CN112935593B - 紫外皮秒激光变焦点环切离体骨钻无碳化深孔的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫外皮秒激光变焦点环切离体骨钻无碳化深孔的工艺方法，包括：第一阶段凹槽环切阶段：利用紫外皮秒激光加工头，在深度方向上沿扫描路径对离体骨组织表面以多圈数负离焦扫描辐照的方式进行变焦点环切钻孔，形成浅层环形凹槽；第二阶段凹槽环切阶段：第一阶段凹槽环切阶段完成后，结合离体骨组织的实际厚度，逐渐增大紫外皮秒激光加工头在深度方向上的位移量和位移步数，继续在浅层环形凹槽上进行多次原位变焦点环切钻孔，直至达到期望钻孔深度。通过本发明的技术方案，克服了激光骨钻深孔过程中骨组织碳化以及骨支柱去除的问题，在保证钻孔效率的同时有效解决了钻深孔过程中的骨组织碳化问题，保证了所要求骨钻深孔的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及激光骨钻孔技术领域，尤其涉及一种紫外皮秒激光变焦点环切离体骨钻无碳化深孔的工艺方法。
背景技术
目前常用的骨钻孔方式是机械钻孔，然而对于股骨、胫骨等长骨的通孔钻削，这种机械钻孔方式存在一系列问题，比如由于钻削深度大，钻孔部位硬度值反复变化，钻孔过程中的不稳定性、热损伤及排屑问题明显；高度弯曲或不规则表面的斜孔钻削，钻头很难达到平衡，钻头定位难，易打滑；在钻头钻孔时产生的大量机械热能或把持钻头手柄不稳，易导致钻头在骨内断留等。
与传统加工技术如钻头相比，激光骨钻孔属于非接触式加工，避免了机械加工中刀具的损伤，具有效率高、精度高、大深径比和易实现自动化等特点。然而，激光骨硬组织钻深孔过程中碳化严重一直是有待解决的重要问题，且目前还未有在一定激光功率区间内指导实现无碳化深孔的工艺方法。环切钻孔被认为是更加节省时间的钻孔方式，但环切钻孔过程中钻孔中心骨支柱的去除问题仍有待进一步解决。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种紫外皮秒激光变焦点环切离体骨钻无碳化深孔的工艺方法，通过将环切钻孔与变焦点钻深孔方法有机结合为变焦点环切钻孔应用于骨钻孔加工过程中，克服了激光骨钻深孔过程中骨组织碳化以及骨支柱去除的问题，通过紫外皮秒激光的扫描辐照来实现骨组织的烧蚀和去除，具有极小的热扩散，通过两个阶段的变焦点环切钻孔，在保证钻孔效率的同时有效解决钻深孔过程中的骨组织碳化问题，保证了所要求骨钻深孔的稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了一种紫外皮秒激光变焦点环切离体骨钻无碳化深孔的工艺方法，包括：第一阶段凹槽环切阶段：利用紫外皮秒激光加工头，在深度方向上沿扫描路径对离体骨组织表面以多圈数负离焦扫描辐照的方式进行变焦点环切钻孔，形成浅层环形凹槽；第二阶段凹槽环切阶段：所述第一阶段凹槽环切阶段完成后，结合所述离体骨组织的实际厚度，逐渐增大所述紫外皮秒激光加工头在深度方向上的位移量和位移步数，继续在所述浅层环形凹槽上进行多次原位变焦点环切钻孔，直至达到期望钻孔深度。
在上述技术方案中，优选地，所述第一阶段凹槽环切阶段和所述第二阶段凹槽环切阶段中，在对预设钻孔区域离体骨组织持续喷水条件下进行变焦点环切钻孔过程。
在上述技术方案中，优选地，所述第一阶段凹槽环切阶段与所述第二阶段凹槽环切阶段中，所述紫外皮秒激光加工头在深度方向上的位移量为所述离体骨组织对应钻孔深度的1.7～2.8倍。
在上述技术方案中，优选地，所述负离焦扫描辐照的离焦量为-0.8～-1.2毫米。
在上述技术方案中，优选地，所述扫描路径根据预设钻孔区域的半径进行规划。
在上述技术方案中，优选地，所述紫外皮秒激光加工头的平均功率为3～12W，重复频率为200KHz～500KHz。
在上述技术方案中，优选地，所述紫外皮秒激光加工头的扫描速度大于1000mm/s。
在上述技术方案中，优选地，所述第一阶段凹槽环切阶段形成的所述浅层环形凹槽的深度为0.5～1.0毫米。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过将环切钻孔与变焦点钻深孔方法有机结合为变焦点环切钻孔应用于骨钻孔加工过程中，克服了激光骨钻深孔过程中骨组织碳化以及骨支柱去除的问题，通过紫外皮秒激光的扫描辐照来实现骨组织的烧蚀和去除，具有极小的热扩散，通过两个阶段的变焦点环切钻孔，在保证钻孔效率的同时有效解决了钻深孔过程中的骨组织碳化问题，保证了所要求骨钻深孔的稳定性。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的紫外皮秒激光变焦点环切离体骨钻无碳化深孔的工艺方法的流程示意图；
