一种超声切骨刀

1.本实用新型涉及医疗技术领域，特别涉及到一种超声切骨刀。


背景技术：

2.超声切骨刀的核心部件是超声压电换能器，在外部超声频电信号激励下，产生同频率、微米级振幅的机械振动，驱动与之相连的刀头对人体骨组织实施切除手术。与常规手术刀相比，其切割效率更高，并具有止血功能，因而是一种很有发展前景的载能医疗手术器械。
3.与超声止血/凝血手术刀不同，超声切骨刀需要通过刀头的高频冲击力将组织切除，当切割骨组织时由于骨组织是硬组织，切割难度大，要求超声切骨刀必须具有高载能，这就对超声切骨刀的设计提出更高的要求。为了提高超声切骨刀的机械冲击力，专利公开号为cn209789951u、 cn209789952u的专利申请，通过加大压电陶瓷片的数量以增大切骨刀的输出功率，且为解决多陶瓷片的散热问题，将所有陶瓷片沿中心轴线方向间隔分段设置，形成多个陶瓷堆，但多个陶瓷堆的设计方式，不仅结构复杂，而且功率损耗大。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.为了解决现有技术的上述问题，本实用新型提供一种超声切骨刀，提高了超声换能器的振幅放大比，在相同的超声电压信号激励下，提高了刀头的刀尖振幅，进而提升了刀头的机械冲击力。
6.(二)技术方案
7.为了达到上述目的，本实用新型采用的主要技术方案包括：
8.本实用新型提供了一种超声切骨刀，包括超声换能器及与超声换能器一端连接的刀头，超声换能器及刀头的轴向总长度为λ/2的整数倍，λ为超声波波长，且超声换能器工作时处于谐振状态；
9.超声换能器包括压电振子和多级放大变幅杆组；
10.刀头与多级放大变幅杆组的前端连接，压电振子与多级放大变幅杆组的后端连接。
11.优选地，多级放大变幅杆组包括多个同轴连接的变幅杆；
12.变幅杆包括沿从后至前连接的第一杆段和第二杆段，第一杆段的直径为dn，第二杆段的直径为dn，dn大于dn，变幅杆的振幅放大比为 nn＝dn/dn；
13.其中，n1＜n2＜n3…nn
，n为大于1的整数，表示第n级变幅杆。
14.优选地，多级放大变幅杆组包括一级变幅杆和二级变幅杆；
15.一级变幅杆的第一杆段的直径为d1，一级变幅杆的第二杆段的直径为d1，一级变幅杆的振幅放大比为n1＝d1/d1；
16.二级变幅杆的第一杆段的直径为d2，二级变幅杆的第二杆段的直径为d2，二级变幅
杆的振幅放大比为n2＝d2/d2。
17.优选地，nn为1.2-3.5。
18.优选地，压电振子与一级变幅杆的轴向总长度为λ/2，二级变幅杆的轴向长度为λ/2...n级放大变幅杆与刀头的轴向总长度为λ/2；
19.λ为超声波波长。
20.优选地，压电振子与最后侧的第一杆段连接，压电振子与最后侧的第一杆段沿同一轴线设置。
21.优选地，多级放大变幅杆组和压电振子内部沿轴向设置有连通的通孔，连接管的一端与通孔连接，连接管的另一端用于与外接水源的连接口连接；
22.刀头上设有封闭通槽，通孔与封闭通槽远离刀头的一端连通。
23.优选地，连接管用于与连接口连接的一端为圆台结构。
24.优选地，还包括壳体，壳体为回转体结构；
25.多级放大变幅杆组设置在壳体的容纳腔内，多级放大变幅杆组与壳体同轴设置；
26.多级放大变幅杆组的外壁与壳体的内壁螺纹连接。
27.(三)有益效果
28.本实用新型的有益效果是：
29.本实用新型提供的一种超声切骨刀，通过设置多级放大变幅杆，提高了超声换能器的振幅放大比，在相同的超声电压信号激励下，提高了刀头的刀尖振幅，进而提升了刀头的机械冲击力，且在提高刀头的刀尖振幅的前提下简化了超声切骨刀的结构，提升了超声切骨刀的机电能量转换效率。
附图说明
30.图1为本实施例一种超声切骨刀的结构示意图；
31.图2为二级放大变幅杆组、压电振子和刀头的结构示意图；
32.图3为图1中外壳的结构示意图；
33.图4为二级放大变幅杆组、压电振子和刀头的简图；
34.图5为刀头中封闭通槽为长条形的结构示意图；
35.图6为刀头中封闭通槽的一端为t字型的结构示意图；
36.图7为刀头中封闭通槽的一端为圆弧形状的结构示意图；
37.图8为超声切骨刀中仅包括一级变幅杆测得刀尖处的振动位移图；
38.图9为超声切骨刀中包括二级放大变幅杆组测得刀尖处的振动位移图。
39.【附图标记说明】
40.1：刀头；
41.2：压电振子；21：压电陶瓷堆；22：前盖板：23：后盖板；24：螺母；25：紧固螺栓；
42.3：多级放大变幅杆组；31：一级变幅杆；311：一级变幅杆的第一杆段；312：一级变幅杆的第二杆段；32：二级变幅杆；321：二级变幅杆的第一杆段；322：二级变幅杆的第二杆段；
