CN100421628C - 工作长度增大的超声外科手术器械 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种超声外科手术器械，其波导管(20)和/或端部操作装置的1/2波段横截面面积和/或硬度变化。该波导管连接到超声换能器上。该波导管或端部操作装置的1/2波段包括多个几何形状，并用于在无需增加或去除波段的情况下延长或减小波导管和/或端部操作装置的长度。本发明将在常规频率下与常规超声换能器一起发挥作用。

Description

工作长度增大的超声外科手术器械
相关申请的交叉引述
本申请要求于2002年9月24日提交的、序列号为No.60/413,120的美国临时专利申请的优先权，该申请的全部内容引入在此作为参考。
发明领域
本发明涉及一种用于切割、凝固、夹取和钝器剖分组织的超声外科手术器械，尤其涉及一种具有较长工作长度的超声外科手术器械。本发明在一个实施方案中特别适用于内窥镜手术，但也可有其它手术应用。
背景技术
包括空心和实心器械的超声器械用于安全有效地治疗多种医学病征。超声器械，尤其是实心超声器械，具有很大的优势，因为它们可利用以超声频率传递至手术末端操作装置的机械振动形式的能量进行切割和/或凝固器官组织。当超声振动以合适的能量水平并利用合适的末端操作装置传递至器官组织时，超声振动可以用于切割、剖分或烧灼组织。由于可以从超声换能器通过波导管传递至手术末端操作装置的超声能量的量，采用实心技术的超声器械尤其有利。这类器械尤其适用于微创操作，如内窥镜或腹腔镜操作，其中，末端操作装置穿过套管针到达手术部位。
图1显示了根据本发明的示范性超声系统10，其包括超声信号发生器15、超声换能器82、手持件护罩20以及夹钳凝固装置120。夹钳凝固装置120可用于开放式或腹腔镜手术。被称为“Langevin Stack”的超声换能器82通常包括换能部分90、第一谐振器或钟端部件(end-bell)92、第二谐振器或钟前部件(fore-bell)94，以及辅助性部件。超声换能器82的长度优选为半系统波长的整数倍(nλ/2)，这将在后面进行更具体的描述。声学组件80包括超声换能器82、固定件36、速度变换器64和表面95。
钟端部件92的远端连接到换能部分90的近端，而钟前部件94的近端连接到换能部分90的远端。钟前部件94和钟端部件92的长度由多个变量决定，其包括换能部分90的厚度、用于制造钟端部件92和钟前部件94的材料的密度和弹性模数，以及超声换能器82的共振频率。钟前部件94可以从其近端到其远端向内逐渐变细以作为速度变换器64来放大超声振动幅度，或者也可不具有放大性能。
压电元件100可以由任何适合的材料制成，例如，锆钛酸铅、偏铌酸铅、钛酸铅或其它压电晶体材料。每个正电极96、负电极98和压电元件100都具有通过其中心延伸的孔。正负电极96和98分别电连接到导线102和104上。将导线102和104包在电缆25内且可与超声系统10的超声信号发生器15电连接。
导线102和104向正电极96和负电极98传送来自超声信号发生器15的电信号。压电元件100由响应脚踏开关118的超声信号发生器15提供的电信号来激励，以在声学组件80内产生声学驻波。该电信号在压电元件100内以反复小位移的形式造成干扰，导致材料内大的压力。这种反复小位移使压电元件100以连续方式沿电压梯度的轴线扩展和收缩，以产生纵向的超声能量波。
超声传送装置80通常由波导管179、末端操作装置88以及超声换能器82构成。此外，超声波导管179和末端操作装置88合称为“刀片(blade)”。超声换能器82将来自超声信号发生器15的电信号转换成机械能，以导致超声换能器82、波导管179和末端操作装置88以超声频率基本上纵向振动。超声末端操作装置88和超声传送波导管179显示为一种一体结构，由适于传送超声能量的材料构成，例如Ti6Al4V(一种含铝和钒的钛合金)、铝、不锈钢或其它已知材料。或者，末端操作装置88也可以与波导管179分离(并且组成不同)，且通过例如柱螺栓、焊接、粘合或其它已知方法连接。
当声学组件80被激励时，整个声学组件80产生振动驻波。沿声学组件80上的任何点处的振动幅度取决于沿声学组件80测量振动的位置。振动驻波的最小或零交叉点通常称为波节(即，运动通常为最小处)，且驻波中绝对值的最大值或峰值通常称为波腹(anti-node)。波腹与其最近波节之间的距离为四分之一波长(λ/4)。
为使声学组件80向末端操作装置180传递能量，声学组件80的所有部件必须被声学联接到夹钳凝固装置120的超声作用部分。超声换能器82的远端可以通过诸如柱螺栓50的螺纹连接，在表面95处声学联接到超声波导管179的近端。
