超聲波換能器系統的製作方法

2023-05-21 01:27:01 2

超聲波換能器系統的製作方法
【專利摘要】一種可超聲振動工具裝置，包括具有從其延伸出的細長波導裝置的超聲變幅器裝置，並且包括偏心于波導裝置的縱軸安裝於變幅器裝置的單個換能器疊層裝置，其中，換能器疊層裝置被如此操作從而可選擇地在變幅器裝置和波導裝置中產生具有可選振動模式的超聲波振動。
【專利說明】超聲波換能器系統
[0001]本發明是申請日為2009年05月21日、申請號為200980128721.8的中國發明專
利「超聲波換能器系統」的分案申請。
【技術領域】
[0002]本發明涉及適於通過利用超聲波振動刀片或外科手術工具的其它末端執行器(end-effector)切割組織的外科手術工具。更特別地但非專門地，涉及產生用於這種工具的超聲波振動的換能器系統。
【背景技術】
[0003]在過去幾十年裡，人們對用於軟組織解剖、切割和結合(welding)的超聲波致動的刀片和剪刀投入極大的關注。
[0004] 已知通過超聲波振動的刀具或手術刀切割組織。當手術刀切割組織時，其效果由切割力來表現。這源於分離結構的壓力和刀片在切割部段之間拔出的摩擦阻力。振動刀片可減少摩擦力並且也可降低組織的粘合強度。通過以縱向模式或扭振模式對切割刀片施加振動可實現這兩個目標。
[0005]美國專利US3636943和3862630教導了各個血管和健康血管組織的止血切割。在『943和『630專利中，通過工具部件傳遞機械振動形式的超聲波能量從而通過在其端部形成密封來封閉例如人身上細細切割的血管，並且阻止了所謂的「滲出」，其需要在手術期間不斷地擦拭或清洗技術。這種工具部件可為超聲波振動的刀具，在進行外科步驟時同時切割和封閉切割血管的各個端部。適宜構造的工具部件也可將各個組織層包括未切割血管的壁接合在一起，並且預見後者將取代當前手術中必要的動脈和靜脈的「試圖關閉」。因此，這些專利利用縱向模式系統致動刀片，其具有粗糙表面從而提高血管組織切割期間的摩擦能量轉換。
[0006]此外，美國專利US5322055和6283981公開了帶有額外鉸接被動元件的振蕩系統，所述元件被構造為將目標組織擠壓在通電刀片上從而提高刀片上組織的摩擦阻力並且由此提高在切割過程期間確保凝結所必需的加熱效果。
[0007]『055專利涉及包括外科器械的超聲波外科儀器，所述器械具有帶有將電子信號轉化為連接於機頭的刀片的縱向振動的換能器以及可釋放地連接於機頭以使組織固定在振動刀片上從而提供更好的組織凝結和切割的附件。剪刀狀的把手沿超聲波振動刀片的一側致動轉動夾頭從而以垂直於縱向振動的方向將組織擠壓和偏壓在刀片上。該夾頭和刀片相對彼此可旋轉，從而將多邊刀片的選定刀鋒與用於切割和凝結的夾頭對齊同時夾緊選定的刀鋒或不夾緊而是將選定的刀鋒與用於切割和凝結的夾頭周向地隔開。
[0008]『981專利涉及一種設計包括超聲波傳播杆和連接於超聲波傳播杆遠端的不對稱超聲波致動刀片的平衡超聲波外科器械的方法。該超聲波致動刀片包括處理部。該處理部具有功能性特徵例如使得處理部不對稱的曲形刀片。在這種方法中，包括至少一個第一不對稱平衡特徵的平衡部被設計和設置在超聲波致動刀片與超聲波傳播杆之間從而抵消處理部產生的任何不適宜的力矩。
[0009]上述所有系統都使用摩擦生熱這個相同的原理，涉及摩擦界面處的循環向量反轉，以確保組織分離的同時形成凝結。在這些系統中，按照切割刀片的縱向激勵描述了摩擦生熱原理。但是，純縱向激勵並非將振動能量傳遞至軟組織的最有效方式。
[0010]此外，在美國專利US6425906和英國專利GB2371492中，注意到Young and Young首先公開了特定選擇的不同振動模式的使用，運用直接壓縮波傳播進入目標組織，以其獨特的能力產生空化作用作為能量消耗的主要形式。特別地，這種專利是最先公開使用扭振激勵將振動能量傳至軟組織的系統和方法的。
[0011]例如，『906專利涉及用於切割和/或凝結組織的外科手術工具，包括壓電驅動器以產生包括扭振模式振動的超聲波能量。該『906專利還涉及遠端扭振模式末端執行器，其產生進入被鉸接夾頭元件捕獲抵靠在活化波導上的目標組織內的聚焦能量傳播。
[0012]在GB2333709專利中，公開了涉及最低侵略性普通外科手術的多波長扭振模式波導的使用。在『709專利中，能量轉換的機構被描述為特別地涉及剪切模式扭振系統和常規壓縮波縱向等價物。該『709專利還公開了具有大於用於剪切模式傳播的半波長7或8倍長度的波導的激勵產生流出物，其比那些在類似壓縮波系統中經歷的大很多。
[0013]因此，已知使用扭振激勵來將振動能量傳遞至軟組織，仍然需要製造有效地利用扭振模式激勵的其它外科手術工具。

【發明內容】

[0014]因此本發明的目的在於提供一種可避免上述問題的運用扭振模式超聲波振動的外科手術工具，特別是能夠更加可控地和有效地應用扭振模式振動的優點。
[0015]根據本發明的一個方面，提供了一種適於產生超聲波振動的換能器疊層，包括在鄰近於疊層第一末端的背板裝置與鄰近於遠離其第一末端的第二末端的間隔元件裝置之間以交替順序被固定在一起的多個片狀壓電元件和多個片狀電極裝置，該疊層通過所述第二末端被安裝於或可安裝於超聲波振動工具裝置。
[0016]優選地，該換能器疊層包括從背板裝置延伸出的、穿過每個所述壓電元件和每個所述電極裝置的細長軸裝置，所述間隔元件裝置在鄰近於其遠端處被如此安裝於軸裝置上以使壓電元件和電極裝置在間隔元件裝置與背板裝置之間保持壓緊。
