一種醫用超聲放大裝置的製作方法
2023-07-09 05:42:21
專利名稱：一種醫用超聲放大裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及超聲醫療器械技術領域，尤其是有較好的切割和止血功能 的超聲外科手術器械。具體而言，是一種帶有多個單一或多種喇叭的超聲變幅 杆且具有放大振幅和振速作用的醫用超聲放大裝置。
背暈技術
在外科手術中，如何止住切割活性組織時導致的血管斷裂流血一向是外科 醫生較頭疼的問題，傳統的方法是通過醫用縫合線綑紮大血管來實現，但存在 大量小血管，因無法一一綑紮仍在流血， 一種沿襲至今的古老方法是通過加熱 灼傷這些小血管，使其凝固而達到止血的目的。
隨著技術的發展，出現了電刀，並在外科手術中得到應用。電刀在切割組 織時，因電流通過切割面會產生熱量從而灼傷該部分組織以達到止血效果。但 電刀對組織的損傷較大，它會燒乾切割面組織中的水分，有時甚至燒焦這些組 麼口、。
一八°近來，在外科手術中又引進了一種新的醫療器械_一超聲刀，它具有較好 的切割和止血功能。該器械前端功能部件(簡稱刀頭)通過高頻率振動切割組 織，同時和組織摩擦產生的熱量對切割面能起到良好的止血效果，並且對組織 的損傷也較傳統方法小的多。
超聲刀工作原理大致為先通過系統所帶的激勵源或發生器產生高頻交流 電信號，然後輸入到系統的另一部件超聲換能器，換能器通過壓電或磁致伸縮 等效應，將輸入的交流電信號轉換為主要沿縱向傳播的駐波形式的機械振動。 一般來說，換能器最初的振動幅度(簡稱振幅)往往達不到使用要求，為此通 常會添加一個或多個喇叭結構的放大器(簡稱變幅杆)對振幅進行放大，最後 通過波導管將其傳遞到刀頭，實現需要的功能。換能器及末端作用器的長度之 和要求設計成工作需要的頻率所對應波長一半的整數倍，這樣系統才能以需要 的頻率做縱向駐波形式的機械振動。必要時，末端作用器可以添加若干單一或 複合變幅杆將振幅進一步放大，直到所需要的值，再傳遞給刀頭。為了實現不 同的功能，刀頭可以做成各種不同的形狀。超聲刀就是利用末端作用器及其功 能部件的振動效應來進行組織的切割和止血的。這種器械在內窺鏡式的外科手 術中已經得到一定範圍的應用。如圖3所示的一種變幅杆結構，變幅杆部分為 階梯形，包括兩段直徑不等的軸結構11、 12;圖5示出了另一種變幅杆結構， 其為一段圓錐段21。
超聲刀的切割和止血效果與刀頭振動有關，確切地說，是與其振速有關。 然而，切割與止血之間是相悖的。如果刀頭足夠鋒利，切割的速度會很快，這 是醫生想要的，但是不足的是可能在短時間內產生不了止血所需的足夠熱量， 反之亦然。但是在振速提高的時候，減小切割力度和/或增強止血效果仍可以通 過改變刀頭形狀來得到。綜合各方面考慮，更快的切割速度還是有一定的實際意義。
出於手術方面的考慮，人們一直希望超聲刀的振速能夠突破17.4m/s。超聲 刀的振速和振幅是成正比的，而振幅和設備的應力又是成正比，同時，刀頭疲 勞失效的可能性也總是和應力成正比的。在傳統的技術和方法中，儘管通過提 高超聲刀特定位置的振幅可以提高振速，但這是不可取的，因為設備上的應力 也增加了，可能超出其安全使用範圍，影響了超聲刀的功能和使用壽命，速度 提升帶來的利要小於超聲刀結構上隨之增加的應力所帶來的弊。出於權衡兩者 利弊的考慮，超聲刀的振速通常被限制在17.4m/s以下，即相當於工作頻率為 55.5KHz時，振幅小於100微米。實際用的超聲刀振速多為15.7m/s，即相當於 工作頻率為55.5KHz時振幅為90微米，有時甚至更小。由上可知，如果能夠提 供振速持續大於17.4m/s，同時又保證應力在器械安全使用範圍內的超聲刀，那 將是很有實用價值的。
實用新型內容
本實用新型的目的在於提供一種超聲放大裝置，通過採用包含多個單一喇 叭或者多種喇叭的變幅杆，使得在一個波長的四分之一波段範圍內，維持設備 的高應力在到一定水平，在提高振幅的同時達到提高振速的目的，但各個應力 點仍處於S-N曲線(應力致疲勞失效曲線)以下。
為達到以上目的，本實用新型的解決方案是
一種醫用超聲放大裝置，它包括變幅杆和末端作用器，變幅杆與末端作用 器相連接，該變幅杆由軸結構和/或一種或多種喇叭體構成，喇叭體縱截面按某 種數學函數的規律變化，該函數是階梯型、指數型、圓錐型、貝塞爾曲線型、 高斯曲線型或懸索曲線型。
