CN115137450A - 一种用于生物组织切削的超声外科手术刀的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于生物组织切削的超声外科手术刀的试验装置，包括设置于底座上方的横向直线进给系统和竖直直线进给系统，所述竖直直线进给系统上设有纵向直线进给系统，所述纵向直线进给系统的一端设有与横向直线进给系统对应的角度控制系统，所述角度控制系统的一侧设有切削力检测系统和超声振动切削系统。本发明采用上述的一种用于生物组织切削的超声外科手术刀的试验装置，可以控制生物组织切削的四个自由度，使其更加符合在手术中的实际工况，精确的模拟整个切削过程，从而得到提高切削效率的最佳参数。并且，用力传感器对切削力进行实时监测，再由计算机对数据进行处理，实现对切削力的测量。

Description

一种用于生物组织切削的超声外科手术刀的试验装置

技术领域

本发明涉及外科实验技术领域，尤其是涉及一种用于生物组织切削的超声外科手术刀的试验装置。

背景技术

目前，超声振动技术具有精度高、出血少、无灼伤、术后恢复快等优点而被广泛使用于医疗外科领域。超声作用于人体会产生一系列生理效应，主要表现为空化效应、机械效应、热效应等。然而，在不同的超声手术系统中，往往以一种效应为主，伴随其他效应。现有技术中，整个超声手术系统分为三部分：超声电源、超声换能器和超声刀头，超声电源生成一定频率的高功率信号，向超声换能器充能，超声换能器受激之后将电能转换为机械振动，引起超声刀纵向振动，从而作用于切削生物组织。

但是，由于超声切削时超声刀的关键参数与切削效率、切削质量的关系非常复杂，缺少精准研究切削参数、切削效率和切削质量相互作用的试验手段，导致在切削时切削效率低、切削质量差。

此外，在切削时超声刀与生物组织之间的机理也是亟待解决的关键问题。因此迫切需要开发新的超声振动辅助切削的试验装置，用来提高切削效率与切削质量，解决超声刀与生物组织的机理问题，从而为开发新型的高效手术刀具做铺垫。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于生物组织切削的超声外科手术刀的试验装置，可以控制生物组织切削的四个自由度，使其更加符合在手术中的实际工况，精确的模拟整个切削过程，从而得到提高切削效率的最佳参数。并且，用力传感器对切削力进行实时监测，再由计算机对数据进行处理，实现对切削力的测量。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于生物组织切削的超声外科手术刀的试验装置，包括设置于底座上方的横向直线进给系统和竖直直线进给系统，所述竖直直线进给系统上设有纵向直线进给系统，所述纵向直线进给系统的一端设有与横向直线进给系统对应的角度控制系统，所述角度控制系统的一侧设有切削力检测系统和超声振动切削系统。

优选的，所述横向直线进给系统包括位于第一固定座两侧横向导轨上的生物组织夹具，所述第一固定座的中部设有位于横向导轨之间且与生物组织下端连接的第一滚珠丝杠，所述第一固定座的一侧设有第一步进电机。

优选的，所述生物组织夹具的框型结构两端下方设有与横向导轨对应的第一卡接部，其上方滑块之间设有动力杆，所述动力杆上设有与生物组织夹具一侧对应的夹板，所述夹板的两侧设有与滑块对应的限位块，所述动力杆的外侧设有把手。

优选的，所述底座上靠近横向直线进给系统的两侧分别设有控制器、电源，所述电源上远离控制器的一侧还设有计算机。

优选的，所述竖直直线进给系统包括设置于第二固定座两侧的竖直导轨，所述竖直导轨之间设有与连接滑台对应的第二滚珠丝杠，所述第二固定座的上方设有第二步进电机。

优选的，所述纵向直线进给系统包括位于第三固定座内两侧的第三滚珠丝杠，所述第三滚珠丝杠之间设有纵向导轨，所述第三固定座上远离横向直线进给系统的一侧设有第三步进电机。

优选的，所述连接滑台的内侧设有与第二滚珠丝杠连接的水平连接部，其外侧设有与第三滚珠丝杠连接的竖直连接部。

优选的，所述连接滑台的内侧竖直两端设有与竖直导轨对应的第二卡接部，其外侧水平两端均设有与纵向导轨对应的第三卡接部。

优选的，所述第三固定座上靠近横向直线进给系统的一侧设有角度控制系统的第四步进电机，所述第四步进电机的一侧通过水平输出轴与超声刀夹具连接，所述超声刀夹具一侧的固定孔处与力传感器连接，所述力传感器上设有超声手术刀。

