CN114587508A - 无线超声刀换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线超声刀换能器，换能器为半波长结构，包括前金属块、压电晶堆、后金属块和预紧螺钉，前金属块为多级变阶结构，前金属块内部沿轴线设有螺纹孔，后金属块、压电晶堆和前金属块依次同轴套设在预紧螺钉的钉杆上，预紧螺钉的钉杆与前金属块的螺纹孔螺纹连接，后金属块和压电晶堆被压紧在预紧螺钉的钉头和前金属块之间，前金属块与压电晶堆接触的端部外径最大，前金属块的最前端的平直段外周面上设有螺纹。本发明的换能器为半波长结构，重量减轻，且满足力学性能的同时声学特性得到大大提升，换能器相位容限更宽，更利于与主机匹配，提高工作效率；同时前金属块最前端设有螺纹，换能器的一致性更好，提高超声刀系统的性能一致性。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，更加具体来说，本发明涉及一种无线超声刀换能器。
背景技术
超声刀的原理是利用超声波换能器产生振动，发出的超声波沿着刀杆的纵向轴线传播，然后在刀杆上沿轴线产生振幅放大的振动，最后在刀头端部产生高速纵向机械运动，刀头末端的机械振动在切割软组织时非常有效，并且由超声高频振动产生的热可以凝结组织，闭合血管。这种器械由于刀杆通过套管可以易于到达手术部位，特别适用于微创手术，如内窥镜或腹腔镜手术。超声刀控制的关键是沿着刀杆长度产生共振的同时控制刀头的振动幅度，从而在手术过程中获得最佳性能。但是，生成有效的驱动信号颇具挑战性，例如施加在换能器上的频率，电流和电压必须全部动态控制，因为这些参数随着刀头上负载的变化以及刀杆产生的温差而变化。这些因素导致超声刀的控制系统是一个相对复杂的带处理器的模拟数字混合的电路，并且在处理器上运行有实时控制软件和人机交互软件。由于对控制系统的要求较高，目前市场上大部分超声刀产品均为有绳产品，例如强生公司的Harmonic系列，使用时需要将超声刀连接到一个台式发生器。这种设计在应用上的缺点是连接导线导致手术中有所牵扯，使用不便。现有的有绳换能器长度为92.8mm，重量为40.96g。长度长、重量大，使用较笨重。
因此，无线超声刀应运而生，使得整个超声刀不需要连接台式发生器就可独立工作，医生使用中不再受后面的导线困扰。无线超声刀由于其便捷、高效而受到青睐。正因为便携，重量、体积以及工作效率成为无线超声刀的重要指标。
无线超声刀主要由换能器、刀头、外壳、电路板以及电池构成，这些主要组成部分也决定了无线超声刀的重量、体积以及效率。换能器无疑是无线超声刀的重要组成部分，换能器对无线超声刀的重量以及效率产生重要影响。但现有的无线超声刀，换能器存在体积大、重量重的问题，不利于携带和使用。
发明内容
为解决现有无线超声刀的换能器体积大、重量重使得无线超声刀不利于携带和使用的问题，本发明创新地提供了一种无线超声刀换能器，换能器为半波长结构，前金属块为多级变阶结构，重量减轻，更利于随身携带；且满足力学性能的同时声学特性得到大大的提升，换能器在谐振点附近的相位容限大幅度增加，这极大地提高了换能器与主机的匹配效率，提高了超声刀的工作效率，同时本发明提供的换能器工序更简单，这将提高产品性能的一致性。
为实现上述的技术目的，本发明公开了一种无线超声刀换能器，所述换能器为半波长结构，包括前金属块、压电晶堆、后金属块和预紧螺钉，所述前金属块为多级变阶结构，所述前金属块内部沿轴线设有螺纹孔，所述后金属块、所述压电晶堆和所述前金属块依次同轴套设在所述预紧螺钉的钉杆上，所述预紧螺钉的钉杆与所述前金属块的螺纹孔螺纹连接，所述后金属块和所述压电晶堆被压紧在所述预紧螺钉的钉头和所述前金属块之间，所述前金属块与所述压电晶堆接触的端部外径最大，所述前金属块的最前端的平直段外周面上设有螺纹。
进一步地，所述前金属块包括沿远离所述压电晶堆方向依次连接的第一过渡段、第一平直段、第二过渡段、第二平直段、第三过渡段、第三平直段、第四过渡段和第四平直段，所述第一过渡段的外径和所述第二过渡段的外径沿远离所述压电晶堆方向逐渐减小，所述第三过渡段的外径和所述第四过渡段的外径沿远离所述压电晶堆方向逐渐增大，所述第一平直段的外径与所述第一过渡段的最小外径相同，所述第二平直段的外径、所述第二过渡段的最小外径和所述第三过渡段的最小外径相同，所述第三平直段的外径与所述第四过渡段的最小外径相同，所述第四平直段的外径与所述第四过渡段的最大外径相同，所述第四平直段的外径小于所述第二平直段的外径，所述螺纹设置在所述第四平直段的外周面上。
