Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schwingen einer Nadel mit einem Schwinger und einem Wellenleiter sowie einen Phakoemulsionierungswandler mit einer solchen Vorrichtung. Die Erfindung kann bei der medizinischen Behandlung von Katarakten angewendet werden, wobei die vibrierende Nadel die Katarakte zerbricht und die zerbrochenen Bruchstücke durch den hohlen Teil der Nadel abgezogen werden.
Fig. 1 zeigt einen piezoelektrischen Wandler 3, der angewendet werden kann, um eine stehende Ultraschallwelle in einem Rohr 6 zu erzeugen. Der Wandler umfasst zwei piezoelektrische Kristalle 9 und 12, die durch eine Elektrode 15 getrennt sind. Werden die Kristalle durch ein an die Oberflächen 21A und 21B angelegtes Wechselstromsignal erregt, werden die Kristalle mit der Frequenz des Signals expandiert und kontraktiert. Das heisst, die Kristalle pendeln zwischen der expandierten Grösse, die durch die gestrichelte Linie 18 angegeben wird, und der kontraktierten Grösse, die durch die Oberflächen 21A und 21B angegeben wird. Diese zyklische Expansion und Kontraktion bewirkt mechanische Impulse an dem Rohr 6.
Wird die Pulsfrequenz gleich der Resonanzfrequenz des Rohres 6, wird eine stehende Welle entstehen. Die stehende Welle bewirkt, dass eine Nadel 24 zwischen einer mit gestrichelten Linien dargestellten Position 24 schwingt. Die schwingende Nadel kann angewendet werden, um hartes Material, z.B. Katarakte im menschlichen Auge zu zertrümmern.
Eine Art der bekannten Vorrichtung verwendet eine Elektrode 15, die aus einer Beryllium-Kupfer-Legierung hergestellt ist. Durch die zyklische Kompression und Entspannung, die durch die Vibration der Kristalle 9 und 12 bewirkt wird, ermüdet jedoch eine solche Elektrode und über einen längeren Zeitraum wird die Elektrode 15 herausgepresst, wie dies in vergrösserter Form in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Verformung hat mindestens drei Effekte zur Folge. Erstens es bewirkt, dass sehr kleine Luftspalte auftreten, wie durch den Spalt 28 dargestellt ist. Diese Lufspalte schwächen die akustische Kopplung zwischen den Flächen 30 und 33 und setzen den Übertragungswirkungsgrad der Ultraschallenergie in das Rohr 6 herab. Zweitens, die Luftspalte vermindern den elektrischen Kontakt zwischen der Elektrode 15 und den Kristallen 9 und 12.
Ein guter elektrischer Kontakt ist aber erforderlich, um die elektrische Ladung aufzubringen, welche die auf dem Piezoeffekt beruhende Bewegung der Kristalle 9 und 12 einleitet. Drittens, die Verformung verringert den mechanischen Druck, der ursprünglich auf die Kristalle 9 und 12 einwirkte. Das heisst, die Kristalle werden durch mechanische Kräfte vorgespannt, die durch die Pfeile 36 und 39 in Fig. 1 dargestellt sind. Die Elektrode 15 wirkt diesen Kräften 36 und 39 entgegen. Die Dickenänderung, die durch die Verformung verursacht wird, verringert diese Reaktion, vermindert den Druck, somit werden die Kristalle 9 und 12 entlastet und arbeiten unter nicht optimalen Bedingungen.
Ein zweites Merkmal des Fühlers in Fig. 1 ist, dass eine beträchtliche Menge der akustischen Energie, die durch die Wellen 40 dargestellt ist, abgestrahlt und nicht auf das Rohr 6 übertragen wird. Die Wellen 40 bringen keine Energie auf die Nadel 24. Ihre Energie geht verloren.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen verbesserten Ultraschallwandler mit einem Reflektor, wel cher der durch die zyklische Biegung des Schwingers verursachte Verformung widersteht und welcher auf eine Nadel eine akustische Energie aufbringt, die andererweise verlorengeht.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäss mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 erreicht.
Eine Phakoemulsionierungssonde ist erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruches 4 gekennzeichnet.
Bei dieser Phakoemulsionierungssonde kann die Frequenz automatisch nachgeführt und stabile Schwingungssignale über einen spezifizierten Frequenzbereich aufrechterhalten werden, als auch die akustische Belastung und eine maximale Lastübertragung auf die über einen spezifizierten Bereich sichergestellt werden.
Zur automatischen Frequenz- und Lastnachführung kann ein elektronischer Steuerschaltkreis vorgesehen werden, und eine nahezu konstante mechanische Beanspruchung kann über einen spezifizierten Arbeitstemperaturbereich für die piezoelektrischen Wandler durch einen einzigartigen flexiblen Klemmechanismus aufrechterhalten werden. Eine optimale mechanische Beanspruchung kann durch den Resonator am Nadelträger aufrechterhalten werden.
Der Resonator kann eine akustische Trichter- und Rohrkombination mit einer Form sein, welche sich nahezu dem idealen katenoidalen Hornaufbau nähert.
Die Fig. 1 zeigt eine bekannte Phakoemulsionierungssonde.
Die Fig. 2 zeigt die Verformung, welche in der Elektrode 15 in Fig. 1 auftreten kann.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung.
Die Fig. 5 zeigt die Reflexion von Schallwellen durch einen Reflektor 43 in Fig. 4.
Die Fig. 6 zeigt schematisch die Kompression des Wandlers 3 in Fig. 3.
Die Fig. 7 zeigt schematisch die Verlängerung des Stabes 66B, welcher dem Rohr 66 in Fig. 3 entspricht, welche auftritt, um den konstanten Druck auf den Wandler in Fig. 7 aufrechtzuerhalten.
Die Fig. 8 zeigt einen Schaltkreis, der ein Signal an einen Wandler anlegt, welches Signal die gleiche Frequenz wie die Resonanzfrequenz einer Last an dem Wandler hat.
Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, während Fig. 4 die Erfindung von Fig. 3 zeigt, aber in auseinandergezogener, vereinfachter schematischer Form. In diesen Figuren ist ein Ultraschallwandler 3 zwischen einem Reflektor 43 und einem Resonator 46 angeordnet. Der Wandler enthält eine Elektrode 50 aus ungehärtetem # 01 Kohlenstoffstahl und zwei piezoelektrischen Kristallen 53 und 56 aus einem modifizierten Blei-Zirkonat-Titan-Keramikmaterial, die in Ringe geformt und mit Silber zur elektrischen Leitung beschichtet sind und unter dem Markennamen PXE durch die Elektronic Components and Materials Division of North American Phillips Corporation verkauft werden. Ein Stift 59, der an der Elektrode befestigt ist, ermöglicht den Anschluss an eine Stromquelle. Ein Isolierrohr 61 sitzt in einer Bohrung 63 im Wandler 3.
