超聲換能器在豬組織中的負(fù)載特性研究

超聲換能器在豬組織中的負(fù)載特性研究

0單負(fù)載對(duì)換能器穩(wěn)定性的影響超聲骨科換能器具有切割精確、低溫冷血、熱損傷小等特點(diǎn)。適用于脊柱外科、骨科、關(guān)節(jié)置換術(shù)和其他精細(xì)手術(shù)。在骨科臨床手術(shù)過(guò)程中,換能器要接觸到松質(zhì)骨、密質(zhì)骨、肌肉、脂肪、血管、脊髓等各種軟、硬組織,研究負(fù)載對(duì)超聲換能器的影響,對(duì)提高切割性能和安全性有重要意義。在工業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用中,超聲換能器都是在負(fù)載作用下工作,且在工作過(guò)程中,負(fù)載在一定范圍內(nèi)是變動(dòng)的。林書(shū)玉將超聲清洗中的液體負(fù)載、超聲鉆孔和機(jī)械加工中的固體負(fù)載用等效電路法進(jìn)行了研究,探討了負(fù)載對(duì)換能器共振頻率的影響,結(jié)果表明,對(duì)于固體負(fù)載,當(dāng)超聲加工工具的長(zhǎng)度減小時(shí),換能器振動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率升高。林書(shū)玉還研究了電負(fù)載阻抗對(duì)夾心式壓電換能器的影響,提出了電阻和電抗對(duì)超聲換能器的諧振頻率、反共振頻率和機(jī)電耦合系數(shù)有不同的影響。姚文葦?shù)鹊难芯拷Y(jié)果表明,負(fù)載較小時(shí),頻率與放大系數(shù)有較快的改變;負(fù)載較大時(shí),頻率與放大系數(shù)變化較小,基本趨于穩(wěn)定。張?jiān)齐姷妊芯苛速|(zhì)量負(fù)載和力負(fù)載對(duì)超聲珩磨系統(tǒng)的影響,結(jié)果表明,力負(fù)載越大,系統(tǒng)諧振頻率越低。林仲茂考慮了實(shí)際應(yīng)用中常見(jiàn)的單邊負(fù)載的情況,得到了壓電元件兩端的金屬棒為不同材料及長(zhǎng)度時(shí)的共振頻率和效率表達(dá)式。文獻(xiàn)研究了負(fù)載對(duì)工業(yè)超聲換能器的影響。與工業(yè)中的負(fù)載相比,手術(shù)中切割軟、硬組織的過(guò)程更復(fù)雜。因?yàn)榻M織是水、蛋白質(zhì)和纖維等的不同組合,即使同種類(lèi)型的組織其特性也不同,如心臟部位的肌肉較其他部位的肌肉彈性更強(qiáng)。目前關(guān)于手術(shù)中負(fù)載方面的研究報(bào)道很少。Khambay研究了利用超聲鑿子切割骨骼的過(guò)程,文中只給出了切割骨骼過(guò)程中不同因素(如切割速度、切割力和深度)的影響,沒(méi)有對(duì)各種不同負(fù)載對(duì)換能器的影響進(jìn)行研究。Chen等初步研究了組織負(fù)載對(duì)非工作狀態(tài)換能器的影響,但未對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行深入的解釋。本文對(duì)超聲換能器負(fù)載特性進(jìn)行小信號(hào)和大信號(hào)的研究,負(fù)載主要為離體動(dòng)物骨骼組織和各種軟組織,對(duì)負(fù)載特性進(jìn)行了分析,從而為骨科超聲換能器的臨床應(yīng)用提供依據(jù)。1信號(hào)中的不同組織的負(fù)載特性1.1軟骨組織及細(xì)胞實(shí)驗(yàn)材料為新鮮的豬離體組織。其中軟組織包括脂肪、肌肉及皮,骨骼組織包括軟骨、密質(zhì)骨及松質(zhì)骨。軟組織切成5cm×5cm×5cm的塊狀。密質(zhì)骨選用去除表面骨膜的大腿骨,松質(zhì)骨選用豬脊柱骨。1.2測(cè)試模塊和動(dòng)態(tài)信號(hào)分析方法圖1為實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)中負(fù)載組織放置在升降平臺(tái)的玻璃器皿內(nèi)。換能器用支架輕輕夾持,保證以其自身質(zhì)量(120g)接觸各種組織。超聲換能器垂直接觸負(fù)載組織部位的面積約為2mm2。測(cè)試模塊集成了1Ω的大功率電阻、與SR785連接的兩個(gè)端口以及與超聲換能器的接口。經(jīng)測(cè)試1Ω電阻上的電壓即可得通過(guò)換能器的電流值。SR785采用測(cè)量導(dǎo)納的特定接法,通道1、2的兩端分別與測(cè)試模塊的2個(gè)端口相連接。動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀SR785為美國(guó)斯坦福公司的最新產(chǎn)品,其頻率范圍是195.3mHz～102.4kHz,動(dòng)態(tài)范圍小于90dB,輸出電壓0～5V,具有快速傅里葉變換分析、互相關(guān)分析及正弦掃頻分析等功能。實(shí)驗(yàn)中采用正弦掃頻分析,頻率范圍為40～44kHz,輸出電壓為2V。1.3不同組織負(fù)載的彈性對(duì)低能器諧振頻率的影響圖2為負(fù)載為各種離體豬組織時(shí),超聲換能器的電導(dǎo)曲線。圖3為其相應(yīng)的導(dǎo)納圓圖。由圖2、3可見(jiàn),與空載的諧振頻率相比,當(dāng)負(fù)載為軟組織(脂肪、肌肉、皮和軟骨)時(shí),換能器的諧振頻率減小;負(fù)載為骨骼組織(松質(zhì)骨、密質(zhì)骨)時(shí),換能器諧振頻率變大。諧振頻率從小到大的負(fù)載組織順序?yàn)橹?、肌肉、軟骨、皮、空載、松質(zhì)骨、密質(zhì)骨。研究表明,造成諧振頻率不同變化的主要原因是各種組織負(fù)載表面的彈性模量的不同。彈性模量較大的松質(zhì)骨和密質(zhì)骨使諧振頻率變大,彈性模量較小的軟組織使諧振頻率變小。人體各種軟組織的彈性模量是在某一范圍內(nèi),因此,測(cè)試中這些組織對(duì)負(fù)載諧振頻率的影響也是在一定范圍內(nèi)變動(dòng)。