RU2092120C1

RU2092120C1 - Ultrasound surgical instrument

Info

Publication number: RU2092120C1
Authority: RU
Inventors: Галина Борисовна Кривцова
Original assignee: Галина Борисовна Кривцова
Priority date: 1992-07-14
Filing date: 1992-07-14
Publication date: 1997-10-10

Abstract

FIELD: medical engineering. SUBSTANCE: ultrasound surgical instrument has source of ultrasound oscillations secured in airtight handle and connected to multi-halfwave concentrator. Concentrator input section is of exponential shape. Instrument is made as variable-section body of revolution. In this case, areas of variable cross-sections at conjugation points satisfy definite relation associated with "golden proportion". EFFECT: higher effect on soft tissues in not easily accessible physiological and wound cavities. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к ультразвуковым хирургическим инструментам для воздействия на мягкие ткани в труднодоступных физиологических и раневых полостях. The invention relates to medical equipment, namely to ultrasonic surgical instruments for affecting soft tissues in hard-to-reach physiological and wound cavities.

Известен ультразвуковой инструмент для создания кавитационного воздействия в сосудистом русле [1] Устройство содержит рукоятку, источник ультразвуковых колебаний и подсоединенный к нему концентратор, включающий полуволновый экспоненциальный участок, механически сопряженный с гибким многополуволновым цилиндрическим волноводом диаметром 1,5 0,3 мм, помещенным в катетер. Инструмент позволяет, отслеживая эластичность стенок сосудов, раздвигать их ткани и разрушать новообразования с эвакуацией разрушенного материала через просвет между гибким волноводом и катетером. Вышеописанное устройство не позволяет проводить деструкцию мягких тканей в узком канале или в глубоких труднодоступных полостях вследствие недостаточной устойчивости системы из-за наличия гибкого цилиндрического участка, не позволяющего развивать предельные амплитуды продольных колебаний (150 180 мкм). A known ultrasonic tool for creating cavitation in the vascular bed [1] the Device contains a handle, a source of ultrasonic vibrations and a hub connected to it, including a half-wave exponential section, mechanically coupled to a flexible multi-wave cylindrical waveguide with a diameter of 1.5 to 0.3 mm, placed in the catheter . The tool allows, tracking the elasticity of the walls of blood vessels, to push apart their tissues and destroy neoplasms with the evacuation of the destroyed material through the lumen between the flexible waveguide and the catheter. The above device does not allow for the destruction of soft tissues in a narrow channel or in deep inaccessible cavities due to the insufficient stability of the system due to the presence of a flexible cylindrical section that does not allow the development of ultimate amplitudes of longitudinal vibrations (150-180 microns).

Известен ультразвуковой хирургический инструмент для разрушения клапанов вен [2] включающий источник ультразвуковых колебаний, соединенный с многополуволновым стержневым концентратором с шаровидной рабочей частью, на которой выполнены кольцевые режущие кромки. При работе инструмента в стержне возбуждают продольные колебания, рабочую часть вводят внутрь вены, подводят к клапану и острой режущей кромкой срезают створки клапана. Так же как и приведенный выше аналог, этот инструмент не может быть использован для деструкции мягких тканей из-за невозможности развивать предельные амплитуды продольных колебаний рабочего конца ультразвукового инструмента вследствие того, что наличие стержневого участка с массивной шаровидной рабочей частью не обеспечивает необходимую высокую устойчивость системы. Known ultrasonic surgical instrument for the destruction of vein valves [2] comprising a source of ultrasonic vibrations connected to a multi-wave rod concentrator with a spherical working part, on which annular cutting edges are made. When the tool is operating in the rod, longitudinal vibrations are excited, the working part is introduced into the veins, brought to the valve and the valve flaps are cut with a sharp cutting edge. Like the analogue above, this tool cannot be used for destruction of soft tissues due to the inability to develop the maximum amplitudes of longitudinal vibrations of the working end of the ultrasonic instrument due to the fact that the presence of a core section with a massive spherical working part does not provide the necessary high stability of the system.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании ультразвукового хирургического инструмента, обеспечивающего возможность формирования узких каналов в мягких тканях с минимальной травматичностью окружающих тканей, например подслизистое прохождение носовых раковин при хирургическом лечении вазомоторных ринитов, а также активизацию процесса очистки глубоких раневых и физиологических полостей через промежуточную среду для ускорения процессов заживления. The problem to which the invention is directed is to create an ultrasonic surgical instrument that enables the formation of narrow channels in soft tissues with minimal trauma to surrounding tissues, for example, submucosal passage of nasal concha during surgical treatment of vasomotor rhinitis, as well as the intensification of the cleaning of deep wound and physiological cavities through an intermediate medium to accelerate healing processes.

