CN110633543A - 基于声线传输理论的超声刀刀杆结构确定方法及刀杆结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于声线传输理论的超声刀刀杆结构确定方法及刀杆结构，确定方法包括S1、确定刀杆的总长L；S2、在连接端处设置耦合区一，在刀尖处设置耦合区二；S3、逐一确定粗结构的位置及长度；S31、在超声波通过刀杆的仿真计算中纵向位移极大处的位置为此粗结构的位置；S32、根据声传输线方法确定在已知频率下刀杆的粗结构的长度方程；S33、计算本段粗结构的长度；S34、根据每次S33后确定的刀杆结构，重复S31‑S33，依次确定出其他粗结构的位置及计算出其他粗结构的长度。本发明根据声线传输理论，调整刀杆结构使刀头在固定工作频率下处于“纯”纵振动模态，以实现纯纵振超声刀的刀杆的结构设计。
Description
技术领域
本发明属于超声技术领域，尤其是涉及一种基于声线传输理论的超声刀刀杆结构确定方法及刀杆结构。
背景技术
超声手术刀是一种极有应用前景的微创技术，并已成功地应用于许多外科领域，如整形外科，眼科，普外科，口腔科，泌尿科，神经外科，并有望应用于心脏介入治疗。获得医疗许可的有牙科，眼科的眼球白内障乳化术，腹腔手术中的组织切除，整形外科中的骨切割，口腔颌面外科，神经外科，有选择的病态组织如肿瘤的粉碎和摘除，骨骼粘合剂的剥除,以及慢性血管闭塞中的斑块烧蚀等。这些超声手术刀的工作频率从20-60kHz不等。
超声手术刀刀杆是一个弹性波导，根据弹性波导理论，在杆中除了纵波振动模式外，还有低阶的弯曲振动和更高阶的纵-弯耦合振动而超声手术刀的振动模式不仅决定了它的工作频率，且不同振动模式的位移方向不同，与生物组织的相互作用、能量转换的强弱均有不同。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于声线传输理论的超声刀刀杆结构确定方法及刀杆结构，根据声线传输理论，调整刀杆结构使其在固定工作频率(55.5kHz)下使超声刀的刀头刀头处于“纯”纵振动模态，以实现纯纵振超声刀的刀杆的结构设计。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于声线传输理论的超声刀刀杆结构确定方法，具体包括以下步骤：
S1、根据波动声学原理，依据超声波在该刀杆中传输的波长λ，确定刀杆的总长L；
S2、在连接端处设置圆柱状的耦合区一，在刀尖处设置圆柱状的耦合区二；
S3、根据能量守恒定律，沿刀杆的连接端至刀尖方向逐一确定圆柱状的粗结构的位置及长度，
S31：在超声波通过刀杆的仿真计算中纵向位移极大处的位置为此粗结构的位置；
S32：根据声传输线方法确定在已知频率下刀杆的粗结构的长度方程，即刀杆一共有n个长度不同的圆柱，n>2，其中，
......
......
z0i＝ρcsi
其中，ρ为刀杆材料的密度，
为纵波在刀杆内的传播速度，E为杨氏模量，si为第i段圆柱的截面面积，k为圆波数，li为第i段圆柱的长度，且i为整数，1≤i≤n；
S33、根据前一段圆柱状的细结构的直径、本段圆柱状的粗结构的直径及S32中的方程和已知频率计算得出本段粗结构的长度；
S34、根据每次S33后确定的刀杆结构，重复S31-S33，依次确定其他粗结构的位置及计算出其他粗结构的长度，直至最终确定刀杆结构。
进一步的，S1中，声波在有界杆中传播，当杆的长度为半波长的整数倍时，杆将发生谐振，在杆的自由端会获得最大输出振幅，即
根据此公式即可确定刀杆的总长L，其中，
ω为频率。
进一步的，S2中，耦合区一的长度根据刀杆的长度选择，耦合区一的直径介于连接端与细结构之间，耦合区二的直径由手术刀的外部套管的直径确定，耦合区二的长度为20mm。
进一步的，所有粗结构的直径均相同，且根据实际手术刀的适用范围选取，直径范围为2.7-2.9mm；所有细结构的直径均相同，且为刀杆原始的直径。
进一步的，根据能量守恒定律，在有限长的杆中将某一部位进行加粗会降低刀杆局部纵振，加强自由端振动，粗结构位于刀杆仿真计算的每个波谷处。
进一步的，所述连接端为圆柱状结构，连接端的直径为4.68mm，长度为22.8mm。
进一步的，所述耦合区一的长度为20-35mm，直径为3.2mm；所述耦合区二的直径为3.8mm。
进一步的，所述细结构的直径为2.4-2.6mm。