Der Reflektor 43 ist durch ein Rohr 66 mit Aussengewinde befestigt, das mit den Gewindeabschnitten 68 und 70 in dem Reflektor und Resonator übereinstimmt.
Beide, das Rohr 66 und der Resonator 46 sind aus 6AL-4V Titan hergestellt. Der Reflektor 43 ist aus # 17 Wolfram hergestellt. Eine Isolierhülse besteht aus Teflon. Teflon ist eine Marke der Du Pont Chemical Corporation.
Beim Zusammensetzen der Komponenten von Fig. 4 in den fertiggestellten Aufbau von Fig. 3, wird zuerst das Gewinderohr 66 in den Resonator 46 eingeschraubt, bis ein Ende 73 in Fig. 3 gegen die Schulter 75 anliegt. Dann wird der Reflektor auf das Gewinderohr 66 aufgeschraubt, um den Wandler 3 zusammenzudrücken. Der Druckwert wird nach der folgenden Methode bestimmt.
Ein 2 mu F Kondensator 77 wird über die piezoelektrischen Kristalle 53 geschaltet, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Dadurch ist der Kondensator 77 parallel zu den Kristallen 53 und 56 geschaltet. Diese parallele Anordnung besteht, weil das Gewinderohr 66 den Reflektor 43 mit dem Resonator 46 elektrisch verbindet und somit den Resonator 43 und Reflektor 46 an die gleiche elektrische Spannung anlegt. (Das heisst, die Flächen 79 und 80 des Kristalls sind beide an den Anschlussdraht 83 des Kondensators 77 angeschlossen, während die Flächen 85 und 86 mit dem Anschlussdraht 89 verbunden sind.)
Nachdem der Kondensator 77 parallel zu den Kristallen 53 und 56 angeschlossen ist, wird der Reflektor 43 durch Drehen des Gewinderohres 66 zum Resonator 46 verschoben, bis die piezoelektrischen Kristalle soweit zusammengedrückt werden, dass die Spannung über den Kondensator 77 0,75 Volt erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird das Vorschieben vom Reflektor 43 gestoppt. Die piezoelektrischen Kristalle 53 und 56 werden nun proper zusammengedrückt.
Ein Grund zur Durchführung dieser besonderen Spannungsmessart unter Anwendung des Kondensators 77 besteht darin, dass die Gesamtkapazität der Kristalle 53 und 56 ca. 600 bis 700 pF beträgt. Die elektrische Ladungsaufteilung, welche durch die Kompression der Kristalle zwischen Reflektor 46 und Resonator 43 mit solch einer kleinen Kapazität erzeugt wird, erzeugt eine hohe Spannung in der Grössenordnung von Hunderten von Volt. Eine Messung einer solchen Spannung unter diesen Umständen ist schwierig, mindestens aus den Gründen, dass sich eine sehr kleine RC-Zeitkonstante aus der Kombination von Kristalleigenkapazität und Eingangswiderstand des Voltmeters ergibt.
Der Aufbau nach Fig. 3 kann wie folgt angewendet werden. Eine bekannte Phakoemulsionierungsnadel, z.B. das Modell Nummer IA-145, erhältlich bei Storz Instrument Company in St. Louis, Missouri, wird in das Gewindeende 96 des Resonators 46 eingeschraubt. Bei Gebrauch vibriert die Nadel in Längsrichtung durch abwechselndes Zusammenziehen in der ausgezogenen Darstellung 94 und Ausdehnen in der gestrichelten Darstellung 98. Diese oszillatorische Verschiebung, die durch das Mass 101 be zeichnet ist, beträgt ca. 5/1000 stel von 25,4 mm. Die Vibration der Nadel tritt mit der Schwingfrequenz der piezoelektrischen Kristalle 53 und 56 auf, die über den Resonator 46 an die Nadel 94 gekoppelt sind. Der gekrümmte Bereich 104 des Resonators 46 wirkt als ein Trichter, um den Kristall 56 an die Nadel 94 bezüglich Impedanz anzupassen und um den Energiefluss zur Nadel zu maximieren.
Der Resonator 46 als ein Ganzes wirkt als eine 1/4 Wellenlänge - Übertragungsleitung (bei der Kristallfrequenz), auf welche die Nadel 94 als eine Last wirkt.
Die Kristalle 53 und 56 in Fig. 3 werden durch ein Signal getrieben, das an die Elektrode 50 und den Reflektor 43 angelegt wird. Das Anlegen eines Wechselstromsignals an die Kristalle 53 und 56 veranlasst diese, sich periodisch in die gestrichelt dargestellte Position 107 auszudehnen und dann in die ausgezogen dargestellte Position zusammenziehen. Dieses periodische Ausdehnen und Zusammenziehen legt mechanische Impulse mit der Signalfrequenz an den Resonator 46.
Die die Elektrode 50 und den Reflektor 43 treibende Signalfrequenz beträgt mit Vorteil 28 bis 29 kHz. Ein System zum Anlegen eines solchen Treibersignals an die Kristalle 53 und 56 ist in der US-Patentanmeldung Nr. 928 170 mit dem Titel "Control System For Ophthalmic Surgical Instruments" eingereicht am 6. November 1986 beschrieben. Diese Patentanmeldung wird durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung eingeschlossen. Eine Ausführungsform eines derartigen Systems ist von Storz Instrument Company, St. Louis, Missouri, unter der Bezeichnung DAISY erhältlich.
Eine Schaltkreisart, welche im DAISY-System angewendet wird, um ein elektrisches Signal zum Treiben des Wandlers mit Resonanzfrequenz anzulegen, ist im Blockschema von Fig. 8 gezeigt. In der vorliegenden Erläuterung ist der Wandler 3 als ein RLC-Serie-Resonanznetzwerk parallel mit einer Kapazität aufgebaut, wenn unter Last und nahe der Resonanzfrequenz des Wandlers betrie ben. Dieses Modell des Wandlers ist in Fig. 8 nicht gezeigt.
Als System mit geschlossener Schleife ist der Treiberschaltkreis im wesentlichen ein Oszillator, der das Barkhausensche Schwingungskriterium erfüllt: Null Phasenverschiebung und Schleifenverstärkung 1. Die Ausgangsfrequenz des Oszillators ist mit 28 500 +/- 500 Hertz gewählt.
Der Rückkopplungsteil der Schleife besteht aus einem Injektion-Oszillator 203, einem aktiven Bandpassfilter 205, einem aktiven Tiefpassfilter 207 und einem Verstärker 209 mit variablem Verstärkungsfaktor. Der Oszillator 203 erzeugt ein Spannungssignal mit einer Frequenz nahe der Resonanzfrequenz des Wandlers. Dieses Signal wird aus der Rückkopplungsschleife weggeschaltet, sobald der Treiberschaltkreis ein ausreichend hohes Signal erzeugt, um die Wandlerschwingungen aufrechtzuerhalten. Der Bandpass- und Tiefpassfilter sorgen für die geeignete Frequenzwahl und Phasenverschiebungscharakteristiken, um die Stärke des Wandlerrückkopplungssignals aufrechtzuerhalten, während die Wandlerphasencharakteristiken über einen normalen Arbeitsbereich variieren.