[0017]換能器疊層可被安裝或可安裝於工具裝置以使間隔元件裝置的各個表面與工具裝置的相應表面直接接觸。
[0018]所述軸裝置可基本沿疊層軸向延伸。
[0019]優選地，所述軸裝置配備有螺紋裝置。
[0020]所述間隔元件能接合於所述螺紋裝置。
[0021]所述背板裝置包括能接合於所述軸裝置的螺紋裝置的第二螺紋元件。
[0022]所述換能器疊層通過所述軸裝置的遠端、可選地通過其螺紋裝置安裝於或可安裝於超聲波振動工具裝置。
[0023]所述壓電元件均可包括軸向極化的PZT陶瓷材料環體。
[0024]所述電極裝置均可包括可選地鍍金或鍍銀的金屬環體，優選黃銅環體。
[0025]優選地，所述換能器疊層可選擇地可操作為產生多種超聲波頻率振動模式。[0026]優選地，所述換能器疊層可操作為在至少兩個基本垂直的平面內產生彎曲振動模式。
[0027]優選地，通過選擇性地調節間隔元件裝置的長度、質量和/或縱向布局可調諧所述換能器疊層的振動模式。
[0028]額外地或優選地，通過選擇性地調節背板裝置的長度、質量和/或縱向布局，可選為其第二螺紋元件的長度、質量和/或縱向布局，可調諧所述換能器疊層的振動模式。
[0029]優選地，所述間隔元件裝置、可選地為背板裝置的第二螺紋元件被可選擇地可置換為具有不同尺寸和/或質量的對應元件。
[0030]所述第二螺紋元件可被如此置換同時換能器疊層被保持壓緊在背板裝置與間隔元件裝置之間。
[0031]所述第二螺紋元件可被如此置換同時換能器疊層仍然安裝於工具裝置。
[0032]根據本發明的第二方面，提供了一種可超聲振動工具裝置，包括具有從其延伸出的細長波導裝置的超聲變幅器裝置並且包括安裝於與波導裝置的縱軸偏心的變幅器裝置的換能器疊層裝置，其 中換能器疊層裝置包括上述第一方面所述的換能器疊層。
[0033]所述波導裝置位於遠離帶有末端執行器裝置的變幅器裝置的末端處。
[0034]所述可超聲振動工具裝置包括外科手術工具，可選地為適用於腹腔外科手術方法中的外科手術工具。
[0035]根據本發明的第三方面，提供了一種可超聲振動工具裝置，包括具有從其延伸出的細長波導裝置的超聲變幅器裝置並且包括安裝於與波導裝置的縱軸偏心的變幅器裝置的單個換能器疊層裝置，其中換能器疊層裝置被如此操作從而可選擇地在變幅器裝置和波導裝置中產生具有可選振動模式的超聲波振動。
[0036]優選地，所述可選振動模式包括扭振模式超聲波振動和縱向模式超聲波振動。
[0037]優選地，所述換能器疊層裝置包括上述第一方面所述的換能器疊層。
[0038]所述波導裝置可位於遠離帶有末端執行器裝置的變幅器裝置的末端處。
[0039]所述可超聲振動工具裝置可包括外科手術工具，可選地為適用於腹腔外科手術方法中的外科手術工具。
[0040]所述換能器疊層裝置可操作為在基本平行于波導裝置的平面內以彎曲模式振動，從而在變幅器裝置和波導裝置中產生縱向模式振動。
[0041]所述換能器疊層裝置可操作為在基本垂直于波導裝置的平面內以彎曲模式振動，從而在變幅器裝置和波導裝置中產生扭振模式振動。
[0042]所述換能器疊層裝置優選地可調諧為在變幅器裝置和波導裝置中產生具有期望振動頻率的所選振動模式。
[0043]所述換能器疊層裝置可調諧為在波導裝置中產生具有預選波長的共振扭振模式振動。
[0044]所述波導裝置接著配備有位於所述共振扭振模式振動的節面處的徑向凸起的隔環。
[0045]所述換能器疊層裝置可調諧為在波導裝置中產生共振縱向模式振動，其具有的節面與所述共振扭振模式振動的節面重合併且與所述隔環重合。
[0046]所述隔環適於支撐與其振動隔離的圍繞波導裝置的護罩裝置。[0047]在優選實施例中，所述變幅器裝置配備有兩個或多個運動傳感器裝置，第一個所述傳感器裝置被設置為鄰近于波導裝置限定的縱軸並且第二個所述傳感器裝置鄰近於遠離所述軸的變幅器裝置的周緣。
[0048]所述運動傳感器被如此調適從而在工具裝置的扭振模式振動下來自周緣第二傳感器裝置的信號與來自軸向第一傳感器裝置的信號具有相位差，同時在縱向模式振動下來自每個所述傳感器裝置的信號是同相的。
[0049]所述工具裝置接著配備有適於基於所述信號的差異來區彆扭振模式和縱向模式振動的控制電路裝置。
[0050]所述控制電路裝置將施加於換能器疊層裝置的電壓、電流和/或功率與來自第一和第二傳感器的信號之間的相位差進行比較，二者的最大值基本一致時表示扭振模式共振。
[0051]所述傳感器裝置並且可選地所述控制電路裝置可應用於其它可超聲振動工具裝置。
[0052]根據本發明的第四方面，提供了一種製造適於產生超聲波振動和可安裝於可超聲振動工具裝置的換能器疊層的方法，包括以下步驟:提供多個片狀壓電元件、多個片狀電極裝置、背板裝置和間隔元件裝置的步驟，並且在所述背板裝置與所述間隔元件裝置之間以交替順序將所述壓電元件和電極裝置固定在一起的步驟。
[0053]優選地，所述方法包括如下步驟:提供從所述背板裝置延伸出的細長軸裝置，提供環形的所述壓電元件和環形的所述電極裝置，將所述壓電元件和電極裝置交替地設置在軸裝置周圍，並且將間隔元件裝置如此安裝於軸裝置以使壓電元件和電極裝置被壓緊保持在背板裝置與間隔元件裝置之間。
[0054]優選地，所述軸裝置配備有螺紋裝置，並且間隔元件裝置能與其接合。
[0055]所述背板裝置包括能接合於軸裝置的螺紋裝置的第二螺紋元件裝置。
[0056]所述方法可包括提供所述軸裝置的遠端將換能器疊層安裝於工具裝置的步驟。
