本发明专利技术的一种基于光频梳的生物硬组织激光加工方法及装置，其方法通过激光测量和加工一体化设计的方法，结合飞秒光频梳技术，在不增加光路和监测系统复杂度的同时，实时测量和分析激光辐照生物硬组织时产生的光谱功率和时频域的信息，立足于光频梳反射光以及激发的等离子体和热辐射等光信号的特征光谱种类、强度和功率比以及时频域特征分析，获得状态和绝对距离信息，实现基于特征光谱和双色光梳光谱干涉测量同步测量的定位、尺寸测量、快速调焦和状态监测一体化。该方法可应用于骨和牙等生物硬组织的精准加工和手术治疗，涉及生物制品加工以及生物医疗等领域。加工以及生物医疗等领域。加工以及生物医疗等领域。
【技术实现步骤摘要】
基于光频梳的生物硬组织激光加工方法及装置
[0001]本专利技术涉及激光加工
，具体涉及一种基于光频梳的生物硬组织激光加工方法及装置。
技术介绍
[0002]随着老龄化社会发展、现代生活方式改变以及更高品质生活质量的不断追求，涉及包括骨头、牙齿等生物硬组织加工的外科手术诊疗需求日益增长。以牙科疾病为例，世界卫生组织报道，龋病是人类患病率最高的三大非传染性疾病之一，接近90％的成年人患有龋病等牙体硬组织疾病。而生物硬组织的打磨、钻孔和切割等加工是外科手术治疗中最常用手术程序，广泛应用于牙体硬组织的预备和充填、颅骨切开术、椎板切开术、镫骨足板造孔术、关节置换和骨折治疗等。相比机械加工等外科手术治疗手段，激光加工由于非接触式加工、高精度、高重复性和易于集成等特点，提供了一种无机械损伤的高精度生物硬组织加工方法，成为该领域的一个重要研究方向。
[0003]为尽可能降低、抑制和消除激光加工损伤风险，匹配激光加工技术特点的定位和监测技术研究是推动生物硬组织激光加工广泛应用重要一环。针对生物硬组织激光加工，已有报道基于激光加工时诱发的各类与加工状态相关的光信号测量来实现生物硬组织加工定位、在线监测和实时反馈。例如基于等离子体光谱实现骨组织与脊髓区分，基于二次谐波、等离子体和热辐射光信号的特征光谱功率比例测量的激光加工定位、监测和加工一体化以及基于正常骨组织和骨碳化组织的Ca和Na元素特征谱线的相对强度变化进行骨热损伤评估。基于激光加工过程激发光信号测量的定位和监测方法提供了一种匹配激光加工特点的定位和监测新思路，且不同于机械加工时的光学定位，通过激光加工和测量光路一体化设计有望进一步克服遮挡和散射误差。
[0004]另一方面，光频梳测距定位是一种可溯源的极高精度测距定位方法。通过将飞秒脉冲激光器的初频和重频锁定到高稳定性时钟上，并通过光谱干涉测距可以在米量级范围内达到纳米级精度，且和上述基于激发光信号的测量方法和装置相同，同样利用光谱仪进行测量光谱测量和分析，但从频域信息的分析和处理给出了绝对距离信息。
[0005]激光加工由于非接触式加工、高精度、高重复性和易于集成等特点，提供了一种无机械损伤的高精度生物硬组织加工方法。但是在面向生物硬组织加工时，如何实时监控加工绝对位置、尺寸和状态，精确控制激光加工参数，尽可能的抑制和消除热和机械损伤风险，是将激光加工推向生物制品加工以及生物医疗等领域的一个关键。
技术实现思路
[0006]本专利技术提出的一种基于光频梳的生物硬组织激光加工方法，可至少解决上述技术问题之一。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：
[0008]一种基于光频梳的生物硬组织激光加工方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一，在加工前对生物硬组织进行预处理；
[0010]步骤二，通过测量光梳光谱干涉测距信息，进行样品加工位置标定和加工系统焦距设定；
[0011]步骤三、按照预定参数开始加工，结合光梳光谱干涉绝对距离测量监测位置尺寸的同时，监测等离子体和热辐射光信号的特征光谱种类、功率计功率比例以监测加工光路的焦距和损伤状态；
[0012]步骤四，根据位置、尺寸和状态的监测信息反馈控制激光加工系统，持续进行定位、监测和加工操作，完成精准和无创加工。
[0013]由上述技术方案可知，匹配生物硬组织激光精准和微创加工的应用需求，本专利技术的基于光频梳的生物硬组织激光加工方法，提出通过激光测量和加工一体化设计的方法，结合飞秒光频梳技术，在不增加光路和监测系统复杂度的同时，实时测量和分析激光辐照生物硬组织时产生的光谱功率和时频域的信息，立足于光频梳反射光以及激发的等离子体和热辐射等光信号的特征光谱功率比和时频域特征分析，获得绝对位置和状态信息，实现基于特征光谱功率比例和双色光梳光谱干涉测量同步测量的定位、尺寸测量、快速调焦和状态监测一体化。该方法可应用于骨和牙等生物硬组织的精准加工和手术治疗，涉及生物制品加工以及生物医疗等领域。
[0014]本专利技术针对生物硬组织精准加工的应用需求，通过引入光频梳，利用光谱功率和时频域两个维度的同步测量和分析，实现基于光谱特征功率比例的实时调焦和损伤监测同时，基于光梳光谱干涉绝对测距进行精准定位和位置尺寸监测，提出一种适用于生物硬组织激光加工的双维度光谱测量定位和监测一体化方法和装置，有效提升现有生物硬组织激光加工的精确性和安全性技术，并可通过光频梳进行绝对长度和位置尺寸的控制。