進一步，其頭部軸結構前端和換能裝置連接，後端與縱截面漸變的喇叭體 相連接，喇叭體又與末端作用器相連。
該軸結構和喇叭體的長度均接近工作頻率時的1/4波長或1/4波長的奇數倍。
該喇叭體在靠近頭部軸結構一端的橫截面積大於靠近尾端的另一端的橫截 面積。
該喇叭體的幾何形狀根據實際需要可以為階梯型、指數型、圓錐型、懸索 曲線型、高斯曲線型及貝塞爾曲線型。
該變幅杆的橫截面通常為圓形、正方形或矩形。 其材料為鈦及鈦合金、鋁及鋁合金、陶瓷或不鏽鋼。 其所使用的超聲波導諧振頻率為20kHz 100kHz。
由於採用了以上技術方案，本實用新型具有以下優點本實用新型通過採 用包含多個單一喇叭或多種喇叭的變幅杆，使該超聲放大裝置在一個波長的四 分之一波段範圍內保持一個高應力水平，但各個應力點仍處於S-N曲線以下， 在提高設備振動速度的同時也保證了其使用壽命，使超聲刀在安全使用範圍內 具有理想的切割和止血效果。圖l是本實用新型結構示意圖2是根據本實用新型實施例繪製的應力致疲勞失效曲線圖； 圖3是傳統的階梯形變幅杆結構示意圖； 圖4是傳統的階梯形變幅杆應變分布圖 圖5是傳統的圓錐形變幅杆結構示意圖 圖6是傳統的圓錐形變幅杆應變分布圖 圖7是本實用新型複合變幅杆結構示意圖； 圖8是本實用新型複合變幅杆應變分布圖。
具體實施方式
以下結合附圖
所示實施例對本實用新型作進一步的說明。 本實用新型可直接應用於超聲醫療器械設備，特別適用於具有切割和止血 功能的超聲外科手術器械，但不僅僅限於這類設備。其主要特點是該超聲放 大裝置包括變幅杆和末端作用器4，變幅杆含有一個或多個喇叭體，喇叭體的縱 截面形狀為按某種數學函數規律變化，該函數可以是階梯型、指數型、圓錐型、 貝塞爾曲線型、高斯曲線型或懸索曲線型等。 其工作原理如下
振動的速度與振jl高及頻率有如下關係
V=2 Ji a f (1)
其中V—振動莩度(m/s)
a—振動幅度(m)
f—振動頻率(Hz) 從這個關係式看來，頻率一定時，通過調整振幅可以改變振動速度。 又，振幅與應力的關係如下
廣丄A
a 二 2,j s(x) dx (2)
0
該關係式將變幅杆的中間振幅為零的節點定義為x=0， 1/4 X為四分之一波 段範圍，s(x)為裝置縱向距波節節點(振幅最小的位置)距離為x的應變大小， 對於半波長的階梯形變幅杆來說，節點就在中間位置，對於半波長的圓錐形變 幅杆來說，節點稍偏離中心位置，向截面小的一段偏移。
因此，振幅增加的同時裝置的應力也會增加，裝置的使用壽命會呈指數下 降，所以這種單純地追求高振速並不切實際。
應力致疲勞失效曲線如圖2所示，此曲線亦稱為S-N曲線。
在圖2中，縱坐標5表示單位面積應力大小，橫坐標6表示使用壽命，即 裝置疲勞失效時縱向振動循環次數。曲線7即S-N曲線(應力致疲勞失效曲線)， 它描述了裝置材料在給定應力下的疲勞極限(即使用壽命)。當應力低於S-N曲 線以下時，裝置一般不會因材料疲勞而失效，反之，當應力高於S-N曲線以上 時，裝置會因材料受力過大，最終因疲勞而失效。對於某些材料，例如鈦，當 應力低到一定程度時，其使用壽命理論上可以達到無限長。
5對於本實用新型涉及的醫療器械， 一般要求其疲勞失效循環次數達到108, 對於鈦合金來說，相對應的應變量需小於0.0033mm/mm。
本實用新型採用在一個波長的最後四分之一波段範圍內維持裝置的高應力 到一定水平，但仍處於S-N曲線以下，在保證設備使用壽命的前提下，同時使 其振動速度超過17.4米/秒，提供良好的切割和止血效果。
在超聲放大裝置中，常用的喇叭體按其幾何形狀分為階梯型、指數型、圓 錐型、懸索曲線型、貝塞爾曲線型及高斯曲線型6種，為了便於加工，它們的 橫截面通常做成正方形、矩形或圓形。每種喇叭因其物理特性的不同，在超聲 裝置中有著不同的作用。不同形狀的喇叭形成的變幅杆具有不同的應變曲線。 圖4和圖6分別為某參數的階梯型變幅杆和圓錐型變幅杆在有限元軟體上模擬 的應變曲線圖，從圖中可以看出，階梯型變幅杆的應變曲線產生一個突起，超 過了應變極限，而圓錐型的變幅杆的應變曲線相對比較平緩。因此，階梯型變 幅杆作為放大器使用，在截面積比相同的情況下，儘管其放大倍數最大，但在 應變上產生一個快速的尖波；圓錐型的變幅杆在縱向卻有相對平緩地放大作用， 但是放大倍數不如階梯型變幅杆。