[0057]優選地，所述方法包括通過調節間隔元件裝置的長度和/或質量如從其削去材料薄層來調諧換能器疊層以產生期望頻率的振動的步驟。
[0058]額外地或優選地，所述方法可包括通過調節背板裝置的長度和/或質量如從其削去材料薄層來調諧換能器疊層以產生期望頻率的振動的步驟。
[0059]所述方法接著包括調節背板裝置的第二螺紋元件的長度和/或質量。
[0060]所述方法包括卸除第二螺紋元件從而調節其長度和/或質量，並且再連接上它。
[0061]可選地，所述方法可包括調節第二螺紋元件的長度和/或質量而不首先卸除它。
[0062]在本發明公開內容的一個實施例中，提供了包括具有第一直徑的變幅器的換能器；具有第三直徑並且包括多個環的換能器疊層；以及被設置為鄰近於換能器疊層的背板；其中螺紋元件被設置在變幅器與換能器疊層之間從而能夠選擇性地進行換能器的扭振調諧調節。
[0063]在本發明公開內容的另一實施例中，提供了一種調諧換能器的方法，包括將螺紋元件設置在變幅器與換能器疊層之間；並且選擇性地基於螺紋元件的定位對換能器進行扭振調諧調節；其中變幅器具有第一直徑，螺紋元件具有第二直徑，換能器疊層具有第三直徑，其包括多個環且被設置為鄰近於背板。[0064]在本發明公開內容的另一實施例中，提供了一種製造換能器的方法，包括將螺紋元件設置在變幅器與換能器疊層之間；並且選擇性地基於螺紋元件的定位對換能器進行扭振調諧調節；其中變幅器具有第一直徑，螺紋元件具有第二直徑，換能器疊層具有第三直徑，其包括多個環且被設置為鄰近於背板。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0065]現在通過示例參照附圖更特定地描述本發明的實施例，其中:
[0066]圖1A為體現本發明的、具有便於與變幅器頻率匹配的擴展疊層的扭振模式換能器的不意圖；
[0067]圖1B為體現本發明的、具有擴展疊層的扭振模式換能器的示意圖，其中擴展疊層帶有位於錐形孔內的螺紋套筒(threaded spigot)；
[0068]圖1C為示出換能器的臨界尺寸的扭振模式換能器的示意圖，其中換能器帶有主部件從其加工的外接圓柱；
[0069]圖2為體現本發明的扭振模式換能器的軸向示意圖；
[0070]圖3為體現本發明的、彎曲疊層位移與扭振變幅器位移之間幾何關係的示意圖；
[0071]圖4為體現本發明的、連接于波導的扭振模式換能器的示意圖，示出了位移幅度分布；
[0072]圖4A為體現本發明的、圖4中扭振模式換能器的末端執行器的細節示意圖；
[0073]圖5為體現本發明的、連接于波導的縱向模式換能器的示意圖，示出了位移幅度分布；
[0074]圖6為體現本發明的、處於扭振模式波導構型中的曲形末端執行器的軸向示意圖；
[0075]圖7為體現本發明的、圖6中扭振模式波導構型中的曲形末端執行器的軸測示意圖；
[0076]圖8A為體現本發明的、扭振模式波導構型中的焊機末端執行器的軸測示意圖；
[0077]圖8B為體現本發明的另一末端執行器的遠端的前視圖；
[0078]圖9為體現本發明的、扭振模式波導構型的波導、護罩和鉸接夾頭的示意圖；
[0079]圖10AU0B和IOC為體現本發明的圖9的夾頭構型的示意圖；
[0080]圖11為體現本發明的、用於扭振模式超聲波發生器的控制和電源電路的第一實施例的方框圖；
[0081]圖12為體現本發明的、用於扭振模式超聲波發生器的控制和電源電路的第二實施例的方框圖；
[0082]圖13為根據本發明公開內容的帶有擴展疊層的扭振模式換能器的另一實施例，其中擴展疊層帶有兩個螺紋套筒，一個位於螺紋軸近端處，另一個位於螺紋軸遠端處。
【具體實施方式】
[0083]現在參照附圖詳述根據本發明公開內容通過使用扭振模式激勵用於切割組織的系統和方法。
[0084]儘管容易對本發明公開的實施例進行各種改進和可選構造，附圖中已經示出了某些實施例並且下面將詳述。但是應當了解，並非意圖用公開的特定形式限制本發明的公開內容，相反，實施例意圖涵蓋所有改進、可選構造和等價物，都在權利要求限定的本發明公開內容的精神和範圍內。
[0085]通過下面結合形成公開內容一部分的附圖對公開內容的詳述將更容易理解本發明的公開內容。要了解，此處的公開內容並非對此處描述和/或示出的特定設備、方法、條件或參數的限定，並且此處使用的術語是為了僅通過示例描述特定實施例，而非對所稱主題名稱的限定。
[0086]本發明提出利用扭振超聲來有效地將振動能量傳至軟組織。不像其它超聲波工具，示例性實施例的外科手術工具將強大的壓縮能量導入目標組織，實現可靠的血凝結和快速切割。遠離這些壓縮溝槽僅存在相對較少的有效摩擦能量。通過精細拋光工藝進一步最小化了該能量，所述工藝降低了把多餘的能量傳至要害結構中的危險並且顯著地減少了低增益的疲勞致損的可能性。示例性實施例的外科手術工具將壓縮能量導入目標組織。能量傳遞的很快，使組織蛋白變性並迅速形成血凝結。同時當外科手術工具的夾頭閉合時中心刀片切穿組織。結果就是快速和有效的止血切割。
[0087]本發明的公開內容還提出了強調扭振模式系統勝於常規縱向擴展設備的主要優點。本發明的公開內容還指出引入特定開流(opening issues)的扭振解剖系統的特徵。
