CN110753522A - 用于整形外科手术的扭转超声波发生器 - Google Patents

Abstract

一种用于例如在手术工具中生成扭转模式超声波振动的装置(20)包括超声换能器(27)，其通常产生纵向模式超声波振动，其中长的中空圆柱形模式转换器(29，59)同轴安装到其远端(13)。穿过模式转换器(29，59)的壁(16)形成多个孔(11，61)。这些孔(11，61)布置在沿着圆柱形模式转换器(29，59)并围绕圆柱形模式转换器(29，59)延伸的多个平行的螺旋排(7)中。与排(7)之间的间隔相比，同一排(7)内的孔(11，61)相对紧密地间隔开。在孔直径(d)、排间距(W)、同一行中的孔之间的间距(1)、相邻行中各个孔之间的间距(L)和模式转换器(D)的总直径之间建立了关系。在优选形式中，与第一模式转换器(29)中的圆柱形孔(11)不同，穿过第二模式转换器(59)的壁(16)的孔(61)向内逐渐变细。

Description

用于整形外科手术的扭转超声波发生器

技术领域

本发明涉及用于生成扭转模式超声波振动的装置，用于激活诸如手术工具的超声波振动工具。更具体但非排他地，本发明涉及用于生成扭转模式超声波振动的装置，其适于结合到手术工具(尤其是用于整形外科手术的手术工具)的手持件中。

背景技术

已知在先进的整形外科修正器械中使用扭转模式超声波，并且用于专科创伤植入物移除。与使用纵向模式超声波振动或甚至冲击驱动的切割工具的早期技术相比，采用扭转模式振动的装置的设计提供了增强的安全性，同时显著降低了损坏骨骼开窗的风险(参见Young等人的国际专利申请No.WO2015/198005和美国专利No.8836200)。在一些情况下，在波导周围需要保护罩，其将超声波生成换能器连接到工具的末端效应器。然而，在可以安全地部署工具而没有这种保护罩的情况下，通过使用组合的纵向和扭转模式可以显著提高振荡系统的效率。实现该目的的若干技术实例是已知的，诸如Wuchinich等人在美国专利申请No.US2001/0047166，Boukhny等人在美国专利申请No.US2005/0277869和Easley等人在美国专利申请No.US2006/0004396中公开的那些技术。在每个示例中，产生从纵向模式到扭转模式的比例模式转换的基本物理特征，即横截面不均匀性，涉及在工具的波导或喇叭的选定区域中加工螺旋槽。然而，为了创造声学有效的系统，在工具的钛合金中加工这些特征是困难的，这限制了该技术的使用。

发明内容

因此，本发明的目的是提供产生扭转模式超声波振动的装置，特别是适于激励可超声激活的整形外科手术工具的装置，其消除了现有系统的缺点，但提供了如上所述的可比较的益处。

根据本发明的第一方面，提供了一种适于产生扭转模式超声波振动的装置，包括同轴对准的压电陶瓷元件阵列，其具有从阵列的远端延伸的中空细长转换元件，其中多个孔延伸穿过中空细长转换元件的壁，所述多个孔布置成形成一排或多排孔，其中所述一排或每排孔沿着转换元件并围绕转换元件螺旋地延伸。