43.4：壳体；41：端盖；42：连接筒；43：前端套筒；
44.5：通孔；
45.6：连接管；61：圆台结构；
46.7：电极引线。
具体实施方式
47.为了更好的解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本实用新型作详细描述。
48.如图1所示，本实施例提供了一种超声切骨刀，包括超声换能器及与超声换能器一端连接的刀头1，其中超声换能器及刀头1的轴向总长度为λ/2的整数倍，λ为超声波波长，且超声换能器工作时处于谐振状态即超声换能器工作时具有谐振的能力。在本实施例中超声换能器包括压电振子2和多级放大变幅杆组3，当然超声切骨刀还包括壳体4。具体地多级放大变幅杆组3和壳体4均为回转体结构，多级放大变幅杆组3设置在壳体4的容纳腔内，多级放大变幅杆组3与壳体4同轴设置，多级放大变幅杆组3的外壁与壳体4的内壁螺纹连接。如图3所示，壳体4包括端盖41、连接筒42和前端套筒43，前端套筒43与连接筒42的一端外壁螺纹连接，端盖41与连接筒42的另一端端面卡接，多级放大变幅杆组3与连接筒42的内壁螺纹连接以便于多级放大变幅杆的安装定位，且刀头1伸出前端套筒43。
49.如图2所示，刀头1与多级放大变幅杆组3的前端连接，压电振子2 与多级放大变幅杆组3的后端连接。由于超声换能器及刀头1的轴向总长度为λ/2的整数倍，当超声换能器为谐振状态时，压电振子2的后端面、刀头1的刀尖、以及多级放大变幅杆组3中相邻两级变幅杆之间的结合面所处位置均为振动位移的波峰或波谷。在应用的过程中，压电振子2 包括压电陶瓷堆21，前盖板22，后盖板23，这三部分通过一个紧固螺栓 25连到一起。在本实施例中为简化结构，螺母24与后盖板23为一体结构，紧固螺栓与前盖板22为一体结构，在本实施例中为进一步简化结构，前盖板22为一级变幅杆的第一杆段311，通过电极引线7对压电陶瓷堆21施加超声频电压激励信号，在压电陶瓷堆21端面产生同频率的机械振动，该机械振动经过多级变幅杆组的放大后，最终在刀头1的刀尖处产生振动位移大于100um的超声频机械振动，超声切骨刀在切割人体骨组织时，刀头1对人体骨组织产生一个高频冲击力，对人体骨组织进行切割。
50.该超声切骨刀在压电振子2相同的超声电压激励信号下，提高了刀头1的振幅，进而提高了刀头1的机械冲击力，且在提高刀头1的刀尖振幅的前提下简化了超声切骨刀的结构，提升了超声切骨刀的机电能量转换效率。
51.如图4所示，多级放大变幅杆组3包括多个同轴连接的变幅杆，变幅杆包括沿从后至前连接的第一杆段和第二杆段，即如图1中从左至右，每一级的变幅杆中的第一杆段和第二杆段的材料相同，压电振子2与最后侧的第一杆段连接，压电振子2与最后侧的第一杆段沿同一轴线设置。其中，第一杆段的直径为dn，第二杆段的直径为dn，dn大于dn，变幅杆的振幅放大比为nn＝dn/dn，在一定限度内，变幅杆的振幅放大比越大，刀尖的振幅会越大。且相邻两级变幅杆的连接处及变幅杆之间的杆段之间通过倒角或弧面过渡以减少应力集中的情况。
52.参见公式：a＝a0·
n1·
n2…nn
，n为大于1的整数，表示第n级放大变幅杆，a为刀头1的振幅，a0为压电振子2的振幅，由此放大了刀头1 刀尖处的振幅，应当说明的是在本实施例中，刀头1振幅指的是刀头1 尖部的振幅，压电振子2的振幅指的是压电振子2端面的振
幅。为保证超声换能器在长度增加后，其抗负载能力不会下降，变幅杆的振幅放大比应满足n1＜n2＜n3…nn
。其中，a0＝t
ea
·
u0，t
ea
为压电振子2的机电转换系数，t
ea
在弹性限度内为常数，u0为施加到压电振子2的超声激励电压。
53.在实际应用的过程中，由于超声波在换能器中沿轴线方向以驻波形式存在，其在不同截面的能量是相同的。因此每级变幅杆的设计谐振频率应与半波长换能器的谐振频率保持一致，即在本实施例中压电振子2 与一级变幅杆31的轴向总长度设置为λ/2，二级变幅杆32的轴向长度为λ/2...n级变幅杆与刀头1的轴向总长度为λ/2，λ为超声波波长。
54.为保证超声能量能有效地从换能器向负载端传输，上级变幅杆的输出阻抗需与下级变幅杆的输入阻抗相匹配。
55.如图1所示，在实际应用的过程中本实施例的多级放大变幅杆组3 包括一级变幅杆31和二级变幅杆32，其中，为便于安装及拆卸一级变幅杆31和二级变幅杆32通过螺纹可拆卸连接。一级变幅杆的第一杆段311 的直径为d1，一级变幅杆的第二杆段312的直径为d1，一级变幅杆31的振幅放大比为n1＝d1/d1。二级变幅杆的第一杆段321的直径为d2，二级变幅杆的第二杆段322的直径为d2，二级变幅杆32的振幅放大比为 n2＝d2/d2，其中刀头1的振幅为a＝a0·
