CN115803124A - 超声波工具和该工具的制作方法 - Google Patents

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L·托里尔尼
M·埃施利曼
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Abstract

一种用于超声波器械的超声波切割工具，所述工具是由管状坯件通过压扁所述坯件的一部分制得的刀片(10)，其包括：设计为用于切割的扁平部段(11)、管状部段(13)和将所述扁平部段(11)连接至所述管状部段(13)的过渡部段(12)，所述管状部段(13)连接至或包括用于将所述刀片(10)附接至超声波发生器的附接部段(14)，而且所述管状部段是将冷却液引入至所述远端或在手持工具中吸入颗粒的导管。

Description

超声波工具和该工具的制作方法
技术领域
本发明涉及超声波器械领域。其涉及用于超声波器械、特别是用于切割或研磨加工的超声波工具，还涉及此工具的制作方法。
背景技术
超声波器械具有超声波能量发生器和细长的尖端或工具或刀片，其近端从发生器接收超声波能量并将其传递至尖端远端。根据不同的应用，远端可以成形为使该器械将被用作探针和/或用于穿透软组织、切割或处理骨组织等。
已知提供带有用于冷却液的导管的超声波工具。该冷却液可以是水或水与乙醇的混合物和/或消毒液。该冷却液用于冷却刀片和冲走切割下来的材料。如US 4515583和US616550A中所示，导管可以是双壁的，以便为抽吸流体材料提供额外的导管。此外，已知具有分支成多个流出开口的冷却水通道，该流出开口如US 5188102那样或由多孔的、烧结的材料制成以允许水如US 2015/0005774 A1中公开的那样经过超声波切割刀片的表面流出。在骨切割过程期间，对刀片进行有效冷却仍然是当今的一个挑战。在那些解决方案中，冷却液在刀片周围起雾，这干扰了外科医生在的手术视野。
US 5836595公开了一种用于眼内手术的超声波刀头，也叫超声乳化刀头(phacotip)，用于超声乳化白内障吸出术。其具有通过对圆柱形管进行压褶而形成的扁平端。
US 2019254731示出一种用于心脏消融的消融垫。其中，两块板可以被焊接在一起，焊接线形成用于流体介质的壁和通道。
WO 2018220515示出一种用于截骨的超声波切割器械，在切割器和延长杆之间具有螺纹连接，而延长杆又被附接至手持件。
这些装置通常是通过复杂或耗时的工艺如机加工或烧结制作而成，这使得它们成本很高。现在需要的是能有效且经济地制造的结构简单的超声波切割工具。
发明内容
因此，本发明的任务是提出一种最初提及类型的超声波工具，它克服了上述的缺点。另一个任务是提出一种该工具的制作方法。
这些任务是通过根据权利要求所述的超声波工具和该工具的制作方法实现。
一个优点是，冷却液和清洗液自该工具的内部供应。这就避免了在工作区内形成大的喷射水流，并且由此可以提高工作区的能见度。
用于超声波器械的超声波切割工具是由管状坯件通过压扁一部分坯件制得的刀片，该刀片包括
设计为用于切割的扁平部段，
管状部段和
将扁平部段连接至所述管状部段的过渡部段，
管状部段被连接至或包括用于将刀片附接至超声波发生器的附接部段。
该工具可以用于超声波器械，联接至超声波振动发生器，作为用于切割或研磨加工的刀片。通过使冷却液沿纵向穿过工具，可以从内部冷却工具。反之，材料可以从工具的附近被吸走。扁平部段可以被加工以形成切割工具。特别是，其扁平表面可以被成形为构成锉或刮刀(rasp)，和/或扁平部段的刃可以被成形为锉或刮刀或刀。
在实施方式中，扁平部段形成适于沿刀片内部引导液体的一条或多条通道。这些通道可以将冷却液输送至刀片的远端和/或抽吸液体或颗粒通过刀片。
这允许引导冷却液经过并沿着刀片、特别是扁平部段的内部。这又可以起到冷却刀片及其周围环境的作用。与外部冷却相比，工作区域的能见度更好。
引导液体经过附接区域和扁平部段的内部使得该工具特别适于与保持和移动该工具的机器人结合使用，因为省去了用于提供冷却液的附加的导管或软管。
扁平部段和管状部段由同一坯件成型允许形成出具有各种长度的工具，特别是以简单的方式制出相对较长的工具。例如，工具的长度可以在20毫米和200毫米之间、尤其是40毫米和150毫米之间、尤其是80毫米和120毫米之间。