优选对声学组件80的部件进行声学调节，使任何组件的长度为半波长的整数倍(nλ/2)，其中波长λ为预先选择的波长或声学组件80的操作性纵向振动驱动频率fd，其中n为任何正整数。还考虑了声学组件80可以包括任何适合的声学元件设置。
夹钳凝固装置120可以包括器械护罩130和细长构件150。该细长构件150可以选择性地相对器械护罩130转动。夹钳构件180位于外管160的远端，该夹钳构件包括末端操作装置88和用于完成各种诸如夹取组织、切割组织等任务的夹钳臂300。
细长构件150的超声波导管179通过内管的孔伸出。超声波导管179优选为基本上半柔性的。应当意识到，超声波导管179可以为基本上刚性导线或可以为柔性导线。超声振动沿超声波导管179纵向传送以振动超声末端操作装置88。
例如，超声波导管179可以具有基本上等于半系统波长的整数倍(nλ/2)的长度。超声波导管179可以优选由有效地传送超声能量的材料-例如钛合金(即，Ti-6Al-4V)或铝合金-构成的实心轴制成。超声波导管179还可以如现有技术公知的那样，将传送到超声末端操作装置88的机械振动放大。
超声末端操作装置88可以具有基本上等于半系统波长的整数倍(nλ/2)的长度。超声末端操作装置88的远端可以位于波腹附近以提供远端的最大纵向移动。当换能器组件通电时，超声末端操作装置88的远端设置为在例如约10至500微米峰-峰值范围内、优选在大约30至150微米的范围内以预定振动频率运动。
超声发生器，如来自俄亥俄州辛辛纳提的Ethicon Endo-Surgery，Inc.的型号GEN01，可以锁定到51和57.5kHz之间的任何纵向频率上。超声末端操作装置被设计为在该范围内只有一个共振。目前，超声刀片局限于约36cm的工作长度，虽然已出现对具有40-45cm工作长度的末端操作装置的需求以进行需额外长度的应用。超声传送组件中增加1/2波会导致使波形频率较接近的不利后果。在某点处，波形频率过于接近将使两个或多个波形频率落入发生器/换能器的锁定范围内。除非改变横截面，否则Ti6A4V的每个半波通常限制在约1.7英寸长。目前，使用的超声发生器与超过9(1/2波)段的末端操作装置不兼容，从而将钛末端操作装置的工作长度限制在15.4英寸或39cm。
本发明解决了现有技术的不足之处。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种超声外科手术器械，其包括：具有1/2波段的超声刀片，该1/2波段包括第一部分、第二部分和第三部分，该第一部分包括大于第二部分和第三部分的横截面面积的第一横截面面积。
根据本发明的另一个方面，提供了一种超声外科手术器械包括：a)护罩；b)具有与护罩连接的近端、以及远端的管状护套；c)定位于管状护套内且具有从管状护套远端向远侧伸出的末端操作装置的超声波导管；该波导管具有1/2波段，该1/2波段包括第一部分、第二部分和第三部分，该第一部分包括大于第二部分和第三部分的横截面面积的第一横截面面积。
根据本发明的又一个方面，提供了一种超声外科手术器械，其包括：具有1/2波段的超声刀片，该1/2波段包括第一部分、第二部分和第三部分，该第一部分包括小于第二部分和第三部分的横截面面积的第一横截面面积。
由此，本发明为操作者提供了具有长工作长度的超声装置以用于需要该特性的应用场合，例如在肥胖病学领域，而无需增加1/2波段仍能为发生器提供同样有效的锁定模式。本发明还可使超声波导管的总长度减小，这对需要较短波导管的应用场合是有利的。本发明提供的刀片，其波导管和/或末端操作装置的1/2波段横截面面积和/或硬度有变化。波导管或末端操纵器的1/2波段包括多种几何图形并起到在无需增加或去除1/2波段的情况下延长或缩短波导管和/或末端操纵器长度的作用。本发明将在传统的频率下与传统的超声换能器共同工作。
有利的是，无需额外增加1/2波段就能提供具有更长的工作长度的超声手术器械。更为有利的是，提供制造简单但具有更长工作长度的末端操作装置，从而减少生产成本和患者费用。还有利的是，提供具有与目前可获得的发生器兼容的延伸工作长度的超声器械。甚至更为有利的是，为需要较短波长的应用场合提供不必去除1/2波段就能减小波导管总长度的方法。
本发明更进一步的优点是其提供连续的放大/衰减。如果将一系列伸长的1/2波连接起来，且共振处的波节偏向一侧，则每个1/2波将作为放大器或衰减器。随着末端操作装置的一部分变热，频率和波节的偏置将会改变。这改变了连续放大/衰减，从而起到减小净放大和净加热的作用并形成反馈环。该反馈环起到将末端操作装置的温度保持在末端操作装置设计中固有指定点以下的作用。
