一种具有特征频率的超声手术刀

1.本发明涉及一种超声手术刀，属于医疗器械领域。


背景技术：

2.超声手术刀是一种通过高速振动以实现生物体切割、分离、凝血的外科手术器械。超声手术刀具有精度高、出血少、无灼伤、术后恢复快等优点，已经应用在五官科手术、头颈外科手术、乳腺外科手术、胸外科手术、肝胆外科手术、腹部外科手术、泌尿外科微创手术及微创妇科手术中。超声手术刀系统包括三个主要组成部分：超声激励电源(主机)、超声换能器(手柄)和刀头。超声激励电源主要作用是产生高频及可控的电功率输出，并在生物组织切割过程中，可以根据凝血速度和切割速度的要求进行能量调节。超声换能器的作用是把特定频率的电能转成超声机械(振动)能。换能器产生的超声振动传至刀头，并由刀头辐射声能用以实现手术作用。超声手术刀刀杆作为对生物组织进行切割的直接执行结构，其结构设计的合理与否将直接影响超声手术刀的谐振频率、振幅、使用寿命、动态电阻、机械品质因数等性能参数。为增加切割效率、减少切割时间并提切割效果，需要超声刀更大振幅增益，同时为保证超声刀工作更加稳定，需要使超声刀杆工作频率更加接近换能器以及超声主机发出频率。为增强血管封闭效果，需要使超声刀切割端提供更稳定输出。