优选的，所述第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机、第四步进电机均与控制器连接，所述超声手术刀与电源连接，所述力传感器与计算机连接。

因此，本发明采用上述一种用于生物组织切削的超声外科手术刀的试验装置，可以在试验时控制生物组织切削的四个自由度，使其能更加符合在手术中使用超声手术刀时的真实工况，更加精确的模拟整个生物组织的切削过程，从而得到提高切削效率和切削质量的最佳切削参数。并利用力传感器对切削力进行实时监测，经过计算机对测力数据进行处理之后，实现对整个切削过程的自动测量，测试速度快，精度高，可以为研究组织切削过程中超声与组织间的作用机理提供完善的试验平台。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明的试验装置实施例的结构示意图；

图2是横向直线进给系统的结构示意图；

图3是竖直直线进给系统的结构示意图；

图4是纵向直线进给系统的结构示意图；

图5是角度控制系统、超声振动切削系统、切削力检测系统的结构示意图。

附图标记

1、底座；2、横向直线进给系统；3、竖直直线进给系统；4、纵向直线进给系统；5、角度控制系统；6、切削力检测系统；7、超声振动切削系统；8、控制器；9、电源；10、计算机；

11、横向导轨；12、第一滚珠丝杠；13、生物组织夹具；14、第一步进电机；

15、第二步进电机；16、竖直导轨；17、连接滑台；18、第二滚珠丝杠；

19、第三步进电机；20、纵向导轨；21、第三滚珠丝杠；

22、力传感器；23、超声刀夹具；24、超声手术刀；25、第四步进电机。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的主旨或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。这些其它实施方式也涵盖在本发明的保护范围内。

还应当理解，以上所述的具体实施例仅用于解释本发明，本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明/发明的保护范围之内。

本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其它要素的可能。术语“内”、“外”、“上”、“下”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，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“附着”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。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。本发明中使用的术语“约”具有本领域技术人员公知的含义，优选指该术语所修饰的数值在其±50％，±40％，±30％，±20％，±10％，±5％或±1％范围内。

本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用词典中定义的术语应当被理解为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非本文有明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作为详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

本发明说明书中引用的现有技术文献所公开的内容整体均通过引用并入本发明中，并且因此是本发明公开内容的一部分。

实施例

一种用于生物组织切削的超声外科手术刀的试验装置，包括设置于底座1上方的横向直线进给系统2和竖直直线进给系统3，底座1为横向直线进给系统2、竖直直线进给系统3提供支撑。竖直直线进给系统3上设有纵向直线进给系统4，纵向直线进给系统4的一端设有与横向直线进给系统2对应的角度控制系统5，角度控制系统5的一侧设有切削力检测系统6和超声振动切削系统7。本发明的试验装置使用时，通过横向直线进给系统2控制生物组织的位置调节，竖直直线进给系统3、纵向直线进给系统4实现超声手术刀24的竖直方向和纵向的调节。另外，角度控制系统5实现超声手术刀24角度的调节，切削力检测系统6实现力度的检测，超声振动切削系统7实现切削。

横向直线进给系统2包括位于第一固定座两侧横向导轨11上的生物组织夹具13，横向导轨11为生物组织夹具13的稳定移动提供保障。生物组织夹具13的框型结构两端下方设有与横向导轨11对应的第一卡接部，通过第一卡接部稳定连接在横向导轨11上，保证生物组织夹具13的稳定连接。第一固定座的中部设有位于横向导轨11之间且与生物组织下端连接的第一滚珠丝杠12，在第一滚珠丝杠12的动力作用下，生物组织夹具13进行移动。第一固定座的一侧设有第一步进电机14，第一步进电机14通过联轴器带动第一滚珠丝杠12运动，从而实现生物组织夹具的移动。

生物组织夹具13上方滑块之间设有动力杆，动力杆上设有与生物组织夹具一侧对应的夹板，动力杆带动夹板移动，从而实现与生物组织夹具一侧之间位置的调节，实现生物组织的固定或放松。动力杆的外侧设有把手，把手便于动力杆的移动。夹板的两侧设有与滑块对应的限位块，限位块在滑块之间稳定移动，从而实现夹板的平稳移动。

