CN201263707Y - 一种医用超声放大装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种医用超声放大装置，其包括变幅杆和末端作用器，变幅杆与末端作用器相连接，该变幅杆包括轴结构和多个单一的喇叭或者多种喇叭，喇叭体纵截面按数学函数规律变化，且轴结构和喇叭体的长度均接近工作频率时的1/4波长或1/4波长的奇数倍。本实用新型医用超声放大装置提高了应力，使得在提高振速的时候同时延长使用寿命。

Description

一种医用超声放大装置

技术领域

本实用新型涉及超声医疗器械技术领域，尤其是有较好的切割和止血功能的超声外科手术器械。具体而言，是一种带有多个单一或多种喇叭的超声变幅杆且具有放大振幅和振速作用的医用超声放大装置。

背景技术

在外科手术中，如何止住切割活性组织时导致的血管断裂流血一向是外科医生较头疼的问题，传统的方法是通过医用缝合线捆扎大血管来实现，但存在大量小血管，因无法一一捆扎仍在流血，一种沿袭至今的古老方法是通过加热灼伤这些小血管，使其凝固而达到止血的目的。

随着技术的发展，出现了电刀，并在外科手术中得到应用。电刀在切割组织时，因电流通过切割面会产生热量从而灼伤该部分组织以达到止血效果。但电刀对组织的损伤较大，它会烧干切割面组织中的水分，有时甚至烧焦这些组织。

近来，在外科手术中又引进了一种新的医疗器械——超声刀，它具有较好的切割和止血功能。该器械前端功能部件(简称刀头)通过高频率振动切割组织，同时和组织摩擦产生的热量对切割面能起到良好的止血效果，并且对组织的损伤也较传统方法小的多。

超声刀工作原理大致为：先通过***所带的激励源或发生器产生高频交流电信号，然后输入到***的另一部件超声换能器，换能器通过压电或磁致伸缩等效应，将输入的交流电信号转换为主要沿纵向传播的驻波形式的机械振动。一般来说，换能器最初的振动幅度(简称振幅)往往达不到使用要求，为此通常会添加一个或多个喇叭结构的放大器(简称变幅杆)对振幅进行放大，最后通过波导管将其传递到刀头，实现需要的功能。换能器及末端作用器的长度之和要求设计成工作需要的频率所对应波长一半的整数倍，这样***才能以需要的频率做纵向驻波形式的机械振动。必要时，末端作用器可以添加若干单一或复合变幅杆将振幅进一步放大，直到所需要的值，再传递给刀头。为了实现不同的功能，刀头可以做成各种不同的形状。超声刀就是利用末端作用器及其功能部件的振动效应来进行组织的切割和止血的。这种器械在内窥镜式的外科手术中已经得到一定范围的应用。如图3所示的一种变幅杆结构，变幅杆部分为阶梯形，包括两段直径不等的轴结构11、12；图5示出了另一种变幅杆结构，其为一段圆锥段21。

超声刀的切割和止血效果与刀头振动有关，确切地说，是与其振速有关。然而，切割与止血之间是相悖的。如果刀头足够锋利，切割的速度会很快，这是医生想要的，但是不足的是可能在短时间内产生不了止血所需的足够热量，反之亦然。但是在振速提高的时候，减小切割力度和/或增强止血效果仍可以通过改变刀头形状来得到。综合各方面考虑，更快的切割速度还是有一定的实际意义。

出于手术方面的考虑，人们一直希望超声刀的振速能够突破17.4m/s。超声刀的振速和振幅是成正比的，而振幅和设备的应力又是成正比，同时，刀头疲劳失效的可能性也总是和应力成正比的。在传统的技术和方法中，尽管通过提高超声刀特定位置的振幅可以提高振速，但这是不可取的，因为设备上的应力也增加了，可能超出其安全使用范围，影响了超声刀的功能和使用寿命，速度提升带来的利要小于超声刀结构上随之增加的应力所带来的弊。出于权衡两者利弊的考虑，超声刀的振速通常被限制在17.4m/s以下，即相当于工作频率为55.5KHz时，振幅小于100微米。实际用的超声刀振速多为15.7m/s，即相当于工作频率为55.5KHz时振幅为90微米，有时甚至更小。由上可知，如果能够提供振速持续大于17.4m/s，同时又保证应力在器械安全使用范围内的超声刀，那将是很有实用价值的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种超声放大装置，通过采用包含多个单一喇叭或者多种喇叭的变幅杆，使得在一个波长的四分之一波段范围内，维持设备的高应力在到一定水平，在提高振幅的同时达到提高振速的目的，但各个应力点仍处于S-N曲线(应力致疲劳失效曲线)以下。

