基于视觉的伺服超声振动显微切割装置

摘要

本发明公开了一种基于视觉的伺服超声振动显微切割装置，它由操作平台与控制系统两部分组成；其中，所述操作平台包括底台、支撑杆、压电陶瓷驱动器、支撑架、旋转件、刀具杆、超声换能器、超声变幅杆、连接件、切割针、CMOS摄像头、支撑架、显微镜、CMOS摄像头、显微镜、压电陶瓷驱动器、生物切片载台、压电陶瓷驱动器。本装置将超声切割原理引入微操作领域，采用超声振动原理研制了显微切割系统。在超声作用下，切割器末端的切割针更易于刺入被切割物质而不会损伤切割针，同时在超声振动切割过程中，有效的减小了切割阻力，使切割边缘平整，没有褶皱，并且成本较低、便于临床推广使用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物医学领域中生物组织切片的切割分离装置，特别地，涉及一种在视觉监测下可用于空间三维高精度运动的生物细胞组织显微切割装置。

背景技术

随着生物技术与医学研究水平的不断提高，生物医学已经发展到从分子水平上探索疾病的发病机理和揭示生命现象本质的阶段。其中，病理切片的显微镜分析是行之有效的方法之一，但要分析病理机理或分析组织细胞中的RNA/DNA，必须从切片中撷取同质细胞群。所以在分子病理学研究中，对选取并收集研究对象的技术研究具有必要性和紧迫性。

目前普遍采用手工方法完成生物组织切片的切割、分离工作，但其效果相对较差，原因在于切割操作的实施是在保持微玻璃针与切割对象表面间有适当接触压力的前提下，其操作过程是“划开”操作对象，因此易出现起皱现象，切面不规则，而且切割边缘质量不高。当接触压力较大时，因操作针嵌入操作对象较深，在运动过程中还易发生断针现象，难以实现较为复杂的微细切割作业。与此同时，操作人员在显微镜下长时间工作，工作强度大，易疲劳，人为误差不可避免。近几年，激光微光束微切割技术快速发展，如激光捕获微切割系统(Laser Capture Micro-dissection，LCM)、激光微切割系统(LaserMicro-dissection，LMD)以及激光压力撷取系统(Laser Press Catapulting，LPC)。该技术具有一定的优势，但是需要特殊的仪器设备，价格昂贵；另外，止血效果较差，皮肤切口愈合比一般手术后的切口慢，切割边缘由于热损伤而焦化、甚至炭化；并且具有一定的辐射污染。因此，研究面向显微切割操作，开发一套能够对组织切片进行切割与分离，并且不良副作用小、价位低的微切割系统具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于视觉的伺服超声振动显微切割装置，利用能在空间进行高精度运动的移动台，达到可精确控制生物细胞组织移动至任意位置并进行切割的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于视觉的伺服超声振动显微切割装置，它由操作平台与控制系统两部分组成。其中，

所述操作平台包括底台、支撑杆、压电陶瓷驱动器、支撑架、旋转件、刀具杆、超声换能器、超声变幅杆、连接件、切割针、CMOS摄像头、支撑架、显微镜、CMOS摄像头、显微镜、压电陶瓷驱动器、生物切片载台、压电陶瓷驱动器；所述支撑架垂直固定在底台上；旋转件连接到支撑架上，旋转件轴向与支撑架之间的夹角可调；刀具杆连接在旋转件上，刀具杆与旋转件之间轴向相对距离可调；刀具杆的一端与超声换能器的一端相互固定；超声变幅杆连接到超声换能器的另外一端，连接件通过螺纹连接到超声变幅杆上，切割针与连接件焊接在一起；支撑架垂直固定在底台上，两个显微镜连接到支撑架上，显微镜与支撑架之间的夹角可调，两个CMOS摄像头分别与显微镜相连；支撑杆固定在底台上，生物切片载台放置于支撑杆上，三个压电陶瓷驱动器分别固定于生物切片载台相邻侧面的中间位置和底部中间位置。

