激光超声（精选7篇）
激光超声 篇1
0 引言
焊接是运用加热或加压的手段、使用或者不使用填充材料, 将两个或两个以上的构件牢固地连接在一起。焊接是从19世纪末发展起来的材料连接技术, 并广泛用在航空航天、石油化工、海洋、能源、机械制造、锅炉和压力容器、建筑、交通等领域。随着科学技术的发展, 焊接技术不仅用于碳钢、不锈钢、铝镁合金等材料, 还用于很多新型材料的连接, 如塑料、陶瓷、复合材料、记忆合金等。据统计, 很多发达国家焊接加工的钢材量已超过钢材产量的一半。然而, 由于焊接过程中焊接构件受到不均匀的加热, 所以焊接后的焊接构件必然会存在焊接缺陷[1]。
焊接缺陷主要有:气孔、夹渣、裂纹、未融合、咬边、未焊透、烧穿、成形不良等。其中, 裂纹、未融合和未焊透比气孔和夹渣的危害更大, 不仅减少了结构的有效承载截面积, 而且更重要的是使应力集中, 有诱发脆性断裂的可能。特别是裂纹在焊接处尖端存在缺口效应, 容易诱发出现三向应力状态, 导致裂纹扩展, 以致造成整个结构的断裂。也就是说避免裂纹的出现必须消除焊接残余应力, 通常焊后消除焊接残余应力的方法有:热处理、爆炸、激光、超声波、锤击、深冷处理、振动、逆焊接温差处理等方法。热处理是消除焊接残余应力的传统方法, 但是它成本较高、操作不方便、较难控制消除焊接残余应力的效果。爆炸是近年来国内外应用较多的一种简单而有效的以爆炸方式消除焊接残余应力为主要目的的新技术。但是, 爆炸采用的炸药有一定的危险性, 必须妥善保管。近些年, 激光和超声波冲击焊缝消除残余应力的研究比较多, 但是比较他们的研究结果并不多。下面就从原理、特点、提高性能方面以及发展前景比较两种冲击方法。
1 原理
激光冲击处理[2] (简称LSP) 是利用高功率密度 (>109 W/cm2) 、短脉冲 (ns级) 的激光束透过透明的约束层辐照涂有涂层的金属靶材表面, 使涂层材料迅速气化、电离后形成等离子体;这些等离子体在约束层的作用下爆炸产生高压冲击波, 作用于金属表面并向内部传播;在材料表层形成密集、稳定的位错结构的同时, 材料表层产生塑性变形并得到很大的压应力, 其原理如图1所示。
超声波冲击处理[3] (简称UIT) 是采用高频 (>20 k Hz) 大功率超声波, 以巨大的能量带动冲击头冲击金属材料表面, 使金属材料表面产生很大的压缩塑性变形, 从而达到消除焊接残余应力的目的, 其原理如图2所示。
2 特点
2.1 激光冲击处理与传统处理方法比较
1) 高压。激光产生的冲击波的压力可达GPa (1×109Pa) , 甚至TPa (1×1012 Pa) 量级, 而机械冲压的压力仅仅有几十到几百MPa (1×106Pa) 。因而, 激光冲击处理产生的压应力是传统处理方法无法达到的。
2) 高能。激光束单脉冲能量达到几十J, 峰值功率达到GW量级, 在10~30 ns (1×10-9s) 内将光能转变成冲击波机械能, 实现了能量的高效利用, 并且激光器的重复频率只需几Hz, 整个冲击系统的负荷仅仅30 k W左右, 是低能耗的加工方式。
3) 超快。激光冲击波作用时间仅仅几十ns, 可控性强。
4) 超高应变率。由于激光冲击波作用时间短, 应变率达到107s-1, 比机械冲压高出10 000倍, 比爆炸成形高出100倍。
5) 能够抑制处理区域疲劳裂纹的萌生和扩展, 降低裂纹扩展速率, 提高疲劳寿命。
6) 可快速高效地对需要强化而难以用其它技术进行强化的局部区域进行处理。例如:不规则工件、小孔周边强化、薄壁件等。
7) 可以局部进行强化, 光斑可调, 可达性好, 对强化位置的表面粗糙度和尺寸精度影响不大。
8) 另外, 还有不损坏试样表面、高效、灵活、无污染、非热、非接触性等特点。
2.2 超声波冲击处理与传统处理方法比较
1) 轻巧方便、可控性好。我国的首台超声冲击装置是1997年由天津大学的王东坡博士在国家自然科学基金课题项目下研制成功的。这种超声冲击设备是基于压电技术的原理, 主要由功率超声波发生器和超声波冲击枪组成。功率超声波发生器的功能是自动跟踪频率变化并控制超声波冲击枪输出端的振幅大小, 而超声波冲击枪是具体超声冲击的实施装置。超声波冲击枪重量轻, 施工现场携带方便, 操作灵活, 处理工艺简单, 这一点是超声波冲击处理最大的优势。
2) 投资少、处理时间短、效率高。
3) 不受工件材质、形状、结构、钢板厚度、重量的限制。
4) 可直接将焊趾处的焊接余高、凹坑、咬边处理成圆滑的几何过渡, 从而大大降低应力集中系数。
5) 消除薄壁件的焊接残余应力的效果非常理想, 不仅能够降低残余应力, 而且还会减少焊接位置应力集中、提高焊接处疲劳强度、抑制焊接裂纹, 减小变形、稳定构件尺寸。
6) 节约能源、环保、噪声低。
3 提高性能方面
3.1 激光冲击处理提高性能方面
1) 激光冲击处理显著地降低了焊接残余拉应力, 并产生较高的表面残余压应力, 而且使残余应力分布趋向均匀[4]。
2) 激光冲击处理大幅度提高焊缝和热影响区的应变硬度, 有利于提高焊接接头的疲劳寿命[4,5,6]。
3) 激光冲击处理能明显提高焊接接头的力学性能, 例如:抗拉强度等[5,6]。
3.2 超声波冲击处理提高性能方面
1) 超声波冲击处理明显使焊接表面残余拉应力转变为残余压应力, 并且呈均匀分布状态[7,8,9]。
2) 超声波冲击处理可使焊接接头表面金属的晶粒明显细化, 组织分布均匀, 并能达到消除部分焊接缺陷的效果[8,9,10]。
3) 超声波冲击处理明显提高焊缝区域表面显微硬度, 从而提高焊接件的疲劳寿命[8]。
4) 随着焊缝深度的增加, 超声波冲击处理的效果越差。超声波冲击处理只能是一种消除焊后残余应力的处理工艺[10]。
4 结语
从这些文献中我们可知激光冲击的效果要优于超声波冲击的效果:激光冲击消除焊接残余应力的效果更显著、疲劳寿命提高更明显、冲击深度更厚。但是, 这些国内文献中研究者采用的均是激光束固定、工件进行移动。实际生产中我们需要强化的零件往往不能移动或者零件很大移动困难。另外, 国内冲击设备采用的都是圆形光斑。圆形光斑存在“应力空洞”的缺陷, 使得冲击能量不均匀。目前, 美国MIC公司和LSPT公司已经研发出激光束扫描、转动系统和方形光斑, 均已克服上述激光冲击的缺陷, 希望我国不要把大量的经费浪费在冲击效果的比较上, 而应该用于研究激光冲击设备上。希望我国不久的将来, 激光冲击设备会和超声波冲击设备一样, 使用方便、操作简单, 投入实际生产领域, 并产生更加显著的经济效益和国防效益。