优选地，每个所述孔彼此相同。

有利地，每个所述孔具有中心线，该中心线与中空细长转换元件的纵向中心线相交。

优选地，存在围绕转换元件螺旋地延伸的多个所述多排孔。

有利地，每排孔平行于彼此延伸。

每排孔可以相隔其他排孔间隔开恒定距离。

优选地，每个所述孔朝向中空细长转换元件的内部逐渐变细。

有利地，每个所述孔还是圆锥形的或截头圆锥形的。

可替代地，每个所述孔是圆柱形的。

可替代地，每个所述孔具有椭圆形横截面。

可替代地，每个所述孔具有大致方形的横截面。

优选地，中空细长转换元件是圆柱形的。

有利地，细长转换元件的中空内部包括沿细长转换元件的纵向轴线延伸的细长内腔。

中空细长转换元件沿其长度可具有恒定的横截面轮廓。

中空细长转换元件可具有始终具有恒定厚度的壁部件。

优选地，转换元件的外直径(D)与相邻多排孔的有效间隔(W-d)的第一比率大于4：1。

有利地，转换元件的外直径(D)与相邻多排孔的有效间隔(W-d)的第一比率大于6：1。

转换元件的外直径(D)与相邻多排孔的有效间隔(W-d)的第一比率有利地小于15：1。

转换元件(D)的外直径与相邻多排孔的有效间隔(W-d)的第一比率可小于10：1。

优选地，相邻多排孔的有效间隔(W-d)与同一排中的孔之间的距离l的第二比率大于1.5：1。

有利地，相邻多排孔的有效间隔(W-d)与同一排中的孔之间的距离l的第二比率大于1.7：1。

相邻多排孔的有效间隔(W-d)与同一排中的孔之间的距离l的第二比率有利地小于5：1。

相邻多排孔的有效间隔(W-d)与同一排中的孔之间的距离l的第二比率可小于3.75：1。

根据本发明的第二方面，提供了一种通过扭转模式超声波振动激活的手术工具，包括如上述第一方面所述的装置，其中细长波导部件适于发送从中空细长转换元件的远端同轴延伸的超声波振动，以及位于波导部件的远端或附近的手术工具的效应元件。

附图说明

现在将通过示例并参考附图更具体地描述本发明的实施例，在附图中：

图1是用于产生扭转模式超声波振动的已知装置的透视图；

图2是包括用于产生体现本发明的扭转模式超声波振动的装置的手术工具的透视图；

图3是与图2的装置隔离的第一转换元件的透视图；

图3a是图3的第一转换元件的一部分的放大的局部透视图；

图4是图2的手术工具的侧视图；

图4a是沿着手术工具的长度的扭转振动的位移幅度的曲线图，其与图4对齐；

图5a和图5b是体现本发明的第二转换元件的侧视图；以及

图6是沿着虚线VI-VI截取的图5a和图5b的第二转换元件的壁的示意性局部横截面。

具体实施方式

现在参考附图并且特别是图1，示出了用于产生扭转模式超声波振动的已知装置50，特别是Boukhny在US2005/0277869中公开的装置。这包括传统形式的换能器41，其包括在喇叭42的近端46处连接到阶梯式转换喇叭42的PZT陶瓷环的堆叠。换能器41适于在施加合适的电信号时经由在堆叠的PZT环之间交错的电极产生纵向模式超声波振动。转换器喇叭42包括四分之一波长长度的第一近端部分40，其中已切割出一系列平行的螺旋槽47，以及在喇叭42的远端45处终止的直径较小，也是四分之一波长长度的平的第二远端部分44。在该远端45处，由换能器41生成并通过转换器喇叭42发送的超声波振动的位移已变成扭转和纵向模式的组合，如分别如箭头48和49所示。

现有技术的该示例说明了如何在轴向/纵向激励的杆系统(其中四分之一波长长度的杆区段加工有一系列平行的螺旋槽)中发生纵向扭转振动的转换。然而，这些槽的间距和深度严重影响产生的扭转纵向位移的比例。(应该注意，图1中所示的装置被认为具有上述介绍性段落中讨论的已知系统的缺点)。已经发现精确地切割这种螺旋槽是一个困难的过程，在大多数情况下，这种装置50主要由钛组成。

在图2中，示出了替代的振荡杆系统，其体现了本发明并提供了将纵向模式超声波振动部分或全部转换为扭转模式振动的改进部件。该系统体现在手术工具20中，该手术工具20包括换能器27、第一中空截面模式转换器29，以及设计用于移除矫形骨水泥18的器械。这里的换能器27是传统的轴向模式Langevin换能器设计，其由同轴布置、与环形电极交错并夹在背板24和前板14之间的多个压电陶瓷(PZT)环22组成。前板14示出可选的步骤26，以在其远端/输出端13处产生适当的振动特性(详见下文)。隔离凸缘25可选地位于前板14和换能器堆叠22之间，在其中生成的超声波振动的波节处。隔离凸缘25允许手持件的壳体围绕换能器22和第一模式转换器29安装，与超声波振动隔离。

