[發明專利]一種高速組織切削的振動切削裝置及設計方法和成像系統

有效

• 申請號: 202010344613.2
• 申請日: 2020-04-27
• 公開（公告）號: CN111496857B
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發明（設計）人: 陳鍵偉;龔輝;袁菁;李亞峰;駱清銘
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B26D1/06
• 分類號: B26D1/06;B26D7/08;B26D7/26
• 代理公司: 杭州宇信知識產權代理事務所(普通合伙) 33231
• 代理人: 王健

本發明公開了一種高速組織切削的振動切削裝置及設計方法和成像系統，屬于生物組織切削領域。高速組織切削的振動切削裝置設計方法包括：根據樣品參數及要求的切削時間確定所需的切削速度；獲取切削速度與切削頻率的對應關系；根據所述切削速度和所述切削頻率，確定所述彈簧質量系統的固有頻率；根據所述彈簧質量系統的固有頻率，確定振動切削裝置中的柔性機構的尺寸，使得振動切削裝置的彈簧質量系統具有合適的固有頻率，從而使得振動切削裝置適合較高的振動頻率，能夠達到需要的切削速度，進而減少完整器官的切削時長，提高成像系統的采集效率。

技術領域

本發明涉及生物組織切削領域，特別涉及一種高速組織切削的振動切削裝置及設計方法和成像系統。

背景技術

結合組織切削和光學成像的全器官三維高分辨成像系統能夠以亞細胞分辨率/衍射極限分辨率獲取完整器官數據，用于完整地描述器官的精細結構及空間信息，幫助人們了解其工作機理。現有的全器官三維高分辨成像系統一般包括光學成像裝置和切削裝置，光學成像裝置用于對樣本表面進行成像，切削裝置用于組織的切削，暴露出新的待成像表面。

為更好保持生物樣本原有形態，常用瓊脂糖或水凝膠進行包埋，相應地，切削裝置采用振動切削原理。但由于一般商業的振動切削裝置是80Hz左右，在進行組織切片并且要求能夠完整起片時，商業的振動切削裝置的樣本進給速度基本上被限制在20mm/min以下。以現有整合光學成像與振動切削的全器官高分辨成像技術為例，其以8μm的切片厚度，在保證較好切削斷面質量的前提下，80Hz的振動切削裝置的優化進給速度為20mm/min，若超過該速度，切削斷面的表面粗糙度會急劇上升，使得成像質量下降，甚至無法成像；而降低樣本進給速度，雖然可以提高切削質量，但會極大的延長完整器官的切削時間，從而延長整體采集時間，降低采集效率。以小鼠腦為例，以20mm/min的進給速度、8μm的切削厚度進行切削時，切削時間會達到27.5h，占整體采集時間的38％左右。因此，切削速度會直接影響采集效率。

發明內容

發明實施例提供了一種高速組織切削的振動切削裝置及設計方法和成像系統，能夠根據需要提高切削頻率，提高切削速度，從而減少完整器官的切削時長，提高成像系統的采集效率。

根據本公開實施例的第一方面，提供一種高速組織切削的振動切削裝置設計方法，所述振動切削裝置包括相互連接的驅動部、切削部和引導部，所述引導部具有柔性機構，所述引導部與所述切削部組成一個彈簧質量系統，所述切削部用于在所述驅動部的驅動和所述引導部的引導下進行往復直線運動。所述方法包括：

根據樣品參數及要求的切削時間確定所需的切削速度；

獲取切削速度與切削頻率的對應關系；

根據所述切削速度和切削頻率，確定所述彈簧質量系統的固有頻率；

根據所述彈簧質量系統的固有頻率，確定振動切削裝置中的柔性機構的尺寸。

進一步地，所述柔性機構為包括柔性板簧的柔性機構，所述驅動部包括固定件和驅動件，所述驅動件用于為所述切削部提供進行往復直線運動的動力；

根據所述彈簧質量系統的固有頻率，確定振動切削裝置中的柔性機構的尺寸，包括：

確定第一質量，所述第一質量為第一部分的質量，所述第一部分包括所述切削部和所述驅動件；

根據所述固有頻率和所述第一質量，確定振動方向的剛度，所述振動方向為所述切削部往復直線運動的方向；

確定所述柔性板簧的寬度和所述柔性板簧的長度；

根據所述振動方向的剛度、所述柔性板簧的寬度和所述柔性板簧的長度，確定所述柔性板簧的厚度。

進一步地，所述振動方向的剛度，采用以下公式確定：

K＝4π²mf²