在超聲裝置中，如果其長度超過一個波長，為了提高振速到較大的值，而 只在最後四分之一波段範圍來實現的話，其導致的某點應力集中會對裝置的功 能和使用壽命不利。本實用新型包含在一個波長最後四分之一波段範圍內，使 用一個複合型喇叭形成的變幅杆，或傳統喇叭的組合形成的變幅杆，或在組合 中成倍使用單一喇叭等。利用e (x)曲線從0到1/4入範圍積分區域的最大化，同 時保證任一點的壓力e(x)都不超過無限壽命對應的應力值，使得振動速度得到 提升的同時而每一點的應力都在材料的S-N曲線以下。本實用新型中使用的材 料可以為鈦及鈦合金、鋁及鋁合金、不鏽鋼或陶瓷等。該超聲波導諧振頻率在 20kHz到100kHz之間。本實用新型包含確定超聲放大裝置中使用材料的S-N曲 線及在超聲裝置中使用多個單一或複合喇叭形成的變幅杆獲得S-N曲線以下的 持續應力來提升速度。
如果將一個階梯型變幅杆的1/4入長度與一個圓錐型變幅杆的1/4A長度組 合在一起成為複合變幅杆，通過有限元軟體模擬得出其應變曲線如圖8中曲線8 所示，從圖中可看到，在最後的1/4X範圍內，應力維持在高水平但仍在S-N曲 線下，該結構較等截面比的階梯形變幅杆使用壽命長，較等截面比的圓錐形變 幅杆放大倍數大，在保證裝置的使用壽命的前提下，使振速放大倍數最優化。
本實用新型所涉及的複合變幅杆結構如圖7所示。其前端為一段軸結構31, 其後的結構為一段截面漸變的喇叭結構32,該部分可以是圓弧過渡，也可以是 直線或其它曲線過渡，接著是階梯、圓錐等形狀的喇叭的組合33，其可以是單 一的喇叭體，也可以是相同或不同的喇叭體的組合，根據實際需要而定。
上述的對實施例的描述是為便於該技術領域的普通技術人員能理解和使用 本實用新型。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修 改，並把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。 因此，本實用新型不限於上述實施例，本領域技術人員根據本實用新型的揭示， 對於本實用新型做出的改進和修改都應該在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1、一種醫用超聲放大裝置，其包括變幅杆、末端作用器，變幅杆與末端作用器相連接，其特徵在於該變幅杆由軸結構和/或一種或多種喇叭體構成，喇叭體縱截面按數學函數規律變化，該函數是階梯型、指數型、圓錐型、貝塞爾曲線型、高斯曲線型或懸索曲線型。
2、 如權利要求1所述的醫用超聲放大裝置，其特徵在於其頭部軸結構前 端和換能裝置連接，後端與縱截面漸變的喇叭體相連接，該喇叭體與末端作用器 相連。
3、 如權利要求1所述的醫用超聲放大裝置，其特徵在於該軸結構和喇叭 體的長度均為工作頻率時的1/4波長或1/4波長的奇數倍。
4、 如權利要求1所述的醫用超聲放大裝置，其特徵在於該喇叭體在靠近 頭部軸結構一端的橫截面積大於靠近尾端的另一端的橫截面積。
5、 如權利要求1所述的醫用超聲放大裝置，其特徵在於該變幅杆的橫截 面為圓形、正方形或矩形。
6、 如權利要求1所述的醫用超聲放大裝置，其特徵在於該喇叭體的幾何 形狀為階梯型、指數型、圓錐型、懸索曲線型、高斯曲線型及貝塞爾曲線型。
7、 如權利要求1所述的醫用超聲放大裝置，其特徵在於該變幅杆所使用 的材料為鈦及鈦合金、鋁及鋁合金、不鏽鋼或陶瓷。
8、 如權利要求1所述的醫用超聲放大裝置，其特徵在於其所使用的超聲 波導諧振頻率為20kHz 100kHz。
專利摘要本實用新型一種醫用超聲放大裝置，其包括變幅杆和末端作用器，變幅杆與末端作用器相連接，該變幅杆包括軸結構和多個單一的喇叭或者多種喇叭，喇叭體縱截面按數學函數規律變化，且軸結構和喇叭體的長度均接近工作頻率時的1/4波長或1/4波長的奇數倍。本實用新型醫用超聲放大裝置提高了應力，使得在提高振速的時候同時延長使用壽命。
文檔編號A61B17/3211GK201263707SQ200820150980
公開日2009年7月1日 申請日期2008年7月18日 優先權日2008年7月18日
發明者尼克·索洛肯, 磊 張, 方雲才, 李文華, 炬 汪, 王新建, 陳啟章, 高旭宏 申請人:華外醫療器械(上海)有限公司