超声辅助角膜钻切的作用机理和行为规律研究

Ultrasound vibration cutting has the advantages of high precision, lesser trauma and so on. Based on the biomechanical characteristics of corneal tissue, this project proposes the ultrasound-assisted method for corneal trephination, aiming to solve the problem of uncontrollable corneal trephination depth in the previous study of corneal transplantation assisted robot, which is an extension of previous research. Focusing on the high precision of trephination depth, the smoothness of incision and the low loss of corneal tissue, the cutting mechanism and the behavior rule of ultrasound-assisted corneal trephination will be researched in this project. The project aims to explore the failure mechanisms and the ultrasonic cavitation of the multi-layer corneal tissue; recognize the mechanical behavior of corneal tissue during ultrasonic assisted trephination to evaluate the corneal trephination effect; illuminate the relationship between the excitation frequency, power, amplitude, clamping force and the cornea deformation degree, trephination depth, the corneal tissue damage degree, and so on to optimize the ultrasonic vibration parameters; establish the miniaturized high-power multidimensional ultrasonic vibration system and realize the automatic control of ultrasound-assisted corneal trephination. This research is constructive to recognize the scientific issues about the mechanism in ultrasound-assisted hyperelastic tissue cutting and biological micro-cutting.

超声振动切割具有精度高、创伤小等优点。基于角膜组织的生物力学特性，本课题提出采用超声振动辅助角膜钻切的方法，立足于解决前期角膜移植手术辅助机器人研究中角膜钻切深度无法控制的问题，是前期研究的延伸。课题将围绕角膜移植手术中钻切深度的高精度、切口的平滑度及角膜组织低损耗的要求，开展超声振动作用下角膜的断裂机制和行为规律研究。旨在探索角膜多层组织的超声振动失效机制，分析角膜组织在超声手术刀作用下的空化效应；揭示角膜组织在超声辅助钻切中的力学行为规律，评估角膜钻切效果；研究超声振动系统的激励频率、功率、振幅、夹持力等与角膜组织变形程度、钻切深度、角膜组织损耗程度等的关系规律，优化超声振动参数；采用导波传输技术、有限元技术、微驱动技术等手段构建小型化高功率多维超声振动系统，并在此基础上实现超声辅助角膜钻切系统的自动控制。有利于超声辅助超弹性组织切割、生物工程显微切割机理等一类科学问题的认识。

本课题基于超声辅助显微切割精度高、创伤小的优势，首次提出采用超声振动的方式辅助角膜钻切的方法；从非传统超声切割对象——角膜组织的特有生物力学特性出发，探索超声辅助钻切角膜组织的作用机理和行为规律，旨在前期角膜移植手术辅助机器人研究的基础上，进一步实现角膜钻切深度的高精度自动控制。在此次项目研究中，首先完成了角膜超声切割刀的设计，针对现有角膜切割刀末端机构复杂的问题，项目组首次提出柔性导波超声椭圆振动切削装置，具有耦合效率好、激振频率高和刀尖椭圆轨迹易控制的优点，在其基础上进而简化刀杆和刀具座设计，优化刀具的安装、定位，为末端器械轻型化奠定了理论基础；然后进行了角膜超声辅助切割机理研究，完成了超声角膜钻切机器人系统的研制与人机交互界面构建，提出了一种无需更换刀头即可实现不同病变角膜直径切割的精密两轴运动系统，结合离体猪眼球切割实验及眼球模型切割实验，最后进行超声辅助角膜显微钻切机器人系统实验及效果分析，研究结果表明：该系统可以实现角膜钻切手术的自动化、高精度控制；超声振动辅助钻切不仅可以降低手术时的切割力，还可以有效缩小刀具运动位移与角膜钻切深度之间的误差；超声辅助钻切显示切割边缘形状更规则且波动较小，验证了理论研究的可行性。课题研究基本按年度计划进行，完成了预期目标。项目执行过程中已发表相关SCI/EI 检索论文4 篇，在撰写1篇，已申请发明专利5项，其中授权4项、公开1项，后续有待进行成果转化和进一步临床应用。. 由于超声功率的影响，超声辅助切割离体猪眼球的刀具运动位移仍然存在很大的进步空间，今后将进一步讨论超声振动系统的激励频率、功率、振幅、夹持力、钻切速度参数等与角膜组织破坏阈值、角膜组织变形程度、钻切深度、角膜组织损耗程度等的关系规律，优化切割参数；以及采用导波传输技术、有限元技术、微驱动技术等手段构建小型化高功率多维超声振动系统，以便于角膜钻切显微作业的高精度灵巧控制和操作。