CN115138546A - 一种具有纵向复合变幅杆的超声手术刀及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有纵向复合变幅杆的超声手术刀，包括换能器、与所述换能器固定连接的复合变幅杆以及与所述复合变幅杆固定连接的刀头，所述换能器包括后端盖、铜电极片、压电陶瓷和前端盖，所述后端盖包括主体部和沿主体部的轴向方向延伸的螺柱，所述铜电极片和所述压电陶瓷组配于所述螺柱上，所述复合变幅杆包括大端、沿大端的轴心方向延伸的小端以及沿小端的轴心方向延伸的装配头，所述大端远离所述小端的端表面向内凹陷形成一螺纹孔，所述螺柱装配固定于所述螺纹孔内，所述刀头装配固定于所述装配头。本发明还提供了一种具有纵向复合变幅杆的超声手术刀的设计方法。本发明的有益效果在于：设计的复合变幅杆可以有效减少超声手术刀总体长度和重量。
Description
【技术领域】
本发明涉及超声手术器材技术领域，尤其涉及一种具有纵向复合变幅杆的超声手术刀及其设计方法。
【背景技术】
随着超声波技术的快速发展，基于超声波振动的超声手术刀在医学上得到广泛的应用。超声波手术刀结构组成包括超声波换能器、变幅杆和刀头三部分。其中换能器由后端盖、铜电极片、压电陶瓷和前端盖组成。为保证刀头振动具有最大振幅，超声波手术刀的长度需要设计成半波长的整数倍，常用的方法有四分之一波长设计方法和半波长设计方法。半波长设计方法是将换能器、变幅杆和刀头分别设置成半波长长度，四分之一波长设计方法是将超声换能器和变幅杆的长度设计成四分之一波长，刀头长度设计成半波长长度。但上述两种设计方法都存在超声手术刀长度过长的问题，对切割质量和手术操作效率均会造成影响。因此简化超声手术刀结构，增大其适用范围是一个待解决的问题。
【发明内容】
本发明公开了一种具有纵向复合变幅杆的超声手术刀及其设计方法，其旨在解决超声手术刀整体长度过长，影响切割质量和手术操作效率等问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种具有纵向复合变幅杆的超声手术刀，包括换能器、与所述换能器固定连接的复合变幅杆以及与所述复合变幅杆固定连接的刀头，所述换能器包括后端盖、铜电极片、压电陶瓷和前端盖，所述后端盖设有沿主体部的轴向方向延伸的螺柱，所述铜电极片和所述压电陶瓷组配于所述装配柱上，所述复合变幅杆包括圆柱形大端、沿大端的轴心方向延伸的圆柱形小端以及沿小端的轴心方向延伸的装配头，所述大端远离所述小端的端表面向内凹陷形成一螺纹孔，所述螺柱装配固定于所述螺纹孔内，所述刀头装配固定于所述装配头。
作为本发明的一种优选改进，所述装配孔内设有内螺纹，所述装配柱上设有与所述内螺纹螺纹配合的外螺纹，所述装配柱与所述装配孔螺接固定。
作为本发明的一种优选改进，所述刀头与所述装配头螺接固定。
作为本发明的一种优选改进，所述后端盖由不锈钢材料制成。
作为本发明的一种优选改进，所述压电陶瓷由PZT-8陶瓷材料制成。
作为本发明的一种优选改进，所述复合变幅杆和所述刀头均由钛合金材料制成。
本发明还提供了一种具有纵向复合变幅杆的超声手术刀的设计方法，该设计方法包括如下步骤：
步骤一：采用四分之一波长方法设计原换能器和原变幅杆，获取一系列原换能器和原变幅杆初始尺寸，其中，所述原换能器包括原后端盖、原压电陶瓷以及原前端盖，原变幅杆包括原变幅杆大端和原变幅杆小端，将原后端盖长度保持不变并将其作为与复合变幅杆匹配的后端盖长度，将原换能器的原前端盖和原变幅杆大端的长度结合形成复合变幅杆的大端，将刀头长度与原变幅杆小端长度融合为一体共同构成复合变幅杆小端，完成长度的缩短；所述后端盖包括主体部和沿主体部的轴向方向延伸的螺柱，所述铜电极片、压电陶瓷组、复合变幅杆配于所述螺柱上，所述复合变幅杆包括沿圆柱形小端的轴心方向延伸的装配头，所述复合变幅杆大端的端表面向内凹陷形成一螺纹孔，所述螺柱固定于所述螺纹孔内，所述装配头用于装配刀头；
步骤二、选取原后端盖长度的初始值和压电陶瓷的长度，计算出原前端盖长度，计算公式如下：
