CN1135872A

CN1135872A - 超声手术仪

Info

Publication number: CN1135872A
Application number: CN 96101721
Authority: CN
Inventors: 周兆英; 史文勇; 张毓笠; 张鸿澄
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1996-02-09
Publication date: 1996-11-20
Anticipated expiration: 2016-02-09
Also published as: CN1039780C

Abstract

本发明涉及一种超声手术仪，该手术仪由手柄和主机两部分组成。手柄包括刀具、变幅杆、换级器、冲洗管、吸出管和电缆等，超声波通过换能器和变幅杆传递到各种手术刀具并作用于生物组织。主机为超声手术仪的电气部分，包括超声发生器、功率放大器、手动和脚闸控制系统以及动态故障诊断及自动切断系统。在微机控制下，频率发生器产生小信号的超声脉冲，经放大后送给手柄。本手术仪具有选择性破裂、损伤小、精度高、能止血等优点。

Description

超声手术仪

本发明涉及一种超声手术仪，属医疗器械技术领域。

外科手术是临床医疗的重要手段。随着该领域的不断开拓，外科手术刀技术的发展日新月异。在激光、电子等技术应用到外科手术领域以前，机械手术刀长期占据主导地位，它体积较小，切割锋利，但也有缺点，如不能用于特殊外科手术，且手术时出血量较大等等，这些缺点限制了机械手术刀的应用范围。随着激光、电子技术的发展，先后出现了高频电刀、激光刀、微波刀以及氩气刀等多种类型的外科手术刀，它们与传统机械刀相比有较明显的止血效果，临床应用范围也大大扩展，如部分内脏的切除等等。其中高频电刀的结构如图1所示。其工作原理为：高频脉冲发生器产生高频尖脉冲，该尖脉冲是一个低电压、大电流信号，经过电缆送到手柄上的主电极，利用主电极发出的高频脉冲产生的局部热效应切开人体软组织，工作时，辅电极也与人体表面接触。高频电刀有较明显的止血效果，但伴随对软组织的烧灼，有刺鼻的气味产生，切口手术后的恢复也较慢，另外高频电刀切割速度较慢，只能切割软组织，对较硬的组织，如软骨、颅骨、股骨等则不能切割。

本发明的目的是设计一种超声手术仪，在外科手术中，利用超声波能够在弹性介质中传播的特点，在专门手术器械上加超声振动，使超声波通过手术刀具作用于生物组织，主要是通过超声波振动产生的强大加速度和空化效应的作用，切开或碎裂生物组织。

本发明设计的超声手术仪，由手柄和主机两部分组成。手柄由刀具、变幅杆、换能器、冲洗管、吸出管和电缆组成。手柄通过电缆与主机相接。换能器为筒式结构，中间夹有压电陶瓷并一起装在预应力套筒内，压电陶瓷通过电极引线与手柄电缆相接。换能器通过螺丝与变幅杆相连接。刀具粘接在变幅杆端部。冲洗管与吸出管分别固定在手柄外壳上，其端部与刀具相齐。主机为手柄的超声源及控制部分，由超声发生电路、功率放大电路、手柄控制电路组成。其中的超声发生电路包括D/A转换模块U₄、控制D/A模块产生模拟电压信号的单片机U₁、将电压信号进行运算放大的运算放大器U₅、U₈和U₇、电压—频率转换模块U₈以及销存器U₂、扩展片外存储模块U₃。其中的功率放大电路包括将小信号超声波进行激励放大的晶体管T₁、将信号二次放大的晶体管T₂、对信号进行耦合变压的耦合变压器TRAN、为激励级功率晶体管提供恒流的晶体管T₃。其中的手柄控制电路包括分别控制冲洗、吸引、手动、自动、切断、脚闸的按键S₁-S₆、用于多路选择的与非门IC₁：A、IC₁：B、IC₂：A和IC₂：B、用于对选择的控制信号整形的D触发器IC₃：A和IC₃：B和IC₄：A、IC₄：B、用于驱动继电器的驱动电路IC₅：A、IC₅：B、IC₅：C和IC₅：D，三极放大管DG₁、DG₂和DG₃以及用于执行控制动作的继电器J₁、J₂和J₃。

本发明具有选择性碎裂、损伤小、精确度高、能止血等独特的优点，特别是选择性碎裂能保护血管和神经不受损伤。能应用于小中功率的脑、眼外科精细手术，内脏肿瘤的切除、吸引到大功率的锯骨、钻骨手术等等，超声手术刀的应用范围超过了前述的外科手术刀。

附图说明：

图1是已有技术高频电刀的原理方框图。

图2是本发明超声手术仪原理方框图。

图3是超声手术仪中手柄的结构示意图。

图4-1至图4-5是手柄中刀具的五种不同结构图。

图5是超声发生电路(1)。

图6是超声发生电路(2)。

图7是功率放大电路。

图8是手柄控制电路。

下面结合附图，详细介绍本发明的内容。图2是本发明手术仪中手柄的结构示意图。图中，1是刀具，2是变幅杆，3是螺丝，4是预应力套筒，5是压电陶瓷，6是换能器，7是电极引线，8是电缆，9是手柄外壳，10是吸出口，11是冲入口，12是变幅杆外壳，13是吸出管，14是冲洗管。

手柄的工作过程可简述为：

换能器利用压电陶瓷的压电效应将电信号转换为同频率的超声波机械振动，经变幅杆、超声手术刀具放大后，辐射出一定功率的超声波，用于人体手术。

如附图3给出了手柄的结构图。其中压电换能器品质的好坏直接影响到整个仪器工作技术指标优劣。压电换能器6采用压电陶瓷夹心式结构，中间为压电陶瓷5，整个换能器采用预应力套筒4微调加在压电陶瓷堆上预应力的大小，延中心轴向开有通风散热孔，该孔也作为电极引线孔。