进一步地，所述第三过渡段的最大外径小于所述第二过渡段的最大外径。
进一步地，所述第一过渡段和所述第二过渡段的外周面为弧形面，所述第三过渡段和所述第四过渡段的外周面为锥面。
进一步地，所述前金属块的最大端部还同轴连接有法兰部，所述法兰部的法兰面与压电晶堆接触。
进一步地，所述法兰部的外径大于所述前金属块的最大端部的外径。
进一步地，所述前金属块和所述后金属块均为铝合金块，所述预紧螺钉为钛合金螺钉。
进一步地，所述后金属块与所述预紧螺钉的钉头接触的端面边缘设置倒角或倒圆角。
进一步地，所述换能器的整体长度为47.8mm。
本发明的有益效果为：
本发明的无线超声刀换能器为半波长结构，前金属块为多级变阶结构，重量减轻，更利于随身携带；且满足力学性能的同时声学特性得到大大的提升，换能器在谐振点附近的相位容限大幅度增加，这极大地提高了换能器与主机的匹配效率，提高了超声刀的工作效率，同时本发明提供的换能器工序更简单，这将提高产品性能的一致性。
附图说明
图1是本发明实施例的无线超声刀换能器的结构示意图；
图2是本发明实施例的前金属块和法兰部的结构示意图；
图3是本发明实施例的无线超声刀换能器的声学采样频率图；
图4是本发明实施例的无线超声刀换能器的声学谐振频率图。
图中，
1、前金属块；11、第一过渡段；12、第一平直段；13、第二过渡段；14、第二平直段；15、第三过渡段；16、第三平直段；17、第四过渡段；18、第四平直段；2、压电晶堆；3、后金属块；4、预紧螺钉；5、法兰部。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明提供的无线超声刀换能器进行详细的解释和说明。
本实施例具体公开了一种无线超声刀换能器，如图1所示，换能器为半波长结构，包括前金属块1、压电晶堆2、后金属块3和预紧螺钉4，在本实施例中，前金属块1和后金属块3均为铝合金块，预紧螺钉4为钛合金螺钉，能保证力学性能的同时减轻换能器的重量。前金属块1为多级变阶结构，前金属块1内部沿轴线设有螺纹孔，多级变阶结构的前金属块1结构减轻换能器重量的同时减小换能器的体积，提高声学性能，获取更大的增益，同时满足力学强度。后金属块3、压电晶堆2和前金属块1依次同轴套设在预紧螺钉4的钉杆上，预紧螺钉4的钉杆与前金属块1的螺纹孔螺纹连接，后金属块3和压电晶堆2被压紧在预紧螺钉4的钉头和前金属块1之间，前金属块1与压电晶堆2接触的端部外径最大，前金属块1的最前端的平直段外周面上设有螺纹，前金属块的螺纹将直接与终端刀头部分螺纹连接。预紧螺钉4的钉头外径大于钉杆的外径，钉头的前端面与后金属块3的后端面贴合，后金属块3的前端面与压电晶堆2的后端面贴合，压电晶堆2的前端面与前金属块1的后端面贴合，即与前金属块1的最大端面贴合。通过预紧螺钉4的钉头和前金属块1产生均匀的夹持力，压力均匀传递给后金属块3和压电晶堆2，使超声换能器的压电晶堆2能够获得均匀的压力分布，从而有效提高换能器的机电转换效率，实现超声换能器的低阻抗、高输出的性能。
当后金属块3、压电晶堆2和前金属块1依次套设于预紧螺钉4的钉杆上时，前金属块1通过螺纹孔的螺纹连接在钉杆上，且前端面紧密贴在压电晶堆2上时，钉头受力，并将该应力传递给后金属块3和压电晶堆2，压电晶堆2受到均匀的压力，当压电晶堆2连接上具有与超声换能器相同频率的高频电信号时，压电晶堆2内的压电陶瓷片与超声换能器一起产生高频谐振，从而将电能转化为机械能。