竖直直线进给系统3包括设置于第二固定座两侧的竖直导轨16，竖直导轨16为第二固定座提供支撑。竖直导轨16之间设有与连接滑台17对应的第二滚珠丝杠18，在第二滚珠丝杠18的作用下连接滑台17实现上升或下降。第二固定座的上方设有第二步进电机15，第二步进电机15通过联轴器为第二滚珠丝杠18提供动力。

纵向直线进给系统4包括位于第三固定座内两侧的第三滚珠丝杠21，第三固定座上远离横向直线进给系统的一侧设有第三步进电机19，在第三步进电机19的带动下，第三滚珠丝杠21进行转动。第三滚珠丝杠21之间设有纵向导轨20，纵向导轨20提供限位作用。

连接滑台17的内侧设有与第二滚珠丝杠18连接的水平连接部，其外侧设有与第三滚珠丝杠21连接的竖直连接部。连接滑台17的结构设置，实现上升下降的同时，还为纵向直线进给系统4的前后移动提供保障。

连接滑台17的内侧竖直两端设有与竖直导轨16对应的第二卡接部，第二卡接部保证与竖直导轨16的稳定连接。连接滑台17外侧水平两端均设有与纵向导轨20对应的第三卡接部，通过第三卡接部实现与纵向导轨20的稳定连接。

第三固定座上靠近横向直线进给系统3的一侧设有角度控制系统5的第四步进电机25，第四步进电机25的一侧通过水平输出轴与超声刀夹具23连接，在第四步进电机25的作用下，超声刀夹具23发生旋转。在图中，超声刀夹具23的一端为弧面，其另外一端为平面，用于与力传感器22连接。超声刀夹具23一侧的固定孔处与力传感器22连接，力传感器22通过螺纹连接在超声刀夹具23上。在超声刀夹具23的旋转下，力传感器22发生转动。力传感器的型号为WIKA F2221微型力传感器，或者根据需要选择不同强度的力传感器，可以实现拉向力和压向力的测量。力传感器22上设有超声手术刀24，超声手术刀实现切削。

底座1上靠近横向直线进给系统2的两侧分别设有控制器8、超声振动切削系统7的电源9，电源9上远离控制器8的一侧还设有计算机10。第一步进电机14、第二步进电机15、第三步进电机19、第四步进电机25均与控制器8连接，控制器8可以实现各个步进电机的控制，从而实现对不同维度的生物组织切削。超声手术刀24与电源9连接，在电源9的作用下，电源9产生脉冲信号，经过放大后施加在超声手术刀24上，使超声刀头振动，用于切削生物组织。力传感器与计算机连接，通过力传感器将信息数据传给计算机。

本发明的试验装置使用时，首先将待切削的生物组织放置于生物组织夹具上。然后打开电源9即可产生脉冲信号，并经过放大后施加在超声手术刀24上，带动超声手术刀24振动，从而切削生物组织；同时可通过调节电源9的功率来改变超声手术刀24的振幅，从而改变切削效率。

接着，通过控制器8使第四步进电机25转动来改变超声刀夹具23的角度，从而使超声手术刀24与被切削的生物组织具有一定的切削角度。通过控制器8使第一步进电机14转动来改变生物组织夹具13的位置，从而使超声手术刀24与被切削的生物组织在横向进行对齐，并且，可以通过控制器8控制第一步进电机14的转动速度来调整进给速度。接着通过控制器8使第三步进电机19转动来改变纵向导轨20的位置，从而使超声手术刀24与被切削的生物组织在纵向进行对齐。

接着，通过控制器8使第二步进电机15转动来改变连接滑台17的位置，从而使超声手术刀24与被切削的生物组织在竖直方向确定切削深度。当超声手术刀24对生物组织进行切削时，力传感器22可实时监测切削时的切削力，并且通过计算机10收集处理，从而测得在切削时的所有切削力数据。