在实施方式中，扁平部段包括与一条或多条通道流体连通的一个或多个孔。
在实施方式中，扁平部段的一个或多个刃包括齿。
在实施方式中，机加工扁平部段的一个或多个刃以构成切割刃。
在实施方式中，扁平部段的一个或多个刃包括一个或多个切口，这些切口构成与一条或多条通道液体连通的开口。
在实施方式中，扁平部段的外表面被成形为包括特别是带有齿或沟槽的结构化表面。结构化的表面可以作为锉。
齿和/或切割刃和/或切口和/或结构化表面和/或孔的存在可以提高切割和/或磨蚀的效率。特别是，孔的边沿可以参与切割和/或磨蚀。与通道液体连通的孔和/或切口用作将液体引导至切割和/或磨蚀发生的地方，以及最需要冷却作用的地方。
在实施方式中，扁平部段包括一条或多条焊接线，该焊接线特别是沿其中扁平部段延伸的纵向延伸。
一条或多条焊接线可以在它们之间形成分隔开的多条纵向通道。
在实施方式中，附接部段包括内螺纹或外螺纹。
在实施方式中，附接部段包括与管状部段的内部液体连通的纵向导管。
纵向导管可用于引导流体经过附接部段进入或离开管状部段的内部。
根据前述权利要求中任一项所述的工具的制作方法，其中该方法包括：
·提供管状坯件；
·压制坯件的远端以形成扁平部段，保留坯件的近端为管状，这构成管状部段；
·加工坯件的近端以形成附接部段；或将附接元件附接至近端以形成附接部段。
附接部段可以在压制远端之前或之后形成。
在实施方式中，在形成扁平部段之前，形成扁平部段的结构化表面，和/或形成一个或多个孔和/或形成一个或多个切口或齿。
在实施方式中，在形成扁平部段之后，形成扁平部段的结构化表面，和/或形成一个或多个孔和/或形成一个或多个切口或齿。
在实施方式中，在压扁坯件以形成扁平部段的过程中，形成结构化表面和/或一个或多个孔和/或一个或多个切口或齿。
在实施方式中，弯曲扁平管以形成曲线型的扁平管。
在实施方式中，扁平管、特别是其远端的轮廓被成形为非矩形的轮廓。例如，它可以是圆形的、锥形的、具有两个远端点的裂开轮廓等等。这可以为该工具提供其他功能。
根据本发明的一个方面，提供了一种机器人***，其被构造为配设有如本文所述的切割工具，该机器人***被编程为应用该工具来加工物体或工件。
在实施方式中，工件是一块动物或人体组织、特别是骨。
在实施方式中，机器人***被构造为在加工工件时为切割工具提供液体冷却液。
被内部冷却的工具允许用更有效的方式对工具进行连续冷却，并能更好地控制冷却，并且由此控制工具的温度。这又允许较长的加工时间窗口。
较长的加工时间窗口又允许无需撤回工具地加工工件，否则要重新***工具，导致精度损失。此外，可以实现无需撤回工具地使用同一工具执行不同功能。此功能可以是切割、锯锉、冷却和抽吸材料。
工具与机器人操纵器的组合体允许分别受控地切割或加工出三维切口和形状。
在实施方式中，机器人***包括操纵臂，工具附接至该操纵臂且工具能通过该操纵臂移动，其中通过该操纵臂为该工具提供冷却液，特别是其中冷却液导管被布置该操纵臂的至少一个最远侧链节的壳体内部。
在实施方式中，机器人***编程为应用工具以不间断程序加工工件，而不用将工具从其应用至工件的区域中撤回。
在实施方式中，机器人***被编程为使用工具的两个或多个不同的功能来应用工具加工工件，而不用撤回工具，特别是其中该功能为切割、锯锉和抽吸材料。
在实施方式中，机器人***被编程为应用工具加工工件的不同侧面，特别是工件表面，其表面法向以相对于彼此超过四十五度或超过九十度的角度定向。
即，该工具被用于加工工件的两个或多个不同的侧面。
在实施方式中，机器人***被编程为应用工具用至少两分钟或三分钟或四分钟或五分钟或六分钟的不间断程序加工工件。
在实施方式中，该工具的被成形为包括锉、锯或刀中的至少两种的功能。
例如，该工具可以包括锉和锯，或者锯和刀等等。这样就允许无需中断加工操作且撤回工具地应用工具。
在实施方式中，该工具被成形为包括功能相同但具有不同参数的至少两种变体。
例如，该工具可以包括粗锉和细锉，或者粗锯和细锯。
在实施方式中，机器人***包括感测单元，其被构造为测量由该工具施加至工件的工具力，并且被构造为根据测得的工具力控制工具的移动。