其中，ρ1、ρ2、ρ3分别为原前端盖、原压电陶瓷和原后端盖的材料密度；c1、c2、c3分别为原前端盖、原压电陶瓷和原后端盖的声速；S1、S2、S3分别为原前端盖、原压电陶瓷和原后端盖的截面面积；k1、k2、k3分别为原前端盖、原压电陶瓷和原后端盖的波数；l1、l2、l3分别为原前端盖、原压电陶瓷和原后端盖的长度；p2为压电陶瓷片的个数；
步骤三、选取原变幅杆大端的初始值，计算出原变幅杆小端的长度，并将其作为复合变幅杆小端和刀头的总长度，计算公式如下：
其中k4、k5分别为原变幅杆大端、小端处材料的波数；l4、l5分别为原变幅杆大端、小端的长度；S4、S5分别为原变幅杆大端、小端的截面面积；
步骤四、根据计算得到的原换能器和原变幅杆的初始尺寸，获得复合变幅杆的各部分尺寸，完成具有纵向复合变幅杆的超声手术刀的设计，并对设计出的具有纵向复合变幅杆的超声手术刀进行有限元分析，获得其特征频率和最佳振幅。
作为本发明的一种优选改进，所述后端盖由不锈钢材料制成，所述压电陶瓷为PZT-8陶瓷，所述复合变幅杆和所述刀头均由钛合金材料制成。
本发明的有益效果如下：
1、设计的复合变幅杆可以有效减少超声手术刀总体长度和重量；
2、复合变幅杆的小端的一部分作为刀头的长度，可以缩短超声手术刀的整体长度；
3、刀头与装配头螺接固定，可以实现刀头和复合变幅杆分开设计，实现刀头的可替换功能，增强超声手术刀的多功能性；
4、通过该设计方法，可以利用有限元分析方式模拟出超声手术刀的特征频率和最佳振幅，且其特征频率与设计频率附近，然后再调整后端盖、复合变幅杆和刀头的长度、直径等结构参数，得出超声手术刀最佳模态和最佳振幅，使其更接近设计频率。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为原超声手术刀结构示意图；
图2为本发明使用复合变幅杆的超声手术刀的结构示意图；
图3为本发明后端盖的结构示意图；
图4为本发明复合变幅杆的结构示意图；
图5为本发明复合变幅杆的剖视结构示意图。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”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。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请参阅图1-5所示，本发明提供一种具有纵向复合变幅杆的超声手术刀，包括换能器、与所述换能器固定连接的复合变幅杆4以及与所述复合变幅杆4固定连接的刀头5，所述换能器包括后端盖1、铜电极片2以及压电陶瓷3，所述后端盖1包括圆柱形主体部10和沿主体部10的轴向方向延伸的螺柱11，所述铜电极片2、所述压电陶瓷3、所述复合变幅杆4组配于所述螺柱11上，所述复合变幅杆4包括圆柱形大端41、沿大端41的轴心方向延伸的圆柱形小端42以及沿小端42的轴心方向延伸的装配头43，所述大端41远离所述小端42的端表面向内凹陷形成一螺纹孔44，所述螺柱11装配固定于所述螺纹孔44内，所述刀头5装配固定于所述装配头43。
所述螺纹孔44内设有内螺纹，所述螺柱11上设有与所述内螺纹配合的外螺纹，所述螺柱11与所述螺纹孔44螺接固定。
所述刀头5与所述装配头43螺接固定。
所述后端盖1由不锈钢材料制成。所述压电陶瓷3由PZT-8陶瓷材料制成。所述复合变幅杆4和所述刀头5均由钛合金材料制成。
本发明还提供了一种具有纵向复合变幅杆的超声手术刀的设计方法，该设计方法包括如下步骤：
步骤一、采用四分之一波长设计方法设计原换能器和原变幅杆，其中，具体参见图1所示，所述原换能器包括原后端盖01、原铜电极片02、原压电陶瓷03和原前端盖04，原变幅杆包括原变幅杆大端05和原变幅杆小端06，将原后端盖01长度保持不变作为具有纵向复合变幅杆的超声手术刀中的后端盖1，将原换能器的原前端盖04和原变幅杆大端05的长度结合形成所述复合变幅杆大端41，将刀头07长度与原变幅杆小端06长度融合为一体共同构成复合变幅杆小端6，完成长度的缩短。所述后端盖1包括圆柱形主体部10和沿主体部10的轴向方向延伸的螺柱11，所述铜电极片2和所述压电陶瓷3组、复合变幅杆4配于所述螺柱11上，所述复合变幅杆4包括圆柱形大端41、沿大端41的轴心方向延伸的圆柱形小端42以及沿圆柱形小端42的轴心方向延伸的装配头43，所述大端41远离所述圆柱形小端42的端表面向内凹陷形成一螺纹孔44，所述螺柱11装配固定于所述螺纹孔44内，所述装配头43用于装配刀头5；