一种超声刀的刀杆结构，包括依次连接的连接端、耦合区一、粗细交替区和耦合区二，所述粗细交替区由多个圆柱状的粗结构和圆柱状的细结构交替组成，且所有的粗结构的直径相等，所有的细结构的直径相等，粗结构和细结构之间的直径差小于0.3毫米，所有粗圆柱的长度不完全相等，所有细圆柱的长度不完全相等，所述的耦合区一与细结构连接，所述的耦合区二与粗结构连接，上述每个细结构、粗结构的具体位置及长度、直径依据上述所述的方法确定。
进一步的，刀杆结构它具有中心轴线，所有的粗细结构都关于中心轴线对称，所有粗细结构的重心都在中心轴线上。
本发明所述的基于声线传输理论的超声刀刀杆结构确定方法，通过能量守恒定律，确定刀杆上粗结构的位置，通过声线传输理论计算刀杆上每个粗结构的长度，从而将刀杆部位设计出粗细不同的结构，具有粗细不同的结构的刀杆，一是可以有效的提高纵向振动并减弱横向振动；二是当往刀头部位传递的声波与返回的声波由于相位差产生抵消，经过几个粗细不同的结构后，声波的能量完全被吸收，使得刀头工作稳定，且增强超声刀的切割效果。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的超声手术刀的结构示意图；
图2为本发明的超声手术刀在55.5KHz频率下的振幅示意图；
图3为本发明的超声手术刀在55.5KHz频率下的应力示意图；
图4为现有的超声手术刀的结构示意图；
图5为现有的超声手术刀在55.5KHz频率下的振幅示意图；
图6为现有的超声手术刀在55.5KHz频率下的应力示意图；
图7为本发明的带有圆角处理的超声手术刀的结构示意图；
图8为具有N段圆柱结构的杆结构。
附图标记说明：
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种基于声线传输理论的超声刀刀杆结构确定方法，具体包括以下步骤：
S1、根据波动声学原理，依据超声波在该刀杆中传输的波长λ，确定刀杆的总长L，具体为：声波在有界杆中传播，当杆的长度为半波长的整数倍时，杆将发生谐振，在杆的自由端会获得最大输出振幅，即
根据此公式即可确定刀杆的总长L，其中，
为纵波在刀杆内的传播速度，ρ为刀杆材料的密度，E为杨氏模量，ω为频率；
S2、在连接端处设置圆柱状的耦合区一，在刀尖处设置圆柱状的耦合区二；耦合区一的长度根据刀杆的长度选择，耦合区一的直径介于连接端与细结构之间，耦合区二的直径由手术刀的外部套管的直径确定，耦合区二的长度为20mm；
S3、根据能量守恒定律，沿刀杆的连接端至刀尖方向逐一确定圆柱状的粗结构的位置及长度，根据能量守恒定律，在有限长的杆中将某一部位进行加粗会降低刀杆局部纵振，加强自由端振动，粗结构位于刀杆仿真计算的每个波谷处；
S31：在超声波通过刀杆的仿真计算中纵向位移极大处的位置为此粗结构的位置；
S32：根据声传输线方法确定在已知频率下刀杆的粗结构的长度方程，即刀杆一共有n个长度不同的圆柱，n>2，其中，
......
......
z0i＝ρcsi
其中，si为第i段圆柱的截面面积，k为圆波数，li为第i段圆柱的长度，且i为整数，1≤i≤n；
S33、根据前一段圆柱状的细结构的直径、本段圆柱状的粗结构的直径及S32中的方程和已知频率计算得出本段粗结构的长度；所有粗结构的直径均相同，且根据实际手术刀的适用范围选取，直径范围为2.7-2.9mm；所有细结构的直径均相同，且为刀杆原始的直径，为2.4-2.6mm；
S34、根据每次S33后确定的刀杆结构，重复S31-S33，依次确定其他粗结构的位置及计算出其他粗结构的长度，直至最终确定刀杆结构。
连接端为圆柱状结构，连接端的直径为4.68mm，长度为22.8mm。耦合区一的长度为30-35mm，直径为3.2mm；所述耦合区二的直径为3.8mm。
一种超声刀的刀杆结构，包括依次连接的连接端、耦合区一、粗细交替区和耦合区二，所述粗细交替区由多个圆柱状的粗结构和圆柱状的细结构交替组成，且所有的粗结构的直径相等，所有的细结构的直径相等，粗结构和细结构之间的直径差小于0.3毫米，所有粗圆柱的长度不完全相等，所有细圆柱的长度不完全相等，所述的耦合区一与细结构连接，所述的耦合区二与粗结构连接，上述每个细结构、粗结构的具体位置及长度、直径依据权利要求1所述的方法确定。
刀杆结构它具有中心轴线，所有的粗、细结构都关于中心轴线对称，所有粗细结构的重心都在中心轴线上。