摘要：焊接过程中, 由于受热不均匀, 焊接件必然存在焊接残余应力。消除焊接残余应力的诸多方法中, 激光冲击和超声波冲击是研究者最关注的。从原理、特点、提高性能方面以及发展前景比较了两种冲击方法, 激光冲击的效果明显优于超声波冲击, 因此应加快国内激光冲击设备的研制进程。
关键词：激光冲击,超声波冲击,焊接残余应力,热处理,疲劳寿命
参考文献
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激光超声 篇2
关键词：光纤激光器,水听器,偏振外差法,双频超声测量
0 引言
近些年来,双频超声已经在临床医学和有效成分提取领域得到了广泛的应用。文献[1]指出双频超声诊断在肝占位病变组织定征分析特别是在肝血管瘤与肝细胞癌和肝转移癌的鉴别中具有重要的价值。文献[2]指出可以利用双频复合超声的空化效应来提取天然药物中的有效成分。并且研究结果表明,相对于单频超声信号来说,双频超声信号更加适合在上述领域的应用。传统的用于检测液体环境中超声信号的装置大多是基于PZT水声传感器,但是目前大部分商用的PZT超声测量装置会受带宽较窄的限制。为了解决带宽受限的难题,一种常用的方法是采用传感器阵列,但是这仍然会面临体积大,不容易制造的问题。并且PZT水听器还极易受电磁干扰的影响。
目前,光纤激光传感器受到了广泛的关注。相对于传统的传感器来说,其具有免电磁干扰,精度高,体积小,长期稳定性,以及复用能力强等优点[3]。关柏鸥等提出了一种采用偏振外差法的基于分布布拉格反射式(DBR)结构的光纤超声水听器[4]。当超声信号施加到水听器上时,会引起光纤双折射的变化。通过测量拍频信号上下边带的频率和幅值,可以获得超声信号的频率和幅值的相关信息。与传统的压电水听器相比,该水听器不仅可以探测更高的频率,还具有更高的空间分辨率[5]。
本文提出了一种基于DBR光纤激光传感器用于液体环境中的双频超声测量系统。首先理论分析了双频超声信号与DBR偏振拍频信号之间的关系,然后进行相关实验。将双频超声信号施加到DBR光纤激光水听器上,通过调整超声探头相对于光纤偏振轴的辐射方向和超声驱动电压来改变调频指数,分别验证了超声信号可能出现的四种情况,获得了与理论分析一致的结果,从而表明DBR光纤激光水听器可以用来进行双频超声测量。
1 DBR光纤激光传感器的工作原理
图1给出了DBR光纤激光器的示意图。它沿径向从里到外分为纤芯、包层和涂覆层,其中DBR腔体结构是由一段掺铒光纤以及写制在其上的两个波长匹配的光纤布拉格光栅(FBG)组成的。
由于光纤在制作过程和光纤激光器紫外曝光过程中都将引入双折射,因此DBR光纤激光器通常会工作在两个正交偏振模状态。当用高速的光电检测器和电子频谱分析仪来检测激光器的输出时,可以观察到一个在射频频域内的偏振拍频信号。拍频频率可以表示为:
其中,c是真空中的光速,B=|nx-ny|是双折射,n0≈nx≈ny是光纤的平均折射率,λ0=2n0Λ≈λx≈λy是光纤光栅的布拉格波长。
当超声信号施加到DBR光纤激光器上时,由于弹光效应,声压会引起折射率沿x方向和y方向各向异性的变化,从而引入额外的双折射,使拍频频率发生变化。由频谱分析仪检测到的光纤激光器输出的电场可以表示为[6]:
其中,wb是拍频信号的频率,kf是调频灵敏度,它依赖于光纤分别沿x和y方向的应变张量,δ(t)是拍频信号的瞬时频率,定义如下:
其中,Ui,ωi,Ψi,y=1,2,…,n分别是超声信号的幅度、频率和相位常数。根据公式(2)和(3)可以得到由超声信号调制的电场为:
在双频超声测量中,DBR光纤激光器输出的电场来自于每个超声探头的复合作用,从而公式(4)可以表示为:
其中,,i=1,2是调频指数。
当,为窄带调频,此时公式(5)可以化简为:
公式(6)表明当声压施加到激光器上时,将会在拍频信号上下两边分别产生两个边频分量,其中边频分量的幅度与声压的强度近似成正比。
当时,为宽带调频,又可以分为三种情况。第一种情况是,并且
此时,在拍频信号上下两边将分别产生四个边频分量。
第二种情况是
公式(8)表明,当超声信号δ2(t)不满足窄带调频条件时,会产生无穷多个关于该频率的倍频分量,且边频分量的幅度不再与声压成正比,而是由第一类贝塞尔函数Jm(mf2)决定。
第三种情况是。在这种情况下,公式(5)可以化简为:
此时关于两个超声频率都将出现倍频分量。
2 实验装置和结果分析
图2给出了实验装置的示意图。DBR光纤激光器的写制是通过利用193nm的准分子激光器和相位掩模板直接将两个波长匹配的布拉格光栅写制到一段掺铒光纤上实现的。两个光栅的长度分别为20mm和15mm,反射率分别为30d B和20d B,它们之间的有效腔长为12mm。
双频超声测量的工作原理如下:980nm的半导体激光器作为泵浦光源,由波分复用器的980nm端口进入到980nm/1550nm波分复用器,再由波分复用器的公共端口进入到DBR光纤激光水听器中。1554nm的激光由低反射率的布拉格光栅末端射出,直接进入到波分复用器的1550nm端口中。在偏振控制器前放置的光隔离器可以有效地防止反射的光返回到激光器中,实现激光信号的单向传输。通过调整偏振控制器和起偏器,可以使两组激光信号具有相同的偏振方向,以获得较强的激光信号。然后这两组激光信号进入光电探测器中完成光电转换,并进行拍频,最后由射频频谱分析仪记录拍频信号的变化,从而可以解调出双频超声信号的信息。
DBR光纤激光水听器和两个聚焦的源超声探头都放置到了盛有蒸馏水的水槽中。本实验中,选用了中心频率分别为3MHz和7MHz的超声探头,聚焦长度为20mm,由信号发生器驱动来产生双频超声信号。另外,为了获得最大的灵敏度,DBR水听器放置在探头的聚焦平面内,且与超声波的传播方向垂直。
接下来,使超声探头工作在中心频率处,并将产生的双频超声信号施加到DBR光纤激光水听器上,通过调整超声探头相对于光纤偏振轴的辐射方向和超声驱动电压来改变调频指数。图3给出了随着双频超声信号调频指数的改变,DBR光纤激光水听器的频谱输出。