需要进一步说明的是，所述原后端盖01主体长度为L3，所述原铜电极片02和压电陶瓷03的结合部分的长度L2，所述原前端盖04长度为L1，所述原变幅杆大端05长度为L4，所述原变幅杆小端06长度为L5，所述原刀头07长度为L6。
步骤二、选取原后端盖01长度的初始尺寸和原压电陶瓷03的长度，计算出原前端盖05长度，计算公式如下：
其中，ρ1、ρ2、ρ3分别为原前端盖04、原压电陶瓷03和原后端盖01的材料密度；c1、c2、c3分别为原前端盖04、原压电陶瓷03和原后端盖01的声速；S1、S2、S3分别为原前端盖04、原压电陶瓷03和原后端盖01的截面面积；k1、k2、k3分别为的原前端盖04、原压电陶瓷03和原后端盖01波数；l1、l2、l3分别为原前端盖04、原压电陶瓷03和原后端盖01的主体部的长度；p2为压电陶瓷片的个数；
需要进一步说明的是，在计算出原前端盖04的长度时，还需要结合表1中的数据，表1为各材料参数表，该表1如下所示：
表1
可以看出，当取原后端盖01的主体部长度L3初始值分别为25、26、27、28、29、30mm，设计装配柱11与铜电极片2、压电陶瓷3的结合部分的长度L2为8mm，再利用表1和步骤二的公式可计算出原前端盖04的长度L1。
步骤三、选取原变幅杆大端05的初始尺寸，计算出原变幅杆小端06的长度，计算公式如下：
其中，k4、k5分别为原变幅杆大端05和原变幅杆小端06处材料的波数；l4、l5分别为原变幅杆大端05和原变幅杆小端06的长度；S4、S5分别为原变幅杆大端05和原变幅杆小端06的截面面积；
需要进一步说明的是，在计算出复合变幅杆4的小端6的长度时，还需要结合表2中的数据，表2为初始设计数据表，该表2如下所示：
表2
可以看出，取原变幅杆大端05的初始尺寸分别为15、16、17、18、19、20mm，则可结合表2和步骤三中的公式计算出原变幅杆小端06的长度L5。最终可得到L1-L5的不同具体长度的组合。
步骤四、根据计算得到的原换能器和原变幅杆的初始尺寸，获得复合变幅杆的各部分尺寸，完成具有纵向复合变幅杆的超声手术刀的设计，并对设计出的具有纵向复合变幅杆的超声手术刀进行有限元分析，获得其特征频率和最佳振幅。
如图1和图2所示，所述复合变幅杆大端41的长度由原前端盖04长度L1和原变幅杆大端05长度L4组成，原变幅杆小端06和原刀头07共同构成复合变幅杆小端6，则复合变幅杆小端6总长度为L5，并其长度分为圆柱形小端42和刀头5两部分。由此可将原本变幅杆的长度与原前端盖的长度合并为复合变幅杆和刀头，从而可以缩短超声手术刀的整体长度。
再参见表2所示，因换能器的整体长度(由L3、L2和L1三部分长度组成)和复合变幅杆的整体长度(由L4和L5两部分长度组成)均有6组数值，在进行复合变幅杆设计时，存在36种组合方式。以后端盖1的主体部10的长度L3取25mm为例，其随机组合结果如表3所示，特征频率最小值和最大值分别为30167Hz和30728Hz。经过计算和仿真，后端盖1的主体部10的长度L3取26mm时，其特征频率的最小值和最大值分别为30093Hz，30771Hz；后端盖1的主体部10的长度L3取27mm时，其特征频率的最小值和最大值分别为30033Hz，30612Hz；后端盖1的主体部10的长度L3取28mm时，其特征频率的最小值和最大值分别为29962Hz，30428Hz；后端盖1的主体部10的长度L3取29mm时，其特征频率的最小值和最大值分别为29893Hz，30254Hz；后端盖1的主体部10的长度L3取30mm时，其特征频率的最小值和最大值分别为29837Hz，30110Hz；且周围均无其他振型干扰。