这使得控制该工具的移动成为可能，以保持所期望的加工力。这又可以用于优化加工速度和/或防止该工具过热。
在实施方式中，机器人***包括被构造为间歇地将冷却液提供至该工具的冷却液供应单元，特别是使其中提供冷却液的第一历时与其中不提供冷却液的第二历时交替，特别是其中第一历时出现前的时间周期位于一秒和十秒之间、特别是两秒和五秒之间。
换句话说，其中提供冷却液的第一历时对应于冷却液的脉冲，而该脉冲可以根据时间周期以周期长度重复出现。
间歇性冷却液流动防止了在工具和工件之间形成且维持液垫，并且由此影响工具的操作。在冷却液脉冲期间，由工具操作产生的碎屑可以被冲走。
在实施方式中，机器人***或冷却液供应单元包括感测单元和控制单元，感测单元被配置为测量工具温度，控制单元被配置为根据所测得的工具温度控制冷却液朝向工具流动。
这允许冷却液的流动能够适应实际的冷却需求，而这又取决于工具和工件之间的工作条件。
可以通过连续地改变流动或采用离散的步骤、特别是通过打开和关闭流动即通过脉冲流动来实现控制流动。在后一种情况，控制器可以设定脉冲宽度或脉冲频率或冷却液脉冲。
在实施例中，感测单元被配置为基于工具的驱动器振荡频率确定工具温度，驱动器的振荡频率连续适应工具的实际共振频率。
这是基于这样的观察：工具的温度不利地影响工具的机械性能，特别是其长度，并由此影响工具的实际共振频率。实际共振频率可以通过使用超声波驱动器来确定，该驱动器可以使其工作频率自动适应工具的实际共振频率。这种自动频率适应是许多现有超声波驱动器的特点。
因此，可以根据超声波驱动器的实际工作频率控制冷却液的流动。
如本文所述的将冷却液间歇地提供至该工具和/或控制液体的流动和/或测量温度也可以通过冷却液供应单元实现，该供应单元是其中不存在机器人***的设置的一部分。
自从属专利权利要求中，进一步的实施方式是显而易见的。方法权利要求的特征可以与设备权利要求的特征相结合，反之亦然。
附图说明
在下文中参照示例性的实施例对本发明的主题进行更详细的解释，这些实施例被图示于附图中，其示意性地示出。
图1 刀片的透视图；
图2 刀片的纵向横截面；
图3-4 根据一个实施例的刀片的扁平部段的横向剖面和正视图；
图5-8 其他实施例的剖面图和正视图；
图9-10 以正视图示出其他实施例；以及
图11 以横截面示出另一个实施例。
原则上，相同的部件在图中具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了刀片10的透视图，图2是刀片的纵向横截面。刀片10包括扁平部段11，其为工作部段，通过过渡部段12连接至管状部段13，该管状部段转而连接至附接部段14。扁平部段11、过渡部段12、管状部段13并且可选地还有附接部段14可以由单个管状坯件形成。
在扁平部段11中，管的前腔形成纵向通道20，其可以用来引导、分配和配送通过管状部段13提供的冷却液。纵向导管32布置用于通过附接部段14向管状部段13供应冷却液。
借助于附接部段14，刀片10可以例如借助于外螺纹15(如所示)或内螺纹附接至超声波振动发生器。
通过刀片10并且尤其是扁平部段11和/或过渡部段12的超声振荡引起的泵送效应来加强或促进流体的输送和配送。
图3-4示出刀片10的扁平部段的横向剖面和正视图，其中纵向焊接线24形成分隔开的多条通道20。扁平部段11的主要表面包括结构化表面23，如齿或沟槽。8-字形的横向剖面可以在将管压扁时获得，即使之后并未进行焊接。
通常，第一纵向刃25、第二纵向刃26和前边缘27可以用相同的或不同的方式成型为带有切口21、齿、锯齿或作为刀片，或带有这些甚至其他元件的组合。
图5-6示出刀片10的扁平部段的横向剖面和正视图，其中存在孔22，其构成通往通道20的开口。这些孔的边沿可以具有切割效果。孔22的直径沿纵向变化，以控制冷却液流沿扁平部段11长度的分布。这可以有助于均匀地分配该流。
图7-8示出刀片10的扁平部段的横向剖面和正视图，其中在第一刃25和/或第二刃26和/或前边缘27中的一个或多个处存在切口21。切口21一方面作为用于切割的锯齿，另一方面作为引导冷却液流出通道20的导管。
图3至8分别示出诸如焊接线24、结构化表面23、孔22和切口21等元件。在其他实施例中，它们被组合起来。例如，根据图9，切口21存在于第一刃25，孔22被布置至第二刃26附近，第二刃26可以被成型为切割刃。