以下列举出一种按照本方法设计的手术刀，
S1、由于声波在有界杆中传播，当杆的长度为半波长的整数倍时，杆将发生谐振，在杆的自由端会获得最大输出振幅，即L＝λn/2(n＝1,2,3，…∞)；超声刀由单独一种材料制成，为钛合金材料，超声波在超声刀内传递的波速c为5090m/s，由于激励电源发出电信号经过换能器发出频率ω为55.5kHz的超声波，根据公式
及n取6,可以计算得出超声刀的总长度L＝275mm；
S2、刀身处加入了新结构；刀身与连接端A1之间加入了耦合区D1；刀身与刀头之间加入了耦合区D2。耦合区是超声波进行传导的部位，D1是换能器与刀杆进行超声波传导的部位；D2是刀杆与刀头进行超声波传导的部位。耦合区的长度根据不同长度的超声手术刀选择20-30mm不同的长度。具体取，连接端A1为圆柱体，其直径为4.68mm，长度为22.8mm；耦合区一D1为圆柱体，其直径为3.2mm，长度为35m；耦合区二D2为圆柱体，其直径为3.8mm，长度为20mm；刀头A2的长度为23.5mm，刀头A2与耦合区二D2连接的一端为圆柱形结构，直径为2.14mm。
S3、根据能量守恒定律，沿刀杆的连接端至刀尖方向逐一确定圆柱状的粗结构的位置及长度，根据能量守恒定律，在有限长的杆中将某一部位进行加粗会降低刀杆局部纵振，加强自由端振动，粗结构位于刀杆仿真计算的每个波谷处；
S31：在超声波通过刀杆的仿真计算中纵向位移极大处的位置为此粗结构的位置；
S32、根据声传输线方法确定在已知频率下刀杆的粗结构的长度方程，具体推导过程如下：
如图8所示，以连接端A1与耦合区一D1的连接处截面中心点为坐标原点O，刀杆的中心轴为x轴，根据声传输线方法将超声手术刀的粗细交替区看作一声传输线，后一段杆作为前一段杆的负载阻抗。
单粗结构过渡时，输出端x＝l2+l3端视为空载，在x＝l2，端有z3＝jz03tan(k3l3)，式中z03＝ρ3c3s3；在x＝0端，
式中z02＝ρ2c2s2，在x＝-l1端，
式中z01＝ρ1c2s1。
超声手术刀刀杆是同一种材料，
可以得到所加粗结构的长度，
其中
z03＝ρcs3，z02＝ρcs2，z01＝ρcs1。
同理可以推出之后所加粗结构的长度，可递推出所加粗结构的一般公式，
超声手术刀一共有n个截面半径不同的圆柱，n>2，其中：
......
......
z0i＝ρcsi
其中，ρ为刀杆材料的密度，
为纵波在刀杆内的传播速度，E为杨氏模量，si为第i段圆柱的截面面积，k为圆波数，k2＝ω2/c2，ω为频率，li为第i段圆柱的长度，为声波角位移偏移函数，且i为整数，1≤i≤n；
S33、根据前一段细结构的直径、本段粗结构的直径及S4中的方程和已知频率计算得出本段粗结构的长度；
S34、根据每次S33后确定的刀杆结构，重复S31-S33，依次确定其他粗结构的位置及计算出其他粗结构的长度，直至最终确定刀杆结构。
由于所有粗结构的直径均相同，所有细结构的直径均相同，且粗结构和细结构之间的直径差小于0.3mm，粗结构可根据实际手术刀的适用范围选取，直径范围为2.7-2.9mm，本实施例中取所有粗结构的直径为2.84mm，细结构直径为现有的直杆形的刀杆的直径，直径的选取根据手术的不同选择不同的直径，本实施例的手术刀中细结构的直径为2.6mm；
本实施例中的刀杆材料为钛合金，因此ρ、c和k是已知的，具体为密度为4500kg/m3，杨氏模量为1.16e9Pa，以及ω＝55.5kHz，可逐次计算得出共计有四个粗结构，且依次标记为B1、B2、B3和B4，且长度依次分别为：20mm，20mm，40mm，10mm；细结构为刀杆加入粗结构后剩余的刀杆尺寸，细结构的长度与粗结构长度有关，因此，粗结构B1-B4确定后，由于总长L是一定的，因此，细结构依次标记为C1、C2、C3和C4：可以得出细结构的长度依次分别为：25.2mm，20mm，20mm，18.5mm，即得出利用本发明的方法得出的刀杆结构如图1所示。
图4为现有的直杆形的超声手术刀，A1为手术刀的连接端，用于与换能器连接，C为刀杆，A2为刀头。
通过此方法确定的超声刀结构(图1)与直杆形的现有手术刀(图4)对比可以得出：
分别对现有的直杆形的超声手术刀和本方法确定的手术刀结构进行仿真模拟，根据仿真结果对比，从图2和图5可以明确观察到通过此方法对超声手术刀进行优化后刀头部位的振幅明显得到了加强。图3与图6可以观察到优化后的超声手术刀的刀身部位应力明显下降，这样会使得超声手术刀的使用寿命得到加强。