当由双频超声信号产生的复合信号满足窄带调频条件时,输出频谱如图3(a)所示。此时可以明显地看出拍频信号的中心频率为305MHz,在其上下两边各有两个边带信号,中心频率分别为fb±3 MHz和fb±7MHz,与双频超声信号的频率相对应。
然后缓慢地增加双频信号的调频指数,使其分别满足窄带调频条件,但复合信号不满足窄带调频条件,得到如图3(b)所示的频谱输出。可以看到,在上述频谱的基础上出现了中心频率为fb±4 MHz和fb±10 MHz的边频分量,即fb±3MHz±7MHz。
然后固定3MHz的超声信号,继续增加7MHz超声信号的调频指数,使其不满足窄带调频条件,此时频谱分析仪得到的频谱如图3(c)所示。可以看到边带个数继续增加,又相继出现了中心频率为fb±1 4MHz和fb±1 7MHz等边频分量,即关于7MHz的倍频。
继续增加3MHz超声信号的调频指数,使其也不满足窄带调频条件,得到了如图3(d)所示的频谱输出。可以看到,此时出现了更多的边频分量,包括关于3MHz的倍频以及3MHz和7MHz组合的谐波分量。
由图3可以看出,随着双频超声信号调频指数的变化,DBR光纤激光器可以给出四种不同的频谱输出,与前面的理论分析相对应。结果表明,DBR光纤激光水听器具有测量双频超声信号的能力。
3 结束语
本文提出并实验性地验证了一种用于双频超声测量的光纤激光传感系统。该系统的核心单元为基于单纵模双偏振工作原理的DBR光纤激光传感器,通过改变施加到传感器上的双频超声信号的调频指数,得到了四种不同的频谱输出,证明该传感器具有检测不同类型的双频超声信号的能力。虽然目前将DBR光纤激光器用于双频超声测量还只是处于实验室研究阶段,但是由于该传感器自身体积小,易复用等优点,势必会成为将来医疗应用的发展趋势。
参考文献
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钬激光超声综合碎石治疗仪的研制 篇3
近年来随着泌尿腔镜技术的普及,微创腔内碎石已在国内多家医院陆续开展,碎石方法多为气压弹道碎石加超声碎石、清石系统;采用的设备主要是瑞士EMS公司的第三、四代超声碎石系统[1,2,3]。
气压弹道碎石难以粉碎高硬度的较大的结石,易致结石移位,发生创伤、大出血等并发症[4,5];另外,超声碎石速度较快,但对硬结石的碎石效果不佳[6],同时,由于超声碎石探针直径较粗,不易弯曲,无法进入结构复杂的病灶,导致结石残留率较高;勉强进入易造成创伤[7,8]。目前大多采用模拟电路实现自动频率跟踪,抗干扰性差,容易出现死锁现象。
为此,我们首次提出并设计了钬激光超声综合碎石治疗仪。钬激光碎石采用纳秒钬激光碎石技术,拥有更高的峰值功率和更短的作用时间(峰值功率提高了3 000倍,最窄脉冲宽度减小到原来的1/3 000),具有极强的光动力,可在瞬间击碎结石。与气压弹道碎石相比,钬激光可粉碎任何成分的结石,一次碎石率高,粉碎程度高,碎石直径<1 mm,结石不易移位[9,10]。由于传输光纤的柔韧性,可以配合较为柔软的内窥镜(如输尿管软镜)使用,能够到达结构复杂的部位。超声碎石采用基于直接数字频率合成器(direct digital frequency synthesis,DDS)的超声换能技术,用来粉碎低硬度的结石。钬激光、超声碎石技术有效结合,互为补充,提高了碎石的效率和稳定性。
2 系统总体设计
图1为系统的总体设计框图:包括钬激光系统、超声系统和触摸屏控制系统3个部分。钬激光系统由激光器模块、激光电源和冷却系统组成,纳秒钬激光由光纤输出;超声系统由超声模块和清石模块组成,经由探针输出超声波;二者通过触摸屏控制系统有效融合,操作方便、灵活。
钬激光超声综合碎石治疗仪将钬激光碎石和超声碎石有效融合到一起,互为补充,可以治疗各种结石病症。对于硬度高、比较大的结石先用纳秒钬激光击碎结石,再通过超声将结石粉碎并吸出;对于硬度小的结石可以直接使用超声将结石粉碎并吸出,大大提高治疗效率,同时降低成本。纳秒钬激光拥有更高的峰值功率,可瞬间将一切高硬度结石击碎,提高碎石效率;超声碎石采用先进的全数字自动频率跟踪技术,提高抗干扰性和控制精度,击碎坚硬的大结石后,用超声波进一步粉碎并吸出,这样可加快手术进程,同时减少超声碎石探针的损耗。有时需要将两者交替使用,逐步清除结石。整个系统通过触摸屏控制有效融合,操作灵活、方便,设计有负压吸引装置来清理碎石,提高手术效率,减轻患者排石工程中的痛苦及对患者身体的损伤。
3 功能实现
3.1 纳秒钬激光碎石系统设计
纳秒钬激光器的结构如图2所示。激光器以Cr,Tm,Ho:YAG为激光晶体,采用脉冲氙灯泵浦和电光调Q技术,实现了纳秒级钬激光器的高峰值功率输出。
激光器采用性能优良的Cr,Tm,Ho:YAG晶体,尺寸为Φ5 mm×93 mm;聚光腔采用镀银单椭圆腔,选用Φ6 mm×100 mm的氙灯泵浦。激光器整体密封,抽真空再充入1.1 atm(1 atm=101.325 k Pa)的氮气,以保证正常低温工作。在固体激光器中,谐振腔的模式结构发生畸变的主要机理是激光棒的热效应。因为热效应的存在,在增加功率的过程中,热透镜焦距f不断缩短,要保持稳定的激光输出,应该选择尽量小的腔长[11]。为了获得较高的激光能量输出,我们采用260 mm的平凹腔作为激光谐振腔。全反镜采用曲率半径为1 m的曲面镜,输出透镜的透过率为20%,同时用波片进行光学修正,以克服高能量泵浦引起的晶体退偏。采用自动控制的恒温去离子水冷却系统。
运用具有自主知识产权的中红外电光调Q开关技术,大大压缩了输出激光光束的脉宽,可以把输出激光的脉冲宽度压缩到纳秒级,同时能够大大提高输出脉冲的峰值功率,配合使用低OH浓度的石英光纤,最大限度地减小耦合损耗。
3.2 超声碎石系统设计
超声碎石系统的结构框图如图3所示。微控制器主要完成系统初始化和一些参数调节;基于FPGA实现的DDS信号发生器产生所需的频率信号,并根据反馈电路和微控制器的输入实时调整输出的频率信号;DDS输出的信号通过D/A转换、低通滤波后,再经功率放大,最后再经驱动电路驱动超声波换能器,使超声波换能器产生超声波。在超声波的驱动下,换能器产生特定频率的高频超声振动,实现将电能转换成机械能,然后由探针穿过内窥镜将超声振动传至结石,导致结石发生高频振动,达到粉碎结石的目的,被粉碎的结石由专门设计的清石装置吸附到体外。