n1·
n2。应当说明的是，多级放大变幅杆组3可为三级放大变幅杆组、四级放大变幅杆组等，在本实施例中以二级放大变幅杆组举例说明。
56.由于变幅杆中如果第一杆段和第二杆段的比值超过一定限度，超声能量的传播形式将会发生变化，并且整体结构刚性变差，带载能力降低，无法实现正常的人体骨组织切割，因此在本实施例中多级放大变幅杆的系数为nn优选为1.2-3.5，并且n1＜n2＜n3…nn
，在实际应用的过程中为了符合人体工学，多级变幅杆中的第一杆段直径小于20mm，为了保证杆段的强度多级变幅杆中的第二杆段直径大于5mm，且经过多次实验d1优选为13-16mm，d1优选为9-11mm，d2优选为16-18mm，d2优选为5-7mm，这样保证了使用者手握超声切骨刀的舒适度同时又保证了超声切骨刀手持部的强度，进而保证了手术过程中的安全性能。
57.在本实施例中，刀头1的机械冲击力为f＝ma＝mω2a，可见，在相同的超声电压u0激励下，提高刀头1的振幅a，进而提高了刀头1的机械冲击力f。其中，ω为振动角频率，a为刀头1的振幅，m为刀头1的质量， a为刀头1的机械振动加速度幅值。
58.为了提高超声切骨刀刀头1的冷却效果，在切割时减少对人体骨组织的损伤，在多级放大变幅杆组3和压电振子2内部沿轴向设置有连通的通孔5，其中，压电振子2中的紧固螺栓25的中心轴上设有与多级放大变幅杆连通的通孔5。超声切骨刀还包括连接管6，连接管6的一端与紧固螺栓25的通孔5连接，连接管6的另一端用于与外接水源的连接口连接，其中刀头1上设有封闭通槽，封闭通槽的一端靠近刀头1尖部，多级放大变幅杆上的通孔5与封闭通槽远离刀头1尖部的一端连通，从而通孔5内的清洗/冷却液通过封闭通槽的一端喷出后经过封闭通槽到达刀头1的尖部及刀刃。其中，为了使超声切骨刀的结构更简便，连接管6 与紧固螺栓25为一体结构。
59.如图5所示，由于刀头1上的封闭通槽为封闭结构，且通孔5与封闭通槽远离刀头1尖部的一端连通，即通孔5的前端距离刀尖较远，所以在切割人体骨组织时，组织碎屑不易堵塞中心通孔5，从而保证清洗/ 冷却液体顺利到达刀头1处。并且由于通孔5前端并没有贯穿到刀尖，从而也减少了刀头1的额外负载，提高了刀头1的切割效率。且在超声的作用下，清洗/冷却液体在通孔5前端以雾状向前高速喷出，整个刀头 1冷却均匀，对人体骨组织的
损伤少，手术界面清洗效果也更好。
60.如图6-7所示，为了进一步保证刀头1的冷却效果，使刀头1冷却均匀进而在切割时减少人体骨组织的损伤，封闭通槽靠近刀尖的一端可优选为与刀尖匹配的圆弧形状，或t字型，这样清洗/冷却液体在通孔5前端以雾状向前高速喷出经过封闭通槽的前端导向后均匀喷在刀头1的刀尖及刀刃上。
61.为了提高外界水源的连接口与连接管6结合处的密封性，防止漏水，将连接管6与连接口连接的一端设置为圆台结构61，这种结构简单、紧凑，没有增加额外的连接部件，不会对超声振动产生负面影响，因而圆台结构61解决了密封性和超声振动之间的矛盾。
62.实施例
63.如图8所示，为实验过程中采用一级变幅杆的超声切骨刀，在激励电压为500v条件下，采用激光测微仪测得刀尖处的振动位移，振动位移仅有130.58um。因而，刀头的机械冲击力不足，切割效率低。
64.如图9所示，为实验过程中采用二级变幅杆组的超声切骨刀，在相同的压电振子2、刀头1和激励电压条件下，采用激光测微仪测得刀尖处的振动位移，振动位移达到196.73um，比采用一级变幅杆的超声切骨刀提高了50％以上。因而，刀头1的机械冲击力显著提高，可以实现对人体骨组织的高效切割。
65.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
66.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
67.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
68.在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
69.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围
内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。