具有大轴向振动和小横向振动的柔性导向压电钻
阅读说明：本技术 具有大轴向振动和小横向振动的柔性导向压电钻 (Flexible guided piezoelectric drill with large axial vibration and small transverse vibration ) 是由 孙钰 韦斯利·约翰逊 刘军 戴昌盛 于 2018-05-16 设计创作，主要内容包括：本发明描述了一种产生大轴向振动和小横向振动的柔性导向压电钻。柔性机构用于引导微量移液管在轴向方向上的轨迹,且从驱动脉冲中去除导致大横向振动的共振频率。本发明特别适用于有效穿透卵母细胞和胚胎的透明带(ZP)且变形小。(The invention describes a flexible guide electric compression drill which generates large axial vibration and small transverse vibration. The flexible mechanism serves to guide the trajectory of the micropipette in the axial direction and to remove the resonance frequencies causing large lateral vibrations from the drive pulse. The invention is particularly suitable for efficiently penetrating the Zona Pellucida (ZP) of oocytes and embryos with little distortion.)
技术领域
本发明涉及一种惯性冲击钻，且更具体地，涉及用于体外受精的***和胚胎操作中的应用。
背景技术
穿透透明带(ZP)是体外受精(IVF)的重要步骤，其应用例如卵胞浆内单***注射(ICSI)和用于植入前遗传筛查(PGS)的活组织检查。ZP是由***或胚胎周围的糖蛋白组成的厚的高弹性层。
在IVF临床的***和胚胎操作中，即使使用尖锐的微量移液管，ZP穿透也需要使***或胚胎严重变形(例如，50μm)。大的***变形会破坏***纺锤体，且导致***受精和胚胎发育失败。大的胚胎变形也会影响之后的胚胎发育。使用压电致动的振动可以改善ZP穿透而不会导致大的***或胚胎变形。压电钻是惯性冲击装置，其使用压电致动器来产生微量移液管的高频轴向振动以引起ZP局部破裂。
目前的压电钻设计由于微量移液管尖端上不需要的大的横向振动而导致细胞受损。为了有助于抑制横向振动，通常在微量移液管的尖端附近使用一段水银。使用水银直接接触生物材料引起临床实践和生物学研究的关注，这是现有压电钻装置进入IVF临床的主要障碍。
来自Prime Tech和Burleigh等公司的商用压电钻的设计为压电致动器远离微量移液管并在微量移液管尖端产生大的横向振动。将压电致动器直接放置在微量移液管保持器后可有助于更好地将振动聚焦在微量移液管尖端。据报道，不同于商业设计中的超过100μm，这种设计配置将横向振动减小到约20μm(H.B.Huang、H.Su、H.Chen以及J.K.Mills，“Piezoelectric drivennon-toxic injector for automated cell manipulation”，Medicine Meets Virtual Reality Conference，第231-235页，2011)。然而，这种设计仍然引起20μm这种相当大的横向振动并且导致***变形大于10μm。
与本发明相关的现有专利包括Burleigh Instruments的US6251658B1、康涅狄格大学的US20080213899A1、Newcastle Innovation的US20110193510A1、Prima MeatPackers的US5225750A和US5229679A、Piezo Resonance Innovations的US20090069712A1、Lockheed Martin Energy Systems的US5877008A以及Micronas GmbH的US20030059936A1。考虑以下三个为与本发明最相关的。