技术实现要素：

3.本发明为解决现有超声手术刀切割效率较低，稳定性较差的问题，进而提出一种具有特征频率的超声手术刀。
4.本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括刀头、刀身、增益结构、超声换能器和超声主机；刀头安装在刀身的前端，增益结构安装在刀身的后端，增益结构通过所述超声换能器与所述超声主机连接。
5.进一步的，所述增益结构由前段、中间段和后段组成；前段、中间段和后段由前至后依次连接，前段与刀身的后端连接，后段通过所述超声换能器与所述超声主机连接。
6.进一步的，前段是半径为1.47mm的圆柱体，所述圆柱体的长度为2mm，后段是半径为2.2mm的圆柱体，所述圆柱体的长度为2mm，中间段是外轮廓由前至后依次渐扩的锥台体，所述锥台体的长度为5mm。
7.进一步的，中间段外轮廓的母线为二阶贝塞尔曲线，所述二阶贝塞尔曲线的函数公式为：
8.b(t)＝(1-t)2p0+2t(1-t)p1+t2p2,t∈[0,1]
①
，
[0009]
公式
①
中，p0表示二阶贝塞尔曲线的起始点，p1表示二阶贝塞尔曲线的控制点，p2表示二阶贝塞尔曲线的结束点，t从0开始以0.001为步长带入公式
①
中进行计算直到t＝1，b(t)表示二阶贝塞尔曲线函数。
[0010]
进一步的，所述超声换能器包括两个外陶瓷片、两个内陶瓷片和换能器主体；两个外陶瓷片并排设置在换能器主体的中部，两个内陶瓷片并排设置在两个外陶瓷片之间，每
个内陶瓷片与相邻近的外陶瓷片之间设有正极，每个外陶瓷片的外侧面与换能器主体之间设有接地负极，两个内陶瓷片之间也设有接地负极。
[0011]
进一步的，外陶瓷片和内陶瓷片均是pzt-5h陶瓷。
[0012]
本发明的有益效果是：
[0013]
1、本发明使得刀身部的超声频率稳定，更接近最好的切割止血效果，也就是55.5khz；
[0014]
2、本发明使得刀头的应力分布更加均匀，减轻刀头的负载，加长仪器的使用寿命；
[0015]
3、本发明使得刀头的切割性能更加稳定。
附图说明
[0016]
图1是本发明的刀头、刀杆和增益结构的主视图；
[0017]
图2是增益结构的放大结构示意图；
[0018]
图3是超声换能器的结构示意图；
[0019]
图4是中间段外轮廓母线的设计示意图；
[0020]
图5是有增益结构的刀头振幅示意图；
[0021]
图6是无增益结构的刀头振幅示意图。
具体实施方式
[0022]
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种具有特征频率的超声手术刀包括刀头1、刀身2、增益结构3、超声换能器和超声主机；刀头1安装在刀身2的前端，增益结构3安装在刀身2的后端，增益结构3通过所述超声换能器与所述超声主机连接。
[0023]
本实施方式中超声主机出55.5khz正弦点信号，超声换能器的压电陶瓷在接收电信号后，转化为55.5khz的振动通过超声换能器的变幅杆传递到刀身2，其中振幅因刀身2不同长度以及不同直径圆柱得到增益，最终使得刀头1部分获得较大增幅效果，实现快速有效切割以及闭合能力；再次过程中，随着激励信号时间的增加、以及负载的变化关系、以及材料间的相互损耗，会使得整体特征频率发生偏移，这样尽可能在初始状态实现主机频率、换能器频率以及超声刀杆频率共同为此在55.5khz就非常重要，可以极大提升超声刀的性能，以及使用过程中的稳定性。
[0024]
对比图5和图6，图6是未加入增益结构刀杆，特征频率从55712hz降低到了55556hz，更加接近工作频率，使得在实际使用过程中更加稳定；并且后续可通过对连接结构的位置、尺寸进一步优化来优化到55500hz，实现在静态下，主机输出频率，超声换能器工作频率以及超声刀杆频率三个频率一致，跟有利于追频以及频率保持，使得输出振幅以及实际切割结果更加稳定；
[0025]
图5是加入增益结构3后的刀杆，添加增益结构使得下边沿位置最大振幅从99.8um提高到了104.2um，使得切割性能也得到提升。
[0026]
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述一种具有特征频率的超声手术刀的所述增益结构3由前段301、中间段302和后段303组成；前段301、中间段302和后段303由前至后依次连接，前段301与刀身2的后端连接，后段303通过所述超声换能器与所述超声主机连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
[0027]
具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述一种具有特征频率的超声手术刀的前段301是半径为1.47mm的圆柱体，所述圆柱体的长度为2mm，后段303是半径为2.2mm的圆柱体，所述圆柱体的长度为2mm，中间段302是外轮廓由前至后依次渐扩的锥台体，所述锥台体的长度为5mm。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
[0028]
具体实施方式四：结合图2和图4说明本实施方式，本实施方式所述一种具有特征频率的超声手术刀的中间段302外轮廓的母线为二阶贝塞尔曲线，所述二阶贝塞尔曲线的函数公式为：
[0029]
b(t)＝(1-t)2p0+2t(1-t)p1+t2p2,t∈[0,1]
①
，
[0030]
公式
①
中，p0表示二阶贝塞尔曲线的起始点，p1表示二阶贝塞尔曲线的控制点，p2表示二阶贝塞尔曲线的结束点，t从0开始以0.001为步长带入公式
①
中进行计算直到t＝1，b(t)表示二阶贝塞尔曲线函数。
[0031]
本实施方式中在三维坐标系下设p0、p1、p2的坐标分别为(x0,y0)、(x1,y1)、(x2,y2)，则在t＝t1时绘图点的坐标为(x,y,z)，其中
[0032]
x＝(1-t)2x0+2t(1-t)x1+t2x2②
，
[0033]
y＝(1-t)2y0+2t(1-t)y1+t2y2③
，
[0034]
z＝(1-t)2z0+2t(1-t)z1+t2z2④
，
[0035]
根据公式
②③④
得到绘图点的坐标；
[0036]
按照函数计算绘图点并进行平滑连接处理得到二阶贝塞尔曲线；控制点p1所取得坐标，x轴为从p0到p2的三分之一处，y轴与p2相同，p0点、p1点、p2点的权重分别为1、1/4、1，权重就是点前面含t的公式乘上的系数，即上述公式对应点前乘以权重。
[0037]
其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
[0038]
具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式所述一种具有特征频率的超声手术刀的所述超声换能器包括两个外陶瓷片4、两个内陶瓷片5和换能器主体6；两个外陶瓷片4并排设置在换能器主体6的中部，两个内陶瓷片5并排设置在两个外陶瓷片4之间，每个内陶瓷片5与相邻近的外陶瓷片4之间设有正极7，每个外陶瓷片4的外侧面与换能器主体6之间设有接地负极8，两个内陶瓷片5之间也设有接地负极8。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
[0039]
具体实施方式六：结合图3说明本实施方式，本实施方式所述一种具有特征频率的超声手术刀的外陶瓷片4和内陶瓷片5均是pzt-5h陶瓷。
[0040]
工作原理
[0041]
本发明通过改变增益结构3的所在位置以及增益结构3中的中间段302的曲率可以改变超声手术刀刀杆2的特征频率，使超声刀杆2更接近换能器以及主机工作频率，对在特定频率下振幅起到增益作用，提升了整个超声手术刀导波系统的稳定性，缩短手术实际，提高使用效率。
[0042]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍
属于本发明技术方案的保护范围之内。

