)確的手段。但要分析病理機(jī)理或分析基因排列情況，必須從切片中提出指定的細(xì)胞組織區(qū)域。所以在分子病理學(xué)研究中，如何選取并收集所需的研究材料也是比較常遇到的難題。目前普遍采用手工完成組織切片的切割、分離，致使工作強(qiáng)度大、操作者易疲勞、人為誤差不可避免。因此，研究適合于微操作系統(tǒng)，能夠進(jìn)行對組織切片進(jìn)行切割與分離，并且對其損傷小，使其方便適合后繼操作的微操作工具，具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種壓電超聲顯微切割方法，以克服手工完成組織切片的切割、分離致使工作強(qiáng)度大、操作者易疲勞、誤差大的缺陷。它通過下述步驟完成一、使后端固定于微動(dòng)機(jī)械平臺(tái)1上的微切割刀具2的尖端貼近生物組織3的表面，微切割刀具2與生物組織3的上表面成角度θ，微動(dòng)機(jī)械平臺(tái)1為具有空間三個(gè)坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)自由度的微動(dòng)平臺(tái)；二、使微切割刀具2切入生物組織3；三、使微切割刀具2在微動(dòng)機(jī)械平臺(tái)1的驅(qū)動(dòng)下，在水平面內(nèi)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而切割分離出生物組織切片，在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的過程中，微切割刀具2始終沿其自身長度方向進(jìn)行超聲振動(dòng)。本發(fā)明切割時(shí)，微切割刀具在高精度的微動(dòng)機(jī)械平臺(tái)1驅(qū)動(dòng)下沿預(yù)定切割軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，微切割刀具不斷作超聲振動(dòng)，在超聲的作用下，切割更容易，生物組織切片的邊緣更平滑，切割后組織可以直接進(jìn)行下一步分析，不需要后續(xù)處理。從而克服了手工切割、分離生物組織切片工作強(qiáng)度大、操作者易疲勞、誤差大的缺陷。本發(fā)明將超聲切割原理引入微操作領(lǐng)域，以壓電超聲顯微振動(dòng)切割原理為基礎(chǔ)，采用超聲振動(dòng)原理進(jìn)行顯微切割工具的研制，為微切割技術(shù)的研究與發(fā)展打開了新的思路。從而推動(dòng)顯微切割技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)生物工程技術(shù)研究的進(jìn)步。


圖1是本發(fā)明的操作示意圖，圖2是用手工顯微切割的生物組織切片效果圖，圖3是用微動(dòng)機(jī)械平臺(tái)1控制微切割刀具2動(dòng)作，但沒有超聲振動(dòng)的切割后生物組織切片效果圖，圖4是用本發(fā)明方法直線軌跡切割后生物組織切片效果圖，圖5是用本發(fā)明方法圓形軌跡切割后生物組織切片效果圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖1至圖5具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式通過下述步驟完成一、使后端固定于微動(dòng)機(jī)械平臺(tái)1上的微切割刀具2的尖端貼近生物組織3的表面，微切割刀具2與生物組織3的上表面成角度θ，微動(dòng)機(jī)械平臺(tái)1為具有空間三個(gè)坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)自由度的微動(dòng)平臺(tái)；二、使微切割刀具2切入生物組織3，切入的深度為3～6微米；三、使微切割刀具2在微動(dòng)機(jī)械平臺(tái)1的驅(qū)動(dòng)下，在水平面內(nèi)先橫向進(jìn)給再縱向進(jìn)給，或者先縱向進(jìn)給再橫向進(jìn)給，從而切割分離出生物組織切片，在橫向進(jìn)給和縱向進(jìn)給的過程中，微切割刀具2始終沿其自身長度方向進(jìn)行超聲振動(dòng)，振動(dòng)的頻率為40～50千赫茲。
如圖1所示切割刀具沿著刀具軸線的振動(dòng)軌跡S(t)＝Acos(2πft) (1)式中A—振動(dòng)位移幅值；f—振動(dòng)頻率那么刀具在x-y坐標(biāo)平面內(nèi)相對于被切割物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)軌跡為x(t)＝Acos(2πft)cosθ+vt (2)y(t)＝Acos(2πft)sinθ (3)式中θ——切割刀具與水平面傾角；v——刀具按切割軌跡橫向進(jìn)給速度切割速度那么刀具在x-y坐標(biāo)平面內(nèi)的速度為vx(t)＝v-A2πfsin(2πft)cosθ (4)
vy(t)＝-A2πfsin(2πft)sinθ(5)當(dāng)A2cv，即vxmin＞0的時(shí)候，切割刀具不與被切割物質(zhì)和切屑分離，這時(shí)候的切割叫做不分離狀態(tài)的振動(dòng)切割；當(dāng)A2πf＞v，即vxmin＜0的時(shí)候，切割刀具與被切割物質(zhì)和切屑分離，這時(shí)候的切割叫做分離狀態(tài)的振動(dòng)切割。