所述控制系统主要由上位机、基于DSP的中心测控模块、基于ADSP的测控模块、基于FPGA的接口模块、数模转换器，功放及补偿电路、传感器、调理电路、接口电路组成。所述基于ADSP的测控模块一端与上位机相连，另一端与CMOS摄像头相连；基于DSP的中心测控模块一端与上位机相连，另一端与基于FPGA的接口模块相连；数模转换器与功放及补偿电路相连，组成驱动模块，这样的驱动模块总共有四路，四路驱动模块的一端都与基于FPGA的接口模块相连接，其中三路驱动模块的另一端分别与压电陶瓷驱动器相连，另外一路驱动模块的另一端与超声换能器相连；基于DSP的中心测控模块通过接口电路、调理电路和传感器与超声换能器相连。

进一步地，所述显微镜与竖直方向的夹角为20°；所述基于DSP的中心测控模块主要由数字信号处理器DSP、CAN接口电路、电平转换芯片、信号驱动芯片、JTAG调试口、电源管理模块、FLASH芯片和输入输出接口组成，所述CAN接口电路、电平转换芯片、信号驱动芯片、JTAG调试口、电源管理模块和FLASH芯片分别与数字信号处理器DSP相连，所述输入输出接口分别与CAN接口电路、电平转换芯片、信号驱动芯片相连；所述基于ADSP的测控模块主要由数字信号处理器ADSP、两个CMOS接口、电源接口、引脚扩展单元、电平转换芯片、启动方式选择、复位芯片和USB芯片组成；所述两个CMOS接口、电源接口、引脚扩展单元、电平转换芯片、启动方式选择、复位芯片和USB芯片均与数字信号处理器ADSP相连；所述基于FPGA的接口模块主要由FPGA芯片、JTAG调试口、晶振、电源接口、存储器、四个数模转换器和四个低压放大器组成；所述JTAG调试口、晶振、电源接口、存储器和数模转换器均与FPGA芯片相连，所述低压放大器与数模转换器分别相连。

本发明的有益效果是：目前普遍采用手工方法与激光显微切割技术进行显微切割，本装置将超声切割原理引入微操作领域，采用超声振动原理研制了显微切割系统。在超声作用下，切割器末端的切割针更易于刺入被切割物质而不会损伤切割针，同时在超声振动切割过程中，有效的减小了切割阻力，使切割边缘平整，没有褶皱，并且成本较低、便于临床推广使用。此外，在切割过程中运用三维视觉系统进行定位，并且可以在上位机上实时观察显微切割全过程，提高了操作的准确性与系统的精度。

附图说明

图1是本发明基于视觉的伺服超声振动显微切割装置的操作平台结构示意图；

图2是本发明基于视觉的伺服超声振动显微切割装置的控制系统原理框图；

图3是基于DSP的中心测控模块的原理框图；

图4是基于ADSP的测控模块的原理框图；

图5是基于FPGA的接口模块的原理框图；

图6是传感器电路的原理框图；

图7是功放及补偿电路的电路图；

图中，底台1、支撑杆2、压电陶瓷驱动器3、支撑架4、旋转件5、刀具杆6、超声换能器7、超声变幅杆8、连接件9、切割针10、CMOS摄像头11、支撑架12、显微镜13、CMOS摄像头14、显微镜15、压电陶瓷驱动器16、生物切片载台17、压电陶瓷驱动器18。

具体实施方式

本发明提供一种基于视觉的伺服超声振动显微切割装置，由操作平台与控制系统两部分组成。

从图1可以看出，本发明的基于视觉的伺服超声振动显微切割装置的操作平台包括底台1、支撑杆2、压电陶瓷驱动器3、支撑架4、旋转件5、刀具杆6、超声换能器7、超声变幅杆8、连接件9、切割针10、CMOS摄像头11、支撑架12、显微镜13、CMOS摄像头14、显微镜15、压电陶瓷驱动器16、生物切片载台17、压电陶瓷驱动器18。其中，支撑架4垂直固定在底台1上；旋转件5连接到支撑架4上，旋转件5轴向与支撑架4之间的夹角可调；刀具杆6连接在旋转件5上，刀具杆6与旋转件5之间轴向相对距离可调，刀具杆6的一端与超声换能器7的一端相互固定；超声变幅杆8连接到超声换能器7的另外一端，连接件9通过螺纹连接到超声变幅杆8上，切割针10与连接件9通过焊接固在一起，切割针10的尖端伸向生物切片载台17的上表面。支撑架12垂直固定在底台1上，显微镜13和15连接到支撑架12上，显微镜13、15可以通过支撑架12调整与生物细胞组织的相对距离，并且显微镜13、15与支撑架12之间的夹角可以进行调整，以分别与竖直方向为20°为佳。CMOS摄像头11、14分别与显微镜13、15相连接。支撑杆2固定在底台1上，生物切片载台17放置于支撑杆2上，压电陶瓷驱动器3、16、18分别固定于生物切片载台17相邻侧面的中间位置和底部中间位置，从而可以三维驱动生物切片载台17。操作时，玻璃片放置在生物切片载台17的上表面，生物细胞组织放置于玻璃片上。

