專利名稱：超聲骨骼切割儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于外科手術(shù)醫(yī)療器械領(lǐng)域，特點(diǎn)涉及超聲骨骼切割儀的改良設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
外科上與骨骼切割有關(guān)的手術(shù)基本上有兩類(lèi)一類(lèi)是為達(dá)到實(shí)施手術(shù)的區(qū)域而進(jìn)行骨骼的切割，如各種脊柱手術(shù)需要切開(kāi)椎板等；另一類(lèi)為各種骨組織整形修復(fù)，如骨科的矯形，面額骨整形等，這些場(chǎng)合都要用到骨骼的切割。目前骨科臨床手術(shù)中使用的切割方法主要是傳統(tǒng)的方法，如使用咬骨鉗、電鋸、電鉆和氣動(dòng)工具等進(jìn)行切割。電動(dòng)、氣動(dòng)工具切削骨骼組織效率高，但有很多負(fù)面的影響，如孔面不均勻，有裂隙和小的斷裂碎片，骨組織易壞死，軸向切割力大，手術(shù)中有可能傷及患者手術(shù)部位周?chē)纳窠?jīng)組織，手術(shù)切割范圍大，安全性差，患者損失大，恢復(fù)慢，醫(yī)生勞動(dòng)量大，難以進(jìn)行精細(xì)手術(shù)。咬骨鉗比電鋸安全，易于操作，但是手術(shù)時(shí)間長(zhǎng)，效率低。
本申請(qǐng)人已公開(kāi)了一種超聲骨骼切割儀(專利號(hào)98206710.0)，其結(jié)構(gòu)包括主機(jī)和手柄兩部分，主機(jī)包括信號(hào)發(fā)生器及功率放大器。手柄由依次連接形成一體的換能器、變幅桿和刀具組成，該換能器由一組縱向極化壓電片組成，刀具端部刀齒采用立刃式結(jié)構(gòu)。該電源與換能器相連，使換能器產(chǎn)生單一縱向超聲振動(dòng)并通過(guò)變幅桿傳遞給刀具端部刀齒，施行骨骼切割手術(shù)。這種超聲骨骼切割刀具有較高的操作安全性和精確性，很適合如椎間盤(pán)突出、骨瘤等重要精細(xì)手術(shù)，具有選擇性碎裂、損傷小、切面整齊、出血量低等優(yōu)點(diǎn)。但其采用的單一縱振動(dòng)切割方式在骨骼上開(kāi)寬槽或者在磨骨時(shí)效率還可進(jìn)一步提高。且其刀具采用的簡(jiǎn)單的鋸齒刀的齒形不利于排屑，特別是對(duì)于切槽為封閉型的情況。切割過(guò)程產(chǎn)生的切屑積累，會(huì)影響切割的效率。
現(xiàn)有的超聲骨骼切割刀以空載設(shè)計(jì)為主，優(yōu)化目標(biāo)是振幅比、形狀因素等。但是空載性能在有負(fù)載的條件下會(huì)發(fā)生變化。且振幅比或形狀因素只是表象參數(shù)，不能反應(yīng)切割破壞骨組織的作用本質(zhì)。按照空載振幅比最大設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)系統(tǒng)接觸較大載荷后，輸出振幅就劇烈下降，降低了切割能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要克服傳統(tǒng)超聲手術(shù)儀的不足，提供一種新型的超聲骨骼切割儀，可在刀具頭部產(chǎn)生復(fù)合振動(dòng)，使切割效率和切割的骨骼組織硬度提高2倍以上，且刀齒形狀有利于通暢排屑，可進(jìn)行精確切割。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種超聲骨骼切割儀，主要包括主機(jī)和手柄兩部分，該手柄由依次連接形成一體的換能器、變幅桿和刀具組成，主機(jī)由信號(hào)發(fā)生器及功率放大器構(gòu)成；其特征在于，該換能器由一組縱向極化壓電片和一組切向極化壓電片組成復(fù)合振動(dòng)換能器，該主機(jī)通過(guò)電纜與該換能器相連接。
本發(fā)明還可包括冷卻裝置，該冷卻裝置與冷卻導(dǎo)管相連，該冷卻導(dǎo)管的出口端設(shè)置在該接刀具端部對(duì)其冷卻。
本發(fā)明可采用以輸出能量作為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)其手柄中的換能器、變幅桿和刀具的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)負(fù)載變化，保持切割效率。得到優(yōu)化的手柄的尺寸范圍是在諧振頻率27KHz-40KHz的范圍內(nèi)，該換能器長(zhǎng)度為20-60mm，直徑為8-30mm；該變幅桿長(zhǎng)度為12-30mm，側(cè)壁由指數(shù)形、雙曲線、圓錐形之一種構(gòu)成；該刀桿的長(zhǎng)度為15-40mm，直徑為3-25mm。