對于超聲振動(dòng)切割時(shí)一般頻率較高，工作在分離狀態(tài)的振動(dòng)切割狀態(tài)。這種狀態(tài)的刀具相對于被切割物質(zhì)的切割速度可以表示為vxx(t)=v-A2πfsin(2πft)cosθ(tb+nT)≤t≤(te+nT)0(te+nT)≤t≤(tb+(n+1)T)---(6)]]>vyx(t)=-A2πfsin(2πft)sinθ(tb+nT)≤t≤(te+nT)0(te+nT)≤t≤(tb+(n+1)T)---(7)]]>式中T—振動(dòng)周期；tb—每次循環(huán)中切割開始的時(shí)間；te—每次循環(huán)中切割結(jié)束的時(shí)間；n-0，1，2…可見超聲振動(dòng)切割過程是不連續(xù)的。切割過程中的切割力變化也是不連續(xù)的。假設(shè)推進(jìn)切割力正比與切割的深度u0和寬度b0平均推進(jìn)切割力Feve在超聲切割的過程中可以表述如下Feve(t)＝Keveb0u0h(t) (8)式中Keve—推進(jìn)方向的阻力系數(shù)；h(t)—單位矩形函數(shù)，表示切割狀態(tài)h(t)=1(tb+nT)≤t≤(ti+nT)-1(ti+nT)≤t≤(te+nT)0(te+nT)≤t(tb+(n+1)T---(9)]]>當(dāng)h(t)為1的時(shí)候，刀具的切割面和切屑之間的摩擦力方向與一般的摩擦力方向一致；當(dāng)h(t)為-1的時(shí)候，表示摩擦力方向反向；當(dāng)h(t)＝0的時(shí)候，表示刀具與被切割物質(zhì)和切屑分離?？梢?，在超聲振動(dòng)切割的過程中，切割過程是不連續(xù)的，不連續(xù)的超聲切割作用有效的減小了刀具的推進(jìn)切割阻力，從而平均摩擦力也顯著的減小，有利于減少切割過程中的由于摩擦而產(chǎn)生的熱量。因此，超聲振動(dòng)切割使切割邊緣更平整，無褶皺，對切割周圍物質(zhì)影響減小。
具體實(shí)施方式
二下面結(jié)合圖1具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同點(diǎn)是微切割刀具2的尖端為針狀，采用壓電陶瓷5作為微切割刀具2的超聲振動(dòng)驅(qū)動(dòng)部件。把壓電陶瓷5固定在微切割刀具2的后端即能實(shí)現(xiàn)對其進(jìn)行超聲振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)。如此設(shè)置，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，技術(shù)可靠性高。
權(quán)利要求
1.壓電超聲顯微切割方法，其特征在于它通過下述步驟完成一、使后端固定于微動(dòng)機(jī)械平臺(tái)(1)上的微切割刀具(2)的尖端貼近生物組織(3)的表面，微切割刀具(2)與生物組織(3)的上表面成角度(θ)，微動(dòng)機(jī)械平臺(tái)(1)為具有空間三個(gè)坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)自由度的微動(dòng)平臺(tái)；二、使微切割刀具(2)切入生物組織(3)；三、使微切割刀具(2)在微動(dòng)機(jī)械平臺(tái)(1)的驅(qū)動(dòng)下，在水平面內(nèi)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而切割分離出生物組織切片，在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的過程中，微切割刀具(2)始終沿其自身長度方向進(jìn)行超聲振動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電超聲顯微切割方法，其特征在于微切割刀具(2)的尖端為針狀，采用壓電陶瓷(5)作為微切割刀具(2)的超聲振動(dòng)驅(qū)動(dòng)部件。
全文摘要
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)中生物組織切片的切割、分離方法。壓電超聲顯微切割方法，它克服了手工完成組織切片的切割、分離致使工作強(qiáng)度大、操作者易疲勞、誤差大的缺陷。它通過下述步驟完成使后端固定于微動(dòng)機(jī)械平臺(tái)(1)上的微切割刀具(2)的尖端貼近生物組織(3)的表面，(1)為具有空間三個(gè)坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)自由度的微動(dòng)平臺(tái)；使(2)切入(3)；使(2)在(1)的驅(qū)動(dòng)下，在水平面內(nèi)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而切割分離出生物組織切片，在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的過程中，(2)始終沿其自身長度方向進(jìn)行超聲振動(dòng)。本發(fā)明切割時(shí)，微切割刀具在高精度的(1)驅(qū)動(dòng)下沿預(yù)定切割軌跡運(yùn)動(dòng)，微切割刀具不斷作超聲振動(dòng)，在超聲的作用下，切割更容易，生物組織切片的邊緣更平滑，切割后組織可以直接進(jìn)行下一步分析，不需要后續(xù)處理。
文檔編號A61B17/32GK1850008SQ20061001002
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月10日
發(fā)明者陳立國, 孫立寧, 王會(huì)香, 劉亞欣 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)