超声手术刀24在横向、纵向、竖直和切削角度的位置和运动速度都可以通过带有PLC的控制器8经过编程控制，从而实现加工时的超声手术刀24路径的自动化。

通过改变具体设置，使试验装置进行不同的实验：

(1)改变第一步进电机的转速调整切削进给速度，使生物组织夹具带动生物组织进行切削，研究不同切削速度对生物组织切削的影响；

(2)改变电源的功率，研究不同功率产生的振动对软组织切削的效果，并进一步研究组织切削过程中超声波与组织间作用机理；

(3)装具有不同刀具参数的切削刀具，研究刀具结构参数对生物组织切削的影响；

(4)更换不同类型的生物组织，研究切削参数对不同组织的影响，建立全面的生物组织切削工艺数据库；

(5)改变第四步进电机转动的角度调整切削角度，是超声刀夹具带动超声刀旋转一定角度进行切削，研究不同的切削角度对切削质量与切削效率的影响。

因此，本发明采用上述一种用于生物组织切削的超声外科手术刀的试验装置，可以控制生物组织切削的四个自由度，使其更加符合在手术中的实际工况，精确的模拟整个切削过程，从而得到提高切削效率的最佳参数。并且，用力传感器对切削力进行实时监测，再由计算机对数据进行处理，实现对切削力的测量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于生物组织切削的超声外科手术刀的试验装置，其特征在于：包括设置于底座上方的横向直线进给系统和竖直直线进给系统，所述竖直直线进给系统上设有纵向直线进给系统，所述纵向直线进给系统的一端设有与横向直线进给系统对应的角度控制系统，所述角度控制系统的一侧设有切削力检测系统和超声振动切削系统。

2.根据权利要求1所述的一种用于生物组织切削的超声外科手术刀的试验装置，其特征在于：所述横向直线进给系统包括位于第一固定座两侧横向导轨上的生物组织夹具，所述第一固定座的中部设有位于横向导轨之间且与生物组织下端连接的第一滚珠丝杠，所述第一固定座的一侧设有第一步进电机。

3.根据权利要求2所述的一种用于生物组织切削的超声外科手术刀的试验装置，其特征在于：所述生物组织夹具的框型结构两端下方设有与横向导轨对应的第一卡接部，其上方滑块之间设有动力杆，所述动力杆上设有与生物组织夹具一侧对应的夹板，所述夹板的两侧设有与滑块对应的限位块，所述动力杆的外侧设有把手。

4.根据权利要求3所述的一种用于生物组织切削的超声外科手术刀的试验装置，其特征在于：所述底座上靠近横向直线进给系统的两侧分别设有控制器、电源，所述电源上远离控制器的一侧还设有计算机。

5.根据权利要求4所述的一种用于生物组织切削的超声外科手术刀的试验装置，其特征在于：所述竖直直线进给系统包括设置于第二固定座两侧的竖直导轨，所述竖直导轨之间设有与连接滑台对应的第二滚珠丝杠，所述第二固定座的上方设有第二步进电机。

6.根据权利要求5所述的一种用于生物组织切削的超声外科手术刀的试验装置，其特征在于：所述纵向直线进给系统包括位于第三固定座内两侧的第三滚珠丝杠，所述第三滚珠丝杠之间设有纵向导轨，所述第三固定座上远离横向直线进给系统的一侧设有第三步进电机。

7.根据权利要求6所述的一种用于生物组织切削的超声外科手术刀的试验装置，其特征在于：所述连接滑台的内侧设有与第二滚珠丝杠连接的水平连接部，其外侧设有与第三滚珠丝杠连接的竖直连接部。

8.根据权利要求7所述的一种用于生物组织切削的超声外科手术刀的试验装置，其特征在于：所述连接滑台的内侧竖直两端设有与竖直导轨对应的第二卡接部，其外侧水平两端均设有与纵向导轨对应的第三卡接部。

9.根据权利要求8所述的一种用于生物组织切削的超声外科手术刀的试验装置，其特征在于：所述第三固定座上靠近横向直线进给系统的一侧设有角度控制系统的第四步进电机，所述第四步进电机的一侧通过水平输出轴与超声刀夹具连接，所述超声刀夹具一侧的固定孔处与力传感器连接，所述力传感器上设有超声手术刀。

10.根据权利要求9所述的一种用于生物组织切削的超声外科手术刀的试验装置，其特征在于：所述第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机、第四步进电机均与控制器连接，所述超声手术刀与电源连接，所述力传感器与计算机连接。

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