超声碎石的一个技术难点是需要使超声换能器始终工作在谐振点附近。由于换能器的谐振点随温度、负载等外界条件不断变化[12],这就需要施加在换能器上的激励信号频率能随着谐振点的改变而迅速调整,即需要应用自动频率跟踪技术。
超声碎石技术的实现主要是基于锁相环的自动频率跟踪技术。这种技术用模拟鉴相器从换能器电端的采样电压和采样电流检测出它们的相位差,再将相位差转化成误差信号去控制压控振荡器的振荡频率,最终使换能器稳定在谐振工作状态。在频率跟踪范围内,一旦采样电压和电流信号中的某一个获取受到影响,就有可能造成锁相环的失锁,抗干扰性差;另外集成锁相环采用模拟器件,控制精度低,给逻辑功能扩展带来了不便。
为了解决这一问题,我们采用了一种基于DDS的数字化的自动频率跟踪技术。DDS具有频率转换快、分辨率高、频率合成范围宽、相位噪声低且相位可控制等优点[13]。采用高性能的FPGA器件实现DDS和相位差的比较,跟踪速度和精度通过程序控制,便于调节。为了防止失锁,可预先设置扫描频率,系统在该频率范围内自动寻找换能器的谐振频率;同时出现失锁时能自动回到频率搜索状态。先搜索后跟踪的策略,抗干扰能力强,消除了失锁现象,提高了工作可靠性。
3.3 触摸屏控制系统设计
系统采用触摸屏实现人机交互,界面友好,操作简单。通过触摸屏控制治疗仪工作,包括启动、运行、碎石方式选择,相关治疗参数的设置等,界面直观、简洁。治疗仪通过触摸屏将钬激光碎石和超声碎石有效地联合起来,使得我们可以根据需要和实际情况灵活方便地选择治疗方式,能够提高碎石效率,改善治疗效果。系统样机如图4所示。
4 性能分析
加入中红外电光调Q晶体,同时用波片进行光学修正以克服高能量泵浦引起的晶体退偏,实现高峰值功率的纳秒级钬激光均匀输出。电光调Q状态下,钬激光器运转在泵浦能量为200 J、3 Hz、22℃下,得到单脉冲能量为443 m J,脉宽为90 ns。
超声碎石采用数字化的自动频率跟踪技术,提高抗干扰性和控制精度,消除失锁和跟踪误差,相差控制精度小于40 ns。
5 结论
本研究成功设计了一种钬激光超声综合碎石治疗仪。该治疗仪将钬激光碎石和超声碎石有效地融合在一起,二者互为补充,使得应用同一台仪器就可以治疗各种硬度、各种形状和成分的结石,在降低成本的同时,可以显著提高结石治疗效果。
摘要：目的:研制一种钬激光超声综合碎石治疗仪。方法:该治疗仪包括纳秒钬激光碎石系统和超声碎石系统,两者通过触摸屏控制系统有效融合,互为补充。运用电光调Q技术输出的纳秒钬激光拥有更高的峰值功率和更短的作用时间,用来粉碎高硬度的结石。基于直接数字频率合成的超声碎石系统采用了数字化的自动频率跟踪技术,先扫描后跟踪的策略,消除了失锁和误跟踪现象,提高了碎石的稳定性和效率,用来粉碎小的、低硬度的结石。结果:仪器移动灵活,操作简单,在产品样机上实验,取得了良好的效果。结论:钬激光碎石和超声碎石有效融合又互为补充,解决了现有碎石设备遇到的问题,有效提高了碎石效果,治疗更方便,值得加以推广应用。
激光超声 篇4
提高材料表面硬度是增强其耐磨性的方法之一。根据Hall-Petch理论,微观结构细化的金属材料具有很高的硬度和韧性[1]。传统的使金属获得细化的微观组织结构的方法是热处理。近年来,受激光在材料加工中广泛应用的启发,激光直接堆积技术成为很多学者研究的热点[2,3]。激光金属堆积技术的发展,使提高零件表面硬度有了新的思想,同时也使产品的设计、制造和生产发生了巨大的变 革[4]。激光直 接堆积 (laserdirectmetaldeposition,LDMD)是一种通过激光束将金属粉末融化堆积在基体上的加工工艺,其特点是可将任何形状的零件分割成一系列的薄片,采用自底向上的逐层堆积方法得到所需形状和尺寸的零件。通过激光熔敷逐层堆积可准确获得复杂几何形体的零件,因此,该工艺在激光快速成形[5]、激光表面再制造和修复[6]等领域得到应用。
在激光堆积过程中,材料的结晶速度很快,晶粒不易长大,但在此过程中获得更细的微观组织从而使材料得到更高的强度和硬度是科研工作者追求的目标。近年来,一些研究者在铸造过程中通过振动来细化晶粒[7]。本文针对316L不锈钢的激光直接堆积层硬度较低的问题,借鉴振动铸造细化晶粒的方法,提出了在激光堆积过程中在基板上引入超声振动来细化堆积层晶粒以提高堆积层硬度的激光超声堆积新方法,并研究开发了一种超声波振动装置。通过超声振动堆积实验,在振动激光堆积过程中,引入基板的振动去干扰堆积层晶粒的生长方向和生长速度,从而使堆积层的晶粒得到细化,从根本上提高堆积层的显微硬度。通过实验分析了不同堆积工艺参数下的激光超声堆积层的晶粒大小和硬度,并将其与无振动激光堆积进行了比较,证明了超声振动激光堆积细化晶粒、提高材料硬度的可行性。
1激光振动堆积机理模型
在激光振动堆积过程中,被堆积的基板安装在以一定频率振动的振动台上,金属粉末通过同轴送粉器喷向基板。金属粉末与基板接触前,在激光的作用下被熔化为液滴,遇到基板后结晶。以下分析采用激光振动堆积细化晶粒。
1.1振动模型的建立
固化过程中,位于基板上的结晶体即晶枝的形状可以近似看成悬臂梁。晶枝的固有频率可用悬臂梁固有频率的计算,估算模型如下:
式中,E为材料的弹性模量;I为界面模型参数;m为单位长度的质量;l为整体悬臂长度。
本研究中所用测试材料是316L不锈钢,其弹性模量E=200GPa,密度ρ=5.45×103kg/m3。根据给定的 参数,ωn的计算结 果如下:i=1时,ωn=2.375×107Hz;i=2时,ωn=1.064×108Hz;i=3时,ωn=1.930×108Hz。
熔池内的枝晶尺寸很小,固有频率非常高,很难让其产生共振。本文所研究的激光超声振动堆积的思路是使堆积基板以枝晶固有频率整数倍的频率振动。为此设计了一台振频和振幅可控制的振动台。实验时,将堆积基板固定在超声振动台上,堆积过程 中通过基 板的振动 传递使枝 晶发生谐振。