Техническим результатом, который достигается при использовании предложенной конструкции, является развитие предельных амплитуд продольных механических колебаний ультразвуковой частоты на рабочем конце ультразвукового хирургического инструмента минимального диаметра 0,75 1,5 мм за счет создания многополуволновой ультразвуковой системы с минимальным эффективным значением площади активного элемента и высокой устойчивостью. The technical result that is achieved by using the proposed design is the development of limiting amplitudes of longitudinal mechanical vibrations of ultrasonic frequency at the working end of an ultrasonic surgical instrument with a minimum diameter of 0.75 1.5 mm due to the creation of a multi-wave ultrasound system with a minimum effective area of the active element and high stability .

Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой хирургический инструмент, включающий источник ультразвуковых колебаний, в узловой плоскости которого закреплена герметичная рукоятка, а также многополуволновый концентратор, имеющий входной участок экспоненциальной формы, коническую и рабочую части, выполнен в виде тела вращения переменного сечения и включает четвертьволновый участок, содержащий активный элемент и нерабочую частотопонижающую накладку, при этом площади изменяющихся поперечных сечений в местах сопряжений определяют из следующей зависимости:

где S₀ эффективное значение площади активного элемента и входного участка концентратора;
S₁ эффективное значение площади торца нерабочей частотопонижающей накладки инструмента;
S₂ эффективное значение площади концентратора в месте сопряжения экспоненциальной и конической частей;
S₃ эффективное значение площади концентратора в месте сопряжения первого и второго полуволновых участков;
S_n эффективное значение площади концентратора в месте сопряжения последующих полуволновых участков;
S_n+1 эффективное значение площади выходного участка рабочего конца концентратора;
N_a,b,c,d любое действительное число из ряда Фибоначчи (1,2,3,5,8,13,21,34,55,89.);
Ф коэффициент равный 1,5 2,0 ("Золотая пропорция").The essence of the invention lies in the fact that an ultrasonic surgical instrument, including a source of ultrasonic vibrations, in the nodal plane of which a sealed handle is fixed, as well as a multi-wave concentrator having an input section of an exponential shape, a conical and working parts, is made in the form of a body of revolution of variable cross section and includes a quarter-wave a section containing an active element and a non-working frequency-reducing pad, while the areas of varying cross sections at the interfaces about redelyayut the following relationship:

where S _{0 is the} effective value of the area of the active element and the input section of the concentrator;
S _{1 the} effective value of the area of the end face of the inoperative frequency-lowering tool pads;
S _{2 the} effective value of the area of the concentrator at the junction of the exponential and conical parts;
S _{3 the} effective value of the area of the concentrator at the junction of the first and second half-wave sections;
S _{n the} effective value of the area of the hub at the interface between subsequent half-wave sections;
S _{n + 1} effective value of the area of the output section of the working end of the concentrator;
N _{a, b, c, d} any real number from the Fibonacci series (1,2,3,5,8,13,21,34,55,89.);
F coefficient equal to 1.5 2.0 ("Golden ratio").

Кроме того

где

длина четвертьволнового участка между свободным торцом нерабочей частотопонижающей накладки и узловой плоскостью;
l длина участка между свободным торцом нерабочей частотопонижающей накладки и плоскостью симметрии активного элемента.Moreover

Where

the length of the quarter-wave section between the free end of the inoperative frequency-reducing pad and the nodal plane;
l the length of the section between the free end of the non-working frequency-reducing lining and the plane of symmetry of the active element.

