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CN111407467A - 一种基于光谱在线监测的高质量激光骨加工方法 - Google Patents

一种基于光谱在线监测的高质量激光骨加工方法 Download PDF

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CN111407467A CN202010016541.9A CN202010016541A CN111407467A CN 111407467 A CN111407467 A CN 111407467A CN 202010016541 A CN202010016541 A CN 202010016541A CN 111407467 A CN111407467 A CN 111407467A
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管迎春
卢立斌
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Beihang University
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Abstract

本发明涉及一种基于光谱在线监测的高质量激光骨加工方法，光谱仪监测信号通过工控机与激光控制器形成闭环控制，可实时监测骨加工深度并在线调整激光加工工艺参数，实现高质量激光骨加工。方法为：对骨样品做预处理放置于加工平台；设置初始激光加工工艺参数，开始对骨样品进行加工；在线监测骨加工过程中的光谱信号，并依据光谱信号特征实时判断加工物质并优化激光加工工艺参数，直至加工结束。本发明通对激光骨加工过程中产生的等离子体羽流进行在线监测，以获得等离子体的发射光谱及其热动力学属性为基础，实现对骨加工过程中加工物质的在线监测，避免损伤骨内软组织，实现临床安全可控、高精度、高质量激光骨加工的目的。

Description

一种基于光谱在线监测的高质量激光骨加工方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域在骨科方面的应用，更具体的说是涉及一种基于光谱监测的高质量激光骨加工加工方法。
背景技术
在许多医疗应用中，人或动物的骨出于不同目的而被切割或钻削。例如，为了纠正骨的形状，已知向骨施加一次或多次切割并沿切口将骨重新塑形。为了治疗各类骨折，常见的做法是将病患部位软组织切开，根据骨折的具体情况，在骨骼上打上一个或多个骨孔，再使用骨钉、加压钢板或者外固定支架等专业医疗器具对其固定。但是目前骨骼钻骨过程中，基本是由医生人工进行操作，操作过程全凭主观判断。钻孔过程中，电钻会依次穿过骨骼的硬质骨、松质骨再穿至硬质骨，力度上会有从大变小再变大的过程，医生通过手感力度变化情况判断电钻到达深度。激光骨加工提供了一种非机械接触式骨加工方案，加工精度高且基本无机械损伤。但是当激光加工过程中，加工深度全凭主观判断，主观因素过大，不同人群骨骼的尺寸有所不同，加工深度可控性低，容易加工过深，伤及骨髓、血管、神经、肌肉等，影响后续手术。
因此，本项发明通过对激光骨加工过程中产生的等离子体羽流进行在线监测，以获得等离子体的发射光谱及其热动力学属性为基础，实现对激光骨加工过程中加工物质的在线监测。当骨加工深度不满足要求或出现加工缺陷时，自动调节激光加工参数，避免损伤骨内软组织，实现临床安全可控、高精度、高质量激光骨加工。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于光谱在线监测的高质量激光骨加工方法。激光骨加工过程产生的等离子体信号被准直器采集,经由光纤输出到光谱仪中进行分析，以获得等离子体的发射光谱及其热动力学属性为基础，实现激光骨加工过程中加工物质的在线监测。光谱仪通过工控机与激光控制器形成闭环控制，当骨加工深度不满足要求或出现加工缺陷时，自动调节激光加工参数，避免损伤骨内软组织，实现临床安全可控、高精度、高质量激光骨加工。。
一种基于光谱在线监测的高质量激光骨加工方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，将骨样品放置于激光加工系统中；
