[发明专利]一种高速组织切削的振动切削装置及设计方法和成像系统

说明书

本发明公开了一种高速组织切削的振动切削装置及设计方法和成像系统，属于生物组织切削领域。高速组织切削的振动切削装置设计方法包括：根据样品参数及要求的切削时间确定所需的切削速度；获取切削速度与切削频率的对应关系；根据所述切削速度和所述切削频率，确定所述弹簧质量系统的固有频率；根据所述弹簧质量系统的固有频率，确定振动切削装置中的柔性机构的尺寸，使得振动切削装置的弹簧质量系统具有合适的固有频率，从而使得振动切削装置适合较高的振动频率，能够达到需要的切削速度，进而减少完整器官的切削时长，提高成像系统的采集效率。

技术领域

本发明涉及生物组织切削领域，特别涉及一种高速组织切削的振动切削装置及设计方法和成像系统。

背景技术

结合组织切削和光学成像的全器官三维高分辨成像系统能够以亚细胞分辨率/衍射极限分辨率获取完整器官数据，用于完整地描述器官的精细结构及空间信息，帮助人们了解其工作机理。现有的全器官三维高分辨成像系统一般包括光学成像装置和切削装置，光学成像装置用于对样本表面进行成像，切削装置用于组织的切削，暴露出新的待成像表面。

为更好保持生物样本原有形态，常用琼脂糖或水凝胶进行包埋，相应地，切削装置采用振动切削原理。但由于一般商业的振动切削装置是80Hz左右，在进行组织切片并且要求能够完整起片时，商业的振动切削装置的样本进给速度基本上被限制在20mm/min以下。以现有整合光学成像与振动切削的全器官高分辨成像技术为例，其以8μm的切片厚度，在保证较好切削断面质量的前提下，80Hz的振动切削装置的优化进给速度为20mm/min，若超过该速度，切削断面的表面粗糙度会急剧上升，使得成像质量下降，甚至无法成像；而降低样本进给速度，虽然可以提高切削质量，但会极大的延长完整器官的切削时间，从而延长整体采集时间，降低采集效率。以小鼠脑为例，以20mm/min的进给速度、8μm的切削厚度进行切削时，切削时间会达到27.5h，占整体采集时间的38％左右。因此，切削速度会直接影响采集效率。

发明内容

发明实施例提供了一种高速组织切削的振动切削装置及设计方法和成像系统，能够根据需要提高切削频率，提高切削速度，从而减少完整器官的切削时长，提高成像系统的采集效率。

根据本公开实施例的第一方面，提供一种高速组织切削的振动切削装置设计方法，所述振动切削装置包括相互连接的驱动部、切削部和引导部，所述引导部具有柔性机构，所述引导部与所述切削部组成一个弹簧质量系统，所述切削部用于在所述驱动部的驱动和所述引导部的引导下进行往复直线运动。所述方法包括：

根据样品参数及要求的切削时间确定所需的切削速度；

获取切削速度与切削频率的对应关系；

根据所述切削速度和切削频率，确定所述弹簧质量系统的固有频率；

根据所述弹簧质量系统的固有频率，确定振动切削装置中的柔性机构的尺寸。

进一步地，所述柔性机构为包括柔性板簧的柔性机构，所述驱动部包括固定件和驱动件，所述驱动件用于为所述切削部提供进行往复直线运动的动力；

根据所述弹簧质量系统的固有频率，确定振动切削装置中的柔性机构的尺寸，包括：

确定第一质量，所述第一质量为第一部分的质量，所述第一部分包括所述切削部和所述驱动件；

根据所述固有频率和所述第一质量，确定振动方向的刚度，所述振动方向为所述切削部往复直线运动的方向；

确定所述柔性板簧的宽度和所述柔性板簧的长度；

根据所述振动方向的刚度、所述柔性板簧的宽度和所述柔性板簧的长度，确定所述柔性板簧的厚度。

进一步地，所述振动方向的刚度，采用以下公式确定：

K＝4π²mf²