Das vom Wandler zurückgekoppelte Signal wird über ein Kompensationsnetzwerk 213 abgeleitet, das eine zusätzliche Frequenzwahl und Phasenverschiebungsstabilität bewirkt. Der Verstärker 209 bestimmt die Schleifenverstärkung während der anfänglichen Einstellung der Filterschaltkreise und bleibt im wesentlichen festeingestellt, nachdem die Filterschaltkreiskalibrierung abgeschlossen ist.
Der Leistungsverstärker und Transformator 215 erzeugt eine max. Treiberspannung von ca. 380 V (effektiver Mittelwert der Spannung) mit einem max. Strom von ca. 10 mA (effektiver Mittelwert des Stromes). Ein Verstärkungsregelschaltkreis 218 erzeugt ein stabiles Spannungssignal durch Vergleich der Treiberspannung auf der Leitung 221 mit einem Spannungsbezugspegel, der durch einen Bedienenden auf der Leitung 223 eingegeben wird und nachfolgendes Kompensieren der Differenzen durch Einstellen der Verstärkung des Leistungsverstärkers 215.
Die Vibration der Nadel 24 in Fig. 3 kann bei der medizinischen Behandlung von erhärteten Objekten z.B. Katarakte im menschlichen Auge angewendet werden. Wird die vibrierende Nadel 94 nahe an einen Katarakt herangebracht, wird der Katarakt zertrümmert, und die Bruchstücke werden durch den Kanal 110 abgezogen, der über einen Nippel 117 an eine Vakuumquelle 115 angeschlossen ist.
Mehrere wichtige Aspekte der Erfindung sind folgende:
(1) Wie vorstehend erwähnt ist der Reflektor 43 aus Wolfram. Wolfram hat eine sehr hohe Schallimpedanz in der Grössenordnung von 90-10<6> kg/(m<2>-sec) bis 105 x 10<6> kg/(m<2>-sec). Demzufolge wird die Schallenergie an der Berührungsfläche 79 in Fig. 3 (1) in Phase reflektiert, und zwar (2) mit einem Reflexionsfaktor von beinahe Eins, d.h. beinahe 100% der Energie wird reflektiert bei einer minimalen Übertragung in den Reflektor. Diese starke Reflexion gewinnt Energie zurück und richtet diese wieder zum Resonator 46 zurück. Diese Energie würde andernfalls im Reflektor 43 verlorengehen. Eine solche Verlustenergie ist als Welle 40 in Fig. 1 dargestellt. Die durch die Erfindung erzielte starke Reflexion kann wie folgt erklärt werden.
Wenn sich die ausbreitenden Schallwellen durch den Wandler 3 fortpflanzen, treffen sie auf unterschiedlich hohe Schallimpedanzen, die sich aus der Dichte und dem E-Modul der unterschiedlichen Materialien ergeben, aus denen der Wandler zusammengesetzt ist. Wenn eine Schallwelle eine Grenzschicht zwischen zwei derartig unterschiedlichen Materialien durchdringt, ist es wahrscheinlich, dass die Welle reflektiert wird. Die Energieübertragungstheorie quantifiziert diese Reflexion, wie die folgende Diskussion zeigt.
Der Reflexionsfaktor, der eine komplexe Zahl mit reellen und imaginären Teilen (die beide möglicherweise nicht Null sind), umschreibt die Menge der auftreffenden Wellenenergie, welche an der Grenzfläche zischen unterschiedlichen Materialien reflektiert wird. Es gibt auch die Phasenlage zwischen auftreffenden und reflektierten Wellen an; diese sind entweder phasengleich (Phasenverschiebung = 0) oder phasenverschoben (bis zu 180 DEG ).
Die prinzipiellen Konstruktionsmethoden, die bei Wandlern angewendet werden, basieren auf einer anfänglichen Annahme, dass die Übertragungsmedien für Schallwellen verlustlos sind. Diese Annahme bringt den Vorteil, dass die für Ausführung einer Schallübertragungskonstruktion erforderlichen mathematischen Berechnungen weit besser beherrschbar sind und einen geringen Aufwand für die Genauigkeit des Endergebnisses verursachen.
Die Methode, nach welcher der Reflexionsfaktor berechnet wird, steht in Zusammenhang mit der Annahme, dass die Übertragung verlustlos erfolgt. In ihrer allgemeinsten Form, ist die Berechnung einfach ein Verhältnis aus (1) den Unterschieden zwischen zwei Schallimpedanzen und (2) der Summe dieser beiden Impedanzen. Eine verwirrende Situation tritt unter Umständen auf, wenn man versucht jeder Impedanz einen numerischen Wert zuzuweisen, bevor das Verhältnis berechnet ist. Die Berechnung des Reflexionsfaktors R erfolgt folgendermassen:
R = (ZL-ZO)/(ZL+ZO)
In dieser Gleichung stellt ZL die spezifische Schallimpedanz dar, welche vorliegt wenn sich die Schallwelle aus einem Medium mit einer Eigenimpedanz ZO in ein Medium mit einer Eigenimpedanz ZX fortpflanzt. Der numerische Wert der spezifischen Schallimpedanz ist eine Funktion der Eigenschallimpedanz, der Länge des Materials von der Fläche, auf die die Welle auftrifft, bis zur Fläche, aus der die Welle austritt, und des numerischen Wertes (möglicherweise komplex) der spezifischen Schallimpedanz, welche die übertragene Welle durchläuft, wenn sie die Austrittsfläche erreicht.
Im allgemeinsten Sinne sind die Dämpfungseigenschaften des Materials auch wesentlich. wie früher angegeben, werden jedoch diese Eigenschaften bei der Konstruktion ausser Acht gelassen, weil angenommen wird, dass ausreichende massliche Massnahmen an den Teilen getroffen worden sind, so dass die Annahme, dass keine Verluste auftreten, gültig bleibt.
Ein weiterer Faktor, auf welchen diese Konstruktion basiert, ist die Wellenlänge der Schallwelle, wenn sie den keramischen Kristall durchläuft. Um für den Wolframreflektor die gewünschte phasengleiche Reflexion zu halten, muss seine Länge nahe bei 1/4 Wellenlänge mit einer niederohmigen Wellenimpedanzverstärkung liegen, d.h. mit einer Verstärkung die über dem Betriebsfrequenzbereich bei einem Kurzschluss des Wandlers liegt. Die Schallimpedanz von Luft wird für gewöhnlich als ein Kurzschluss angesehen.