[0088]例如，扭振模式傳輸跟縱向模式傳輸相比具有若干優點。這些優點包括但不局限於以下:在橫波傳輸(shear wave transmission)中與橫截面變化相關的運動增益大於在等效的壓縮波傳輸中與橫截面變化相關的運動增益。扭振模式聚能器(concentrators)的分析揭示了取決於與沿變換元件的截面變化有關的慣性力矩的增量。相反，壓縮波傳輸與隨著截面積變化的線性力改變有關。這種考慮導致用於縱向模式分級變換器的運動增益公式被限定為輸入與輸出截面之間直徑比的平方，並且用於橫波等效物的公式被限定為該直徑比的立方。該特徵與橫波系統相對於壓縮波等效物(compression wave equivalents)的增大的Q和阻抗變換率是一致的。因此，調至共振就需要更精密的發生器電路和能夠辨別各個嚴格限定的共振特徵的調諧算法。
[0089]縱向模式與扭振模式系統之間的另一區別特徵涉及換能器設計。換能器設計針對特定的模式。經典的朗之萬夾心換能器通常用於在縱向模式系統中產生和維持壓縮波。相反，切向地連接於換能器疊層的模式轉換變幅器被構造為從變幅器的窄端產生扭振輸出。換能器疊層以選定的彎曲模式被驅動從而在變幅器內產生扭振模式。可選的彎曲疊層導致來自模式轉換器的基本縱向輸出。因此，在任何情形下純扭振模式或縱向模式取決於連接在變幅器輸出處的波導的設計。運行頻率通常導致波導掃描若干個波長的諧波模式(overtone modes)。變幅器與換能器疊層之間的關係導致振蕩系統易於使得變幅器和波導組件中發生的橫模(transverse modes)複雜化。需要謹慎和精確地控制驅動頻率從而通過發生器頻率/模式控制電路來激發正確模式和鎖定正確模式。下面模式的示例性實施例示出了如何控制驅動頻率以微調共振特徵以及如何激發用於外科手術工具的優選模式。
[0090]下面將參照附圖描述實施例。附圖僅為示例而非對本發明公開內容範圍的限定。
[0091] 參照圖1A，呈現根據本發明公開內容的具有便於頻率與變幅器匹配的擴展疊層的扭振模式換能器的示意圖。
[0092]圖1A的扭振模式換能器10包括變幅器12、螺紋元件14、陶瓷環16、電極18、背板20、第一傳感器22和第二傳感器24。背板20的長度X被指定為26，並且螺紋元件14的長度Y被指定為28。
[0093]在本發明公開內容的示例性實施例中，換能器10能夠產生縱向振動或純扭振波。換能器10包括換能器疊層，其具有被鍍銀或鍍金的黃銅電極(brass electrodes) 18分隔開的多個軸向極化的PZT陶瓷環16並且通過帶套筒背板20連接於換能器10的切面，帶套筒背板20具有位於錐形孔34內的螺紋套筒32 (如圖1B所示)。
[0094]此外，圖1A示出至少兩個壓電傳感器，位於變幅器12上的第一傳感器22和第二傳感器24。傳感器22和24被如此設置以使它們選擇性地響應於扭振和縱向變幅器模式。在前者中，來自每個壓電傳感器22、24的波形將根據扭振位移變化產生相移，從處於最小值的變幅器傳感器移至處於最大值的周緣。在存在縱向模式的情形下，兩個傳感器都經歷變幅器端面的相同擴展位移，從所述壓電傳感器產生同相(in-phase)輸出。下面將進一步參照圖11描述傳感器22、24的特定操作。
[0095]此外，螺紋元件14可被指定為任何長度28。螺紋元件14的長度28可基於多個因素變化，例如但不局限於變幅器12的材料和換能器10的一個或多個部件(如變幅器12，疊層組件和/或波導56)的自然共振頻率。螺紋元件14可根據期望的應用在數毫米至20mm之間變化。螺紋元件14的長度28影響變幅器12的輸出。換句話說，通過改變螺紋元件14的長度28，本領域技術人員可製作期望的振動或波(如扭振波，純扭振波，縱波，彎曲模式波或這些波的組合)。此外，背板20的長度26可根據期望的應用在數毫米至20mm之間變化並且還可影響由變幅器12產生的波的類型。優選地，螺紋元件14的長度28越小，期望激勵或模式實現得越好。例如，螺紋元件14的長度28可在2-10mm的範圍內。[0096]再者，螺紋元件14的插入使得能夠實現純扭振模式最優化為變幅器12的輸出並且實現將外科手術工具/設備微調為使用者所需規格的精確方法。此外，螺紋元件14可在換能器10組裝之前或之後(隨後)被調節為外部設備(例如諸如下面參照圖4和5模式的波導56)。此外，螺紋元件14可具有多種不同的統一或不統一的形狀。附圖中的圓柱形僅為示例性的。
[0097]因此，根據圖1A，驅動頻率可被控制為微調共振特徵並且通過在換能器10的變幅器12與換能器疊層之間添加螺紋元件14來激發用於外科手術工具的期望模式。此外，圖1A限定了用於改變疊層組件特性的裝置，疊層組件特性又限定了變幅器12的模態性能。通過在疊層組件的每個末端處提供或實現該調諧裝置來增強優化來自換能器10的扭振輸出的能力。
[0098]參照圖1B，呈現根據本發明公開內容的具有擴展疊層的扭振模式換能器的示意圖，其中疊層帶有位於錐形孔內的螺紋套筒。
[0099]扭振模式換能器11基本類似於扭振模式換能器10，因此此處僅在需要區別構造和/或使用差異的程度上討論。圖1B的扭振模式換能器11包括變幅器12、螺紋元件14、陶瓷環16、電極18、背板20、第一傳感器22和第二傳感器24。此外，換能器11包括位於錐形孔34內的螺紋套筒32。
[0100]如圖1A所示，換能器疊層/組件包括插入換能器疊層與變幅器12之間的螺紋元件14。如圖1B所示，為利於螺紋元件14連接於變幅器12，將套筒32延長以配合螺紋元件14的連接。該特徵使得能夠通過在連接於變幅器12之前通過調節換能器疊層的整體長度來調諧包括螺紋元件14的完整疊層的共振性能。螺紋元件14的截面可朝其遠端平行或漸窄。優選變幅器12為錐形變幅器。
[0101]參照圖1C，呈現了示出換能器的臨界尺寸的扭振模式換能器的示意圖，其中換能器帶有主部件從其加工的外接圓柱。