上述手柄確定尺寸范圍的方法說(shuō)明如下本發(fā)明以輸出能量作為優(yōu)化目標(biāo)，包括以下優(yōu)化的步驟(1)將由換能器、變幅桿和刀桿等部分組成超聲振動(dòng)系統(tǒng)等效為Mason模型如圖1所示，其等效網(wǎng)絡(luò)和等效阻抗的推導(dǎo)和應(yīng)用經(jīng)過(guò)多領(lǐng)域的驗(yàn)證，已是一種可靠的方法。其中，換能器、變幅桿和刀桿等效為由Z1a、Z1b、Z2a、Z2b、Z3a、Z3b組成的T形電阻網(wǎng)絡(luò)，C0、R0為壓電片的等效電容和電阻。N為變壓比。Zw為負(fù)載阻抗。其中Zi＝ρicisi，ki=ωci,]]>Zia=zijsin(kili),]]>Zib=jzitg(kili2)]]>其中ρi為換能器、變幅桿和刀桿中某一段的密度，ci為聲速，si為換能器、變幅桿和刀桿中某一段的截面積，ω為諧振頻率，li為換能器、變幅桿和刀桿中某一段的長(zhǎng)度，換能器、變幅桿和刀桿作為三段即i＝1-3。
(2)進(jìn)一步的分析研究可以和能量的指標(biāo)聯(lián)系起來(lái)。負(fù)載阻Zw經(jīng)過(guò)兩次變換后變成壓電變壓器副邊的輸出阻Zin，手柄工作在諧振狀態(tài)時(shí)Zin相當(dāng)于純力阻，折合到壓電變壓器原邊變?yōu)镽l，因此負(fù)載電阻Rl與超聲振動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載阻抗Zw具有如下關(guān)系Rl=(AZw+BCZw+D)/Ne2]]>式中A、B、C、D為與超聲刀具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、形狀等參數(shù)密切相關(guān)的復(fù)常數(shù)，N為壓電變比。
(3)Rl上所獲得的電功率Pl為Pl=(UR0//RlNe2Re+R0//RlNe2)2/Rl]]>其中Re為電源內(nèi)阻，R0為刀具固有電阻，Rl為負(fù)載電阻，U為電源電壓，Ne為變壓器的變壓比。Pl對(duì)Rl求導(dǎo)，得到負(fù)載獲得最大輸出功率的條件為Rl=Ne2ReR0Ne2Re+R0]]>利用以上的方法和步驟，在諧振頻率27KHz-40KHz得到優(yōu)化的超聲振動(dòng)系統(tǒng)的尺寸范圍是換能器長(zhǎng)度為20-60mm，直徑為8-30mm，變幅桿長(zhǎng)度為12-30mm，形狀為指數(shù)形、雙曲線、圓錐形。刀桿3的長(zhǎng)度為15-40mm，直徑為3-25mm。
本發(fā)明除了具有常規(guī)的超聲刀具的選擇性碎裂、損傷小、手術(shù)精細(xì)，安全性好，切面整齊、出血量低等優(yōu)點(diǎn)外，還具有切割能力強(qiáng)、效率高、手柄輕小，帶負(fù)載能力強(qiáng)、排屑順暢等優(yōu)點(diǎn)，可達(dá)到普通手術(shù)器械不能到達(dá)的部位，適應(yīng)不同的骨骼切割手術(shù)。
本發(fā)明可以廣泛用于脊柱外科、開(kāi)顱、心胸外科、截骨和骨矯形、關(guān)節(jié)置換與修復(fù)、髂骨移植、口腔外科、耳鼻喉科、頜面整形外科、眼科、婦科等手術(shù)治療中。


圖1為本發(fā)明中使用的已有的超聲振動(dòng)系統(tǒng)的等效Mason圖。
圖2為本發(fā)明提出的復(fù)合振動(dòng)超聲骨骼切割儀的手柄實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本實(shí)施例與已有的超聲刀具的振幅與頻率關(guān)系的比較曲線圖。
圖4為本發(fā)明提出的排屑傾斜刀齒結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種超聲骨骼切割儀結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說(shuō)明如下本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種超聲骨骼切割儀實(shí)施例，主要包括主機(jī)和手柄兩部分，該手柄由依次連接形成一體的換能器、變幅桿和刀具組成，主機(jī)包括由信號(hào)發(fā)生器及功率放大器構(gòu)成復(fù)合振動(dòng)換能器；該換能器由一組縱向極化壓電片和一組切向極化壓電片組成，該主機(jī)通過(guò)電纜與該換能器相連接；本實(shí)施例還包括一冷卻裝置，該冷卻裝置與冷卻導(dǎo)管相連，該冷卻導(dǎo)管的出口端設(shè)置在該接刀具端部對(duì)其冷卻。
本實(shí)施例的主機(jī)的信號(hào)發(fā)生器及功率放大器可根據(jù)所需的頻率選用已有的元器件。