Unter diesen Bedingungen ist die spezifische Schallimpedanz, die von der übertragenen Schallwelle an der Grenzfläche des Wolfram-Reflektors durchlaufen wird, nahezu Null. Deshalb ist die von der Schallwelle an der Berührungsfläche zwischen dem keramischen Kristall und dem Wolfram-Reflektor zu durchlaufende, spezifische Schallimpedanz nahezu unendlich. Als eine Konsequenz ist der numerische Wert von ZL sehr hoch im Vergleich mit ZO und der Reflexionsfaktor, der den Druckwert und die Phasenverschiebung der auftreffenden Schallwelle nach der Reflexion definiert, ist nahezu gleich Eins. Dies bedeutet, dass nahezu 100% der auftreffenden Schallwelle phasengleich reflektiert wird, wodurch der Netto-Druckwert der Schallwelle in der ersten Richtung der Schalleistungsabgabe, d.h. zum Resonator und schliesslich zur Nadelspitze hin, erhöht wird.
In der Praxis ist die Ist-Länge des Reflektorabschnittes kürzer als 1/4 Wellenlänge. Die Annahme "ohne Verlust" ergibt sich aus einer imagniären Zahl, welche die durch den Reflektor dargestellte spezifische Schallimpedanz darstellt. Der Enderfolg ist, dass der Wert des Reflexionsfaktors immer 1 ist, selbst für Reflektorlängen mit anderen als 1/4 Wellenlänge. Der feststellbare Unter schied in der reflektierten Welle wird die Phasenlage zwischen dieser und der auftreffenden Welle sein. Änderungen der Länge des Reflektors wird dieses Phasenverhältnis ändern. Bei der vorliegenden Ausführung sollte die Phasenverschiebung geringer als 30 Grad über dem normalen Betriebsfrequenzbereich des Wandlers sein.
Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt ZX ca. 100 x 10<8> kg/(m<2>-sec) und ZO beträgt ca. 30 x 10<6>kg/(m<2>-sec). Beide Zahlen sind reell, d.h. die komplexen Zahlen haben einen imaginären Teil gleich Null. ZL beträgt ca. 130 x 10<6> kg/(m<2>-sec). Diese Zahl ist imaginär, d.h. eine komplexe Zahl mit einem reellen Teil gleich Null. ZL ist von den genormten Übertragungsmethoden abgeleitet, welche die Länge, die Schallgeschwindigkeit und Dämpfungseigenschaften des Materials als auch die Eigenschaften der akustischen Last einschliessen, die den Kontakt mit dem Material herstellt.
ZL = j tan ( beta l ) ZX
worin beta die Phasenverschiebungskonstante, l die Materiallänge und j die Quadratwurzel von -1 ist.
(2) Wie vorstehend erwähnt, ist das Gewinderohr 66 in den Fig. 3 und 4 aus 6AL-4V Titan hergestellt. Diese Titanlegierung hat ein kleines Elastizitätsmodul. Das Elastizitätsmodul wird allgemein als das Verhältnis von Kraft zu Verformungsweg oder Zugkraft pro Flächeneinheit durch Verlängerung pro Längeneinheit definiert. Anders ausgedrückt, bei einem kleinen Modul bewirkt eine geringe Zugkraft eine grosse Verlängerung des Gewinderohres 66. In einfachsten Worten, das Titangewinderohr 66 dehnt sich leicht.
Das kleine E-Modul ist wesentlich, weil die thermische Längenausdehnung des Gewinderohres 66, welches den Reflektor 43 und Resonator 46 zusammenhält (dadurch wird Druck auf die piezoelektrischen Kristalle 53 und 56 aufgebracht), könnte das Rohr 66 veranlassen, die Länge zu ändern, somit den auf die piezoelektrischen Kristalle 53 und 56 aufgebrachten Druck zu ändern; was unerwünscht ist. Das kleine E-Modul hat thermische Längenänderungen zur Folge. Dies wird an einem Beispiel illustriert.
Die Wärmeausdehnung wirkt auf die Komponenten links von der Fläche 80 in Fig. 3 in Richtung des Pfeiles 130 ein, weil der Resonator 46 aus dem gleichen Material hergestellt ist, wie das Gewinderohr 66 und folglich die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Rohres 66 und des Resonators 46 die gleichen sind. Für die Komponenten links der Fläche gilt, dass der Reflektor 43 und der Resonator 46 dazu neigen, durch Aufbringen von mehr Druck die Kristalle 53 und 56 zusammenzudrücken, wenn der Wandler 3 gekühlt wird oder wenn das Gewinderohr 66 sich mehr zusammenzieht als der Wandler 3. Ein kleines E-Modul erlaubt jedoch das Gewinderohr 66 zu strecken, wodurch der Druck im wesentlichen konstant gehalten wird. Dies ist ferner mit Bezug auf Figur 6 erläutert. Die Wände 132 und 134 in Fig. 3 stellen die Enden des Reflektors 43 bzw. des Resonators 46 dar. Diese Wände drücken den Wandler 3 zusammen.
Federn 137, welche dazu neigen, die Wände 132 und 134 gegeneinander zu ziehen, stellen das Gewinderohr 66 dar, welches den Reflektor und Resonator zusammenhalten.
Im allgemeinen ist die durch eine Feder 137 aufgebrachte Kraft proportional zu ihrer prozentualen Längenänderung, aber es kann jedoch angenommen werden, dass bei geringen Längenänderungen (durch Wärmeausdehnung) die Kraft relativ konstant ist. Wenn durch die Wärmeausdehnung des Wandlers 3 die Wand 134 in die gestrichelt dargestellte Stellung 134A bezüglich zur Wand 132 verlagert wird, werden die Federn 137 jedoch gestreckt und halten eine relativ konstante Gegenkraft bei, die den Wandler zusammendrückt. Das ähnlich wie die Feder wirkende Gewinderohr 66 in Fig. 3 hält den Druck auf die Kristalle 53 und 56 auf einem relativ konstanten Wert.
Das Rohr 66 in Fig. 3 hat einen Aussen- von 4,16 mm, einen Innen- von 1,58 mm und eine Länge von 14,73 mm zwischen den Gewindeverbindungen (z.B. Abmessung 130), welche den Abstand zwischen den Verbindungen 68 und 70 darstellt). Diese Abmessungen des Rohres 66 ergeben ein E-Modul von ca. 16,5 x 10<6> psi, welches als geeignet für den Durchmesser des Wandlers 3, der 10 mm ist, und für die Wärmeausdehnung von 60 DEG F bis 270 DEG F angesehen wird.