采用振动方式来细化晶粒的振动有低频振动和高频振动。 高频振动 的振动频 率一般高于10kHz,比如超声振动;低频振动的振动频率在100Hz以内,如次声波。本研究选择超声波高频振动,振动频率为40kHz。
1.2超声振动的机理
超声振动的方向与激光注入方向相同时,超声能量可以高效地作用在激光堆积的基板上,通过基板将能量传递给熔池中的晶枝。
基板随超声振动台做简谐振动(图1),其运动方程为
速度方程为
式中,a为振幅;f0为振动台的振动频率。
由图1知,为实现超声堆积,金属粉末液滴沿图中“堆积方向”喷向基板。当基板的运动方向与金属粉末液滴的喷射方向相反时,两者开始接触时(图1中的A点),堆积开始;基板振动到B点处时,与金属粉末液滴接触最充分;当基板与喷粉方向一致时(图1中的C点)两者产生分离,完成一次堆积。下一个振动周期,基板与金属粉末液滴在D点又一次接触,进行下一次堆积。
设t1时刻,金属粉末液滴与基板开始分离。要使金属粉末液滴与基板上的堆积熔 池产生分离,基板向下运动的速度v要高于金属粉末液滴的喷射速度v1。两者分离的临界条件是v和v1相等。由式(3)知,金属粉末液滴与基板分离的时间t1满足:
式中,T为基板的振动周期。
v1 >2πaf0 时,式(4)不成立,这就意味着金属粉末液滴始终粘着基板,不会与基板分离。因此v0=2πaf0 是关键速度。金属粉末液滴与基板分离后,t时刻的基板与金属液滴相对位置为
金属粉末液滴与基板再次接触时即在t2时刻,基板与液滴的相对振动位移为
则有
式(6)变形可得
因此t1、t2和f0的关系如下:
基板与金属粉末液滴的接触时间tc为
在一个堆积 过程中,tc/T、t1/T,t2/T随着v1/v0的变化如图2所示。
基板的振动使金属粉末液滴撞击到基板后,两者的相对运动速度不断改变,同时,基板的振动使金属粉末液滴获得了额外的能量,在晶粒生长过程中,金属粉末液滴在冲击作用下预制和干扰了枝晶的生长,从而使堆积层的晶粒得到细化,提高了堆积层的硬度。
2 基板振动夹具设计
如图3所示,基板振动夹具由由3个零件构成。连接轴的一端固定于基板,另一端与圆盘固连,4个支撑柱将圆盘与超声 振动机的托盘 分离。圆盘浸泡 在水中以放大 超声波的振幅。 连接轴采用不 等直径是 为了让基板可 以从超声波发 生器中获得谐振能量(通过实验结果 进行不断修正颈部直径,直到基板振动幅度最大)。
3 实验及分析
本论文主要研究激光堆积过程中,超声振动是否存在干扰和抑制晶粒生长、细化晶粒的作用,同时观察超声波与激光堆积参数间是否存在耦合现象。激光超声堆积实验时,取振动频率(该频率接近理论计算固有频率值的整数倍)为42kHz,改变实验台的振幅、激光功率、送粉量和激光移动速度等实验参数。
激光堆积实 验用的金 属粉末及 基板均为316L不锈钢,每次堆积5层,微观组织显微图从中间层断面获取。实验结果如表1所示。
3.1检测方法
堆积后的晶粒尺寸是衡量堆积效果的重要指标。本文采用测定晶粒尺 寸的方法来说明采用LUMD方法可达到细化堆积层晶粒的目的。堆积层晶粒的大小采用美国ASTM标准,即用堆积层单位长度上的晶粒数量N来定义晶粒大小:
ASTM的晶粒尺寸号n可以用单位面积或长度上的晶粒数来估算。估算n的最通用方法有对比法、晶粒计数法和断面法。
3.2微观组织比较
激光堆积所得到的堆积层微观组织如图4所示。采用断面法在微观组织图中画一条直线,通过横断线法计算晶粒数量来估算晶粒尺寸,结果见表2。
从图4和表2可知,与激光直接堆积相比,采用激光超声堆积方法所获得的堆积层晶粒得到了细化。实验结果证明了超声振动细化激光堆积层晶粒的有效性。
超声振动能对激光堆积层的晶粒进行细化的原因如下:1振动影响 了晶粒的 生长方向。LUMD中,晶粒生长方向与粉末注入方向成一个角度;LDMD中,晶粒生长方向与粉末注入方向相同。2LUMD中,超声振动传递到枝晶,干扰了枝晶的生长,致使枝晶生长变慢或者发生断裂。3调整激光超声堆积的工艺参数,可改变晶粒的大小。激光超声堆积的工艺参数对晶粒的影响是,激光功率 越低,晶粒越大;送粉量越 大,晶粒越小。
3.3激光超声堆积和激光直接堆积的显微硬度
堆积层硬度是在Duramin显微硬度测试仪上测得的。测量时,测试压力为4.96N,作用时间为6s;放大倍数为40。各试样均测量5次,取其均值为被测件的硬度。测试结果见表3。
由实验结果可知:采用超声激光堆积可以减小堆积层的晶粒尺寸,使堆积层的显微硬度得到不同程度的提高,其原因是超声激光堆积使得堆积层的晶粒细化。
4结论
(1)基板的振动改变了堆积层晶粒的生长方向和生长的速度。采用激光超声堆积时,堆积层的晶粒生长方向发生倾斜,与粉末注入方向成一个角度。
(2)振动使堆积层的晶粒得到细化。激光超声堆积过程中,基板的振动方向和粉末注入方向相反时,金属粉末液滴与熔池的相对运动速度叠加,粉末液滴容易进入到熔池的深处,干扰枝晶生长,因此超声振动使悬臂梁状态的枝晶生长受到干扰,致使晶粒断裂、滑移,从而细化晶粒。
(3)超声振动对提高激光堆积层的显微硬度有一定的效果。超声振动使激光堆积层的晶粒得到细化,从而提高了堆积层的硬度。
摘要：为提高316L不锈钢材料的激光堆积层硬度,提出了激光超声堆积(LUMD)方法。该方法通过基板的超声振动来改变堆积层晶粒的生长方向和生长速度,达到细化堆积层的晶粒、提高堆积层显微硬度之目的。在理论分析的基础上,通过实验测试了相同工艺参数下堆积层晶粒的大小和硬度。实验结果显示,改变LUMD的工艺参数后,堆积层晶粒得到了细化,堆积层的硬度得到了不同程度的提高。研究表明,采用LUMD方法可使堆积层的显微硬度得到显著提高。
激光超声 篇5
1 资料和方法
1.1 一般资料
本组患者367例, 男174例, 女193例, 年龄28~70岁, 平均年龄43.2岁。本组患者均有反复腰痛或B超发现结石病史, 病程2天~6年, B超或KUB+IVP检查提示输尿管上段结石伴肾脏积水或肾脏结石, 结石大小为1.5~6㎝, 结石体积2~45ml, 平均为24ml。
1.2 方法
全麻, 截石位, 经膀胱镜置6#或7#输尿管插管, 并持续冲洗, 行成人工肾积水, 膀胱留置尿管。改为俯卧位, 肾区抬高, 在B超定位下, 取患侧近腋后线穿刺成功有尿液返流, 由6#扩张器逐步扩张到16#, 放入输尿管镜, 证实输尿管镜在肾盂根据结石大小, 决定是否选用微通道还是标准通道, 甚至大通道。用40W钬激光将结石击成细小颗粒, 冲出结石, 放置5#D-J管、肾造瘘管, 术毕。