本发明的另一个优点包括多模共振。系列扩展的1/2波将保持同样的纵向频率N，但N-1和N+1将减小。这对于N-1没有问题，但N+1将会聚在N上，从而启动多模共振。但是，N和N+1的大多数波节彼此靠近。一个例外是N的波节是被两个波节围绕的N+1的波腹。此外，直到该点的各扩展的1/2波起到衰减器的作用并随后起到放大器的作用。因此，90度异相波腹趋向于具有低振幅，这样得到可同时在具有低阻抗和低产热的两个频率下运行的末端操作装置(或波导管)。也可以创造一种在同一频率下运行的具有该两种波形的装置。
所受的限制是两种波形将在一端同相，在另一端为180度异相。如果两种波形为相同频率，在一端同相，在另一端异相且具有相等振幅，则该抵消端可通过添加相同直径的杆(rods)、保持两种波形异相、重叠来延伸。1/2波的数目可根据需要任意增加。
最后，如果将一个等效系统连接到上面所描述的装置中，它将使抵消波恢复成增强波。结果是在大部分的长度上具有零移动的很长的细超声波导管。这就可能在该无效区域上采用细的柔性导线，从体外有效引导超声能量穿过非绝缘的柔性导管到达工作的末端操作装置。
本发明对于内窥镜和开放式手术是非常有用的。其对于机器人辅助手术也是非常有用的。
附图说明
本发明新颖特征在附加的权利要求书中具体表明。但是本发明本身的结构和操作方法以及其进一步的目的和优点，可通过参照下面的说明并结合附图而得到更好的理解，其中：
图1是现有技术中代表性的超声手术器械的局部剖视图；
图2是具有两个不同横截面面积的波导管的局部视图；
图2a是图2中具有至少两个不同横截面面积的波导管的另一个实施方案的局部视图；
图3是具有两个不同横截面面积的波导管的另一个实施方案的局部视图；以及
图3a是图3中具有至少两个不同横截面面积的波导管的另一个实施方案的局部视图。
具体实施方式
在详细说明本发明之前，应当注意到，本发明在其应用或使用上不局限于在附图和说明书中描述的部件的结构和设置的细节。本发明的示范性实施方案可实施于或包括在其它实施方案、变型和更改中，且可以以各种方式实施或执行。此外，除非另外说明，在此选择使用的术语和表述是出于描述本发明示范性实施方案以便于读者理解的目，而不是为了限制本发明。
还应当理解的是，下述任何一个或多个实施方案、实施方案的表述、实施例、方法等可与其它下述任何一个或多个实施方案、实施方案的表述、实施例、方法等相结合。
本发明可仅与末端操作装置、与末端操作装置和夹钳、与剪切结构或数个其它末端操作装置联合使用。在美国专利号5,322,055和5,954,736中公开了超声手术器械的实例，并与在美国专利号6,309,400B2、6,283,981B1和6,325,811B1中公开的超声手术器械与超声末端操作装置联合使用，上述专利的全部内容引入在此作为参考。
本发明的图2显示了一个1/2波段20，其具有近侧减小的横截面段21、中央段22和远侧减小的横截面段23。1/2波段20是如先前所述的由波导管、末端操作装置和超声换能器组成的超声传送组件的一部分。图2还显示了第一波腹24、波节25和第二波腹26，其中在标准频率下，近侧减小的横截面段21的最近侧部分基本上与第一波腹24对准，中央段22的中心对称线基本上与波节25对准，而远侧横截面段23的最远侧部分基本上与第二波腹26对准。远离波腹24的段可具有与段21相同或不同的横截面。此外，靠近波腹26的段可具有与段23相同或不同的横截面。
这种横截面的减小可只用于1/2波段20的远侧部分或1/2波段20的近侧部分，但1/2波20的延长效果将减少相应量。段21或23中显著短长度上的横截面增加将减小1/2波20的延长效果，但只要不消除该效果仍可包括在内。
在55kHz常规频率下受到激发的本发明一个代表性实施方案包括全长为2.417”的1/2波段20、直径为0.140”的中央段22、长度为0.585”的近侧和远侧段21和23，以及直径为0.070”的近侧和远侧段21和23。这种1/2波段20的设计将1/2波段20的长度延长至2.417”，而由同样材料构成的不具有横截面或硬度变化的1/2波段20在该频率下的长度仅限于约1.7”。本发明考虑将1/2波段20同与1/2波段20基本上相同的其它1/2波段联合，虽然其它1/2波段的近侧可以在波腹处开始，远侧在波节处结束。此外，本发明考虑采用横截面尺寸的多次变化以用于延长1/2波段20的长度。