Das Rohr 66 wurde als eine Feder beschrieben, welche eine kleine Verlängerung in Abhängigkeit der Wärmeausdehnung des Wandlers 3 zeigt, und folglich eine geringe Änderung im Druck auf die Kristalle 53 und 56 zeigt. Es wird nun gezeigt, dass die besondere Ausführung der in Fig. 3 gezeigten Erfindung eine geringere Druckänderung im Vergleich zur schematischen Ausführung von Fig. 6 bewirkt.
Angenommen, dass der Wandler 3 in Fig. 6 sich aufgrund von Wärme um 0,025 mm verlängert (z.B. beträgt das Mass 132 0,025). Um einen konstanten Druck am Wandler 3 aufrechtzuerhalten, muss das Rohr 66 in Fig. 3 (1) sich um 0,025 mm verlängern und (2) die gleiche Federkraft am Wandler 3 aufrechterhalten, wie dies vorstehend erläutert ist.
Nach dem Hookschen Gesetz ist es die prozentuale Längenänderung (nicht die absolute Änderung) einer Feder, welche die absolute Änderung in der Federkraft bewirkt. In diesem Beispiel beträgt die prozentuale Längenänderung des Rohres 66 0,025/25,4 oder 0,1 Prozent, wenn der Ausdehnungsbereich des Rohres 66 sich gleich wie der der Wandler 3 ausdehnte (z.B. die geschraubte Verbindung 68 endet am Punkt 135, so dass der Ausdehnungsbereich des Rohres 66 so lang wie der Wandler 3 ist) und wenn der Ausdehnungsbereich des Rohres 66 25,4 mm lang war.
Andererseits wird die prozentuale Verlängerung verringert, wenn der Verlängerungsbereich wie in Fig. 3 dargestellt ist (Verlängerung von der geschraubten Verbindung 68 zur geschraubten Verbindung 70. Ist der Ausdehnungsbereich, Abstand 130, 76,2 mm lang, dann beträgt die prozentuale Verlängerung 0,0254/76,2 oder 0,033 Prozent.
Die Ausführung in Fig. 3 erzeugt deshalb eine Federkraftänderung, die dreimal kleiner ist als wenn der Ausdehnungsbereich des Rohres 66 gleich mit dem Wandler 3 ist (z.B. 0,033 v. 0,1). Ein Grund für die Verringerung in der Länge besteht darin, dass die beaufschlagte Federlänge (Länge 130) länger ist als der Wandler 3, dessen Wärmeausdehnung, wenn unangepasst, dazu führt, den Druck auf die Kristalle 53 und 56 zu erhöhen.
Anders betrachtet, die Wärmeausdehnung eines Elementes (z.B. des Wandlers), der dazu neigt den an ihm anliegenden Druck zu erhöhen (weil er in einem Schraubstock mit Backen in Form eines Reflektors 43 und Resonators 46 angeordnet ist), wird durch Verlängerung des Rohres 66 aufgenommen, welches die Backen zusammenhält. Ferner ist das Rohr 66 länger als der expandierende Wandler. Die prozentuale Verlängerung des Rohres ist kleiner als die prozentuale Verlängerung des Wandlers.
Der Unterschied in der Verlängerung ist ferner in Fig. 7 dargestellt, worin die Reflektor-Backe 43B und die Resonator-Backe 46B den Wandler 3B zwischen sich einklemmen. Wenn sich der Wandler 3B vom Mass 140 zum Mass 144 ausdehnt, dehnt sich das Rohr 66B vom Mass 146 zum Mass 148 aus. Die absolute Verlängerung des Wandlers (Mass 150) ist gleich der absoluten Verlängerung des Rohres 66 (Mass 162), jedoch ist die prozentuale Verlängerung der Stange 66B (Mass 152/Mass 146) kleiner als die prozentuale Verlängerung des Wandlers (Mass 150/Mass 140). Demzufolge ist die durch die Stange 66 aufgebrachte Änderung in der Federkraft kleiner, als wenn die prozentuale Längenänderung des Rohres 66 gleich der des Wandlers 3 wird.
Diese kleine Änderung der Federkraft bewirkt eine konstantere Kompression, die am Wandler 3 in Fig. 3 einwirkt. Die Wärmeausdehnung des Wandlers 3 wird über eine längere Feder verteilt, nämlich über eine Feder mit der Länge 130, welche beim bevorzugten Ausführungsbeispiel 14,73 mm beträgt, im Vergleich mit der Länge des Wandlers 3, welche 5,64 mm beträgt (Mass 140 in Fig. 4).
Es ist festzuhalten, dass die Kräfte aus der Wärmeausdehnung und die Federkräfte an der Gewindestange 66 beträchtlich grösser sind als die durch die Schallim pulse aufgebrachten Kräfte. Das heisst, die Gewindestange 66 wird im Bereich 130 in Fig. 3 durch Schallimpulse mit einer Schallfrequenz von ca. 29 kHz nicht bedeutend verlängert.
(3) die Oberflächen der Elemente, welche an den Stellen 79 und 80 in Fig. 3 aneinanderliegen, sind geläppt und poliert, und zwar auf eine Ebenheit innerhalb 25,4/254 000 mm oder 2 Mikrofinish auf.
(4) Die Wirkungsimpedanz des Resonators 46, wie gesehen durch den Kristall 56, wird durch die Belastung auf die Nadel 94 beeinflusst. (Wenn die Nadel an einen Katarakt Energie abgibt, wird die Nadel "belastet".) Von einem Gesichtspunkt aus ändert sich die Impedanz des Resonators 46 bei Belastung. Das Vorhandensein von Bruchstücken im Rohr 110 im Resonator 46 beeinflusst gleichfalls die Resonatorimpedanz. Ist das Q des Resonators 46 sehr spitz in der Grössenordnung von 1000 bis 2000 ergibt sich, dass die Bandbreite sehr klein ist, d.h. 15 bis 30 Hz. Deshalb muss die Frequenz des an den Wandler 3 angelegten Eingangssignals dauernd an die sich ändernde Resonanzfrequenz des Resonators 46 angepasst sein. Das in dieser Patentanmeldung beschriebene Gerät führt eine Anpassung durch.
The invention relates to a device for oscillating a needle with an oscillator and a waveguide and a phacoemulsion converter with such a device. The invention can be used in the medical treatment of cataracts, where the vibrating needle breaks the cataracts and the broken fragments are withdrawn through the hollow part of the needle.
1 shows a piezoelectric transducer 3 that can be used to generate a standing ultrasonic wave in a tube 6. The transducer comprises two piezoelectric crystals 9 and 12, which are separated by an electrode 15. When the crystals are excited by an AC signal applied to surfaces 21A and 21B, the crystals expand and contract at the frequency of the signal. That is, the crystals oscillate between the expanded size indicated by dashed line 18 and the contracted size indicated by surfaces 21A and 21B. This cyclical expansion and contraction causes mechanical impulses on the tube 6.