如图7所示，为了使应力再次降低，我们在加粗的部位(B1、B2、B3、B4)与不变的位置(C1、C2、C3、C4)加入了圆角这一结构，这个结构的加入使得刀杆振动的时候应力更加平滑，降低了刀身的应力，避免了刀身猝断的可能性。
我们使用在波谷处的刀杆进行加粗的方法对6个半波长的超声手术刀进行优化，使得超声手术刀的切割能力得到加强，降低应力，使得超声手术的使用寿命得到加强，切割的精度得到提升。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于声线传输理论的超声刀刀杆结构确定方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、根据波动声学原理，依据超声波在该刀杆中传输的波长λ，确定刀杆的总长L；
S2、在连接端处设置圆柱状的耦合区一，在刀尖处设置圆柱状的耦合区二；
S3、根据能量守恒定律，沿刀杆的连接端至刀尖方向逐一确定圆柱状的粗结构的位置及长度，
S31：在超声波通过刀杆的仿真计算中纵向位移极大处的位置为此粗结构的位置；
S32：根据声传输线方法确定在已知频率下刀杆的粗结构的长度方程，即刀杆一共有n个长度不同的圆柱，n>2，其中，
......
......
z0i＝ρcsi
其中，ρ为刀杆材料的密度，
为纵波在刀杆内的传播速度，E为杨氏模量，si为第i段圆柱的截面面积，k为圆波数，li为第i段圆柱的长度，且i为整数，1≤i≤n；
S33、根据前一段圆柱状的细结构的直径、本段圆柱状的粗结构的直径及S32中的方程和已知频率计算得出本段粗结构的长度；
S34、根据每次S33后确定的刀杆结构，重复S31-S33，依次确定其他粗结构的位置及计算出其他粗结构的长度，直至最终确定刀杆结构。
2.根据权利要求1所述的基于声线传输理论的超声刀刀杆结构确定方法，其特征在于：S1中，声波在有界杆中传播，当杆的长度为半波长的整数倍时，杆将发生谐振，在杆的自由端会获得最大输出振幅，即根据此公式即可确定刀杆的总长L，其中，
ω为频率。
3.根据权利要求1所述的基于声线传输理论的超声刀的刀杆结构的确基于声线传输理论的超声刀刀杆结构确定方法定方法，其特征在于：S2中，耦合区一的长度根据刀杆的长度选择，耦合区一的直径介于连接端与细结构之间，耦合区二的直径由手术刀的外部套管的直径确定，耦合区二的长度为20mm。
4.根据权利要求1所述的基于声线传输理论的超声刀刀杆结构确定方法，其特征在于：所有粗结构的直径均相同，且根据实际手术刀的适用范围选取，直径范围为2.7-2.9mm；所有细结构的直径均相同，且为刀杆原始的直径。
5.根据权利要求1所述的基于声线传输理论的超声刀刀杆结构确定方法，其特征在于：根据能量守恒定律，在有限长的杆中将某一部位进行加粗会降低刀杆局部纵振，加强自由端振动，粗结构位于刀杆仿真计算的每个波谷处。
6.根据权利要求1所述的基于声线传输理论的超声刀刀杆结构确定方法，其特征在于：所述连接端为圆柱状结构，连接端的直径为4.68mm，长度为22.8mm。
7.根据权利要求3所述的基于声线传输理论的超声刀刀杆结构确定方法，其特征在于：所述耦合区一的长度为20-35mm，直径为3.2mm；所述耦合区二的直径为3.8mm。
8.根据权利要求4所述的基于声线传输理论的超声刀刀杆结构确定方法，其特征在于：所述细结构的直径为2.4-2.6mm。
9.一种超声刀的刀杆结构，其特征在于：包括依次连接的连接端、耦合区一、粗细交替区和耦合区二，所述粗细交替区由多个圆柱状的粗结构和圆柱状的细结构交替组成，且所有的粗结构的直径相等，所有的细结构的直径相等，粗结构和细结构之间的直径差小于0.3毫米，所有粗圆柱的长度不完全相等，所有细圆柱的长度不完全相等，所述的耦合区一与细结构连接，所述的耦合区二与粗结构连接，上述每个细结构、粗结构的具体位置及长度、直径依据权利要求1所述的方法确定。
10.根据权利要求9所述的一种超声刀的刀杆结构，其特征在于：刀杆结构它具有中心轴线，所有的粗、细结构都关于中心轴线对称，所有粗细结构的重心都在中心轴线上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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