本實(shí)施例所采用的縱向極化壓電片和切向極化壓電片組均為已有的產(chǎn)品。
本實(shí)施例的手柄結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括設(shè)置由兩組壓電片7和8組成的一圓柱形換能器1，由一端大、一端小構(gòu)成的變幅桿2，由刀桿及裝配在其前端部的刀齒組成的刀具3，變幅桿2的大端與換能器端面相連，小端與刀桿的后端面相連，三者形成一個(gè)連續(xù)過(guò)渡的整體。該結(jié)構(gòu)能在刀桿3末端的刀齒結(jié)構(gòu)4上產(chǎn)生復(fù)合振動(dòng)。本實(shí)施例手柄的尺寸為諧振頻率27KHz，圓柱部分長(zhǎng)度為42mm，直徑為15mm，過(guò)渡部分長(zhǎng)度為19.5mm，側(cè)壁曲線為指數(shù)型，刀桿3的長(zhǎng)度為30mm，直徑為8mm。
圖3為本實(shí)施例與已有的超聲刀具的振幅與頻率關(guān)系的比較，其中曲線11為已有超聲刀具空載時(shí)縱向振幅-頻率關(guān)系。曲線13為已有超聲刀具帶負(fù)載后縱向振幅-頻率關(guān)系。曲線12為本實(shí)施例的復(fù)合振動(dòng)超聲刀具帶負(fù)載后縱向振幅-頻率關(guān)系。由圖3可見(jiàn)，本發(fā)明的復(fù)合振動(dòng)超聲刀具在經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，帶負(fù)載能力比現(xiàn)有的超聲刀具能力大大提高。
本實(shí)施例的刀具的刀齒結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中，刀齒5與齒根所在平面之間成5-10度左右的傾斜角度，刀具的相鄰兩刀齒對(duì)稱分布，即刀齒6與齒根所在平面成與刀齒5方向相反的5-10度左右的傾斜角度。
權(quán)利要求
1.一種超聲骨骼切割儀，主要包括主機(jī)和手柄兩部分，該手柄由依次連接形成一體的換能器、變幅桿和刀具組成，主機(jī)由信號(hào)發(fā)生器及功率放大器構(gòu)成；其特征在于，該換能器為由一組縱向極化壓電片和一組切向極化壓電片組成的復(fù)合振動(dòng)換能器，以使刀具端部的振動(dòng)為復(fù)合振動(dòng)；該主機(jī)通過(guò)電纜與該換能器相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的超聲骨骼切割儀，其特征在于，還包括一冷卻裝置，該冷卻裝置與冷卻導(dǎo)管相連，該冷卻導(dǎo)管的出口端設(shè)置在該接刀具端部對(duì)其冷卻。
3.如權(quán)利要求1所述的超聲骨骼切割儀，其特征在于，所說(shuō)的刀具的相鄰兩刀齒對(duì)稱分布，該刀齒與齒根所在平面之間成5-10度的傾斜角度。
4.如權(quán)利要求1所述的超聲骨骼切割儀，其特征在于，采用以輸出能量作為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)其手柄中的換能器、變幅桿和刀具的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化的手柄的尺寸范圍是在諧振頻率27KHz-40KHz的范圍內(nèi)，該換能器長(zhǎng)度為20-60mm，直徑為8-30mm；該變幅桿長(zhǎng)度為12-30mm，側(cè)壁由指數(shù)形、雙曲線、圓錐形之一種構(gòu)成；該刀桿的長(zhǎng)度為15-40mm，直徑為3-25mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲骨骼切割儀，屬于外科手術(shù)醫(yī)療器械領(lǐng)域。主要包括主機(jī)和手柄兩部分，該手柄由依次連接形成一體的復(fù)合振動(dòng)換能器、變幅桿和刀具組成，主機(jī)由信號(hào)發(fā)生器及功率放大器構(gòu)成；其特征在于，該復(fù)合振動(dòng)換能器由一組縱向極化壓電片和一組切向極化壓電片組成，以使刀具端部的振動(dòng)為復(fù)合振動(dòng)；該主機(jī)通過(guò)電纜與該換能器相連接。本發(fā)明可使切割效率和切割的骨骼組織硬度提高2倍以上，且刀齒形狀有利于通暢排屑，可進(jìn)行精確切割。
文檔編號(hào)A61B17/56GK1561919SQ20041000897
公開(kāi)日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2004年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月22日
發(fā)明者周兆英, 羅曉寧, 史文勇, 張毓笠, 陳穎 申請(qǐng)人:清華大學(xué)