其中，表3为后端盖1的主体部10的长度L3取25mm时复合变幅杆各轴段长度数值表，表3如下所示。
表3
综上所述，采用复合变幅杆结构的超声手术刀的共振频率均保持在设计频率30KHz附近。
作为本发明的一种优选改进，所述后端盖由不锈钢材料制成，所述压电陶瓷为PZT-8陶瓷，所述复合变幅杆和所述刀头均由钛合金材料制成。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。
Claims (8)
1.一种具有纵向复合变幅杆的超声手术刀，其特征在于，包括换能器、与所述换能器固定连接的复合变幅杆以及与所述复合变幅杆固定连接的刀头，所述换能器包括后端盖、铜电极片、压电陶瓷和前端盖，所述后端盖包括主体部和沿主体部的轴向方向延伸的螺柱，所述铜电极片和所述压电陶瓷组配于所述螺柱上，所述复合变幅杆包括大端、沿大端的轴心方向延伸的小端以及沿小端的轴心方向延伸的装配头，所述大端远离所述小端的端表面向内凹陷形成一螺纹孔，所述螺柱装配固定于所述螺纹孔内，所述刀头装配固定于所述装配头。
2.根据权利要求1所述的一种具有纵向复合变幅杆的超声手术刀，其特征在于：所述螺纹孔与所述螺柱采用螺接固定。
3.根据权利要求1所述的一种具有纵向复合变幅杆的超声手术刀，其特征在于：所述刀头与所述装配头螺接固定。
4.根据权利要求1所述的一种具有纵向复合变幅杆的超声手术刀，其特征在于：所述后端盖由不锈钢材料制成。
5.根据权利要求4所述的一种具有纵向复合变幅杆的超声手术刀，其特征在于：所述压电陶瓷由PZT-8陶瓷材料制成。
6.根据权利要求5所述的一种具有纵向复合变幅杆的超声手术刀，其特征在于：所述复合变幅杆和所述刀头均由钛合金材料制成。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的具有纵向复合变幅杆的超声手术刀的设计方法，其特征在于，该设计方法包括如下步骤：
步骤一：采用四分之一波长方法设计原换能器和原变幅杆，获取一系列原换能器和原变幅杆初始尺寸，其中，所述原换能器包括原后端盖、原压电陶瓷以及原前端盖，原变幅杆包括原变幅杆大端和原变幅杆小端，将原后端盖长度保持不变并将其作为与复合变幅杆匹配的后端盖长度，将原换能器的原前端盖和原变幅杆大端的长度结合形成复合变幅杆的大端，将刀头长度与原变幅杆小端长度融合为一体共同构成复合变幅杆小端，完成长度的缩短；所述后端盖包括主体部和沿主体部的轴向方向延伸的螺柱，所述铜电极片、压电陶瓷组、复合变幅杆配于所述螺柱上，所述复合变幅杆包括沿圆柱形小端的轴心方向延伸的装配头，所述复合变幅杆大端的端表面向内凹陷形成一螺纹孔，所述螺柱固定于所述螺纹孔内，所述装配头用于装配刀头；
步骤二、选取原后端盖长度的初始值和压电陶瓷的长度，计算出原前端盖长度，计算公式如下：
其中，ρ1、ρ2、ρ3分别为原前端盖、原压电陶瓷和原后端盖的材料密度；c1、c2、c3分别为原前端盖、原压电陶瓷和原后端盖的声速；S1、S2、S3分别为原前端盖、原压电陶瓷和原后端盖的截面面积；k1、k2、k3分别为原前端盖、原压电陶瓷和原后端盖的波数；l1、l2、l3分别为原前端盖、原压电陶瓷和原后端盖的长度；p2为压电陶瓷片的个数；
步骤三、选取原变幅杆大端的初始值，计算出原变幅杆小端的长度，并将其作为复合变幅杆小端和刀头的总长度，计算公式如下：
其中k4、k5分别为原变幅杆大端、小端处材料的波数；l4、l5分别为原变幅杆大端、小端的长度；S4、S5分别为原变幅杆大端、小端的截面面积；
步骤四、根据计算得到的原换能器和原变幅杆的初始尺寸，获得复合变幅杆的各部分尺寸，完成具有纵向复合变幅杆的超声手术刀的设计，并对设计出的具有纵向复合变幅杆的超声手术刀进行有限元分析，获得其特征频率和最佳振幅。
8.根据权利要求7所述的一种具有纵向复合变幅杆的超声手术刀的设计方法，其特征在于：所述后端盖由不锈钢材料制成，所述压电陶瓷为PZT-8陶瓷，所述复合变幅杆和所述刀头均由钛合金材料制成。
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