技术特征：
1.一种具有特征频率的超声手术刀，其特征在于：所述一种具有特征频率的超声手术刀包括刀头(1)、刀身(2)、增益结构(3)、超声换能器和超声主机；刀头(1)安装在刀身(2)的前端，增益结构(3)安装在刀身(2)的后端，增益结构(3)通过所述超声换能器与所述超声主机连接。2.根据权利要求1所述的一种具有特征频率的超声手术刀，其特征在于：所述增益结构(3)由前段(301)、中间段(302)和后段(303)组成；前段(301)、中间段(302)和后段(303)由前至后依次连接，前段(301)与刀身(2)的后端连接，后段(303)通过所述超声换能器与所述超声主机连接。3.根据权利要求2所述的一种具有特征频率的超声手术刀，其特征在于：前段(301)是半径为1.47mm的圆柱体，所述圆柱体的长度为2mm，后段(303)是半径为2.2mm的圆柱体，所述圆柱体的长度为2mm，中间段(302)是外轮廓由前至后依次渐扩的锥台体，所述锥台体的长度为5mm。4.根据权利要求3所述的一种具有特征频率的超声手术刀，其特征在于：中间段(302)外轮廓的母线为二阶贝塞尔曲线，所述二阶贝塞尔曲线的函数公式为：b(t)＝(1-t)2p0+2t(1-t)p1+t2p2,t∈[0,1]
①
，公式
①
中，p0表示二阶贝塞尔曲线的起始点，p1表示二阶贝塞尔曲线的控制点，p2表示二阶贝塞尔曲线的结束点，t从0开始以0.001为步长带入公式
①
中进行计算直到t＝1，b(t)表示二阶贝塞尔曲线函数。5.根据权利要求1所述的一种具有特征频率的超声手术刀，其特征在于：所述超声换能器包括两个外陶瓷片(4)、两个内陶瓷片(5)和换能器主体(6)；两个外陶瓷片(4)并排设置在换能器主体(6)的中部，两个内陶瓷片(5)并排设置在两个外陶瓷片(4)之间，每个内陶瓷片(5)与相邻近的外陶瓷片(4)之间设有正极(7)，每个外陶瓷片(4)的外侧面与换能器主体(6)之间设有接地负极(8)，两个内陶瓷片(5)之间也设有接地负极(8)。6.根据权利要求5所述的一种具有特征频率的超声手术刀，其特征在于：外陶瓷片(4)和内陶瓷片(5)均是pzt-5h陶瓷。

技术总结
一种具有特征频率的超声手术刀，它涉及一种超声手术刀。本发明为了解决现有超声手术刀切割效率较低，稳定性较差的问题。本发明包括刀头、刀身、增益结构、超声换能器和超声主机；刀头安装在刀身的前端，增益结构安装在刀身的后端，增益结构通过所述超声换能器与所述超声主机连接。本发明属于医疗器械领域。本发明属于医疗器械领域。本发明属于医疗器械领域。


技术研发人员：高宁 杨彬 张洪军 姜桂铖
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/9/6