2 结果
本组患者367例, 均冲出结石, 结石体积2~45 ml, 平均为24ml, 手术时间20min~220min, 平均 (75.6±6.8) min, 术中出血约150ml。术后5天, 复查腹部平片, 如无结石残留, 先后分别拔出肾造瘘管、尿管, 术后一月左右拨出D-J管。31例出现结石残留, 行了二期清石;11例出现出血, 经夹闭肾造瘘管后好转, 1例损伤肠管, 中转手术;2例出现重度感染, 加强抗感染治疗后好转。术后住院时间8~12天, 平均9.2天。
3 讨论
经皮肾镜取石术作为腔内泌尿外科技术的一个重要部分, 在治疗复杂性肾结石方面已完全取代了传统开放手术, 是现阶段处理复杂性肾结石的微创技术首选, 也是泌尿外科指南推荐的标准的方法。经皮肾镜成功的关键在于是否成功的建立通道, 但手术每一个环节均很正常, 为了减少并发症的发生, 需从以下方面做好。
3.1术前准备及相关器械准备
术前准备:血尿常规、尿培养、出血凝血时间、肝肾功能, 电解质及心肺功能等检查并留尿培养。有尿路感染时, 应控制尿路感染。术前做双肾CT及KUB+IVU检查, 了解结石的位置、大小、形态及与肾盏的关系可以帮助选择穿刺部位。如IVU肾盂不显影或显影不佳时需行逆行肾盂造影。患者体质弱、贫血等情况需术前纠正, 必要时备血。
3.2 严格把握经皮肾镜的手术适应症
肾结石包括:开放手术残留和复发肾结石;有症状的肾小盏结石或憩室内结石;体外冲击波碎石无法粉碎的结石及其术后残留结石。输尿管上段腰4椎体平面以上梗阻较严重的结石或结石长径大于1.5cm。输尿管上段结石息肉包裹或由于肾积水致输尿管迂曲, ESWL无效或输尿管镜手术失败。孤立肾合并肾结石梗阻;移植肾合并结石梗阻;马蹄肾合并结石梗阻;糖尿病合并肾结石。
3.3 手术禁忌
未纠正的高血压、糖尿病和急性尿路感染;严重的脊柱侧弯及后凸畸形, 不能俯卧者;左肾结石伴脾大;不能控制的出血性疾病;严重心脏疾病及肺部疾病致使心肺功能不能耐受手术者;极度肥胖, 建立通道困难者;结石合并同侧肾肿瘤;服用阿司匹林及华法林等药物者需停药3~4周方可行手术治疗。
3.4 穿刺点及皮肾通道的设计
完全俯卧位, 穿刺点一般在12肋下至10肋间腋后线至肩胛下线之间的范围内, 大多选择在11肋间腋后线和肩胛下线之间最接近结石的点为穿刺点。穿刺针一般与病人脊柱方向近乎垂直、与水平面约30°~60°方向进针, 从中盏后排肾盏入路。皮肤至肾脏的通道和置入的镜鞘不能扭曲。对巨大结石, 多发结石等取石较慢时, 可酌情考虑一期或者二期建立多通道。术前常规采用输尿管插管建立人工肾盂积液, 镜尿道置入F5~F6输尿管插管达肾盂, 留置并固定在尿道外, 术中注入生理盐水。
3.5 手术要点
穹窿进针, 见尿扩张, 宁浅勿深, 不求完美, 只求完全。穹窿进针, 一般可能避开肾皮质血管, 减少术中、术后出血, 有利于手术的进行。见尿扩张, 穿刺成功有尿液才进行扩张, 在初期, 次筋膜扩张管边旋转边推进, 使筋膜扩张器达到设定的深度, 此时应有尿液流出, 必要时可经输尿管插管注入生理盐水或者超声监视, 使手术更完全。扩张原则:宁浅勿深, 减少扩张时穿破肾盂, 甚至肾蒂及周围组织。手术过程中不求完美, 一次不一定将结石取尽, 视野不清, 出血多时, 应该及时终止手术, 手术只求完全, 病人完全、医生完全。
3.6 PCNL并发症的预防及处理
术中出血:较大的出血常因穿刺及扩张皮肾通道时撕裂肾弓状血管或叶间血管, 此时出现视野模糊, 经冲洗及使用止血药物后无好转者应及时终止手术。经鞘内置入肾造瘘管夹闭30分钟至60分钟后出血一般能自行停止, 待二期清石处理。为了减少肾集合系统穿孔或撕裂伤, 术者要注意预防, 关键是手术动作要轻柔操作, 如发生此类并发症, 在出血不多的情况下可小心操作继续取石, 术后必须放置双J管及肾造瘘管。如果损伤严重, 出血明显, 应立即终止手术, 经Peelaway鞘内置入肾造瘘管夹闭30分钟至60分钟后, 并采取药物等止血措施。待出血停止后酌情予以二期手术。
术中寒颤:此时除了麻醉药物反应外, 更应该注意在原有感染, 因高压灌注致细菌及毒素入血致败血症及脓毒血症等可能。此类并发症可在术前预防性应用抗菌药物, 术中保持灌洗液引流通畅, 适当降低灌注液压力, 或者换大一号的管鞘以促进排水。术中出现寒颤是可予以地塞米松10mg~20mg。气温较低时可酌情加热灌洗液或升高室内温度。它的关键处理, 如术中发现肾有积脓, 估计手术能在10分钟内结束, 手术可以进行, 否则应暂停手术, 行二期手术。
邻近组织器官的损伤:如胸膜、肝脏、脾脏及肠管的损伤。尽量在腋后线背侧进针, 进针及扩张时注意宁浅勿深。中上组肾盏行穿刺时, 需在呼气末闭气时进针, 可以减少胸膜损伤的可能。术中密切观察患者生命体征、腹部及双下肢情况, 注意早发现、早处理并发症。
尿外渗:多为尿液或冲洗液经皮肾通道进入肾周, 也可以因术中鞘管脱出后, 水外渗所致。少量的尿外渗可不做处理, 但是大量时需做肾周引流, 术后常规置入双J管及肾造瘘管可减少尿外渗。术后B超检查, 如肾周发现较多液性暗区, 可予以穿刺置管引流。肾重度积水者因肾实质变薄易出现尿外渗, 不易拔管过早, 一般可在术后7~10天拔管。
术后出血:少量出血, 仅予以预防感染及一般止血出来即可, 若止血效果较差, 可酌情夹闭肾造瘘管, 注意不易冲洗。术后若出现大量出血, 需及时清除膀胱内积血, 并立即采取制动及抗休克等处理, 仍不能控制则应及早采取介入高选择性肾动脉栓塞。
因此, 笔者认为术中使用超声定位较X线定位的优点:可以最大限度的减少操作者辐射, 同时可以术中结石定位。只要严格掌握适应症, 熟练操作技能, 行经皮穿刺钬激光碎石术是一种有效的方法, 严格术前准备, 是安全可行的, 它能最大程度地减轻患者的痛苦, 缩短病程, 体现微创外科的优越性。
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激光超声 篇6
1 资料与方法
1.1 一般资料
