非接触大振动量超声手术刀测试系统和方法与流程

本发明涉及超声手术刀，尤其是指一种非接触大振动量超声手术刀测试系统和方法。

背景技术：

1、超声手术刀是一种高频电外科设备，主要用于生物组织的切割与血管闭合等操作。具有出血少、对周围组织伤害少、术后恢复快等特点。超声手术刀作用于人体组织可以起到切割与凝闭的作用，刀头工作时也没有电流通过人体，不会引起组织干燥、灼伤等副作用，在手术室中有着广泛的应用，有无血手术刀之称。

2、超声刀波导杆由近端增益结构、远端增益结构、中间结构及频率调整结构组成，现有技术(专利公开号cn105962996b)中超声手术刀波导杆及沿着该波导杆生成的波形如图1所示。其中，近端增益结构与中间结构在靠近波导杆纵向振动波腹的位置通过近侧增益台阶相连，远端增益结构与中间结构在靠近波导杆纵向振动波腹的位置通过远侧增益台阶相连，中间结构由多级个增益保持结构组成，且在增益保持结构上存在频率调整结构。波导杆可以使超声手术刀不仅具有较大的刀头振幅，还能工作在稳定合适的振动频率之下，从而使超声刀能对人体组织进行高效的切割。可见，一个性能良好的手术刀设计需要对手术刀各部位进行精准的幅度标定和频率测量，特别是刀头部位的幅度标定和频率测量。

3、目前，常用的对手术刀各部位进行的探测方法有以下几种：

4、1)从手术刀驱动源测量，即从超声刀的驱动电路里通过分析获得反馈信号(专利公开号cn106021174a)，这种方法能通过驱动电路的信号处理单元快速跟踪压电换能器系统不断变化的谐振频率，从而能保证压电换能器系统处于谐振频率状态。但是，这种方法属于间接测量方案，需要事先获得超声刀的阻抗匹配模型，阻抗匹配模型有时是未知的，比如在超声刀的研发过程中。并且，这种方法只能得到频率信号，无法获得实际的振幅信号，而后者才是衡量手术刀实际能量输出的唯一标准。

5、2)影像法：影像法(专利公开号cn208672134u)利用影像装置对超声刀测量位置直接测量，通过分析图像中超声刀的位置变化来获得超声刀移动位置的界限。但是，影像法的测量严重依赖影像装置的位置校准，如果被测物移动较大距离，或者离开校准区域，结果误差不可控制。同时，该方法只能获得移动位置的上下界限，无法获得换能器输出的实际信号，包含振幅，频谱，相位的信息，测得的信号仅有有限参考作用，对超声刀的实际工作状态无任何标定作用。

6、3)激光三角测距法：三角法传感器由半导体激光器、发射聚焦镜片、接受镜片组、接受ccd阵列组成。测量激光信号在被测物体表面反射后，由接受光学镜片聚焦到ccd阵列上，当被测物体位置发生改变后，反射角发生了变化，这样反射到ccd阵列上的位置发生了变化，通过对ccd位置的严格校准，就可以反推被测物体的位置变化。但是，三角法测量的也是移动位置的上下界限值，如上所述，同样测得的信号仅有有限参考作用，对超声刀的实际工作状态无任何标定作用。而且在测量超声波换能器时，为了得到足够的精度，三角法传感器做了累积测量，即从收到回光的ccd的pixel最大间距获得了峰峰值，由于超声传感器的振动频率比较高，相当与对测量进行了历史累积，这样实际会得到比瞬时峰峰值要大的多的结果。另外，三角法传感器回光是由一定直径的，三角法传感器需要通过判断最大点来确定真实位移量，但是超声波换能器振动频率比较高，像素与像素之间是存在串扰的。这样对测量结果也形成了干扰，测量值是比实际值要高的。这样即使是测量峰峰值，三角法传感器的结果也是不准确的。最后，手术刀刀头位置几何尺寸不规则且狭小，三角法依赖于反射光点的位置判断变化，在这些位置就无法获得测量信号。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提供一种非接触大振动量超声手术刀测试系统和方法，可以快速测量超声手术刀关键点的时变幅度、频率和相位信息，获得完整时变频谱信息。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种非接触大振动量超声手术刀测试系统，包括激光传感模组、定位板和载物台，