为达到以上目的，本实用新型的解决方案是：

一种医用超声放大装置，它包括变幅杆和末端作用器，变幅杆与末端作用器相连接，该变幅杆由轴结构和/或一种或多种喇叭体构成，喇叭体纵截面按某种数学函数的规律变化，该函数是阶梯型、指数型、圆锥型、贝塞尔曲线型、高斯曲线型或悬索曲线型。

进一步，其头部轴结构前端和换能装置连接，后端与纵截面渐变的喇叭体相连接，喇叭体又与末端作用器相连。

该轴结构和喇叭体的长度均接近工作频率时的1/4波长或1/4波长的奇数倍。

该喇叭体在靠近头部轴结构一端的横截面积大于靠近尾端的另一端的横截面积。

该喇叭体的几何形状根据实际需要可以为阶梯型、指数型、圆锥型、悬索曲线型、高斯曲线型及贝塞尔曲线型。

该变幅杆的横截面通常为圆形、正方形或矩形。

其材料为钛及钛合金、铝及铝合金、陶瓷或不锈钢。

其所使用的超声波导谐振频率为20kHz～100kHz。

由于采用了以上技术方案，本实用新型具有以下优点：本实用新型通过采用包含多个单一喇叭或多种喇叭的变幅杆，使该超声放大装置在一个波长的四分之一波段范围内保持一个高应力水平，但各个应力点仍处于S-N曲线以下，在提高设备振动速度的同时也保证了其使用寿命，使超声刀在安全使用范围内具有理想的切割和止血效果。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图；

图2是根据本实用新型实施例绘制的应力致疲劳失效曲线图；

图3是传统的阶梯形变幅杆结构示意图；

图4是传统的阶梯形变幅杆应变分布图；

图5是传统的圆锥形变幅杆结构示意图；

图6是传统的圆锥形变幅杆应变分布图；

图7是本实用新型复合变幅杆结构示意图；

图8是本实用新型复合变幅杆应变分布图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本实用新型作进一步的说明。

本实用新型可直接应用于超声医疗器械设备，特别适用于具有切割和止血功能的超声外科手术器械，但不仅仅限于这类设备。其主要特点是：该超声放大装置包括变幅杆和末端作用器4，变幅杆含有一个或多个喇叭体，喇叭体的纵截面形状为按某种数学函数规律变化，该函数可以是阶梯型、指数型、圆锥型、贝塞尔曲线型、高斯曲线型或悬索曲线型等。

其工作原理如下：

振动的速度与振幅及频率有如下关系：

V＝2πaf   (1)

其中：V—振动速度(m/s)

a—振动幅度(m)

f—振动频率(Hz)

从这个关系式看来，频率一定时，通过调整振幅可以改变振动速度。

又，振幅与应力的关系如下：

$a=2\·{\∫}_0^{\frac{1}{4}\·\mathrm{\λ}}\mathrm{\ϵ}\left(x\right)\mathrm{dx}---\left(2\right)$

该关系式将变幅杆的中间振幅为零的节点定义为x＝0，1/4·λ为四分之一波段范围，ε(x)为装置纵向距波节节点(振幅最小的位置)距离为x的应变大小，对于半波长的阶梯形变幅杆来说，节点就在中间位置，对于半波长的圆锥形变幅杆来说，节点稍偏离中心位置，向截面小的一段偏移。

因此，振幅增加的同时装置的应力也会增加，装置的使用寿命会呈指数下降，所以这种单纯地追求高振速并不切实际。

应力致疲劳失效曲线如图2所示，此曲线亦称为S-N曲线。

在图2中，纵坐标5表示单位面积应力大小，横坐标6表示使用寿命，即装置疲劳失效时纵向振动循环次数。曲线7即S-N曲线(应力致疲劳失效曲线)，它描述了装置材料在给定应力下的疲劳极限(即使用寿命)。当应力低于S-N曲线以下时，装置一般不会因材料疲劳而失效，反之，当应力高于S-N曲线以上时，装置会因材料受力过大，最终因疲劳而失效。对于某些材料，例如钛，当应力低到一定程度时，其使用寿命理论上可以达到无限长。

对于本实用新型涉及的医疗器械，一般要求其疲劳失效循环次数达到108，对于钛合金来说，相对应的应变量需小于0.0033mm/mm。

本实用新型采用在一个波长的最后四分之一波段范围内维持装置的高应力到一定水平，但仍处于S-N曲线以下，在保证设备使用寿命的前提下，同时使其振动速度超过17.4米/秒，提供良好的切割和止血效果。