换能器27的远端13通过螺纹安装(不可见)附接到第一中空截面模式转换器29(在下面的图3中更详细地示出)。第一模式转换器29设置有布置在一系列平行延伸的螺旋7中的多个径向钻孔11，每个孔11完全穿过第一中空模式转换器29的壁钻入其内部(再次，完全在下面的图3中示出)。

第一模式转换器29的远端15再次借助于螺纹安装件附接用于移除矫形骨水泥18的器械。所示的代表性骨水泥移除器械18包括扩大直径的近端部分2、细长波导部分6和位于波导部分6远端处的末端效应器4。阶梯区段变化部3可选地存在于波导部分6内；它们可以促进系统20的频率调谐而不影响其中的振动模式。

图3和3a示出了第一中空模式转换器29的更多细节。第一模式转换器29的主体是圆柱形的，其中中空中心9沿着第一模式转换器29的中心线纵向延伸。因此，第一模式转换器29的壁16具有恒定的厚度。多个相同的圆形截面孔11各自穿过壁16延伸到中空中心9中，每个孔11的中心轴线与第一模式转换器29的纵向轴线相交。

孔11全部布置在一系列平行的排、线或链7中，每排7彼此平行围绕第一模式转换器29螺旋地延伸。

图3示出了孔11、排7和第一模式转换器29的关键尺寸的细节，其被认为确定了振动模式转换的程度，以及因此在远端15处发送到水泥移除器械18中的扭转模式振动的比例。在这些图中示出了两个平行的孔11的排7，每个孔具有可见的排7的三个孔11。显示了四个关键尺寸：W(5)、d(8)、L(10)和l(12)。W表示孔11的相邻平行排7之间的恒定距离(测量的中心线到中心线)；d表示每个孔11的相同直径；L表示边缘到边缘测量的相邻螺旋排7中的孔11的最短距离；并且l表示同一排7中相邻孔11之间的恒定距离。角度α定义每个螺旋排7相对于第一模式转换器29的纵轴的螺旋角。D(在该图中未标记)是圆柱形第一模式转换器29的外直径。

确定模式组成的关键维度之间的定义关系在以下表达式中列出。在以下情况下发生显著的扭转模式转换：

以及螺旋角α在以下范围内：

60°＞α＞45°。

(注：量(W-d)和L不相同。由于相邻排7中的孔11不一定对齐，两个单独孔11的最接近的L将大于或等于(W-d))。

此外，初步工作表明：

5＞2πD/L＞2；

5＞2πD/(W-d)＞2；

但是进一步的研究表明，对于最优结果：

15＞D/(W-d)＞4，并且优选地

10＞D/(W-d)＞6；同时

并且优选地

图4和4a示意性地示出了沿着系统20的长度相对于位移幅度ξ的模式变化，定义了三个主要元件27、29、18中的每一个中的波节和波腹。所示的系统20示出了来自模式转换器29和整个水泥去除器械18的纯扭转输出。理想情况下，移除器械18具有nλ/2的长度，其中λ是超声波振动(这里是扭转模式)的波长。

图5a和5b示出了第二中空截面模式转换器59，其可以结合到手术工具20中，优先于第一模式转换器29。第二模式转换器59被示出两次以简化标记。而且，在图5b中，为清楚起见，省略了第二模式转换器59的远壁16上的特征，其通过图5a中的近壁16中的孔61可见。

第一模式转换器29和第二模式转换器59在功能上和结构上非常相似；它们之间的主要区别在于穿过第二模式转换器59的壁16钻出的孔61的轮廓。这些孔61在螺旋延伸的排7中的布置保持不变。第一模式转换器29的孔11在轮廓上是圆柱形的，但是第二模式转换器59的孔61的轮廓是截头圆锥形的，朝向第二模式转换器59的中空内部9逐渐变细。由每个孔61对向的锥角β通常约为14°(参见下面的图6)。第二模式转换器59在每端具有连接元件62、63；每个都设有扳手平面64，用于拧紧所使用的螺纹连接。