[0102]扭振模式換能器13包括位於背板20與柱面31之間的疊層組件21。該疊層組件21通過安裝於一個切面上的鄰接部件37與柱面31相接，所述切面通過加工圖1C的外接柱面31的陰影區域形成。圖1C和圖2 (如下所述)示出尺寸界定的換能器13、15。圖1C限定了外接表面31，外接表面31設定了疊層組件21的切向安裝平面。疊層組件21經過角度Θ (圖3中稱為44)的彎曲旋轉產生了圍繞變幅器軸O的力矩，因而驅動變幅器12進入扭振模式。
[0103]參照圖2，呈現了扭振模式換能器的軸向示意圖。
[0104]扭振模式換能器15包括用于波導連接的螺孔34。此外，換能器15包括指數曲線型變細表面(exponential tapering surface)36、圓柱形極端38、鄰近於變幅器12的圓柱形隔離法蘭33、陰影區域35和鄰接部件37。
[0105]變幅器12加工有指數曲線型變細表面36並且被圓柱形隔離法蘭33所中斷，其中指數曲線型變細表面36被切向地切割為外切柱面31 (參見圖1C)。此外，疊層組件21 (參見圖1C)位於變幅器12附近，這樣其圓柱體極端38與變幅器12的切面的外極端重合併且與陰影區域35所示的內極端重疊。
[0106]參照圖3，呈現根據本發明公開內容的彎曲疊層位移與扭振變幅器位移之間幾何關係的不意圖；
[0107]圖3的幾何關係40示出疊層位移42和被指定為44的角度Θ。
[0108]具有疊層組件的換能器10位於變幅器12上，這樣其圓柱形極端與變幅器12切面的外極端重合。精密地選擇疊層直徑d』、近端變幅器有效直徑d和外接直徑D之間的關係從而產生期望振動模式和共振頻率。
[0109]如圖3所示,疊層組件內彎曲模式位移引起近端變幅器體(proximal horn mass)的旋轉運動。當d』 >d/2時該模式是可能的，這樣比使用d』 ?d/2的常規軸向模式疊層的換能器設計更為緊湊。圖3示出的幾何形狀控制疊層位移42傳至變幅器12。限定了將彎曲位移Ft以角度Θ 44分解到安裝平面的分解分量的等式為:
[0110]T=FtCos Θ.l=l/2FTcos (arctan ((d_d，) /d)).(d2+(d_d，)2)1/2。[0111]用於最優緊湊型換能器操作的d』/D比值的臨界選擇(Critical selection)被限定為0.45〈d』/D〈0.55 ;優選0.482 ;並且用於普通(軸向模式疊層)操作，0.3〈d』/D〈0.4 ;優選0.333。通過臨界選擇變幅器12的長度、連接部件52的直徑(如圖4和5所示)以及波導56的尺寸(如圖4和5所示)，在任一種情形下都可建立扭振共振。
[0112]參照圖4，呈現根據本發明公開內容的連接于波導的扭振模式換能器的示意圖，示出了位移幅度分布。
[0113]換能器/波導構造50包括參照圖1A描述的上述扭振模式換能器10。換能器/波導構造50還包括連接部件52、第一節面54、波導56、第二節面58、套管60、第三節面62、第三節面64和末端執行器66。末端執行器66描繪了波導68的一部分和遠梢端70。箭頭80不出波導56的扭振運動。[0114]圖4還描繪了示出換能器/波導構造50被致動時產生的透射波的曲線71。在變幅器12與連接部件52之間產生半波長72。在第一節面54與第二節面58之間也產生半波長74。在最後兩個節面64與62之間也產生半波長74。在第四節面64與末端執行器66的遠梢端70之間產生四分之一波長76。注意到，波導的中部被省略以避免重複，但典型地可為7或8個波長。圖4還描繪了示出疊層彎曲效應的曲線51 (下面將描述)。
[0115]此外，波導56由在共振頻率下用於橫波傳播的整數個半波長構成。通過局部增加與節面54、58、62、64相合的直徑來實現波導隔離，這將在塑料襯裡的套管60與波導56的放射區域(active regions)之間產生間隙。
[0116]此外，波導可以是具有近端和遠端的細長軸。此外，遠端可被分為一個或多個部段。例如，參照圖6-8B，遠端可被分為三個部段。第一部段可具有第一寬度和第一長度，第二部段可具有第二寬度和第二長度，並且第三部段可具有第三寬度和第三長度，其中第一、第二和第三寬度可彼此相同或各異。第一部段可作為末端執行器，第二部段可作為連接部段，並且第三部段可作為細長軸的遠端的梢端部/刀片部。末端執行器可為圖4所示的具有雙槽的曲形刀片的元件70。
[0117]參照圖4A，呈現根據本發明公開內容的圖4中扭振模式換能器的末端執行器的細節示意圖。該細節示意圖示出遠梢端70的形狀，被描繪為雙槽構造。當然，本領域技術人員可設計多種不同的遠梢端構造來實現縱向和/或扭振激勵。
[0118]參照圖5，呈現了本發明公開內容的連接于波導的縱向模式換能器的示意圖，示出位移幅度分布。
[0119]換能器90基本類似於扭振模式換能器50，因此此處僅在需要區別構造和/或使用差異的程度上討論。換能器90具有的傳輸波曲線與圖4中所示的相同。曲線91示出在致動換能器/波導構造90時產生的傳輸波。在變幅器12內產生半波長92。在第一節面54與第二節面58之間產生半波長94。在第三節面62與第四節面64之間也產生半波長94。在第四節面64與末端執行器66的遠梢端70之間產生四分之一波長96。圖5還描繪了示出疊層彎曲效應的曲線95 (如下所述)。