选择我院收治的68例TMD患者, 随机分为联合组和对照组各34例。联合组男13例, 女21例;年龄21岁~40岁20例, 41岁~60岁14例。对照组男11例, 女23例;年龄21岁~40岁22例, 41岁~60岁12例。病程1周~1年不等, 右侧30例, 左侧27例, 双侧11例。2组患者在性别、年龄、病程等一般资料方面差异无统计学意义 (P>0.05) , 具有可比性。
1.2 治疗方法
①联合组:采用半导体激光联合超声波治疗。采用北京龙慧珩医疗型号LHH-500IVB镓铝砷半导体激光器, 发射波长810 nm的每束输出功率449 m W;波长980 nm的每束输出功率197 m W, 光束直径5 mm, 照射距离8 cm~10 cm, 作用于颞颌关节处, 每侧15 min。采用深圳德迈科技有限公司生产DM-200B医用超声治疗仪, 频率800 k C/s, 脉冲式输出, 声强输出功率0.5~2.0 W/cm2, 治疗部位涂超声耦合剂, 声头置于痛点, 缓慢做回复式螺旋移动, 每次20 min。两种方法均为1次/d, 10 d为1个疗程。②对照组:单纯采用半导体激光照射治疗, 方法同上。2组均治疗2个疗程。
1.3 疗效评价标准
痊愈:关节区疼痛、压痛、弹响及张口困难消失;显效:关节区疼痛、压痛、弹响及张口困难明显好转;有效:关节区疼痛、压痛、弹响及张口困难好转或减轻;无效:治疗前后无明显变化。
1.4 统计学方法
计数资料采用χ2检验, P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
联合组总有效率97%, 对照组总有效率76%, 2组总有效率比较差异有统计学意义 (P<0.05﹚。见表1。
3 讨论
TMD是一组功能性改变, 其发病原因目前还不是很明确, 神经功能紊乱、单侧不正确的咀嚼习惯、局部受凉或创伤等因素均有可能会引发。病变关节及周围软组织有渗出、水肿等无菌性炎症性病理变化, 导致组胺等炎性递质累积, 从而引发颞下颌关节局部疼痛、压痛明显、弹响、张口困难和功能异常等非炎症性一系列症状。
半导体激光治疗可使组织镇痛物质释放增加, 减少局部5-羟色胺生成以及降低神经末梢兴奋性, 起到镇痛镇静作用。激光的热效应可改善局部组织血液循环, 降低血管通透性, 炎性物质生成减少, 组织充血水肿减轻, 抑制炎症反应。促使肌肉能量生成增加, 缓解肌痉挛和提高痛阈, 从而减轻疼痛改善功能障碍[1]。
超声治疗不但具有机械作用, 同时还具有温热效应以及化学作用。其对局部组织细胞有微细按摩效应, 使局部组织分层部位温度升高, 细胞胶体弥散增强, 组织软化, 血液循环和新陈代谢加快。小剂量超声治疗可对痉挛肌肉, 关节组织及周围组织发生有规律的血管网反应, 同时能降低神经兴奋性, 对神经有镇痛和按摩效应。超声能加快化学反应活化多种酶功能, 使得局部组织酸碱度发生改变, 炎症消退疼痛减轻, 从而使颞颌关节紊乱综合征之症状得以治疗至痊愈[2,3]。
本组临床资料显示, 半导体激光联合超声治疗TMD, 具有治疗次数较少、疗程更短、效果更好、治疗方便易行等特点, 其疗效明显优于单用半导体激光照射, 值得在基层医院推广应用。
摘要：目的 探讨半导体激光联合超声治疗颞颌关节紊乱综合征 (TMD) 的临床效果。方法 选择68例TMD患者随机分为联合组和对照组各34例, 联合组采用半导体激光照射同时予超声治疗, 对照组单纯采用半导体激光照射。结果 治疗2个疗程, 联合组总有效率为97%, 对照组总有效率76%, 2组疗效比较差异有统计学意义 (P<0.05) 。结论 半导体激光叠加超声治疗颞颌关节紊乱综合征疗效明显优于单纯半导体激光治疗。
关键词：颞颌关节紊乱综合征,半导体激光,超声联合治疗
参考文献
[1]马斌, 刘玉柱.半导体激光治疗颞颌关节紊乱47例疗效观察[J].西南军医, 2005, 7 (6) :52-53.
[2]洪雁, 赵枫林, 刘芳.超声波与超短波治疗颞颌关节功能紊乱疗效分析[J].中国实用医药, 2006, 1 (1) :48-49.
激光超声 篇7
关键词：肾结石,输尿管上段结石,超声引导下经皮肾穿刺联合钬激光碎石术
为探讨治疗肾结石及输尿管上段结石的更为有效的方法,笔者所在医院自2008年10月～2009年10月采用超声引导下经皮肾穿刺(MPCNL术)联合钬激光碎石治疗98例结石患者,均能顺利快速建立取石通道,效果满意,现报告如下。
1 资料与方法
1.1 一般资料
本组98例肾结石患者中男69例,女29例,年龄17～71岁,平均45.14岁。无肾积水7例,轻度肾积水46例,中度肾积水33例,重度肾积水12例。
1.2 仪器与方法
仪器:HITACHI EUB-2000超声仪,探头频率3～5 MHz,配备穿刺架。CURESTAR HCM-2-65医用钬激光治疗仪(65 W)、18号PTC穿刺针、直导丝、扩张器、德国WOLF肾镜(李逊肾镜)等。方法:采用硬膜外或腰硬联合麻醉。麻醉后患者取截石位,采用德国WOLF肾镜留置6 F输尿管导管至肾盂,输尿管导管末端固定于尿管,尿管接尿袋。再将患者取侧卧位,调节手术床腰桥使患者呈下肢低位,在患侧季肋部垫高,使腰背成一水平面。超声检查肾脏及输尿管,确定结石部位、大小以及肾脏积水情况,了解肾盂肾盏结构和结石部位,选择最适合穿刺肾盏部位。穿刺部位选扩张的中盏或下盏,从腋后线进针,安装穿刺架后,选取适宜穿刺角度,穿刺部位皮肤切一个小切口(直径约8 mm)。穿刺针在超声引导下穿刺目标肾盏。穿刺针接近肾被膜时,嘱咐患者停止呼吸运动,然后迅速进针到达目标肾盏,嘱咐患者小幅度呼吸,拔出针芯,查看有无尿液溢出(同时助手向输尿管导管内快速注入20 ml生理盐水)。见到尿液溢出后,将直导丝经穿刺针送入肾盏、肾盂、输尿管。按照导丝进入长度,判断并确定导丝软头端已完全进入肾盂。取下穿刺架,用扩张器沿导丝逐级扩张至16～18 F,扩张器的方向要与穿刺针进入的方向一致,扩张器进入的深度不能超过穿刺针进入的深度,扩张后将相应大小的操作鞘置入肾盏。采用德国WOLF肾镜配合钬激光将结石击碎,结石碎片利用低压灌注泵的持续低压冲洗作用将之沿操作通道排出,对于稍大结石碎片可直视下用石钳直接取出。一般应保证水流持续冲洗,肾盂压力不应超过30 mm Hg,术毕置入5 F D-J管,并留置16 F肾造瘘管,夹闭肾造瘘管2～4 h。术中,超声可实时监测鞘管等在肾脏内的位置,确保手术的顺利进行,并可查看有无残余结石,肾周有无积液。术后1周如肾造瘘管引流液清亮无色,即可复查KUB。如KUB结果显示DJ管位置正常,未发现明显结石残留或其他异常情况则可拔除肾造瘘管。