在进一步的实施例中，存在两条或更多条焊接线24，在它们之间形成了相应数量的通道20。焊接线24可以用于增强扁平部段11的结构，并由此改变其自然振荡频率。图10示出将冷却液分配至出口的焊缝线24，在这种情况下出口是切口21。
图11示出另一个实施例，其具有内管33，该内管最初同心地布置在坯件中，并且在压扁之后在刀片10中、具体是扁平部段11中形成独立的纵向通道。
可以例如通过冲压或激光切割加工出诸如为孔22和切口21的开口。其他较小的结构，诸如结构化表面23，可以通过激光雕刻或蚀刻形成。可以在压扁坯件以形成扁平部段11之前或之后在坯件上形成开口以及其他结构。
在压扁坯件以形成扁平部段11的过程中可以形成结构化表面23和/或切口21。
刀片10可以包括分隔开的多条通道。这些分隔开的多条通道可用于沿扁平部段11均匀地分配冷却液。替代地或补充地，它们可以用于不同的目的：至少一个冷却液通道可用于将冷却液提供至扁平部段11，至少一个抽吸通道可用于自围绕扁平部段11的区域抽吸材料。
如图3所示，可以由一条或多条焊接线24形成分隔开的多条通道，这些焊接线将扁平部段11的相对部件连接起来。如图11所示，分隔开的多条通道可以由布置在刀片10内部并沿其纵向延伸的内管33形成。
在特定的实施例中，外径为4毫米且内径约为3.5毫米的不锈钢管以压配合连接至钛制的附接部段14。附接部段14具有直径M4的螺纹15，即，外直径为6毫米。刀片10的总长度约为100毫米，扁平部段11的厚度约为0.9毫米。刀片10可以用运行频率为26千赫兹(kHz)的超声波驱动器来操作。刀片本身的共振频率约为26千赫兹。
这个频率与纵向振荡有关，因此在整个刀片10的纵轴方向，特别是沿扁平部段11的纵向振动。
虽然本发明已经在目前的实施例中进行了描述，但可以明确理解的是，本发明并不局限于此，而是可以在权利要求的范围内以各种方式体现和实施。

Claims (28)

1.一种用于超声波器械的超声波切割工具，所述工具是通过使坯件的一部分扁平由管状坯件制成的刀片(10)，所述刀片(10)包括：
设计为用于切割的扁平部段(11)，
管状部段(13)，和
过渡部段(12)，其将所述扁平部段(11)连接至所述管状部段(13)，
所述管状部段(13)连接至或包括用于将刀片(10)附接至超声波发生器的附接部段(14)。
2.根据权利要求1所述的工具，其中所述扁平部段(11)形成适于沿所述刀片(10)的内部引导流体的一条或多条通道(20)。
3.根据权利要求1或2所述的工具，其中所述扁平部段(11)包括与所述一条或多条通道(20)流体连通的一个或多个孔(22)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其中所述扁平部段(11)的一个或多个刃(25)、(26)、(27)包括齿。
5.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其中所述扁平部段(11)的一个或多个刃(25)、(26)、(27)机加工为构成切割刃。
6.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其中所述扁平部段(11)的一个或多个刃(25)、(26)、(27)包括一个或多个切口(21)，所述切口构成与所述一个或多个所述通道(20)流体连通的开口。
7.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其中所述扁平部段(11)的外表面机加工为包括特别是带有齿或沟槽的结构化表面(23)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其中所述扁平部段(11)包括一条或多条焊接线(24)，所述焊接线特别是沿着所述扁平部段(11)沿其伸长的纵向延伸。
9.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其中一条或多条所述焊接线(24)在所述扁平部段(11)沿其伸长的方向上形成分隔开的多条纵向通道(20)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其中一条或多条所述焊接线(24)布置为将朝向所述扁平部段(11)的远端流动的冷却液朝向所述扁平部段(11)的侧面分配。