[0120]在如圖5所示的可選示例性實施例中，換能器疊層組件以變化彎曲模式被致動，使得背板20的端面82如箭頭84所示沿縱向偏轉。該疊層運動以與變幅器12和相連接的波導56內的壓縮波傳播一致的頻率在變幅器12內產生縱向模式。縱向共振的頻率與設計的扭振模式頻率的關係如以公式所示:FtOT/Flmg=G/E，其中G為剪切模量，並且E為用於變幅器12和波導材料的楊氏模量。
[0121]這些特徵(即螺紋元件14結合入換能器10和節面54、58、62、64)使得外科手術工具可選地以縱向模式或扭振模式被驅動，這就可能產生有效位移增大的遠端長度，優點就是不需要額外的換能器疊層連接於變幅器的近端面以形成縱向位移，如同Young andYoung在關於雙模式應用 的英國專利GB2438679中教導的那樣。此外，加工在波導56上的節突或節面54、58、62、64提供了將波導56與安裝管160聲隔離的簡單裝置，這使得能夠以協作的鉸接夾頭182展開扭振/縱向共振(參見圖9)。
[0122]在圖4和圖5中，換能器構造50、90能夠在連接於變幅器12窄端的調諧的多個半波杆系統中產生縱向或扭振共振。圖4和5示出在垂直平面內兩個彎曲疊加模式的相對效果，如曲線51、71、91、95所示。特別地，曲線51和95示出在YZ平面內疊層彎曲的效果，其在變幅器12和波導56內產生扭振模式。當在不同頻率下在圖5的XY平面內激勵彎曲時，輸出為縱向的。圖4和5還示出在不同頻率下交替地產生兩個不同模式的潛在可能，所述頻率被選擇為以多個一致的節面54、58、62、64產生扭振和縱向波長。調諧疊層組件的能力使得本領域技術人員能夠優化縱向或扭振輸出並且將其與適當轉換的雙頻發電機結合(參照圖11和12如下所述)。
[0123]基本上，疊層組件和變幅器12確定振動模式，並且通過將波導長度調節為包括在一個或多個指定頻率下的多個半波長來將波導56調諧為以特定模式共振。此外，曲線51示出在變幅器12內產生旋轉模式的疊加模式，在波導56內形成扭振共振，如箭頭71和80所示。變幅器12通常體現為在兩個末端處帶有波腹的半波長。
[0124]此外,節面54、58、62、64被構建為共振位移圖案的一部分並且用於通過在波導56上結合局部節突來提供機械隔離。這就在波導56與塑料套管襯墊之間產生間隙(參見圖9)。圖4和5都用於示出疊加彎曲模式(平面XY縱向和YX扭振)與波導模式之間的關係。圖4示出扭振系統，同時圖5示出縱向系統。波導56中僅有的區別在於壓縮半波長大於扭振半波長，因為給定材料的壓縮波速度大於橫波速度。
[0125]Young and Young的現有技術GB2423931教導了扭振模式解剖器的使用，其帶有從遠梢端直接變窄的曲形遠端執行器並且帶有朝近刀片端僅相對較短的聚焦槽。缺少遠端聚焦槽減少了曲形刀片梢端的凝結效率，儘管能夠具有某些側向組織粘結能力。
[0126]圖6和7所述的示例性實施例的目的之一是形成帶有全部遠端聚焦特徵的扭振模式曲形端部執行器100、130。將同時描述圖6和7。
[0127]圖6示出根據本發明公開內容的曲形端部執行器100，其包括三個遠端波導區域；部段Wo的近端第一部分102，其可連接於圖4限定的扭振波導和換能器；從隔離節突122穿過四分之一波長波腹/反節階梯(quarter wave ant1-nodal step) 124延伸至部段Ws的第一遠端節點階梯126的半波長第二遠端部段；以及從遠端階梯126延伸至部段W1的扭振刀片梢端128的第三遠端四分之一波長區域。該第三部段體現為雙槽聚焦區域114，類似於圖4A所示並且限定了遠端刀片的長度(extent)。
[0128]末端執行器波形如圖6中101所示，其中第二執行器區域的長度Z被示為半波長，帶有在波腹/反節階梯124處終止的初始長度X，116。
[0129]波腹階梯具有增幅為零的特性,其與增節階梯(nodal gain step)126結合就能夠控制曲形刀片區域114內的臨界扭振位移振幅。
[0130]本發明公開內容的示例性實施例的另一目的在於最小化由與曲形執行器刀片相關的軸向偏移量的慣性效應產生的橫向模式，該偏移量在圖6中從波導軸偏移了距離112。明顯地，通過減小遠端刀片部段114相對輸入部段Wo 102的直徑，可減少產生不期望的橫向模式的慣性矩。
[0131]滿 足該標準的限制由以下不等式表示:1.0。包括零增益波腹階梯124使得本領域技術人員能夠通過依靠126處的振幅增益將峰值遠端刀片振幅限制為200微米。節點扭振增益由如下公式表示:增益，K=(WsziW1)^上述條件使得刀片曲率和峰值位移振幅能夠滿足合格的止血組織解剖的操作標準。刀片曲率被控制為使得遠梢端被限制為位於被部段Wo在106處限定的圓柱形封套內。
[0132]波導部段階梯在124、126處的尺寸和圖6中沿Y的部段118中的任何非線性變化明顯地能獨立地變化從而控制波導的輸出特性，允許在最小的有害橫向模式下實現高的旋轉振幅。要注意，上述公式僅為示例性限定而非對本發明公開內容的更廣泛應用限定範圍。
[0133]圖8A和SB本發明公開內容的其它方面的示意圖，意圖在涉及作為端點目標的組織粘結的特定外科步驟中最優化貫穿本發明公開內容所稱的扭振模式換能器、波導和末端執行器系統的使用和效率。在該功能中，強調將能量集中於目標組織如特定的大血管的端部執行器結構的元件，同時改變那些促進組織分離從而延長或阻止該步驟的特徵的細節。