If the pulse frequency equals the resonance frequency of the tube 6, a standing wave will arise. The standing wave causes a needle 24 to oscillate between a position 24 shown in dashed lines. The vibrating needle can be used to remove hard material, e.g. Smash cataracts in the human eye.
One type of known device uses an electrode 15 made of a beryllium-copper alloy. Due to the cyclical compression and relaxation caused by the vibration of the crystals 9 and 12, however, such an electrode tires and the electrode 15 is pressed out over a longer period of time, as shown in enlarged form in FIG. 2. This deformation has at least three effects. First, it causes very small air gaps to appear, as shown by gap 28. These air gaps weaken the acoustic coupling between the surfaces 30 and 33 and reduce the transmission efficiency of the ultrasonic energy into the tube 6. Second, the air gaps reduce electrical contact between the electrode 15 and the crystals 9 and 12.
However, good electrical contact is required in order to apply the electrical charge which initiates the movement of the crystals 9 and 12 based on the piezo effect. Third, the deformation reduces the mechanical pressure that originally applied to crystals 9 and 12. This means that the crystals are biased by mechanical forces, which are represented by the arrows 36 and 39 in FIG. 1. The electrode 15 counteracts these forces 36 and 39. The change in thickness caused by the deformation reduces this reaction, reduces the pressure, so the crystals 9 and 12 are relieved and work under less than optimal conditions.
A second feature of the sensor in FIG. 1 is that a substantial amount of the acoustic energy represented by the waves 40 is emitted and not transmitted to the tube 6. The waves 40 do not apply energy to the needle 24. Your energy is lost.
An object of the present invention is to provide an improved ultrasonic transducer with a reflector which resists the deformation caused by the cyclical bending of the vibrator and which applies acoustic energy to a needle which is otherwise lost.
This object is achieved according to the invention with the characterizing features of claim 1.
According to the invention, a phacoemulsion probe is characterized by the features of claim 4.
With this phacoemulsion probe, the frequency can be automatically tracked and stable vibration signals can be maintained over a specified frequency range, as can the acoustic load and maximum load transmission to that over a specified range.
An electronic control circuit can be provided for automatic frequency and load tracking, and an almost constant mechanical stress can be maintained over a specified operating temperature range for the piezoelectric transducers by a unique flexible clamping mechanism. Optimal mechanical stress can be maintained by the resonator on the needle carrier.
The resonator can be an acoustic funnel and tube combination with a shape that almost approaches the ideal catenoid horn structure.
1 shows a known phacoemulsion probe.
FIG. 2 shows the deformation which can occur in the electrode 15 in FIG. 1.
3 and 4 show an embodiment of the invention.
FIG. 5 shows the reflection of sound waves by a reflector 43 in FIG. 4.
FIG. 6 schematically shows the compression of the converter 3 in FIG. 3.
FIG. 7 schematically shows the extension of rod 66B, which corresponds to tube 66 in FIG. 3, which occurs to maintain constant pressure on the transducer in FIG. 7.
Fig. 8 shows a circuit that applies a signal to a transducer, which signal has the same frequency as the resonance frequency of a load on the transducer.
FIG. 3 shows an embodiment of the invention, while FIG. 4 shows the invention of FIG. 3, but in an exploded, simplified schematic form. In these figures, an ultrasonic transducer 3 is arranged between a reflector 43 and a resonator 46. The transducer contains an electrode 50 made of unhardened # 01 carbon steel and two piezoelectric crystals 53 and 56 made of a modified lead zirconate titanium ceramic material, which are shaped into rings and coated with silver for electrical conduction and under the brand name PXE by the electronic components and Materials Division of North American Phillips Corporation. A pin 59 attached to the electrode allows connection to a power source. An insulating tube 61 is seated in a bore 63 in the converter 3.
The reflector 43 is attached by an externally threaded tube 66 which is in line with the threaded portions 68 and 70 in the reflector and resonator.
Both the tube 66 and the resonator 46 are made of 6AL-4V titanium. The reflector 43 is made of # 17 tungsten. An insulating sleeve is made of Teflon. Teflon is a trademark of Du Pont Chemical Corporation.
When assembling the components of FIG. 4 into the finished structure of FIG. 3, the threaded tube 66 is first screwed into the resonator 46 until one end 73 in FIG. 3 bears against the shoulder 75. Then the reflector is screwed onto the threaded tube 66 in order to compress the transducer 3. The pressure value is determined according to the following method.
A 2 mu F capacitor 77 is connected across the piezoelectric crystals 53 as shown in FIG. 3. As a result, the capacitor 77 is connected in parallel with the crystals 53 and 56. This parallel arrangement exists because the threaded tube 66 electrically connects the reflector 43 to the resonator 46 and thus applies the resonator 43 and reflector 46 to the same electrical voltage. (That is, faces 79 and 80 of the crystal are both connected to lead 83 of capacitor 77, while faces 85 and 86 are connected to lead 89.)
After the capacitor 77 is connected in parallel to the crystals 53 and 56, the reflector 43 is moved to the resonator 46 by rotating the threaded tube 66 until the piezoelectric crystals are compressed until the voltage across the capacitor 77 reaches 0.75 volts. At this time, the advancement from the reflector 43 is stopped. The piezoelectric crystals 53 and 56 are now properly compressed.
One reason for carrying out this particular type of voltage measurement using capacitor 77 is that the total capacitance of crystals 53 and 56 is approximately 600 to 700 pF. The electrical charge distribution, which is created by the compression of the crystals between the reflector 46 and the resonator 43 with such a small capacitance, generates a high voltage in the order of hundreds of volts. Measuring such a voltage under these circumstances is difficult, at least for the reasons that a very small RC time constant results from the combination of the crystal intrinsic capacitance and the input resistance of the voltmeter.
3 can be used as follows. A known phacoemulsion needle, e.g. model number IA-145, available from Storz Instrument Company of St. Louis, Missouri, is screwed into the threaded end 96 of resonator 46. In use, the needle vibrates in the longitudinal direction by alternating contraction in the extended representation 94 and expansion in the broken line 98. This oscillatory displacement, which is characterized by the measure 101, is approximately 5/1000 stel of 25.4 mm. The vibration of the needle occurs at the oscillation frequency of the piezoelectric crystals 53 and 56, which are coupled to the needle 94 via the resonator 46. The curved region 104 of the resonator 46 acts as a funnel to match the crystal 56 to the needle 94 with respect to impedance and to maximize the energy flow to the needle.
The resonator 46 as a whole acts as a 1/4 wavelength transmission line (at the crystal frequency) on which the needle 94 acts as a load.
The crystals 53 and 56 in FIG. 3 are driven by a signal which is applied to the electrode 50 and the reflector 43. The application of an alternating current signal to the crystals 53 and 56 causes them to periodically expand into the position 107 shown in broken lines and then contract into the position shown in solid lines. This periodic expansion and contraction applies mechanical pulses with the signal frequency to the resonator 46.