При этом максимальное значение эффективной площади поперечного сечения рабочей части концентратора, выполненной на участке длиной не более четверти волны и имеющей форму любого тела вращения переменного сечения не превышает эффективное значение площади концентратора в месте сопряжения экспоненциальной и конической его частей. In this case, the maximum value of the effective cross-sectional area of the working part of the concentrator, performed on a section of no more than a quarter wavelength and having the shape of any body of revolution of variable cross-section, does not exceed the effective value of the concentrator’s area at the interface between its exponential and conical parts.

Отличительные существенные признаки изобретения, выраженные в виде математической зависимости позволяют создать гармоническую систему с высокой устойчивостью, обеспечивающую на рабочем конце хирургического инструмента предельные амплитуды механических колебаний, максимальное значение которых ограничивается только прочностными свойствами материала концентратора, вследствие использования фундаментального коэффициента Ф "Золотой пропорции" [3] Построение системы на основе соотношения закономерностей коэффициента Ф и числа из ряда Фибоначчи позволяет оптимальным образом строить акустическую систему по законам гармонии, отражающим диалектическое единство двух начал: непрерывного и дискретного. Указанные соотношения позволяют максимально использовать мощность активного элемента при минимально возможных эффективных значениях его площади, что существенно важно для уменьшения диаметра рукоятки инструмента, предназначенного для работы в узких и глубоких операционных полостях. Гармоническое построение системы позволяет сохранять ее устойчивость и работоспособность без возникновения поперечных колебаний, приводящих к излому инструмента, работающего в предельных режимах, при минимальных значениях диаметра рабочего конца инструмента, что необходимо для обработки глубоких и узких физиологических или раневых полостей, например санации послеоперационных свищей, обработки узких колотых ран и т.п. Distinctive essential features of the invention, expressed in the form of a mathematical dependence, allow you to create a harmonic system with high stability, providing at the working end of the surgical instrument the ultimate amplitudes of mechanical vibrations, the maximum value of which is limited only by the strength properties of the concentrator material, due to the use of the fundamental coefficient Ф "Golden ratio" [3 ] Building a system based on the relationship between the laws of the coefficient f and the number of series Fibonacci allows optimal way to build a speaker system according to the laws of harmony, reflecting the dialectical unity of two principles: continuous and discrete. These ratios allow you to maximize the power of the active element at the lowest possible effective values of its area, which is essential to reduce the diameter of the handle of the tool designed to work in narrow and deep operating cavities. The harmonious construction of the system allows you to maintain its stability and performance without the occurrence of transverse vibrations leading to a fracture of the instrument, operating in extreme conditions, with minimum values of the diameter of the working end of the instrument, which is necessary for the treatment of deep and narrow physiological or wound cavities, for example, rehabilitation of postoperative fistulas, treatment narrow puncture wounds, etc.

Соотношения по п.1 предназначены для построения ультразвуковых инструментов с любыми источниками ультразвуковых колебаний. Соотношения по п.2 являются частным случаем построения ультразвуковой пьезокерамической системы пакетного типа. Признаки по п.3 обеспечивают устойчивость ультразвуковой системы с различными модификациями рабочих концов инструментов широкого хирургического назначения. The ratios according to claim 1 are intended for the construction of ultrasonic instruments with any sources of ultrasonic vibrations. The relations according to claim 2 are a special case of constructing a batch type ultrasonic piezoelectric ceramic system. The signs according to claim 3 ensure the stability of the ultrasound system with various modifications of the working ends of instruments for wide surgical purposes.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг.2 эпюра амплитуд колебаний соответствующих точек инструмента. In FIG. 1 presents a diagram of the proposed device; figure 2 plot of the amplitudes of the oscillations of the corresponding points of the tool.