[0134]圖8A示出在節階梯平面134處連接于波導142的焊機末端執行器140。根據前述的原理，在所述節階梯處的部段變化產生了充分的扭振振幅增益，以使組織接觸面136能夠將能量導入目標血管組織。圖8B示出端部執行器刀片136的適宜輪廓，其基本為平面的但如圖所示可在中央脊，形成在脊部145會合的傾斜面148a和148b。表面36可接近由圖SB中波導軸146限定的端部執行器的徑面。
[0135]扭振模式激勵在面148a和148b中的位移振幅在周緣處最大並且沿中央脊145較小。該特性產生傳播入接觸組織的聚焦超聲波，所述脊的每側都產生強力粘結。與脊145有關的低能量僅產生緩慢的組織分離效果，延遲了切割並且確保在鄰近面148a和148b的目標血管中的完全止血組織粘合。[0136]通過對扭振換能器使用脈衝模式電驅動來進一步放慢切割。下面參照圖11和12描述發電機。通過提供連接於保護罩(還罩住夾頭鉸接系統)的協作鉸接夾頭，極大地增強了超聲致動的解剖器和例如上述的粘結器的操作。下面參照圖9和10更全面地示出。
[0137]參照圖9，呈現體現本發明的扭振模式波導構型的波導、護罩和鉸接夾頭的示意圖。
[0138]扭振模式波導構造150包括一個或多個襯墊152，隔離部件154，波導軸線156，波導158，同心管160、鎖定部件162，軸向示出的套筒164，窩球166，外表面168，管邊緣170，間隙172，夾頭182的頂部174，夾緊結構176，夾頭182的第一內部178以及夾頭182的第二內部180。
[0139]在如圖9、10A、10B和IOC所示的本發明公開內容的另一示例性實施例中，描述了含有波導、協作夾頭、保護性外殼和聲隔離系統的扭振模式解剖器頭。
[0140]圖9示出超聲波組織解剖器的遠端部。夾頭182永久性地連接於窩球166和夾緊結構176，從而使得夾頭182在平行于波導軸156的平面內旋轉。本發明的公開內容可使夾頭182可卸除地安裝於被支撐在套筒164上的接合於鎖定部件162內的窩球166上。通過擴張間隙172直至套筒164的分離足以使它們接合於具有窩球166的鎖定部件162內來實現夾頭182的連接。
[0141]因此，扭振模式波導構造150與常規技術相比的另一優點在於將波導158與系統的被動元件(passive elements)聲隔離的方法,其由同心管160以及一個或多個襯墊152來實現。
[0142]參照圖10A、10B和10C，呈現根據本發明公開內容的夾頭構造的示意圖。
[0143]夾頭構造200基本類似於圖9的夾頭部184並且因此此處僅在需要區別構造和/或使用差異的程度上討論。夾頭構造200還包括一對樞軸部件202和一對容納部件204。
[0144]圖1OA僅示出樞軸部件202是如何固定於圖1OB的容納部件204的。圖1OC僅示出間隙172是如何分離夾頭構造200的末端從而在套筒164、窩球166與鎖定部件162之間提供連結機構。
[0145]參照圖11，呈現根據本發明公開內容用於扭振模式超聲波發生器的控制和電源電路的第一實施例的方框圖。
[0146]方框圖220包括第一隔離模塊222，信號調節模塊224，數位化模塊226，軟體算法模塊228，DDS信號發生器模塊230，功率放大器模塊232，第二隔離模塊234，電流傳感器模塊250，功率傳感器模塊260和振幅傳感器模塊270。電流傳感器模塊250、功率傳感器模塊260和振幅傳感器模塊270可被統稱為輸出換能器240。
[0147]—般地，發電機具有驅動如圖1-8所示的扭振模式系統的能力。例如，處理器控制的DDS (direct digital synthesis,直接數字合成)晶片230可驅動通過轉換器和阻抗匹配感應器250，260，270耦合於扭振模式換能器240的開關模式功率放大器232。匹配電路含有電流和電壓監控部件並且包括適宜的隔離電路222、234，如圖11所示。
[0148]為確保正確的模式選擇，在寬頻掃描期間對比來自電流和位移監控電路250、260、270的輸出信號。使用安裝在變幅器12上的壓電陶瓷傳感器5和6監控換能器位移幅值270，如圖1和2所示。當換能器為扭振共振時，來自位於變幅器軸上的傳感器22的信號獨特地產生最小輸出。在扭振共振時來自傳感器24的輸出最大。相比而言，當變幅器12處於縱向共振時，來自每個傳感器22、24的輸出最大。
[0149]參照圖12，呈現根據本發明公開內容的用於扭振模式超聲波發生器的控制和電源電路的第二實施例的方框圖。
[0150]方框圖300包括輸出換能器302，傳感器304，電流傳感器310，功率傳感器320，振幅傳感器330，算法340，第一輸出342，第二輸出344和驅動功率信號346。
[0151]用於扭振模式超聲波發生器300的控制和電源電路的第二實施例的主要意義在於反映了當發生器頻率經過扭振共振時換能器的電流變化。通過對比這些結果，必然可能檢測到扭振共振。明顯地，電流振幅信號都可用作實現共振控制的手段。但是，通過使用即時負載電流和電壓以計算即時功率可得到更有用的結果。此外，隨後可寫下調諧算式以選擇與最大功率相符的共振並且可寫下用於粗調和微調特性的控制環算式。
[0152]參照圖13，呈現根據本發明公開內容的帶有擴展疊層的扭振模式換能器的另一實施例，其中擴展疊層帶有兩個螺紋套筒，一個位於螺紋軸近端處，另一個位於螺紋軸遠端處。
[0153]扭振模式換能器400基本類似於圖2所示的扭振模式換能器11，因此此處僅在需要區別構造和/或使用差異的程度上討論。圖13的扭振模式換能器400包括變幅器12，螺紋元件14，陶瓷環16，電極18，背板20，第一傳感器22和第二傳感器24。換能器400還包括位於錐形孔34內的螺紋套筒32。此外，與圖2相比，換能器400包括位於螺紋軸420遠端上的第二螺紋套筒410。