硬度和密度可用于替代横截面的变化来达到类似于上述的延长效果，其中在中央段22的范围内增加硬度，和/或在近侧和远侧的变细段21和23的范围内减小密度。这可以通过各种手段来实现，包括但不限于，通过局部加热处理、添加高模数陶瓷颗粒如碳化硼、或采用另一种合金如铁或钴基合金来增加硬度，以及通过采用另一种合金如铝、或者添加陶瓷颗粒如碳化硼来减小密度。
1/2波段20与具有与1/2波段20基本上相同特性的其它1/2波段的联合起到延长波导管和/或末端操作装置长度的作用，从而导致其总工作长度大于由具有无横截面面积变化或硬度变化的1/2波段的器械所达到的总工作长度。
参见图2a，可采用多种这样的横截面减小，优选横截面从波节25a向波腹26a和24a减小。在极端情况下，这形成从波节25a到波腹26a和24a的锥形形状。在55kHz常规频率下受到激励的本发明代表性实施方案包括全长为2.214”的1/2波段20a，其在波节25a处直径为0.140”，在波腹24a和26a处直径为0.070”。这种1/2波段20a的设计将1/2波段20的长度延长至2.214”，而由同样材料构成的不具有横截面或硬度变化的1/2波段20在该频率下的长度仅限于约1.7”。本发明考虑将1/2波段20a同与1/2波段20a或20基本上相同的其它1/2波段联合，虽然其它1/2波段的近侧可以在波腹处开始，远侧在波节处结束。此外，本发明考虑采用横截面尺寸的多次变化以用于延长1/2波段20a的长度。
图3显示了本发明包括一个1/2波段30的另一实施方案，其中该1/2波段30还包括第一段31、中央段32和第二段33，其中第一段31在正常工作频率(55.5Hz)下基本上与第一波腹35对准，中央段32基本上与波节36对准，第二段33基本上与第二波腹37对准。第一段31和第二段33包括比中央段32更大的横截面面积。第一段31、中央段32和第二段33的尺寸包括多次变化以利于减小1/2波段30的总长度。
在本发明的一个实施方案中，1/2波段30的测量参数这样设计，使得在常规频率55.5Hz下与常规超声换能器共同起作用。1/2波段30的总长度为0.993”，中央段32的直径为0.070”、长度为0.495”，近侧和远侧段31和33的长度为0.249”、直径为0.140”。1/2波段30可连接于多个其它具有基本上类似于1/2波段30的类似尺寸的1/2波段上。1/2波段30横截面面积的变化起到了减小1/2波段30的总长度的作用，从而减小波导管的总长度。缩短的波导管在需要较短波导管的操作中是非常有用的。波腹35远侧段可具有与段31相同或不同的横截面。此外，波腹37近侧段可具有与段33相同或不同的横截面。
这种较大的横截面可以只用于1/2波段30的远侧部分上或1/2波段30的近侧部分上，但1/2波30的缩短效果将减少相应量。段31或33中显著短长度上的横截面减小将减小1/2波30的延长效果，但只要不消除该效果仍可包括在内。
参见图3a，可采用多种这样的横截面减小，优选横截面从波腹35a和37a向波节36a变小。在极端情况下，这形成锥形形状。在55kHz常规频率下受激励的本发明代表性实施方案包括全长为1.273”的1/2波段30a，其在波节36a处直径为0.070”，在波腹35a和37a处直径为0.140”。
虽然在此已显示和描述了本发明的优选实施方案，显然对于本领域技术人员而言，这些实施方案仅以实施例的方式提供。此外，应当理解的是，上面描述的每个结构都具有功能，这样的结构也可以被称为用于执行该功能的装置。在不偏离本发明精神的情况下，本领域技术人员将可进行多种变型、改变和替换。因此，本发明仅由附加的权利要求书的精神和范围而限定。

Claims (4)

1. 一种超声外科手术器械，其包括：
具有1/2波段的超声刀片，该1/2波段包括第一部分、第二部分和第三部分，该第一部分包括大于第二部分和第三部分的横截面面积的第一横截面面积。
2. 一种超声外科手术器械包括：
a)护罩；
b)具有与护罩连接的近端、以及远端的管状护套；
c)定位于管状护套内且具有从管状护套远端向远侧伸出的末端操作装置的超声波导管；该波导管具有1/2波段，该1/2波段包括第一部分、第二部分和第三部分，该第一部分包括大于第二部分和第三部分的横截面面积的第一横截面面积。
3. 根据权利要求2的超声外科手术器械，其进一步包括枢轴安装在管状护套远端以相对于末端操作装置枢轴转动的夹钳臂，用于夹取该夹钳臂和末端操作装置之间的组织。
4. 一种超声外科手术器械，其包括：
具有1/2波段的超声刀片，该1/2波段包括第一部分、第二部分和第三部分，该第一部分包括小于第二部分和第三部分的横截面面积的第一横截面面积。
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