从图2可以看出，本发明的基于视觉的伺服超声振动显微切割装置的控制系统由上位机、基于DSP的中心测控模块、基于ADSP的测控模块、基于FPGA的接口模块、数模转换器，功放及补偿电路、传感器、调理电路、接口电路组成。其中，基于ADSP的测控模块一端与上位机相连，另一端与CMOS摄像头11、14相连接。基于DSP的中心测控模块一端与上位机相连，另一端与基于FPGA的接口模块相连接。数模转换器与功放及补偿电路相连接组成驱动模块，这样的驱动模块总共有四路，四路驱动模块的一端都与基于FPGA的接口模块相连接，其中三路驱动模块的另一端分别与压电陶瓷驱动器3、16、18相连接，另外一路驱动模块的另一端与超声换能器7相连接。基于DSP的中心测控模块通过接口电路、调理电路和传感器与超声换能器7相连接。图中箭头方向表示信号传输的方向。

从图3中可以看出，本发明的基于DSP的中心测控模块主要由数字信号处理器DSP、CAN接口电路、电平转换芯片、信号驱动芯片、JTAG调试口、电源管理模块、FLASH芯片、输入输出接口组成。数字信号处理器DSP可以采用TI公司生产的TMS320F2812芯片，电平转换芯片可以采用PHILIPS公司生产的74LVC245芯片，信号驱动芯片可以采用TI公司生产的74LS245芯片。FLASH芯片通过/XZCS0接口与数字信号处理器DSP相连接。JTAG调试口、电源管理模块与数字信号处理器DSP对应接口相连接。电平转换芯片、信号驱动芯片一端通过I/O接口与数字信号处理器DSP相连接，另一端与输入输出接口相连接。CAN接口电路一端通过CNARXA接口与数字信号处理器DSP相连接，另一端与输入输出接口相连接。图中箭头方向表示信号传输的方向。

从图4中可以看出，本发明的基于ADSP的测控模块主要由数字信号处理器ADSP、两个CMOS接口、电源接口、引脚扩展单元、电平转换芯片、启动方式选择、复位芯片、USB芯片组成。数字信号处理器ADSP可以采用美国模拟器件公司生产的ADSP-BF561芯片，电平转换芯片可以采用TI公司生产的MAX3223芯片，复位芯片可以采用美国模拟器件公司生产的ADM708S芯片、USB芯片可以采用PHILIPS公司生产的PDIUSBD12芯片。电源接口通过VCore、VI/O接口与ADSP-BF561芯片相连接。CMOS接口分别通过PPI0_FS1、PPI0_FS2、PPI0_FS3、PPI0_CLK、PPI0_D[0..7]、PF0、PF1、PF2接口及PPI1_FS1、PPI1_FS2、PPI1_FS3、PPI1_CLK、PPI1_D[0..7]、PF3、PF4、PF5与ADSP-BF561芯片相连接。MAX3223芯片通过Tx、Rx接口与ADSP-BF561芯片相连接。PDIUSBD12芯片通过PF8、PF9、PF10、PF6、PF7、/ARD、/AWE、/AMSI、D[0..7]接口与ADSP-BF561芯片相连接。图中箭头方向表示信号传输的方向。

从图5中可以看出，本发明的基于FPGA的接口模块主要由FPGA芯片、JTAG调试口、晶振、电源接口、存储器、数模转换器、低压放大器组成。FPGA芯片可以采用XILINX公司生产的XC3S400芯片，存储器可以采用XILINX公司生产的XCF02S芯片，数模转换器可以采用美国模拟器件公司生产的AD9762AR芯片，低压放大器可以采用美国模拟器件公司生产的AD817芯片。AD9762AR芯片一端与AD817芯片进行连接，另一端通过I/O接口与XC3S400芯片相连接，这样的连接方式总共有四路。JTAG调试口、晶振、电源接口、存储器与XC3S400芯片对应接口相连接。图中箭头方向表示信号传输的方向。