图2为本发明一种实施例公开的利用紫外皮秒激光变焦点环切钻孔的示意图；
图3a-3d为本发明一种实施例公开的在激光功率12W条件下依次逐渐增大z轴位移量及移动步数得到的离体骨钻孔骨组织表面形貌示意图；
图4a-4b为本发明一种实施例公开的在激光功率6W条件下依次逐渐增大z轴位移量及移动步数得到的离体骨钻孔骨组织表面形貌示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1所示，根据本发明提供的一种紫外皮秒激光变焦点环切离体骨钻无碳化深孔的工艺方法，包括：第一阶段凹槽环切阶段：利用紫外皮秒激光加工头，在深度方向上沿扫描路径对离体骨组织表面以多圈数负离焦扫描辐照的方式进行变焦点环切钻孔，形成浅层环形凹槽；第二阶段凹槽环切阶段：第一阶段凹槽环切阶段完成后，结合离体骨组织的实际厚度，逐渐增大紫外皮秒激光加工头在深度方向上的位移量和位移步数，继续在浅层环形凹槽上进行多次原位变焦点环切钻孔，直至达到期望钻孔深度。
在该实施例中，通过将环切钻孔与变焦点钻深孔方法有机结合为变焦点环切钻孔应用于骨钻孔加工过程中，克服了激光骨钻深孔过程中骨组织碳化以及骨支柱去除的问题，通过紫外皮秒激光的扫描辐照来实现骨组织的烧蚀和去除，具有极小的热扩散，通过两个阶段的变焦点环切钻孔，在保证钻孔效率的同时有效解决了钻深孔过程中的骨组织碳化问题，保证了所要求骨钻深孔的稳定性。
具体地，将激光加工中常用到的环切钻孔以及变焦点钻深孔两种方法有机结合为变焦点环切钻深孔并应用在激光骨钻孔加工过程中。其中，紫外皮秒激光骨钻孔的物理机制是基于多光子吸收和各种化学键的光物理破裂，因此具有极小的热扩散。骨组织的激光烧蚀始于电子的非线性多光子吸收，该过程的持续时间约为100fs。此后，电子被热化，1ps后，能量开始由电子向晶格转变，当功率密度增加到烧蚀阈值附近时，在电子热化区域产生高强度的电场，导致正离子之间产生强烈的排斥力。当斥力大于粘结强度时，骨硬组织表面被剥离，发生库仑爆炸，造成对骨组织的破坏去除。当激光强度远高于烧蚀阈值时，相爆炸、碎裂和热汽化成为材料去除的主要机理，而被移除的材料以固体碎片、蒸汽、液滴或膨胀的等离子羽的形式从辐照表面释放出来。
如图2所示，在第一阶段凹槽环切阶段过程中，紫外皮秒激光加工头在z轴方向(深度方向)上沿扫描路径对需要钻孔的离体骨组织表面进行扫描辐照，钻孔周围骨组织无明显的热影响区，可得到一个较浅的环形凹槽。然后在此基础上，增大z轴位移量以及z轴移动步数进行第二阶段凹槽环切，整个钻孔过程要根据离体骨组织的实际厚度对z轴最大位移量以及z轴最大移动步数进行设置。相比激光面扫描骨钻孔，环切钻孔的优点是省时，其加工时长主要与环切轨迹周长与骨组织厚度有关，而变焦点钻孔则有效解决了钻深孔过程中骨组织碳化的问题。
在上述实施例中，优选地，第一阶段凹槽环切阶段和第二阶段凹槽环切阶段中，在对预设钻孔区域离体骨组织持续喷水条件下进行变焦点环切钻孔过程，使得钻孔周围骨组织的热影响极小，无明显碳化。
在上述实施例中，第一阶段凹槽环切阶段与第二阶段凹槽环切阶段中，紫外皮秒激光加工头在深度方向上的位移量为离体骨组织钻孔深度的1.7～2.8倍，优选地，采用位移量为离体骨组织厚度的2倍。
在上述实施例中，优选地，负离焦扫描辐照的离焦量为-0.8～-1.2毫米，优选采用-1.0毫米离焦量。
在上述实施例中，优选地，扫描路径根据预设钻孔区域的半径进行规划。
在上述实施例中，优选地，紫外皮秒激光加工头的平均功率为3～12W，重复频率为200KHz～500KHz，优选采用500KHz的重复频率。
在上述实施例中，优选地，紫外皮秒激光加工头的扫描速度大于1000mm/s，优选采用2000mm/s的扫描速度，既能保证每一圈的环切深度，也能保证不会发生骨组织碳化现象。
在上述实施例中，优选地，第一阶段凹槽环切阶段形成的浅层环形凹槽的深度为0.5～1.0毫米，优选为0.5毫米，在第一阶段凹槽环切完成后，剩余所要钻取的离体骨组织均在第二阶段凹槽环切阶段，通过多次变焦点环切钻孔完成。
