【新闻】基于超声振动的显微切割技术建阳

工程设计学报bookmark0基于超声振动的显微切割技术杨克己，吴佳杰（浙江大学现代制造工程研宄所，浙江杭州310027）统。在对超声振动微切割理论研宄基础上，结合生物组织切割的具体特点，完成了系统总体方案的设计，并对关键技术开展研宄，研制了面向生物显微切割技术的执行模块与控制模块，实现了系统的集成。同时，利用该显微切割系统对新生小鼠大脑组织进行超声振动显微切割，被切割物体在坐标平面内运动，切割刀具在z方向运动。切割刀具在坐标平面内相对于被切割物体的运动轨迹为：方向的进给速度。

切割刀具沿着刀具轴线（z方向）的振动轨迹为：刀具在z方向相对于被切割物体的切割速度可以表示为：超声振动切割时，微切割工具首先产生振动并将该振动能量传递给直接与其接触的那部分粒子，之后能量逐渐传入介质内部。若把介质分成若干层，每一层看作是由许多彼此紧密相连的质点组成，生偏离其平衡位置的运动，这一运动势必推动与其相邻的质点也开始运动，以致每层质点将交替地受到由于波动所致的压力或拉力的作用。这里所说的质点实际上是指宏观上足够小的体积元，其内部各部分的物理特性近似看作均匀的。这个小体积AV具有质量PAV.在不考虑能量衰减的理想情况下，与切割刀具相邻的质点也作如式（2）所示轨迹运动，连续求导可以得出质点的振动加速度：该质点所受的作用力：从式（5）中可以看出，超声切割振动频率较高，加速度较大时，局部会产生极大的交变切割力，很容易达到被切割物质的弹性极限而使其断裂分割开来。据有关研究证明，如将质点加速度为5X14g的机械振动作用于活体生物组织时，被作用的部位即可被迅速切开，而不会伤及其周围的组织，如（a）所示，从而达到切割的目的。倘若作用的机械振动加速度小于5X14g，被作用的组织部位不会被切开，而犹如一个两端被固定、中间被压下的弹性体一样，如（b）所示。

生物显微切割的对象一般都是病理组织切片或是微小的细胞组织，切割所需功率不大，为实现对不同切割样品以最少能量、最佳效果的切割需求，并结合生物组织的加速度要求，设计了一套工作频率为60kHz的超声振动显微切割系统。

2系统总体方案及关键技术整个系统主要由控制模块与执行模块两部分组成。其具体实现过程是，通过上位机设定系统参数之后，经通讯接口传送到测控模块，通过信号发生器产生所需的波形，在功率放大器及补偿电路的作用下，驱动超声换能器，并利用变幅杆的放大聚能作用传递到刀具头，使其产生高频低幅的振动，进行切割操一旦介质中的某个质点受到蕃种扰动T此质点便产blish作系统结构框图如图所示。http://www.cnki.net 21执行模块超声换能器可用来实现机械能与电能的相互转换。目前常用的换能器主要有磁致伸缩换能器和压电陶瓷换能器。针对细胞切割的特点，采用夹心式压电陶瓷换能器，其主要由压电陶瓷片、前后金属盖板、预应力螺栓、金属电极片以及预应力螺栓绝缘套管等组成，如所示。

的尺寸为：li=超声变幅杆在振动系统中的主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上即聚能。目前常用的主要有圆锥形、指数形、悬链线形、阶梯形和双曲函数形变幅杆。根据超声换能器后盖板采用声特性阻抗较大的45号钢，前盖板采用强度大、声特性阻抗较小的铝合金，并将前后盖板设计成等截面圆柱状。压电陶瓷采用PZT-8，其主要特点是适用于连续波、长时间大功率的持续使用。电极板采用厚度是02mm的黄铜片。

根据谐振频率的要求，将超声换能器各部件的尺寸设计如下：选用厚度方向极化的圆环形压电陶瓷2片，陶瓷的内径为9mm，外径为19mm，厚度为4mm.当位移节面选定在换能器中间时，频率方程为：超声变幅杆采用45号钢，根据谐振频率的要求，尺寸设计如下：：1=前盖板的密度、声速和截面积；1，/1及h2，/2分别是前后盖板材料的波数和长度，h1 2.2控制模块控制模块框图如所示。该模块由频率跟踪单元与功率输出单元两部分组成。在工作过程中，通过测量换能器两端电压与电流的相位差，判断出工作状态，再进行适当调整使系统工作在谐振状态，实现频率自动跟踪。

运用电流传感器与电压传感器，分别在线实时检测换能器两端的工作电流与工作电压，通过鉴相器生成一个与相位差相关的电压值，并经A/D转换送往DSP2812，经数字滤波，将即时值与上次检测值比较，DSP2812判断后，输出一数字信号，送往基于FPGA的信号发生器，以改变其信号频率，减小电流与电压的相位差，即使系统工作在谐振状态。

该单元主要由信号发生器与功率放大器两部分组成。

公司Spartan3系列中的XC3S400芯片。为了减小中心控制单元的计算量，充分发挥FPGA在数据处理方面的优势，结合整个的系统样机。

根据公式（4）可知，加速度的大小取决于振动频率和振动位移幅值。在同样频率时振动幅值与驱动电压幅值近似呈线性关系。因此调节频率或驱动电压幅值可获得不同的切割效果。针对新生小鼠大脑组织石蜡切片作了。图中显示的实验结果均是石蜡切片在显微物镜4倍、CCD分辨率达2Mm的情况下拍摄的。从这些实验图片可以看出：无超声振动切割时边缘组织不均，出现起皱现象；在同一振动频率（60系统样机4结论本文将超声振动引入显微切割领域，设计了一套能产生高频低幅振动的系统样机。实验结果显示该系统使组织的切割边缘平整、均匀，具有较好的切割效果，充分验证了超声振动切割的有效性、可行性。这对显微操作工具研究以及生物医学工程的发展具有很大的推动作用。

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