步骤二，设置初始激光加工工艺参数，开始对骨样品进行加工。
步骤三，在线监测骨加工过程中的光谱信号，并依据光谱信号特征实时判断激光加工物质并优化激光加工工艺参数，直至加工结束。
优选的，步骤一所述的激光加工系统包括激光器、激光控制系统、振镜、样品台、准直器、光谱仪和工控机及光路传输系统。
优选的，步骤一中所述的激光加工系统，等离子体信号被准直器采集,经由光纤输入到光谱仪中进行分析，光谱仪将分析结果经数据传输线传递给工控机，工控机将控制指令经数据传输线传递给激光控制系统，实时改变激光参数。
优选的，步骤一中所述的激光加工系统，激光器为飞秒激光器、皮秒激光器或者纳秒激光器。
优选的，步骤二中所述的激光加工参数，激光波长193-2940nm、功率1-100W，重复频率1KHz-10MHz，振镜扫描速度500-4000mm/s。
优选的，步骤三中所述的光谱信号包括采用准直器方式采集激光加工过程中产生的等离子体信号。采集的光谱信号使用光谱仪进行在线分析监测。
优选的，步骤三中所述的光谱信号特征包括发射光谱谱线和光谱积分强度。
优选的，步骤三中所述的在线监测包括通过等离子体发射光谱及其热动力学属性和光谱积分强度，获得激光加工物质的实时数据并实时反馈给工控机。
优选的，步骤三中所述的实时优化激光工艺参数，包括光谱仪、工控机、激光控制器和激光器采用闭环PID控制。
优选的，步骤三中所述的实时优化激光工艺参数，激光调整参数包括激光功率、重复频率和扫描速度。
本发明所述的一种基于光谱在线监测的高质量激光骨加工方法，采用光谱仪对激光骨加工过程中产生的等离子体羽流进行在线监测，以获得等离子体的发射光谱及其热动力学属性为基础，实现对激光骨加工过程中加工物质的在线监测。光谱仪通过工控机与激光控制器形成闭环控制，当骨加工深度不满足要求或出现加工缺陷时，自动调节激光加工参数，避免损伤骨内软组织，实现临床安全可控、高精度、高质量激光骨加工。相比于传统的机械骨加工的方法，本发明的优点在于：
(1)本发明可实现对激光骨加工过程中加工物质的在线监测，大幅降低骨加工过程中对骨周围组织的损伤，提升激光骨加工质量和效率；
(2)本发明方法基于对激光骨加工过程中产生的等离子体光谱信号的在线监测，并与激光控制器形成闭环控制，可根据激光不同骨加工物质实时自动调整激光参数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明基于光谱监测的激光骨加工加工装置图；其中：1为扫描振镜，2为激光器，3为激光控制器，4为工控机，5为光谱仪，6为准直器，7骨加工过程中产生的等离子体，8为骨头，9为样品台。
图2为本发明提供的监测与控制方法的流程图；
图3激光骨加工过程中不同加工物质对应光谱
图4为有/无光谱在线监测反馈优化的激光骨加工效果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于光谱在线监测的高质量激光骨加工方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，将骨样品放置于激光加工系统中；
步骤二，设置初始激光加工工艺参数，开始对骨样品进行加工。
步骤三，在线监测骨加工过程中的光谱信号，并依据光谱信号特征实时判断激光加工物质并优化激光加工工艺参数，直至加工结束。
优选的，步骤一所述的激光加工系统包括激光器、激光控制系统、振镜、样品台、准直器、光谱仪和工控机及光路传输系统。
优选的，步骤一中所述的激光加工系统，等离子体信号被准直器采集,经由光纤输入到光谱仪中进行分析，光谱仪将分析结果经数据传输线传递给工控机，工控机将控制指令经数据传输线传递给激光控制系统，改变激光参数。
优选的，步骤一中所述的激光加工系统，激光器为飞秒激光器、皮秒激光器或者纳秒激光器。
优选的，步骤二中所述的激光加工参数，激光波长193-2940nm、功率1-100W，重复频率1KHz-10MHz，振镜扫描速度500-4000mm/s。
优选的，步骤三中所述的光谱信号包括采用准直器方式采集激光加工过程中产生的等离子体信号。采集的光谱信号使用光谱仪进行在线分析监测。
优选的，步骤三中所述的光谱信号特征包括发射光谱谱线和光谱积分强度。
优选的，步骤三中所述的在线监测包括通过等离子体发射光谱及其热动力学属性和光谱积分强度，获得激光加工物质的实时数据并实时反馈给工控机。