3、所述激光传感模组包括集成光学芯片、激光二极管、探测器阵列和光学透镜，所述定位板位于所述激光传感模组和所述载物台之间，所述定位板位于所述激光传感模组的焦点位置，所述定位板上设有定位孔；

4、所述载物台上放置待测超声手术刀，待测超声手术刀的待测部位放置在所述定位孔中穿过所述定位板，所述激光传感模组使用光学干涉式方法测量待测部位的振动量，通过对相位高级差分信号分析进行幅度标定和频率测量。

5、在本发明的一个实施例中，所述集成光学芯片、激光二极管、探测器阵列和光学透镜通过一体化封装组成所述激光传感模组。

6、在本发明的一个实施例中，所述集成光学芯片包括光学基底，所述光学基底上包含多个光学元件，所述光学元件包括激光器、调制器、光电探测器和滤波器。

7、在本发明的一个实施例中，还包括移动导轨和光学调节架，

8、所述激光传感模组和所述载物台分别通过所述光学调节架在所述移动导轨上移动，所述光学调节架具有六轴的调节能力。

9、在本发明的一个实施例中，所述定位孔的形状大小大于等于所述激光传感模组的焦光斑直径的4倍。

10、本发明还提供了一种非接触大振动量超声手术刀测试方法，包括：

11、设置激光传感模组、定位板和载物台，所述激光传感模组包括集成光学芯片、激光二极管、探测器阵列和光学透镜，所述定位板位于所述激光传感模组和所述载物台之间，所述定位板位于所述激光传感模组的焦点位置，所述定位板上设有定位孔；

12、将待测超声手术刀放置在载物台上，将待测超声手术刀的待测部位放置在所述定位孔中穿过所述定位板，通过所述激光传感模组使用光学干涉式方法测量待测部位的振动量，通过对相位高级差分信号分析进行幅度标定和频率测量。

13、在本发明的一个实施例中，通过所述激光传感模组使用光学干涉式方法测量待测部位的振动量时，通过双通道的所述激光传感模组测量法向振动信息完整获取待测手术刀的振动模型，振动模型包括波导杆纵向振动波腹波峰信息。

14、在本发明的一个实施例中，通过双通道的所述激光传感模组测量法向振动信息完整获取待测手术刀的振动模型，具体为：

15、在xyz三个正交方向分别设置所述激光传感模组，三个所述激光传感模组测得待测部位在xyz三个方向的振幅；

16、结合三个所述激光传感模组在xy面投影与x轴形成的角度，计算对同一个测量点的垂直方向和水平方向的振动信号为：

17、

18、式中，d1、d2、d3为三个所述激光传感模组测量得到的位移值，vx、vy、vz为待测部位的三维振动位移值；θx1、θx2、θx3，θy1、θy2、θy3，θz1、θz2、θz3分别为三个所述激光传感模组与x轴、y轴、z轴的夹角；

19、根据三个所述激光传感模组与x轴、y轴、z轴的夹角得到三个所述激光传感模组测量得到的位移值和待测部位的三维振动位移值。

20、在本发明的一个实施例中，通过所述激光传感模组使用光学干涉式方法测量待测部位的振动量时，使用所述激光传感模组对待测部位进行阵列式的多点测量。

21、在本发明的一个实施例中，所述通过对相位高级差分信号分析进行幅度标定和频率测量，具体为：

22、对原始相位信号进行滤波预处理，对滤波预处理后的相位信号进行高阶差分连续性解析，展开解析后的相位信号，结合鉴频鉴相器进行幅度标定和频率测量。

23、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

24、本发明通过定位孔实现对待测超声刀的待测部分的定位，大大弱化了对影像装置的位置校准的依赖程度，实现超声手术刀刀头在生产中的快速定位测量；设计并使用集成光学芯片的小型化的激光传感模组对待测部分进行光学干涉式地测量，与相位高级差分信号分析方法结合，可以非接触式地快速测量超声手术刀关键点的时变幅度、频率和相位信息，获得完整时变频谱信息。