根据上述实施例提出的紫外皮秒激光变焦点环切离体骨钻无碳化深孔的工艺方法，以下以离体猪股骨为例，对上述方法进行具体说明：
实施例1：
如图3a-3d所示，对去除软组织以及骨膜的离体猪股骨进行钻孔，在对钻孔周围骨组织持续喷水的情况下，首先在第一阶段凹槽环切钻孔阶段，使用平均功率12W、重复频率500KHz、离焦量为-1mm的皮秒355nm紫外激光进行变焦点环切钻孔，扫描速度为2000mm/s，扫描圈数为500，Z轴位移量为-0.1mm，沿Z轴位移步数为10，环切结束后，骨组织钻孔形貌如附图3a所示，此时共聚焦测得的钻孔深度为0.5mm，激光头沿z轴方向位移量为钻孔深度的2倍。
之后原位进行第二阶段凹槽环切钻孔，Z轴位移量增加到为-0.12mm，沿Z轴位移步数增加为15，得到如附图3b所示的钻孔形貌图，此时共聚焦测得的钻孔深度为1mm，激光头沿z轴方向位移量为钻孔深度的1.8倍。之后继续进行原位环切钻孔，将Z轴位移量增加到为-0.15mm，沿Z轴位移步数增加为30，得到如附图3c所示的钻孔形貌图，此时共聚焦测得的钻孔深度为1.6mm，激光头沿z轴方向位移量为钻孔深度的2.8倍。
根据游标卡尺测得的此处离体骨组织厚度为5mm，最后将Z轴位移量增加到-0.2mm，沿Z轴位移步数为30，得到如附图3d所示的钻孔形貌图，此时共聚焦测得的钻孔深度为2.9mm，激光头沿z轴方向位移量为钻孔深度的2.06倍。此外，根据骨钻孔形貌图可以明显观察到此时钻孔周围骨组织没有发生碳化且除骨支柱以外的骨组织没有明显微裂纹生成。
实施例2：
如图4a和图4b所示，对去除软组织以及骨膜的离体猪股骨进行钻孔，在对钻孔周围骨组织持续喷水的情况下，首先在第一阶段凹槽环切阶段，使用平均功率6W，重复频率500KHz，离焦量为-1mm的皮秒355nm紫外激光开始变焦点环切钻孔，扫描速度为2000mm/s，扫描圈数为500，Z轴位移量为-0.1mm，沿Z轴位移步数为10，得到一个较浅的环形凹槽，如附图4a为环形凹槽的表面形貌图，此时共聚焦测得的钻孔深度为0.56mm，激光头沿z轴方向位移量为钻孔深度的1.78倍。
之后原位进行第二阶段凹槽环切钻孔，加工头沿Z轴位移量保持不变，Z轴位移步数增加为20，得到如附图4b所示的钻孔形貌图，此时共聚焦测得的钻孔深度为1mm，激光头沿z轴方向位移量为钻孔深度的2倍。根据该加工位点离体骨组织的真实厚度适当增加Z轴位移量以及Z轴位移步数，继续进行多次原位变焦点环切钻孔，可实现激光功率6W条件下的激光骨无碳化钻深孔。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种紫外皮秒激光变焦点环切离体骨钻无碳化深孔的工艺方法，其特征在于，包括：
第一阶段凹槽环切阶段：利用紫外皮秒激光加工头，在对预设钻孔区域离体骨组织持续喷水条件下，在深度方向上沿扫描路径对离体骨组织表面以多圈数负离焦扫描辐照的方式进行变焦点环切钻孔，形成浅层环形凹槽；
第二阶段凹槽环切阶段：所述第一阶段凹槽环切阶段完成后，结合所述离体骨组织的实际厚度，逐渐增大所述紫外皮秒激光加工头在深度方向上的位移量和位移步数，在对预设钻孔区域离体骨组织持续喷水条件下，继续在所述浅层环形凹槽上进行多次原位变焦点环切钻孔，直至达到期望钻孔深度；
其中，所述第一阶段凹槽环切阶段和所述第二阶段凹槽环切阶段中，所述紫外皮秒激光加工头在深度方向上的位移量为所述离体骨组织对应钻孔深度的1.7～2.8倍，所述负离焦扫描辐照的离焦量为-0.8～-1.2毫米，所述紫外皮秒激光加工头的扫描速度大于1000mm/s。
2.根据权利要求1所述的紫外皮秒激光变焦点环切离体骨钻无碳化深孔的工艺方法，其特征在于，所述扫描路径根据预设钻孔区域的半径进行规划。
3.根据权利要求1所述的紫外皮秒激光变焦点环切离体骨钻无碳化深孔的工艺方法，其特征在于，所述紫外皮秒激光加工头的平均功率为3～12W，重复频率为200KHz～500KHz。
4.根据权利要求1所述的紫外皮秒激光变焦点环切离体骨钻无碳化深孔的工艺方法，其特征在于，所述第一阶段凹槽环切阶段形成的所述浅层环形凹槽的深度为0.5～1.0毫米。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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