优选的，步骤三中所述的实时优化激光工艺参数，包括光谱仪、工控机、激光控制器和激光器采用闭环PID控制。
优选的，步骤三中所述的实时优化激光工艺参数，激光调整参数包括激光功率、重复频率和扫描速度。
本发明所述的一种基于光谱在线监测的高质量激光骨加工方法，采用光谱仪对激光骨加工过程中产生的等离子体羽流进行在线监测，以获得等离子体的发射光谱及其热动力学属性为基础，实现对激光骨加工过程中加工物质的在线监测。光谱仪与激光控制器形成闭环控制，当骨加工深度不满足要求或出现加工缺陷时，自动调节激光加工参数，避免损伤骨内软组织，实现临床安全可控、高精度、高质量激光骨加工。
实施例一：
步骤一，取新鲜羊骨去除骨表面组织及骨膜，用蒸馏水冲洗干净后，置于样品加工台上。
步骤二，设置初始激光加工参数：激光脉宽260fs，激光功率15W，激光重复频率100kHz，扫描速度2000mm/s，设置扫描形状为圆形，扫描间距10μm。
步骤三，启动相关监测设备及激光器，在线监测骨加工时的光谱信号，根据其光谱信号特征实时判断骨加工深度是否满足要求并实时调整激光工艺参数，直至结束。
实施例二：
步骤一，取新鲜猪骨去除骨表面组织及骨膜，用蒸馏水冲洗干净后，置于样品加工台上。
步骤二，设置初始激光加工参数：激光脉宽10ps，激光功率20W，激光重复频率200kHz，扫描速度1000mm/s，设置扫描形状为圆形，扫描间距20μm。
步骤三，启动相关监测设备及激光器，在线监测骨加工加工时的光谱信号，根据其光谱信号特征实时判断骨加工深度是否满足要求并实时调整激光工艺参数，直至结束。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于光谱在线监测的高质量激光骨加工方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，将骨样品放置于激光加工系统中；
步骤二，设置初始激光加工工艺参数，开始对骨样品进行加工。
步骤三，在线监测骨加工过程中的光谱信号，并依据光谱信号特征实时判断激光加工物质并优化激光加工工艺参数，直至加工结束。
2.根据权利要求1所述的基于光谱在线监测的高质量激光骨加工方法，其特征在于：步骤一所述的激光加工系统包括激光器、激光控制系统、振镜、样品台、准直器、光谱仪和工控机及光路传输系统。
3.根据权利要求1所述的基于光谱在线监测的高质量激光骨加工方法，其特征在于：步骤一中所述的激光加工系统，等离子体信号被准直器采集,经由光纤输入到光谱仪中进行分析，光谱仪将分析结果经数据传输线传递给工控机，工控机将控制指令经数据传输线传递给激光控制系统，改变激光参数。
4.根据权利要求1所述的基于光谱在线监测的高质量激光骨加工方法，其特征在于：步骤一中所述的激光加工系统，激光器为飞秒激光器、皮秒激光器或者纳秒激光器。
5.根据权利要求1所述的基于光谱在线监测的高质量激光骨加工方法，其特征在于：步骤二中所述的激光加工参数，激光波长193-2940nm、功率1-100W，重复频率1KHz-10MHz，振镜扫描速度500-4000mm/s。
6.根据权利要求1所述的基于光谱在线监测的高质量激光骨加工方法，其特征在于：步骤三中所述的光谱信号包括采用准直器方式采集激光加工过程中产生的等离子体信号。采集的光谱信号使用光谱仪进行在线分析监测。
7.根据权利要求1所述的基于光谱在线监测的高质量激光骨加工方法，其特征在于：步骤三中所述的光谱信号特征包括发射光谱谱线和光谱积分强度。
8.根据权利要求1所述的基于光谱在线监测的高质量激光骨加工方法，其特征在于：步骤三中所述的在线监测包括通过等离子体发射光谱及其热动力学属性和光谱积分强度，获得激光加工物质的实时数据并实时反馈给工控机。
9.根据权利要求1所述的基于光谱在线监测的高质量激光骨加工方法，其特征在于：步骤三中所述的实时优化激光工艺参数，包括光谱仪、工控机、激光控制器和激光器采用闭环PID控制。
10.根据权利要求1所述的基于光谱在线监测的高质量激光骨加工方法，其特征在于：步骤三中所述的实时优化激光工艺参数，激光调整参数包括激光功率、重复频率和扫描速度。
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