从图6中可以看出，本发明的传感器主要由电压传感器、电流传感器、鉴相器、电阻、电容组成。电压传感器可以采用LEM公司生产的LV25-P芯片，电流传感器可以采用南京三盟科技有限公司生产的SML100mACE/Sn芯片，鉴相器可以采用MOTOLORA公司生产的MC1496芯片。LV25-P芯片的接口1、4分别接+15V、-15V电压，信号经过电阻R1传输到LV25-P芯片的接口2、3，LV25-P芯片的接口5与MC1496的接口10相连接。SML100mACE/Sn芯片的接口1、3分别接+12V、-12V电压，SML100mACE/Sn芯片的接口2接地，SML100mACE/Sn芯片的接口4与MC1496的接口1相连接。MC1496的接口12通过电阻R、电容C将信号传输出去。图中箭头方向表示信号传输的方向。

从图7中可以看出，本发明的功放及补偿电路主要由运算放大器集成芯片、电容、电阻、二极管、接口等组成。运算放大器集成芯片可以采用美国APEX公司生产的高压功率运算放大器集成芯片PA85。PA85的接口1与接口JP2的1端相连接；PA85的接口1、接口2之间通过电阻Rcl相连接。PA85的接口3与+200V的稳压直流电源进行连接。PA85的接口5通过电阻R1与接口JP1的2端相连接；PA85的接口4与地进行连接。PA85的接口6与-200V的稳压直流电源进行连接。PA85的接口7、接口8之间通过电阻Rc、电容Cc相连接。

本发明的工作过程如下：生物细胞组织通过玻璃片固定在生物切片载台17上；转动旋转件5，将切割针10的长度方向与支撑架4的夹角调整到合适的角度，并且将切割针10与生物细胞组织调整到合适的距离；根据具体要求，在上位机上设定切割针10针尖的运行轨迹；CMOS摄像头11、14将显微镜13、15采集的数据信号经COMS接口传输到ADSP-BF561芯片，处理后通过PDIUSBD12芯片将信号传输到上位机，从而获取图像信息与Z方向深度信息。根据上位机上获取的图像信息及Z方向深度信息，上位机通过JTAG调试口与TMS320F2812芯片进行通讯，TMS320F2812芯片依据上位机的指令通过各路总线向XC3S400芯片提供脉冲与方向信号，经A、B、C路的AD9762AR芯片转换及AD817芯片低压放大后，传输到对应功放及补偿电路的JP1输入端，信号经放大后，由对应功放及补偿电路的JP2输出端输出，分别用以驱动压电陶瓷驱动器3、16、18，以实现对其三个坐标方向微动的驱动，从而使针尖与生物细胞组织调整到合适的位置，并且使生物细胞组织按照预定轨迹运动。与此同时，XC3S400芯片提供脉冲信号，经D路的AD9762AR芯片转换及AD817芯片低压放大后，传输到D路功放及补偿电路的JP1输入端，信号经放大后，由对应功放及补偿电路的JP2输出端输出，用来驱动超声换能器7，并通过超声变幅杆8的放大作用，传输到切割针10，使其沿长度方向做高频低幅的超声振动。在整个工作过程中，E路的电信号从LV25-P芯片的接口2、3以及SML100mACE/Sn芯片输入，从而分别获取超声换能器7两端的电压与电流的信号，经MC1496芯片处理后获取超声换能器7两端的电压与电流的相位差，并通过MC1496芯片的接口12传输出去，经调理电路与接口电路传输到TMS320F2812芯片，进一步通过总线传输对XC3S400芯片进行控制，对其提供的脉冲信号的频率进行调整，最终使超声换能器7一直处在共振状态。CMOS摄像头11、CMOS摄像头14实现组织切片切割图像信息的采集，经COMS接口传输到ADSP-BF561芯片，处理后通过PDIUSBD12芯片将信号传输到上位机，可以实时观察显微切割过程。