[0154]在該示例性可選實施例中，螺紋軸420在其近端和遠端處配備有可緊固套筒32、410 (或螺母)。這就使得疊層組件被進 一步壓緊同時仍然安裝於變幅器12。此外，人們可使用疊層組件自由端處的可置換套筒/螺母32、410，其具有不同尺寸和質量，質量的變化使得人們能夠調諧疊層組件產生的共振頻率。在現有疊層中，人們只是創建一個疊層，接著檢查它碰巧能夠產生多少頻率並且通過更換套筒/螺母32來進行調諧，但這不那麼方便，因為需要將疊層組件與變幅器12分開才能取用螺母32。相反，帶有相反套筒32、410的螺紋軸420使得組裝和製造都更方便快捷。
[0155]總之，微調共振需要更嚴格精密的發生器電路並且調諧算式能夠區分清晰的共振特徵。示例性實施例為外科手術工具的一個或多個部件的共振特性提供了有效的微調，從而選擇性地提供了純扭振振動/波和/或/縱向振動和/或彎曲振動/波。
[0156]應當了解，所示實施例僅為示例性的，並且存在換能器/波導組件的多個其它構造。因此，所示和所述實施例並非意圖將本發明主題名稱的範圍限定為這些實施例。
[0157]應當了解，此處描述的換能器/波導設備可在此處描述的實施方式之外的多種應用中結合使用。例如，此處描述的換能器/波導可與其他已知的換能器/波導設備協同使用。此處描述的換能器/波導設備也可用於非人類應用。
[0158]本發明的公開內容也包括計算機可讀介質的其它實施例，該介質存儲用於實現本發明公開內容所述方法的可編程指令，其被構造為被至少一個處理器執行。該計算機可讀介質可包括快閃記憶體、CD-ROM、硬碟驅動器等。
[0159]應當了解，以上公開的變化和其它特徵和功能或其可選方式優選地併入其它不同系統或應用。隨後本領域技術人員可作出現在無法預測或預期的多種可選方式、改進、改變或擴展，這都意圖包括在所附權利要求內。權利要求包括硬體、軟體或其組合的實施例。
[0160]雖然已經參照附圖描述了本發明公開內容的示例性實施例，應當了解公開內容不局限於這些精確的實施例，並且本領域技術人員可進行多種其它改變和改進而不脫離公開內容的範圍和精神。
[0161]本領域技術人員在本發明此處和上述公開內容的教導下可對其進行改進。這些改進被解釋為位於所附權利要求限定的本發明公開內容的範圍內。
【權利要求】
1.一種可超聲振動工具裝置，包括具有從其延伸出的細長波導裝置的超聲變幅器裝置，並且包括偏心于波導裝置的縱軸安裝於變幅器裝置的單個換能器疊層裝置，其中，換能器疊層裝置被如此操作從而可選擇地在變幅器裝置和波導裝置中產生具有可選振動模式的超聲波振動。
2.如權利要求1所述的可超聲振動工具裝置，其中所述可選振動模式包括扭振模式超聲波振動和縱向模式超聲波振動。
3.如權利要求1或2所述的可超聲振動工具裝置，包括外科手術工具，可選地為適用於腹腔外科手術方法中的外科手術工具。
4.如權利要求1-3中任意一項所述的可超聲振動工具裝置，其中換能器疊層裝置可操作為在基本平行于波導裝置的平面內以彎曲模式振動，從而在變幅器裝置和波導裝置中產生縱向模式振動。
5.如權利要求1-4中任意一項所述的可超聲振動工具裝置，其中換能器疊層裝置可操作為在基本垂直于波導裝置的平面內以彎曲模式振動，從而在變幅器裝置和波導裝置中產生扭振模式振動。
6.如權利要求1-5中任意一項所述的可超聲振動工具裝置，其中換能器疊層裝置可調諧為在變幅器裝置和波導裝置中產生具有期望振動頻率的所選振動模式。
7.如權利要求1-6中任意一項所述的可超聲振動工具裝置，其中換能器疊層裝置可如此調諧為在波導裝置中產生具有預選波長的共振扭振模式振動。
8.如權利要求7所述的可超聲振動工具裝置，其中波導裝置配備有位於所述共振扭振模式振動的節面處的徑向凸起的隔環。
9.如權利要求8所述的可超聲振動工具裝置，其中換能器疊層裝置可調諧為在波導裝置中產生共振縱向模式振動，其具有的節面與所述共振扭振模式振動的節面一致並且與所述隔環一致。
10.如權利要求8或9所述的可超聲振動工具裝置，其中所述隔環適於支撐圍繞波導裝置的護罩裝置，其與其中的振動基本隔離。
11.如權利要求1-10中任意一項所述的可超聲振動工具裝置，其中變幅器裝置配備有兩個或更多個運動傳感器裝置，第一個所述傳感器裝置被設置為鄰近于波導裝置所限定的縱軸，並且第二個所述傳感器裝置鄰近於遠離所述軸線的變幅器裝置周緣。
12.如權利要求11所述的可超聲振動工具裝置，其中所述運動傳感器適合於使得在所述工具裝置的扭振模式振動下來自第二周緣傳感器裝置的信號與來自第一軸向傳感器裝置的信號具有相位差，同時在縱向模式振動下來自每個所述傳感器裝置的信號是同相的。
13.如權利要求12所述的可超聲振動工具裝置，配備有控制電路裝置，所述控制電路裝置適於基於所述信號之間的差異來區彆扭振模式和縱向模式振動。
14.如權利要求13所述的可超聲振動工具裝置，其中控制電路裝置將施加於換能器疊層裝置的電壓、電流和/或功率與來自第一和第二傳感器的信號之間的相位差進行比較，二者的最大值基本一致時表不扭振模式共振。
【文檔編號】A61B17/32GK103908321SQ201410015485
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2009年5月21日 優先權日:2008年5月21日
【發明者】J·A·斯利普斯岑科, M·J·伊德, S·M·R·揚 申請人:Sra發展公司