Burleigh Instruments的US6251658B1，“Inertial impact drill forcytological applications”，公开了一种惯性冲击钻，其使用相对的压电或电致伸缩致动器来驱动惯性质量块的运动并产生微量移液管或微电极的振动。没有公开本发明中使用的柔性件机构。本发明也未使用两个相对的压电致动器来产生振动。
“Rotationally Oscillating Injector”，US20080213899A1，公开了一种注射器，其通过用旋转马达旋转微量移液管来穿透***。本发明不涉及旋转或使用旋转马达。
“Positioning system and method”，US20110193510A1，公开了一种使用压电致动器和柔性机构进行精确定位的纳米定位台。虽然本发明也使用压电致动器和柔性机构，但本发明的装置设计用于产生穿透透明带的振动运动而不是精确平滑的定位。
发明内容
本申请中公开的装置是能够产生大轴向振动和小横向振动的压电钻。压电钻可用于有效穿透***和胚胎的透明带(ZP)且变形小。
出于上述目的，本发明采用以下技术方案：
在一个方面，本发明提供了产生大轴向振动和小横向振动的柔性导向压电钻装置，用于透明带(ZP)穿透，具有小的***或胚胎变形。
优选地，所述压电钻具有微量移液管、柔性件、压电致动器、柔性件保持器和保持杆。
更优选地，所述柔性件包括中心部分、多个柔性梁、外部部分和柔性件基座。
优选地，所述柔性件基座连接到所述中心部分。
优选地，所述柔性件采用不锈钢通过电火花线切割加工制成。
优选地，所述微量移液管固定在所述柔性件上且易于更换。
在优选的实施例中，柔性件的所述中心部分连接到一导管以为***或胚胎抽吸提供负压，且所述导管还连接到气动泵或液压泵。
优选地，压电致动器集成在所述柔性件基座上。
优选地，所述压电致动器紧固抵靠在柔性件基座上并预装有螺钉和金属垫片。
优选地，柔性件的所述外部部分由柔性件保持器夹持并通过两个螺钉紧固。
优选地，所述柔性件保持器连接到保持杆。
优选地，所述保持杆安装在微操纵器上，所述微操纵器具有运动平台以实现精确定位。
优选地，所述柔性梁通过双铰链连接柔性件的中心部分和外部部分。
优选地，所述铰链是椭圆形铰链。
本发明还公开了一种机械设计方法，该方法使用柔性件机构来引导微量移液管沿轴向的运动。
在另一方面，描述了驱动脉冲的设计。设计的驱动信号为具有微量移液管和柔性件的衰减的共振频率的脉冲。
优选地，通过从驱动脉冲的频谱中滤除微量移液管和柔性件的共振频率来处理用于驱动压电钻的驱动脉冲。
附图说明
以下通过示例并参考以下附图对一个或多个实施例进行详细描述，其中：
图1图示压电钻的示意图。
图2图示显示有导管组件的压电钻的俯视图。
图3图示与***或胚胎接触的微量移液管及其等效力学系的示意图。
图4图示柔性梁结构及其双椭圆形铰链的示意图。
图5图示压电致动器的过滤驱动脉冲。
图6图示通过SEM测量的安装在压电钻上的微量移液管的振动。
图7图示由振动计测量的微量移液管的轴向振动幅度。
图8图示使用压电钻具有小的***变形的ZP穿透。
具体实施方式
本发明包括产生大轴向振动和小横向振动的压电钻的机械设计方法，以及用于驱动压电致动器的驱动脉冲设计方法。
A.结构设计
如图1和2所示，柔性件2包括中心部分3、柔性梁4、外部部分5和柔性件基座6。柔性导向设计具有集成在柔性件基座6上的压电致动器7。微量移液管1的运动由多个柔性梁4导向。中心部分3和外部部分5由柔性梁4通过椭圆形铰链连接。柔性件基座6连接到中心部分3。外部部分5由柔性件保持器8夹持。柔性件保持器8连接到保持杆9，且保持杆9安装在微操纵器(未示出)上。
柔性件2可以通过电火花线切割加工(EDM)由单件不锈钢制成。因此，其整体结构不会受到由摩擦、磨损和反冲引起的非线性的影响。
对致动方向的控制取决于横向轴(Y和Z)与轴向轴(X)之间的刚度比。通过相对于另外两个轴实现低X轴刚度，可以在轴向方向上引导微量移液管的运动，而不需要考虑装置组装期间的轻微错位。
首先建立微量移液管的动态模型。目的是确保在柔性件和操作脉冲序列的设计中避免微量移液管的横向共振频率。图3(a)示出了与***或胚胎接触的微量移液管的示意图。图3(b)示出了等效力学系。使用欧拉-伯努利梁理论导出微量移液管尖端的运动方程，且通过分析求解方程得到微量移液管的共振频率。