如图1和2所示，前金属块1为多级变阶结构，包括沿远离压电晶堆2方向依次连接的第一过渡段11、第一平直段12、第二过渡段13、第二平直段14、第三过渡段15、第三平直段16、第四过渡段17和第四平直段18，第一过渡段11的外径和第二过渡段13的外径沿远离压电晶堆2方向逐渐减小，第三过渡段15的外径和第四过渡段17的外径沿远离压电晶堆2方向逐渐增大，第一平直段12的外径与第一过渡段11的最小外径相同，第二平直段14的外径、第二过渡段13的最小外径和第三过渡段15的最小外径相同，第三平直段16的外径与第四过渡段17的最小外径相同，第四平直段18的外径与第四过渡段17的最大外径相同，第四平直段18的外径小于第二平直段14的外径，螺纹设置在第四平直段18的外周面上。第一平直段12、第二平直段14、第三平直段16和第四平直段18的外周面均为直圆柱面，第一过渡段11、第二过渡段13、第三过渡段15和第四过渡段17实现平滑过渡，第一过渡段11和第二过渡段13外径逐渐减小，减小体积和重量的同时振动幅度逐渐增大，第三过渡段15和第四过渡段17的外径虽逐渐增大，但是增大的比例较小，整体上前金属块的外径从后向前变阶减小，提高声学性能，获取更大的增益，同时满足力学强度。优选的，第三过渡段15的最大外径小于第二过渡段13的最大外径。变阶结构的前金属块1使得直径多次减小，保证前金属块1的力学强度，同时受到压电晶堆2传递过来的振动时的振动幅度更大。
第一平直段和二平直段对换能器的谐振频率与振幅增益有着更为重要的意义，因此，第一平直段和第二平直段的长度和直径均大于第三平直段和第四平直段，第一平直段和第二平直段的直径比大约满足：φ1/φ2≈2。为了保持力学性能，第一过渡段、第一平直段、第二过渡段和第二平直段的长度之和与前金属块整体长度的比大于1/2，更优选的大于0.7。
优选的，第一过渡段11和第二过渡段13的外周面为弧形面，第三过渡段15和第四过渡段17的外周面为锥面，保证力学强度和声学性能。
在一些实施例中，前金属块1的最大端部还同轴连接有法兰部5，法兰部5的法兰面与压电晶堆2接触，法兰部5的外径大于前金属块1的最大端部的外径，即法兰部5的外径大于第一过渡段11的最大外径，法兰部5的法兰面的面积大于前金属块1最大端部(即第一过渡段11的最大端面)的面积，更好地将压力均匀地传递给压电晶堆2。优选的，法兰部5为铝合金结构，法兰部5与前金属块1一体成型，保证换能器的力学性能、减轻换能器的重量。
后金属块3与预紧螺钉4的钉头接触的端面边缘设置倒角或倒圆角，使得对后金属块3周面的直径做适度的递增结构，近似形成为带一过渡台阶的圆环面，从而使得后金属块3能够更好的接收到预紧螺钉4的钉头的预紧力同时，进一步改善超声换能器的谐振特性。后金属块3的前端面(即与压电晶堆2的接触面)为平整的圆环面。
在本实施例中，换能器的整体长度为47.8mm，该长度的减少是借助于前金属块结构的改进以及前金属块和后金属块材质的选择实现的，在减轻重量、减小体积、保证力学强度和声学效果的同时，减少整体长度。
将本实施例的具有法兰部5的无线超声换能器与现有的有绳换能器的长度和重量进行对比，如下表1所示。本实施例的后金属块3的外径、压电晶堆的外径和预紧螺钉钉头的外径与现有有绳超声换能器的均相同，现有有绳超声换能器的前金属块材质为铝合金、后金属块材质为不锈钢、预紧螺钉材质为钛合金，现有有绳超声换能器前金属块的外径与本实施例的第一过渡段11的最大外径相同。在本实施例中，法兰部5的长度为2.7mm，第一过渡段11的长度为4mm，第一平直段12的长度为7mm，第二过渡段13的长度为1mm，第二平直段14的长度为9.5mm，第三过渡段15的长度为1.2mm，第三平直段16的长度为1m，第四过渡段17的长度为0.4mm，第四平直段18的长度为5mm，第一平直段和第二平直段的直径比为2。在本实施例中，法兰部5的最大直径为15mm，第一过渡段的最大外径为14mm，第一平直段12的直径为8mm，第二平直段14的直径为4mm，第三平直段16的直径为2mm，第四平直段18外表面饰有螺纹，螺纹标准一般为4-40UNC。压电晶堆2的长度为7mm，后金属块3的长度为5mm，预紧螺钉4的钉头长度为4mm。
表1
本实施例的无线超声换能器整体长度为47.8mm，现有的有绳换能器的长度为92.8mm，减少了45mm，减少占比为48.49％。本实施例的无线超声换能器通过前金属块1和后金属块3的材质选择以及前金属块1结构的改变，重量为26.26g，相对于现有的有绳换能器，重量减小了14.7g，减小占比为35.89％。本实施例的无线超声换能器从体积和重量上都大幅减少，便于携带和使用，提高使用效果。