The signal frequency driving the electrode 50 and the reflector 43 is advantageously 28 to 29 kHz. A system for applying such a drive signal to crystals 53 and 56 is described in U.S. Patent Application No. 928,170 entitled "Control System For Ophthalmic Surgical Instruments" filed November 6, 1986. This patent application is incorporated by reference into the present description. One embodiment of such a system is available from Storz Instrument Company, St. Louis, Missouri, under the designation DAISY.
A type of circuit used in the DAISY system to apply an electrical signal to drive the transducer at resonant frequency is shown in the block diagram of FIG. 8. In the present explanation, the converter 3 is constructed as an RLC series resonance network in parallel with a capacitance when operated under load and near the resonance frequency of the converter. This model of the converter is not shown in FIG. 8.
As a closed loop system, the driver circuit is essentially an oscillator that meets Barkhausen's vibration criteria: zero phase shift and loop gain 1. The oscillator output frequency is selected at 28,500 +/- 500 Hertz.
The feedback part of the loop consists of an injection oscillator 203, an active bandpass filter 205, an active lowpass filter 207 and an amplifier 209 with a variable gain factor. The oscillator 203 generates a voltage signal at a frequency close to the resonant frequency of the converter. This signal is removed from the feedback loop as soon as the driver circuit generates a signal high enough to maintain the transducer vibrations. The bandpass and lowpass filters provide the appropriate frequency selection and phase shift characteristics to maintain the strength of the transducer feedback signal while the transducer phase characteristics vary over a normal working range.
The signal fed back by the converter is derived via a compensation network 213, which brings about an additional frequency selection and phase shift stability. The amplifier 209 determines the loop gain during the initial adjustment of the filter circuits and remains essentially fixed after the filter circuit calibration is complete.
The power amplifier and transformer 215 generates a max. Driver voltage of approx. 380 V (effective mean value of the voltage) with a max. Current of approx. 10 mA (effective average of the current). A gain control circuit 218 generates a stable voltage signal by comparing the drive voltage on line 221 to a voltage reference level input by an operator on line 223 and then compensating for the differences by adjusting the gain of the power amplifier 215.
The vibration of the needle 24 in Fig. 3 can be used in the medical treatment of hardened objects e.g. Cataracts can be applied in the human eye. If the vibrating needle 94 is brought close to a cataract, the cataract is smashed and the fragments are withdrawn through the channel 110, which is connected to a vacuum source 115 via a nipple 117.
Several important aspects of the invention are as follows:
(1) As mentioned above, the reflector 43 is made of tungsten. Tungsten has a very high sound impedance in the order of 90-10 <6> kg / (m <2> -sec) to 105 x 10 <6> kg / (m <2> -sec). Accordingly, the sound energy at the touch surface 79 in Fig. 3 (1) is reflected in phase, namely (2) with a reflection factor of almost one, i.e. almost 100% of the energy is reflected with minimal transmission to the reflector. This strong reflection recovers energy and directs it back to the resonator 46. This energy would otherwise be lost in the reflector 43. Such a loss energy is shown as wave 40 in FIG. 1. The strong reflection achieved by the invention can be explained as follows.
When the propagating sound waves propagate through the transducer 3, they meet different sound impedances, which result from the density and the modulus of elasticity of the different materials from which the transducer is composed. If a sound wave penetrates a boundary layer between two such different materials, the wave is likely to be reflected. Energy transfer theory quantifies this reflection, as the following discussion shows.
The reflection factor, which is a complex number with real and imaginary parts (both of which may not be zero), describes the amount of incident wave energy that is reflected at the interface between different materials. It also indicates the phase position between the incident and reflected waves; these are either in phase (phase shift = 0) or out of phase (up to 180 °).
The basic design methods used in transducers are based on an initial assumption that the transmission media for sound waves are lossless. This assumption has the advantage that the mathematical calculations required to carry out a sound transmission construction are far more manageable and cause little effort for the accuracy of the end result.
The method by which the reflection factor is calculated is related to the assumption that the transmission is lossless. In its most general form, the calculation is simply a ratio of (1) the differences between two sound impedances and (2) the sum of these two impedances. A confusing situation can arise if you try to assign a numerical value to each impedance before the ratio is calculated. The reflection factor R is calculated as follows:
R = (ZL-ZO) / (ZL + ZO)
In this equation, ZL represents the specific sound impedance that is present when the sound wave propagates from a medium with a natural impedance ZO into a medium with a natural impedance ZX. The numerical value of the specific sound impedance is a function of the intrinsic sound impedance, the length of the material from the surface on which the wave strikes to the surface from which the wave emerges, and the numerical value (possibly complex) of the specific sound impedance that the transmitted wave passes through when it reaches the exit surface.
In the most general sense, the damping properties of the material are also essential. however, as stated earlier, these properties are disregarded in the design because it is assumed that sufficient dimensional measures have been taken on the parts so that the assumption that no losses occur remains valid.
Another factor on which this construction is based is the wavelength of the sound wave as it passes through the ceramic crystal. To maintain the desired in-phase reflection for the tungsten reflector, its length must be close to 1/4 wavelength with a low impedance wave impedance gain, i.e. with a gain that is above the operating frequency range in the event of a short circuit in the converter. The acoustic impedance of air is usually considered a short circuit.
Under these conditions, the specific sound impedance that is transmitted by the transmitted sound wave at the interface of the tungsten reflector is almost zero. Therefore, the specific sound impedance to be traversed by the sound wave at the contact surface between the ceramic crystal and the tungsten reflector is almost infinite. As a consequence, the numerical value of ZL is very high compared to ZO and the reflection factor, which defines the pressure value and the phase shift of the incident sound wave after reflection, is almost equal to one. This means that almost 100% of the incident sound wave is reflected in phase, which means that the net pressure value of the sound wave in the first direction of the sound power output, i.e. towards the resonator and finally towards the needle tip.
In practice, the actual length of the reflector section is shorter than 1/4 wavelength. The assumption "without loss" results from an imaginary number, which represents the specific sound impedance represented by the reflector. The end result is that the value of the reflection factor is always 1, even for reflector lengths other than 1/4 wavelength. The detectable difference in the reflected wave will be the phase position between this and the incident wave. Changes in the length of the reflector will change this phase relationship. In the present embodiment, the phase shift should be less than 30 degrees above the normal operating frequency range of the converter.
In the preferred embodiment, ZX is approximately 100 x 10 8 kg / (m 2 sec) and ZO is approximately 30 x 10 6 kg / (m 2 sec). Both numbers are real, i.e. the complex numbers have an imaginary part equal to zero. ZL is approx. 130 x 10 <6> kg / (m <2> -sec). This number is imaginary, i.e. a complex number with a real part equal to zero. ZL is derived from the standardized transmission methods, which include the length, the speed of sound and damping properties of the material as well as the properties of the acoustic load that makes contact with the material.