2大信號(hào)狀態(tài)下的超聲算例利用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀的實(shí)驗(yàn)是在小信號(hào)(電壓小于5V)下進(jìn)行。實(shí)際切割骨骼時(shí),輸出的電壓和功率較大,即為換能器的大信號(hào)工作狀態(tài)。研究大信號(hào)狀態(tài)下的超聲骨科換能器負(fù)載特性的目的是為驗(yàn)證小信號(hào)下的規(guī)律,為實(shí)際的臨床手術(shù)提供參考。為實(shí)現(xiàn)大信號(hào)測(cè)試,搭建了輸入導(dǎo)納在線測(cè)試系統(tǒng),該系統(tǒng)是在超聲骨科手術(shù)系統(tǒng)上搭建的。2.1超聲傳感檢測(cè)控制系統(tǒng)超聲骨科手術(shù)系統(tǒng)主要由超聲發(fā)生部分及超聲換能器組成。超聲發(fā)生部分主要由控制系統(tǒng)、超聲發(fā)生模塊、功率自適應(yīng)模塊、阻抗匹配模塊及溫度保護(hù)裝置組成?？刂葡到y(tǒng)的作用是對(duì)超聲骨科系統(tǒng)的各組成部分進(jìn)行操控,具體功能包括超聲信號(hào)發(fā)生器輸出頻率控制,功率的檢測(cè)與調(diào)節(jié),諧振點(diǎn)的檢測(cè)、匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié),溫度的檢測(cè),冷卻裝置的啟動(dòng)等,還可控制人機(jī)交互部分,如腳閘及屏幕顯示,觸摸,遙控等。超聲換能器是將主機(jī)發(fā)出的超聲電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)的關(guān)鍵部件。與小信號(hào)測(cè)試中使用的換能器相同。2.2在線實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的采集輸入導(dǎo)納在線測(cè)試系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)輸入導(dǎo)納頻率特性的測(cè)量和分析,包括硬件和軟件兩部分。圖4為硬件系統(tǒng)。信號(hào)處理電路是超聲骨科手術(shù)系統(tǒng)中的功率自適應(yīng)部分的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行提取。數(shù)據(jù)采集模塊的主要部分是數(shù)據(jù)采集卡,其功能是將信號(hào)提取電路中輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào),利用采集卡自帶轉(zhuǎn)換程序?qū)⒍M(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制,送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。利用軟件系統(tǒng),將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào),實(shí)現(xiàn)導(dǎo)納在線頻域特性曲線的繪制和分析。在線測(cè)試系統(tǒng)的難點(diǎn)是導(dǎo)納信號(hào)的頻率很高,因此對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集要求較高。我們選用的是阿爾泰PCI8020數(shù)據(jù)采集卡,其AD芯片AD7484,具有2.5MHz實(shí)時(shí)采樣頻率和14位分辨率,能實(shí)現(xiàn)4通道同步采集數(shù)據(jù)。圖5為系統(tǒng)的軟件流程。首先將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)切比雪夫?yàn)V波器進(jìn)行濾波,濾除60kHz以上的噪聲,然后對(duì)電壓和電流兩路信號(hào)分別從相同起點(diǎn)取足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT),得到峰值電壓、峰值電流及兩者對(duì)應(yīng)的頻率。將峰值電流除以峰值電壓后得到該頻率下對(duì)應(yīng)的導(dǎo)納值。繼續(xù)取數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、FFT處理,得到另一個(gè)頻率點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的導(dǎo)納。將各點(diǎn)連成曲線,即可得到大信號(hào)下的導(dǎo)納頻率特性曲線。2.3超聲切割與患者個(gè)人信息的關(guān)系實(shí)驗(yàn)材料為豬脊柱部位的松質(zhì)骨、肌肉和脊髓。利用導(dǎo)納實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理,得到大信號(hào)下頻域的電導(dǎo)和導(dǎo)納圓,如圖6、7所示。由圖6、7可見(jiàn),在超聲換能器進(jìn)行切割的過(guò)程中,接觸或切割軟組織時(shí),系統(tǒng)的諧振頻率低于空載諧振頻率,而切割骨骼組織時(shí)諧振頻率高于空載的諧振頻率。但大信號(hào)下的精度沒(méi)有小信號(hào)精度高,其原因可能是由于大功率下?lián)Q能器的振動(dòng)幅度很大,且換能器與組織間的作用隨著組織被切除掉而不斷變化,引入了很多的非線性因素。同時(shí),信號(hào)的低通濾波可能濾除了一些有用信號(hào),因此,負(fù)載對(duì)于大信號(hào)時(shí)影響沒(méi)有在小信號(hào)下的規(guī)律明顯。3導(dǎo)納在線測(cè)試方法的搭建在小信號(hào)下,當(dāng)負(fù)載為各種組織時(shí),換能器的導(dǎo)納特性會(huì)發(fā)生不同的改變。負(fù)載為骨骼組織(如松質(zhì)骨、密質(zhì)骨)時(shí),換能器諧振頻率大于空載諧振頻率,而負(fù)載為軟組織(如