2 结果
98例手术均获成功,手术时间45～120 min,平均52.7 min,无1例改开放手术。本组结石病例单次结石清除83例(84.7%),15例残余结石行二期手术取净;输尿管上段单次结石清除率100%。肾造瘘管留置时间7～10 d,平均8 d,输尿管支架管4周拔除,平均住院时间14 d,其中1例需要输血,出血量约300 ml,未出现大的并发症,一期取石后的残留结石行二期取石或ESWL。
3 讨论
肾结石是泌尿外科的常见病,我国南方地区为肾结石高发区。肾结石的治疗目的是解除梗阻,保护肾脏功能,它包括一般治疗、溶石治疗、中药治疗、体外冲击波碎石、腔内取石及外科手术治疗等综合措施。采用传统开放性手术治疗肾结石创伤大,并发症多,术后复发率高;而ESWL适用范围小,效果相对欠佳[1]。近年来,肾结石的治疗取得很大的突破,针对直径不同结石,分别行体外冲击波碎石(1～2 cm)、经皮肾镜(结石直径>2 cm、多发结石或铸型结石)等,90%以上的结石病例可以不需要传统方法取石而达到治疗的目的。应用气压弹道碎石时,有时碎石块由于操作者的技巧问题可能被打入肾盏间实质,损伤了叶间动脉,导致大出血。而钬激光因其在软组织中的穿透深度仅为0.4 mm[2],脉冲时间0.25 ms,远小于组织的热传导时间(1 ms),对黏膜的损伤轻微,瞬间具有极佳的切割性能等优点成为有效的腔道泌尿外科碎石方法[3]。笔者所在医院采用超声引导下经皮肾穿刺(MPCNL术)联合钬激光碎石。手术穿刺后逐步扩张到F16～F18,留置穿刺鞘建立皮肾通道。应用德国WOLF肾镜联合钬激光(65 W)碎石取石,效果良好,并发症少。为了提高穿刺及碎石的成功率,笔者总结出以下几点的初步经验:(1)穿刺及建立造瘘通道是超声引导下微创经皮肾穿刺联合钬激光碎石成功的关键。皮肾通道的建立,不仅可保证一期取石顺利,还是减少并发症发生的关键[4]。B超定位穿刺方便、直观,而且对患者及操作者均无放射损伤。(2)对于初学者,在碎石过程中留置一条导丝作为安全导丝至关重要。一旦术中工作鞘意外脱出,可沿导丝再次进入肾集合系统内,否则多需要重新造瘘,甚至改行开放手术。因此需要强调,在取石过程应固定好工作鞘及导丝,以免滑出。后期随着穿刺及碎石操作经验的加强,如果术者确定穿刺鞘位置及深度良好,可拔出导丝。这样利于碎石冲出体外,可提高碎石及取石的效率。(3)注意避免穿刺及碎石过程中出血。术中出血是影响手术正常进行的重要因素。在建立经皮肾通道时,筋膜扩张器不能进入太深,以免损伤对侧肾盂黏膜及肾实质造成出血。碎石时避免钬激光导丝接触肾脏黏膜组织,避免损伤肾集尿系统黏膜或肾实质而渗血不止。腔镜在肾内摆动幅度不能太大,否则易引起穿刺点撕裂出血。(4)术中力求发现并取尽肾内结石是保证手术效果的关键。对于肾小盏内结石,因小盏颈部狭小,腔镜难以进入小盏窥见结石,可采取双通道的方法解决(笔者的经验是对于多发结石,穿刺时可考虑穿刺两点,其中一个作为术中备用)。对于肾结石合并重度肾积水的病例,在灌注过程中结石活动范围大,可采用Peel-away塑料薄鞘固定结石,然后进行碎石。碎石过程渗血造成凝血块形成,可导致视野不清。同时,血块还可能掩盖结石,导致结石残留。可采用术中推注止血药,加大MCC灌注泵的高压脉冲水流和外支架管逆向水流给予解决。另外术中采用F 7～8输尿管导管可获得更大的逆向水流,与以往报道的F 5～6输尿管导管相比更利于结石的清除。术中及术后最严重的症是大出血和并发严重的感染,进一步加重甚至可能发生菌血症甚至败血症。部分患者术后出现体温升高达38℃～39℃,这可能与本身存在的尿路感染有关外,还与手术造成肾盂压力高、手术时间长、冲洗及输尿管逆行插管有关[5]。为防止大出血的发生,应避免反复的穿刺,通道要逐渐扩张,通道口径不要过粗,Peel-away鞘要放置到位,探查肾盂内要轻柔,碎石时动作轻柔,不勉强1次取净结石都可以减少出血的机会。一旦发生大出血,应立即停止手术、拔除Peel-away鞘指压伤口及患侧上腹,快速输液输血。如仍出血不止,应行高选择性肾动脉栓塞止血。而为了预防严重感染的发生,应于术前常规行尿常规、尿培养及药敏实验。对于尿常规中发现白细胞的患者,术前、中、后必须及时足量应用抗生素。而对于尿培养(+)的患者,则按药敏实验对症治疗。术中如发现穿刺液呈混浊脓性尿则应立即中止手术,暂先留置肾造瘘管引流积脓,应用抗生素,待尿液转为清亮后再择期手术。尿管应在在肾造瘘管拔除至少24 h后再行拔除,可有效地控制感染,防止菌血症、败血症的发生。
结合对此98例超声引导下微创经皮肾穿刺(MPCNL术)联合钬激光碎石术的分析,笔者认为该手术具有创伤小、结石取净率高、并发症少、恢复快、住院时间短等优点,是治疗肾结石的一项重要的微创技术。
参考文献
[1]杨丽,罗宣文,刘影.B超引导经皮肾镜气压弹道碎石清石术38例.临床超声医学杂志,2007,9(1):63-64.
[2]Wollin TA,Razvi HA,Denstedt JD.Identifying stone compositionusing infrared analysis of filtered urine after ureteroscopic lit hotripsy.J Endourol, 1999,13(4):499-503.
[3]Vassar GJ,Chan KF,Teichman JM,et al.Holmium:YAG liyhotripsy: phot other malmechanism.J Endourol,1999,13(2):181 - 190.
[4]Rudnick DM,Stoller ML.Complication of percutaneous nephrostolithotomy. Can J Urol,1999,6(7):872 -875.