压电钻使用柔性导向机构。柔性机构使用材料的弹性变形来传递运动。对于柔性件的设计，将柔性梁4的内部部分加厚以增强其平面外(Z)刚度，形成图4中所示的双铰接梁结构。相比之下，圆形铰链具有高平面外刚度，但运动范围低。导角铰链具有大运动范围，但平面外刚度较差。椭圆形铰链结合了这些特性，实现刚性柔性件的同时在柔性件的最大延伸时保持相对较低的应力，具有长疲劳寿命，在本发明设计中被选中。对于所选择的柔性梁结构，需要确定的柔性梁的六个参数为梁的数量、梁厚度BT、梁长度BL、铰链形状、铰链枢转点厚度HT和铰链长度HL。
选择不锈钢来构造压电钻装置是因为其高屈服强度，显著高于在振动期间遇到的预测最大应力。压电致动器7集成在柔性件基座6上，并预装有螺钉和金属垫片。充分预加载压电对于确保其稳定性和避免在接近或高于柔性件的共振频率的工作频率下的脆性断裂是重要的。
X轴共振频率必须高于输入脉冲的频率，以避免引起柔性件或微量移液管共振。然而，太高的X轴共振频率需要高X轴刚度。X轴与其他轴的低刚度比可导致大的轴外运动和大的横向振动。利用所选择的X轴共振频率和预载，进行迭代有限元结构模拟以确定柔性参数。
B.驱动脉冲设计
压电钻使用脉冲序列以减小的能量转移穿透***或胚胎的ZP，减少***损伤。通过每秒施加多个其之间具有间隔的脉冲形成驱动脉冲序列；因此，与连续驱动信号相比，它包含更少能量。
假设驱动脉冲的基频是18kHz，且微量移液管和柔性件的共振频率包括3-7kHz和高于20kHz。频率为18kHz的连续正弦信号在一个点处具有其所有光谱功率[参见图5(a)(b)]。图5(c)示出了基频为18kHz的脉冲。其频率响应[图5(d)]包含来自可能引起横向共振的所有频率的值，包括3-7kHz和高于20kHz。
截止频率为[3kHz，7kHz]的带阻滤波器和截止频率为20kHz的低通滤波器用于过滤图5(c)中所示的原始脉冲信号。两个滤波器都是二阶无限脉冲响应(IIR)滤波器。
经滤波的脉冲信号如图5(e)(f)所示。可以看出，该滤波脉冲具有显著衰减的3-7kHz和高于20kHz的不期望的频率范围。
当压电钻装置用于***/胚胎ZP穿透时，图5(e)中所示的滤波脉冲在一秒内向压电致动器施加多次(例如，100个脉冲)，形成脉冲序列，作为ZP穿透的驱动信号。可以通过改变峰值电压来改变驱动脉冲的幅度。
示例1
材料：
使用扫描电子显微镜(SEM，日立SU3500)来表征微量移液管的轴向和横向振动幅度。使用激光多普勒振动计(OFV-5000，Polytec)来验证SEM测量的微量移液管的轴向振动幅度。振动计的位移分辨率可达到1pm。
结果：
SEM成像具有低带宽(20Hz)；因此，当微量移液管振动时，其振动包线(vibrational envelope)在SEM成像中显示为模糊边缘[参见图6(b)(C)]。测量微量移液管的边缘与其相应的振动引起的模糊边缘之间的距离使得能够量化微量移液管的轴向和横向振动幅度。
图6(b)(c)分别对应于15kHz和18kHz，为供给压电致动器的驱动脉冲的频率。驱动脉冲的峰值电压保持恒定在20V。当15kHz驱动脉冲[图6(b)]施加于压电致动器时，微量移液管尖端具有500nm的横向振动幅度和1.2μm的轴向振动幅度。当驱动脉冲的频率增加到18kHz时[图6(c)]，微量移液管的轴向振幅度仍约为1.2μm；然而，横向振动幅度增加到2μm(相对于15kHz驱动脉冲产生的0.5μm)。利用18kHz驱动脉冲，由激光多普勒振动计测量的轴向振动幅度为1.2μm[参见图7]，与SEM测量结果一致。相比之下，现有的压电钻都具有大的横向振动幅度(>20μm)和极低的轴向振动幅度(<0.1μm)。
示例2
材料：
小鼠***采集自华大基因多伦多中心(Toronto Centre forPhenogenomics)的加拿大小鼠突变体库(Canadian Mouse Mutant Repository)。使用倒置显微镜(Nikon Ti，Nikon Microscopes)和CCD相机(acA1300-30gm，Basler)观察***。
结果：
基于对45只小鼠***的测试，使用本发明压电钻的ZP穿透成功率为100％。图8(a)(b)，对应于所提供的18kHz的驱动脉冲和20V的峰值电压，示出了压电钻能够穿透小鼠***的ZP，***变形小至3.4μm。相比之下，现有的压电钻产生大于10μm的小鼠***变形，除非在微量移液管中使用一滴水银进行阻尼。