11.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其中所述附接部段(14)包括内螺纹或外螺纹(15)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的工具，其中所述附接部段(14)包括与所述管状部段(13)的内部液体连通的纵向导管(32)。
13.制作根据前述权利要求中任一项所述的刀片(10)的方法，其中所述方法包括：
-提供管状坯件；
-按压所述坯件的远端以形成所述扁平部段(11)，保留所述坯件的近端呈管状，其构成所述管状部段(13)；
-机加工所述坯件的近端以形成所述附接部段(14)；或将附接元件附接至所述近端以形成所述附接部段(14)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中在形成所述扁平部段(11)之前，机加工所述扁平部段(11)的表面，和/或形成一个或多个孔(22)和/或形成一个或多个切口(21)。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中在形成所述扁平部段(11)之后，机加工所述扁平部段(11)的表面，和/或形成一个或多个孔(22)和/或形成一个或多个切口(21)。
16.机器人***，其被构造为配设有根据权利要求1至15中任一项所述的切割工具，所述机器人***被编程为应用所述工具加工物体或工件。
17.根据权利要求16所述的机器人***，其包括操纵臂，所述工具附接至所述操纵臂并且所述工具通过操纵臂是可移动的，并且其中通过所述操纵臂向所述工具提供冷却液，特别是其中冷却液导管布置在所述操纵臂的至少一个最远侧链节的壳体内部。
18.根据权利要求16至17中任一项所述的机器人***，其编程为应用所述工具以不间断程序加工所述工件而无需将所述工具从其作用至所述工件的区域内撤回。
19.根据权利要求18所述的机器人***，其编程为使用所述工具的两个或更多不同功能来应用所述工具机加工所述工件而无需撤回工具，特别是其中所述功能为切割、锯锉和抽吸材料。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的机器人***，其编程为使用工具加工所述工件的不同侧、特别是表面法向相对于彼此以超过四十五度或超过九十度的角度定向的工件的不同表面。
21.根据权利要求16至20中任一项所述的机器人***，其编程为用至少两分钟或三分钟或四分钟或五分钟或六分钟的不间断程序使用所述工具加工所述工件。
22.根据权利要求16至21中任一项所述的机器人***，其中所述工具成形为包括锉、锯或刀中的至少两种的功能。
23.根据权利要求22所述的机器人***，其中所述工具成形为包括功能相同但具有不同参数的至少两种变体。
24.根据权利要求16至23中任一项所述的机器人***，其包括感测单元，所述感测单元构造为测量由所述工具施加至所述工件的工具力，并且构造为根据所测得的工具力控制所述工具的移动。
25.根据权利要求16至24中任一项所述的机器人***，其构造为向所述工具间歇地提供冷却液，特别是使其中提供冷却液的第一历时与其中不提供冷却液的第二历时交替，特别是其中所述第一历时出现前的时间周期在一秒和十秒之间、特别是两秒和五秒之间。
26.根据权利要求16至25中任一项所述的机器人***，其包括构造为测量工具温度的感测单元和构造为根据测得的工具温度控制流向所述工具的冷却液的控制单元。
27.根据权利要求26所述的机器人***，其中所述感测单元构造为基于所述工具的驱动器振荡频率确定所述工具的温度，所述驱动器振荡频率持续地适配于工具的实际共振频率。
28.根据权利要求16至27中任一项所述的机器人***，其被构造为根据所述超声波驱动器的实际运行频率控制流向所述工具的冷却液。
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