附图说明
[0015]图1为本专利技术实施例基于光频梳的生物硬组织激光加工方法示意图；
[0016]图2为本专利技术实施例基于光频梳的生物硬组织激光加工装置示意图；
[0017]图3为骨加工样品图，具体分别为骨加工原始样品表面、未精确控制加工形状和损伤状态的不规则形状碳化样品、未精确控制损伤状态的圆形碳化样品、精确加工的浅坑性加工样品和无损伤的圆孔样品。
具体实施方式
[0018]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0019]为监测激光加工的位置尺寸和状态信息，提出图1所示的研究方案，融合激光加工和光梳测量系统，通过加工和测量光路一体化设计，并利用光谱仪测得激光加工激发光信号以及光梳辐照样品的反射信号，获取特征光谱的种类、强度和比例信息以及光谱干涉绝对距离测量信息，从两个维度上同时对激光加工信息进行反馈控制。
[0020]相应设计如图2所示的光梳测距和激光加工一体化系统，系统包括激光光源、两个光滤波器，三个分光镜，两个反射镜，耦合系统、扩束和准直系统、冷却装置、数据处理系统
和光谱仪，其中激光光源包括光频梳以及加工光源。加工光源的出射光通过准直和扩束系统，经过反射镜调整光路方向后在分光镜处与光频梳出射光进行汇合，一路作为参考光，另一路作为物光辐射至生物硬组织表面。激光作用在生物硬组织表面上产生的漫反射光大部分被耦合系统接收再进行处理，耦合系统由望远镜系统和耦合镜组成，大口径望远镜接收大部分漫反射光后出射，在出射口加设耦合器件将光汇聚后传输进入滤波器，滤出其他光信号后在分光镜处与参考光进行汇合，通过光滤波器后，利用光谱仪对其两路信号之间的干涉光谱进行实时测量，进入数据处理系统。根据实时信号测量分析，加入冷却装置，通过实时测量和分析光信号变化，获取特征光谱的种类、强度和比例信息以及光谱干涉绝对距离测量信息，从两个维度上同时对激光加工信息进行反馈控制，直至加工结束。
[0021]具体实施步骤如下：
[0022]步骤一，在加工前对骨和牙等生物硬组织进行清洗等预处理；
[0023]步骤二，光频梳后经过分光镜，一路作为参考光；另一路与加工光源的出射光进行汇合，利用耦合系统接收作用在生物硬组织上产生的漫反射光，两路光在经过分光镜后重新进行合束，经过滤波器后通过光谱仪实时测量两路信号之间的干涉光谱，转换为相位相关信本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于光频梳的生物硬组织激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤一，在加工前对生物硬组织进行预处理；步骤二，通过测量光梳光谱干涉测距信息，进行样品加工位置标定和加工系统焦距设定；步骤三、按照预定参数开始加工，结合光梳光谱干涉绝对距离测量监测位置尺寸的同时，监测等离子体和热辐射光信号的特征光谱种类、强度、功率计功率比例以监测加工光路的焦距和损伤状态；步骤四，根据位置、尺寸和状态的监测信息反馈控制激光加工系统，持续进行定位、监测和加工操作，完成精准和无创加工。2.根据权利要求1所述的基于光频梳的生物硬组织激光加工方法，其特征在于：步骤二具体包括，光频梳后经过分光镜，一路作为参考光；另一路与加工光源的出射光进行汇合，利用耦合系统接收作用在生物硬组织上产生的漫反射光，两路光在经过分光镜后重新进行合束，经过滤波器后通过光谱仪实时测量两路信号之间的干涉光谱，转换为相位相关信息从而获得距离；实现生物硬组织样品待加工位置标定和加工系统焦距设定。3.根据权利要求2所述的基于光频梳的生物硬组织激光加工方法，其特征在于：步骤二通过测量光梳光谱干涉测距信息，进行样品加工位置标定和加工系统焦距设定具体包括：首先将飞秒光频梳发出的超短激光脉冲进行能量分束，一路作为测量光路，一路作为参考光路；两路激光分别经过参考反射镜和目标反射镜反射后重新在分束器合束；目标距离即为两路的光程差，L＝L2‑
L1；对于光谱分辨的绝对距离测量，光谱分析仪接收到的光谱干涉条纹的强度与光频率的关系表示为g(v)＝s(v)[1+cosφ(v)]
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(1)其中，s(v)为飞秒光频梳的梳齿功率谱函数，与距离相关的干涉相位项表示为φ(v)＝2πvα
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(2)其中，α表示光程的延迟，写作如下公式α＝2n(v)L/c
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(3)其中，n(v)为折射率；c为真空中的光速；对公式(1)进行傅里叶变换...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡国庆，秦莹，陈丽，周哲海，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：
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