换能器输出的振幅通常较小，一般为十几微米，为了使超声辐射头产生更大的振幅，同时也为了使换能器输出的功率有效地传递至辐射头，实现声匹配，一般在这二者之间加变幅杆。如附图3变幅杆2的采用两级变幅放大，变幅杆与换能器中间采用螺钉3紧连的结构。变幅杆外也安装套筒12。

在手柄外壳9上固定有吸出管13和冲入管14，该两管分别有吸出口10和冲入口11，连接到冲洗吸引器上。

如附图3在变幅杆的前端装有手术刀具1。

由换能器、变幅杆和超声手术刀具组成的超声振动系统在超声手术刀具的末端产生最大振幅，辐射出一定功率的超声波。根据不同的用途，超声手术刀具的末端可以加工成各种形状，如锯骨用的锯齿状、切割组织用的锋刃状、碎裂肿瘤用的圆柱状等等。不同形状的超声手术刀具，辐射出的声微流的流向不同，产生的作用也不同，可满足多种需要。

如附图4-1到图4-5，给出了五种手术刀具的结构图，分别依次为切刀、锯刀、清洗刀、吸引头、穿刺杆。

本发明超声手术仪，其超声源及手柄控制部分主要包括：

本发明超声手术仪主要由两部分部分，即主机、手柄。总的原理框图见附图2。

下面分别介绍：

(一)主机

主机是超声手术仪的超声源和控制部分，主要包括①超声发生电路；②功率放大电路；③手动和脚闸控制电路；④动态故障诊断及自动切断电路。

主机部分的工作过程可简述为：

在微机控制下，超声发生器产生小信号的超声脉冲，经大功率放大器放大后，送给手柄。

下面就各部分进行分述。

1、超声发生电路：

压电换能器的机械品质因数(Q值)较高，因此需要采用高精度电压—频率转换模块，产生高稳定度、高精度、输出频谱纯度高的超声源。

该部分的电路原理见图5和图6：单片机模块8098(U1)，其外围电路有锁存器74ALS373(U2)、扩展片外存储模块764(U3)等，单片机模块8098控制D/A转换模块DAC1210以及运算放大器0PO7(U7)放大后，送高精度电压—频率转换模块LM314(U8)产生超声信号。

2、功率放大电路：

如图7，本功率放大电路采用两级：激励级和放大级，同时配有恒流源电路和保护电路。放大级采用A类功放。

从超声发生器送来的小信号超声波，先经过激励经功率晶体管B940(T1)放大，再送往放大级功率晶体管3DA810(T2)二次放大，成为大功率超声波信号，最后通过耦合变压器TRAN输出，将大功率超声波信号加到压电换能器上(在手柄内)。恒流源电路晶体管B507(T3)为激励级功率晶体管B904(T1)提供恒流，使得功率放大工作稳定。

3、手动和脚闸控制系统：

为了便于操作，采用微机实现了手动及脚闸对功放开启和关断的控制，从而控制仪器的工作状态。

冲洗控制见图8电原理图中的“IRRIGATION”

吸引控制见图8电原理图中的“SUCTION”

手动控制见图8电原理图中的“MANU”

自动控制见图8电原理图中的“AUTO”

脚闸控制见图8电原理图中的“FOOT BREAK”

自动切断控制见图8电原理图中的“MANU”

4、动态故障诊断及自动切断系统：

当仪器工作状态异常时，如手柄漏电，功放输出过高的电压，电源输出冲击电流时，微机能自动识别异常故障，并立即切断电源以确保人体及仪器的安全。

自动切断控制见图8原理图中的“AUTO BREAK”

如图8原理图所示，以上两部分中的六个按键S1-S6均通过与非门74LS21，D触发器74LS74，驱动电路7404，经三极管2N5551放大后，控制继电器的开合，以实现各种控制。

Claims

1、一种超声手术仪，其特征在于该手术仪由手柄和主机两部分组成；所述的手柄由刀具、变幅杆、换能器、冲洗管、吸出管和电缆组成，手柄通过电缆与主机相接，换能器为筒式结构，中间夹有压电陶瓷并一起装在预应力套筒内，压电陶瓷通过电极引线与手柄电缆相接，换能器通过螺丝与变幅杆相连接，刀具粘接在变幅杆端部，冲洗管与吸出管分别固定在手柄外壳上，其端部与刀具相齐；所述的主机为手柄的超声源及控制部分，由超声发生电路、功率放大电路、手柄控制电路组成，其中的超声发生电路包括D/A转换模块U₄、控制D/A模块产生模拟电压信号的单片机U₁、将电压信号进行运算放大的运算放大器U₅、U₆和U₇、电压-频率转换模块U₈以及销存器U₂、扩展片外存储模块U_a，其中的功率放大电路包括将小信号超声波进行激励放大的晶体管T₁、将信号二次放大的晶体管T₂、对信号进行耦合变压的耦合变压器TRAN、为激励级功率晶体管提供恒流的晶体管T₃，其中的手柄控制电路包括分别控制冲洗、吸引、手动、自动、切断、脚闸的按键S₁-S₆、用于多路选择的与非门IC₁：A、IC₁：B、IC₂：A和IC₂：B、用于对选择的控制信号整形的D触发器IC₃：A和IC₃：B和IC₄：A、IC₄：B驱动电路IC₅：A、IC₅：B、IC₅：C和IC₅：D，三极放大管DG₁、DG₂和DG₃以及用于执行控制动作的继电器J₁、J₂和J₃。

2、一种如权利要求1所述的超声手术仪，其特征在于其中所述的刀具为切刀、锯刀、清洗刀、吸引头和穿刺杆中的任何一种。