ZL = j tan (beta l) ZX
where beta is the phase shift constant, l is the material length and j is the square root of -1.
(2) As mentioned above, the threaded tube 66 in Figs. 3 and 4 is made of 6AL-4V titanium. This titanium alloy has a small modulus of elasticity. The modulus of elasticity is generally defined as the ratio of force to deformation path or tensile force per unit area by extension per unit length. In other words, with a small module, a low tensile force causes a large extension of the threaded tube 66. In the simplest words, the titanium threaded tube 66 expands slightly.
The small modulus of elasticity is essential because the thermal linear expansion of the threaded tube 66, which holds the reflector 43 and resonator 46 together (this puts pressure on the piezoelectric crystals 53 and 56), could cause the tube 66 to change the length, thus to change the pressure applied to the piezoelectric crystals 53 and 56; which is undesirable. The small modulus of elasticity results in thermal changes in length. This is illustrated using an example.
The thermal expansion acts on the components to the left of surface 80 in FIG. 3 in the direction of arrow 130 because the resonator 46 is made of the same material as the threaded tube 66 and consequently the thermal expansion coefficients of the tube 66 and the resonator 46 are the same are. For the components to the left of the surface, the reflector 43 and the resonator 46 tend to compress the crystals 53 and 56 by applying more pressure when the transducer 3 is cooled or when the threaded tube 66 contracts more than the transducer 3. However, a small modulus of elasticity allows the threaded tube 66 to be stretched, as a result of which the pressure is kept essentially constant. This is further explained with reference to FIG. 6. The walls 132 and 134 in FIG. 3 represent the ends of the reflector 43 and the resonator 46, respectively. These walls press the transducer 3 together.
Springs 137, which tend to pull the walls 132 and 134 against each other, represent the threaded tube 66, which hold the reflector and resonator together.
In general, the force applied by a spring 137 is proportional to its percentage change in length, but it can be assumed that with small changes in length (due to thermal expansion) the force is relatively constant. However, when the thermal expansion of transducer 3 shifts wall 134 to dashed position 134A with respect to wall 132, springs 137 are stretched and maintain a relatively constant drag that compresses the transducer. The threaded tube 66, which acts similarly to the spring, in FIG. 3 keeps the pressure on the crystals 53 and 56 at a relatively constant value.
The tube 66 in Fig. 3 has an outer of 4.16 mm, an inner of 1.58 mm and a length of 14.73 mm between the threaded connections (eg dimension 130), which the distance between the connections 68 and 70 represents). These dimensions of the tube 66 result in a modulus of elasticity of approximately 16.5 × 10 6 psi, which is suitable for the diameter of the transducer 3, which is 10 mm, and for the thermal expansion of 60 ° F to 270 ° F is seen.
The tube 66 has been described as a spring which shows a small elongation depending on the thermal expansion of the transducer 3 and consequently shows a small change in the pressure on the crystals 53 and 56. It is now shown that the special embodiment of the invention shown in FIG. 3 causes a smaller pressure change in comparison to the schematic embodiment of FIG. 6.
Assume that the transducer 3 in Fig. 6 extends by 0.025 mm due to heat (e.g. dimension 132 is 0.025). To maintain a constant pressure on the transducer 3, the tube 66 in Fig. 3 must extend (1) by 0.025 mm and (2) maintain the same spring force on the transducer 3 as explained above.
According to Hook's law, it is the percentage change in length (not the absolute change) of a spring that causes the absolute change in spring force. In this example, the percentage change in length of the tube 66 is 0.025 / 25.4 or 0.1 percent if the area of expansion of the tube 66 extends the same as that of the transducer 3 (for example, the screwed connection 68 ends at point 135, so that the area of expansion of the tube 66 is as long as the transducer 3) and if the expansion range of the tube 66 was 25.4 mm long.
On the other hand, the percentage elongation is reduced when the extension range is as shown in Fig. 3 (extension from the bolted connection 68 to the bolted connection 70). If the extension range, distance 130, is 76.2 mm long, the percentage extension is 0.0254 / 76.2 or 0.033 percent.
The embodiment in Fig. 3 therefore produces a change in spring force that is three times smaller than when the area of expansion of the tube 66 is equal to the transducer 3 (e.g. 0.033 by 0.1). One reason for the reduction in length is that the applied spring length (length 130) is longer than the transducer 3, the thermal expansion of which, if unsuitable, tends to increase the pressure on the crystals 53 and 56.
In other words, the thermal expansion of an element (eg the transducer), which tends to increase the pressure applied to it (because it is arranged in a vice with jaws in the form of a reflector 43 and resonator 46), is absorbed by extending the tube 66 which holds the cheeks together. Furthermore, tube 66 is longer than the expanding transducer. The percentage extension of the pipe is smaller than the percentage extension of the transducer.
The difference in extension is also shown in Fig. 7, wherein the reflector jaw 43B and the resonator jaw 46B clamp the transducer 3B between them. When transducer 3B expands from dimension 140 to dimension 144, tube 66B expands from dimension 146 to dimension 148. The absolute lengthening of the transducer (size 150) is equal to the absolute lengthening of tube 66 (size 162), however the percentage lengthening of rod 66B (size 152 / size 146) is smaller than the percentage lengthening of the transducer (size 150 / size 140) ). As a result, the change in the spring force applied by the rod 66 is smaller than if the percentage change in length of the tube 66 becomes equal to that of the transducer 3.
This small change in the spring force causes a more constant compression, which acts on the converter 3 in FIG. 3. The thermal expansion of the transducer 3 is distributed over a longer spring, namely over a spring with the length 130, which in the preferred embodiment is 14.73 mm, compared to the length of the transducer 3, which is 5.64 mm (dimension 140 in Fig. 4).
It should be noted that the forces from the thermal expansion and the spring forces on the threaded rod 66 are considerably greater than the forces applied by the Schallim pulse. This means that the threaded rod 66 is not significantly extended in the region 130 in FIG. 3 by sound pulses with a sound frequency of approximately 29 kHz.
(3) The surfaces of the elements that abut each other at locations 79 and 80 in Fig. 3 are lapped and polished to a flatness within 25.4 / 254,000 mm or 2 microfinishes.
(4) The operational impedance of resonator 46, as seen through crystal 56, is affected by the stress on needle 94. (When the needle delivers energy to a cataract, the needle is "loaded.") From one point of view, the impedance of resonator 46 changes when loaded. The presence of fragments in tube 110 in resonator 46 also affects the resonator impedance. If the Q of the resonator 46 is very sharp on the order of 1000 to 2000, the bandwidth is very small, i.e. 15 to 30 Hz. Therefore, the frequency of the input signal applied to the converter 3 must be continuously adapted to the changing resonance frequency of the resonator 46. The device described in this patent application carries out an adaptation.