图6示出了沿着图5a中的锯齿形线VI-VI穿过第二模式转换器59的壁16的局部横截面，以便示出了在孔61的相同的排7中的相邻孔61之间以及相邻排7中的孔61之间的壁16的轮廓。在该示例中，孔61朝向第二模式转换器59的内部9逐渐变细，锥角β为14°。结果，同一排7中两个相邻孔61之间的壁16的厚度恒定，等于l，即越过第二模式转换器59的外表面的它们之间的距离。如果使用圆柱形孔11，则它们之间的壁16朝向模式转换器29的内部9更薄，或者圆柱形孔11甚至可以在它们的内端相交。随着它们进入内部9，锥形孔61本身的直径从外表面的d1减小到d2。当需要孔直径d的值时，可以使用d₁或d₁和d₂的平均值，不会带来重大改变。相邻排7中的孔61之间的壁16的部分仍然不具有恒定的厚度，如图6中所示，但是同样的，比例变化产生的差异远小于同一排7中相邻孔61之间的窄壁16的变化产生的差异。

因此，本发明认识到，通过加工各种形状以改变横截面刚度，可以复制或模拟纵向切割成圆柱形杆的一系列螺旋槽的振荡特性，从而鼓励在相对于杆的纵向轴线的选定方向中发生位移。通过选择管状杆部分并穿过管壁钻出围绕管状杆的纵向轴线以平行螺旋构型布置的一系列孔，当通过近端施加的压缩波(纵向模式)输入激励时，可以在该特征的下游创建两个运动分量。圆柱形钻孔已在上面的图2至3a中示出，因为它们是最容易制造的形状。锥形钻孔(如图4至5中所示)也可以直接用适当的成形钻头生产。然而，通过采用火花腐蚀技术，可以生成其它形状作为单独的孔，例如，方形或椭圆形。这些中的每一个仍然比现有的已知转换器的细长连续螺旋槽更容易形成，本发明旨在替换这些已知转换器。

Claims (18)

1.一种适于产生扭转模式超声波振动的装置，包括同轴对准的压电陶瓷元件阵列，所述压电陶瓷元件阵列具有从所述阵列的远端延伸的中空细长转换元件，其中，多个孔延伸穿过所述中空细长转换元件的壁，所述多个孔布置成形成一排或多排孔，其中，所述一排孔或每排孔沿着所述转换元件并围绕所述转换元件螺旋地延伸。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，每个所述孔彼此相同。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，由每个所述孔限定的中心轴线与所述中空细长转换元件的纵向轴线相交。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述中空细长转换元件包括多个所述多排孔，每排孔围绕所述转换元件螺旋地延伸。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，每个所述一排孔彼此平行地延伸。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其中，每排孔与每个相邻的一排孔间隔开恒定距离。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，一排内的每个孔与所述排内的相邻孔间隔开恒定距离。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，每个所述孔朝向所述中空细长转换元件的内部逐渐变细。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中，每个所述孔是圆柱形的。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述中空细长转换元件是圆柱形的。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述细长转换元件的中空内部包括沿所述细长转换元件的纵向轴线延伸的细长内腔。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述中空细长转换元件沿其长度具有恒定的横截面轮廓。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的装置，其中，所述中空细长转换元件的壁始终具有恒定的厚度。

14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述转换元件的外直径(D)与相邻多排孔的有效间隔(W-d)的第一比率大于4：1。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，D与(W-d)的所述第一比率小于15：1。

16.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，相邻多排孔的有效间隔(W-d)与同一排中的孔之间的距离l的第二比率大于1.5：1。

17.根据权利要求16所述的装置，其中，(W-d)与l的所述第二比率小于5：1。

18.一种通过扭转模式超声波振动激活的手术工具，包括适于产生如前述权利要求中任一项所述的扭转模式超声波振动的装置，其中细长波导部件适于发送从所述装置的所述中空细长转换元件的远端同轴延伸的超声波振动，以及位于所述波导部件远端或附近的所述手术工具的效应元件。

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