Ультразвуковой хирургический инструмент содержит рукоятку 1, закрепленную в узловой плоскости находящегося внутри ее источника ультразвуковых колебаний, включающего активный пьезокерамический элемент 2 пакетного типа, нерабочую частотопонижающую гайку-накладку 3 с торцом 4, часть рабочей частотопонижающей накладки 5 с буртом 6, расположенным в узловой плоскости четвертьволнового участка инструмента и служащим для крепления рукоятки 1. Болт 7 предназначен для стягивания акустической системы. Концентратор 8 включает входной участок 9, экспоненциальную часть 10 и многополуволновый конический участок 11, а также рабочий конец 12 с выходным участком 13. Инструмент построен по следующей зависимости:

где S₀ эффективное значение площади активного элемента 2 и входного участка 9 концентратора;
S₁ эффективное значение площади торца 4;
S₂ эффективное значение площади концентратора в месте сопряжения экспоненциальной части 10 и конического участка 11;
S₃ эффективное значение площади концентратора в месте сопряжения первого и второго полуволновых участков конической части 11;
S₄ эффективное значение площади концентратора 8 в месте сопряжения второго и третьего полуволновых участков конической части 11;
S_n+1 эффективное значение площади выходного участка 13 рабочего конца 12 концентратора 8;
5, 13, 89, 8 действительные числа из ряда Фибоначчи;
Ф коэффициент равный 1,618.An ultrasonic surgical instrument contains a handle 1 fixed in the nodal plane of the source of ultrasonic vibrations inside it, including an active packet-type piezoceramic element 2, an inoperative frequency-reducing nut-plate 3 with an end 4, a part of the working frequency-reducing plate 5 with a collar 6, located in the nodal quarter-wave plane section of the tool and used to attach the handle 1. The bolt 7 is designed to tighten the speaker system. The hub 8 includes an input section 9, an exponential part 10 and a multi-wave conical section 11, as well as a working end 12 with an output section 13. The tool is constructed according to the following relationship:

where S _{0 is the} effective value of the area of the active element 2 and the input section 9 of the concentrator;
S _{1 the} effective value of the area of the end face 4;
S _{2 the} effective value of the area of the concentrator at the junction of the exponential part 10 and the conical section 11;
S _{3 the} effective value of the area of the hub at the junction of the first and second half-wave sections of the conical part 11;
S _{4 the} effective value of the area of the hub 8 at the junction of the second and third half-wave sections of the conical part 11;
S _{n + 1} effective value of the area of the output section 13 of the working end 12 of the hub 8;
5, 13, 89, 8 real numbers from the Fibonacci series;
Ф coefficient equal to 1.618.

В числовом выражении зависимость имела следующие значения:

Эффективное значение площадей указано в см².In numerical terms, the dependence had the following meanings:

The effective value of the areas indicated in cm ² .

Отношение

Рабочий конец 12 выполнен каплевидным, максимальное значение эффективной площади его поперечного сечения равно 0,087 см², что меньше значения S₂ 0,1398 эффективного значения площади концентратора 8 в месте сопряжения экспоненциальной 10 и конической 11 частей.Attitude

The working end 12 is made drop-shaped, the maximum value of the effective cross-sectional area is 0.087 cm ² , which is less than the value S ₂ 0.1398 of the effective value of the area of the concentrator 8 at the interface between the exponential 10 and the conical 11 parts.