在超声放大装置中，常用的喇叭体按其几何形状分为阶梯型、指数型、圆锥型、悬索曲线型、贝塞尔曲线型及高斯曲线型6种，为了便于加工，它们的横截面通常做成正方形、矩形或圆形。每种喇叭因其物理特性的不同，在超声装置中有着不同的作用。不同形状的喇叭形成的变幅杆具有不同的应变曲线。图4和图6分别为某参数的阶梯型变幅杆和圆锥型变幅杆在有限元软件上模拟的应变曲线图，从图中可以看出，阶梯型变幅杆的应变曲线产生一个突起，超过了应变极限，而圆锥型的变幅杆的应变曲线相对比较平缓。因此，阶梯型变幅杆作为放大器使用，在截面积比相同的情况下，尽管其放大倍数最大，但在应变上产生一个快速的尖波；圆锥型的变幅杆在纵向却有相对平缓地放大作用，但是放大倍数不如阶梯型变幅杆。

在超声装置中，如果其长度超过一个波长，为了提高振速到较大的值，而只在最后四分之一波段范围来实现的话，其导致的某点应力集中会对装置的功能和使用寿命不利。本实用新型包含在一个波长最后四分之一波段范围内，使用一个复合型喇叭形成的变幅杆，或传统喇叭的组合形成的变幅杆，或在组合中成倍使用单一喇叭等。利用ε(x)曲线从0到1/4λ范围积分区域的最大化，同时保证任一点的压力ε(x)都不超过无限寿命对应的应力值，使得振动速度得到提升的同时而每一点的应力都在材料的S-N曲线以下。本实用新型中使用的材料可以为钛及钛合金、铝及铝合金、不锈钢或陶瓷等。该超声波导谐振频率在20kHz到100kHz之间。本实用新型包含确定超声放大装置中使用材料的S-N曲线及在超声装置中使用多个单一或复合喇叭形成的变幅杆获得S-N曲线以下的持续应力来提升速度。

如果将一个阶梯型变幅杆的1/4λ长度与一个圆锥型变幅杆的1/4λ长度组合在一起成为复合变幅杆，通过有限元软件模拟得出其应变曲线如图8中曲线8所示，从图中可看到，在最后的1/4λ范围内，应力维持在高水平但仍在S-N曲线下，该结构较等截面比的阶梯形变幅杆使用寿命长，较等截面比的圆锥形变幅杆放大倍数大，在保证装置的使用寿命的前提下，使振速放大倍数最优化。

本实用新型所涉及的复合变幅杆结构如图7所示。其前端为一段轴结构31，其后的结构为一段截面渐变的喇叭结构32，该部分可以是圆弧过渡，也可以是直线或其它曲线过渡，接着是阶梯、圆锥等形状的喇叭的组合33，其可以是单一的喇叭体，也可以是相同或不同的喇叭体的组合，根据实际需要而定。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，对于本实用新型做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1、一种医用超声放大装置，其包括变幅杆、末端作用器，变幅杆与末端作用器相连接，其特征在于：该变幅杆由轴结构和/或一种或多种喇叭体构成，喇叭体纵截面按数学函数规律变化，该函数是阶梯型、指数型、圆锥型、贝塞尔曲线型、高斯曲线型或悬索曲线型。

2、如权利要求1所述的医用超声放大装置，其特征在于：其头部轴结构前端和换能装置连接，后端与纵截面渐变的喇叭体相连接，该喇叭体与末端作用器相连。

3、如权利要求1所述的医用超声放大装置，其特征在于：该轴结构和喇叭体的长度均为工作频率时的1/4波长或1/4波长的奇数倍。

4、如权利要求1所述的医用超声放大装置，其特征在于：该喇叭体在靠近头部轴结构一端的横截面积大于靠近尾端的另一端的横截面积。

5、如权利要求1所述的医用超声放大装置，其特征在于：该变幅杆的横截面为圆形、正方形或矩形。

6、如权利要求1所述的医用超声放大装置，其特征在于：该喇叭体的几何形状为阶梯型、指数型、圆锥型、悬索曲线型、高斯曲线型及贝塞尔曲线型。

7、如权利要求1所述的医用超声放大装置，其特征在于：该变幅杆所使用的材料为钛及钛合金、铝及铝合金、不锈钢或陶瓷。

8、如权利要求1所述的医用超声放大装置，其特征在于：其所使用的超声波导谐振频率为20kHz～100kHz。

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