图3和4为本实施例的无线超声换能器的声学特性。将现有的有绳换能器和本实施例的无线超声刀换能器的声学特性进行对比，如表2所示。
表2
对比表2数据可以看出，本实施例的无线超声换能器的声学特性得到提升，相位容限几乎增加了47％。通过设有螺纹的第四平直段、前金属块的结构改进以及法兰部的设置，保证力学强度的同时提高声学特性。
综上，本发明的无线超声刀换能器为半波长结构，重量减轻，更利于随身携带；且满足力学性能的同时声学特性得到大大的提升，换能器在谐振点附近的相位容限大幅度增加，这极大地提高了换能器与主机的匹配效率，提高了超声刀的工作效率，同时本发明提供的换能器工序更简单，这将提高产品性能的一致性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任至少一个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
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，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种无线超声刀换能器，其特征在于，所述换能器为半波长结构，包括前金属块(1)、压电晶堆(2)、后金属块(3)和预紧螺钉(4)，所述前金属块(1)为多级变阶结构，所述前金属块(1)内部沿轴线设有螺纹孔，所述后金属块(3)、所述压电晶堆(2)和所述前金属块(1)依次同轴套设在所述预紧螺钉(4)的钉杆上，所述预紧螺钉(4)的钉杆与所述前金属块(1)的螺纹孔螺纹连接，所述后金属块(3)和所述压电晶堆(2)被压紧在所述预紧螺钉(4)的钉头和所述前金属块(1)之间，所述前金属块(1)与所述压电晶堆(2)接触的端部外径最大，所述前金属块(1)的最前端的平直段外周面上设有螺纹。
2.根据权利要求1所述的无线超声刀换能器，其特征在于，所述前金属块(1)包括沿远离所述压电晶堆(2)方向依次连接的第一过渡段(11)、第一平直段(12)、第二过渡段(13)、第二平直段(14)、第三过渡段(15)、第三平直段(16)、第四过渡段(17)和第四平直段(18)，所述第一过渡段(11)的外径和所述第二过渡段(13)的外径沿远离所述压电晶堆(2)方向逐渐减小，所述第三过渡段(15)的外径和所述第四过渡段(17)的外径沿远离所述压电晶堆(2)方向逐渐增大，所述第一平直段(12)的外径与所述第一过渡段(11)的最小外径相同，所述第二平直段(14)的外径、所述第二过渡段(13)的最小外径和所述第三过渡段(15)的最小外径相同，所述第三平直段(16)的外径与所述第四过渡段(17)的最小外径相同，所述第四平直段(18)的外径与所述第四过渡段(17)的最大外径相同，所述第四平直段(18)的外径小于所述第二平直段(14)的外径，所述螺纹设置在所述第四平直段(18)的外周面上。
3.根据权利要求2所述的无线超声刀换能器，其特征在于，所述第三过渡段(15)的最大外径小于所述第二过渡段(13)的最大外径。
4.根据权利要求2所述的无线超声刀换能器，其特征在于，所述第一过渡段(11)和所述第二过渡段(13)的外周面为弧形面，所述第三过渡段(15)和所述第四过渡段(17)的外周面为锥面。
5.根据权利要求1-4任一项所述的无线超声刀换能器，其特征在于，所述前金属块(1)的最大端部还同轴连接有法兰部(5)，所述法兰部(5)的法兰面与压电晶堆(2)接触。
6.根据权利要求5所述的无线超声刀换能器，其特征在于，所述法兰部(5)的外径大于所述前金属块(1)的最大端部的外径。
7.根据权利要求1所述的无线超声刀换能器，其特征在于，所述前金属块(1)和所述后金属块(3)均为铝合金块，所述预紧螺钉(4)为钛合金螺钉。
8.根据权利要求1所述的无线超声刀换能器，其特征在于，所述后金属块(3)与所述预紧螺钉(4)的钉头接触的端面边缘设置倒角或倒圆角。
9.根据权利要求1所述的无线超声刀换能器，其特征在于，所述换能器的整体长度为47.8mm。
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