Устройство работает следующим образом. Ультразвуковой хирургический инструмент через разъем (на чертеже не показан) в рукоятке 1 подсоединяют к ультразвуковому генератору (на чертеже не показан). При подаче напряжения активный элемент 2, возбуждаясь, преобразует высокочастотные электрические колебания в механические колебания ультразвуковой частоты передающейся с усилением концентратором 8 на рабочую часть 12. Инструмент образует многополуволновую резонансную систему в диапазоне частот 16,5 ± 1,65; 22 ± 1,65; 44 ± 4,4 кГц в зависимости от предназначения инструмента. Приведенный в примере инструмент предназначен для коагуляции крови при капиллярных кровотечениях в узких полостях и выполнен трехполуволновым с расчетом на резонансную частоту 44,0 кГц. Ручка 1, находясь в руке врача, обеспечивает полную электрическую и акустическую развязку ультразвуковой системы и руки хирурга. Коническую часть 11 с рабочей частью 12 и выходным участком 13 вводят в обрабатываемую полость. За счет поверхностного трения, возникающего в результате высокочастотных и высокоамплитудных (80 120 мкм) колебаний происходит быстрая коагуляция кровоточащих участков. Такая же форма рабочей части при ультразвуковом воздействии через промежуточную среду (лекарственный препарат) в кавитационном режиме обеспечивает очистку раневых и физиологических полостей, активизируя диффузию лекарственных препаратов и значительно ускоряя процесс заживления. The device operates as follows. An ultrasonic surgical instrument through a connector (not shown in the drawing) in the handle 1 is connected to an ultrasonic generator (not shown in the drawing). When a voltage is applied, the active element 2, when excited, converts high-frequency electrical vibrations into mechanical vibrations of the ultrasonic frequency transmitted with amplification by the hub 8 to the working part 12. The instrument forms a multi-wave resonance system in the frequency range 16.5 ± 1.65; 22 ± 1.65; 44 ± 4.4 kHz depending on the intended use of the instrument. The tool shown in the example is intended for coagulation of blood during capillary bleeding in narrow cavities and is made three-wave with the expectation of a resonant frequency of 44.0 kHz. Handle 1, being in the doctor’s hand, provides complete electrical and acoustic isolation of the ultrasound system and the surgeon’s hands. The conical part 11 with the working part 12 and the output section 13 is introduced into the treated cavity. Due to surface friction resulting from high-frequency and high-amplitude (80 120 μm) oscillations, coagulation of bleeding areas occurs quickly. The same form of the working part with ultrasonic treatment through an intermediate medium (drug) in the cavitation mode provides cleaning of wound and physiological cavities, activating the diffusion of drugs and significantly accelerating the healing process.

Источники информации
1. Патент США N 4920954, кл. A 61 B 17/32, 1990.Sources of information
1. US patent N 4920954, CL. A 61 B 17/32, 1990.

2. Авт. св. СССР N 1507353, кл. A 61 B 17/32, 1989 (прототип). 2. Auth. St. USSR N 1507353, class A 61 B 17/32, 1989 (prototype).

3. Васютинский Н.А. Золотая пропорция, М. "Молодая гвардия", 1990. 3. Vasyutinsky N.A. The Golden Proportion, M. "Young Guard", 1990.

Claims

1. Ultrasonic surgical instrument containing a sealed handle, an ultrasonic source placed in it and fastened to the handle in the nodal plane, as well as a multi-wave concentrator having an input, exponential, conical and working sections, characterized in that the tool is made in the form of a body of revolution of variable cross section , the ultrasonic source contains a quarter-wave section with an active element and a non-working frequency-reducing pad, while the cross-sectional areas at the junctions s tool satisfy the relation

where S _{0 is the} effective value of the cross-sectional area of the active element and the input section of the concentrator;
S _{1 the} effective value of the area of the free end of the inoperative frequency-reducing lining;
S _{2 is the} effective value of the cross-sectional area of the concentrator at the junction of the exponential and conical sections;
S _{3 the} effective value of the cross-sectional area of the concentrator at the interface between the first and second half-wave sections;
S _{n the} effective value of the cross-sectional area of the hub at the interface between subsequent half-wave sections;
S _{n + 1} effective value of the end surface area of the working section of the concentrator;
N _{a, b, c, d} any real number from the Fibonacci series (1,2,3,5,8,13,21,34,55,89.);
Φ is a coefficient equal to 1.5-2.0.

2. The tool according to claim 1, characterized in that the distance l between the free end of the non-working frequency-reducing lining and the plane of symmetry of the active element parallel to it, as well as the length lλ / 4 of the quarter-wave section between the free end of the non-working frequency-lowering lining and the nodal plane satisfy the relation

3. The tool according to claim 1, characterized in that the working section of the concentrator is made in the form of a body of revolution of variable section with a length of not more than a quarter of the wavelength, and the maximum value of the effective cross-sectional area of the working section does not exceed S ₂ .