CN211674449U

CN211674449U - 超声外科系统

Info

Publication number: CN211674449U
Application number: CN202020179726.7U
Authority: CN
Inventors: 曹群; 战松涛; 胡晓明; 戴志凌
Original assignee: Beijing Shuimu Tianpeng Medical Equipment Co Ltd
Current assignee: Beijing Shuimu Tianpeng Medical Equipment Co Ltd
Priority date: 2020-02-18
Filing date: 2020-02-18
Publication date: 2020-10-16
Anticipated expiration: 2030-02-18

Abstract

一种超声外科系统，包括：超声换能器，所述超声换能器用于将交流电信号转变为振动；和超声变幅杆，所述超声变幅杆用于放大所述超声换能器产生的振动的振幅，以驱动位于所述超声变幅杆的末端的工作部位来对目标组织进行切割和/或凝结操作；其中，所述超声外科系统在未带负载时的动态等效电感L₁与动态等效电容C₁的乘积L₁×C₁和在带负载时的动态等效电感L’与动态等效电容C’的乘积L’×C’满足关系式

使得所述超声外科系统在未带负载时的谐振频率f_s与在带负载时的谐振频率f_s′满足关系式

其中，α小于或等于α₀，α₀等于0.1％，优选地α₀等于0.05％。

Description

超声外科系统

技术领域

本公开涉及超声外科系统，更具体地，涉及一种外科医生执行切割和/或凝结的超声外科系统。

背景技术

超声外科系统，例如超声止血刀已经被大量应用于外科手术，以超声频率启动或者激励这种器械的端部执行器，如止血刀诱发纵向、或者纵向与扭转复合振动，这些振动在所夹持的组织内产生局部热能与振动能量，由此促进凝结止血和切割。

超声外科系统通常包括超声换能器和超声变幅杆两个部分构成，超声换能器用于将交流电信号转变为压电陶瓷的振动能量，超声变幅杆进一步放大压电陶瓷的振幅后在一定的压力或者夹持压力的条件下驱动变幅杆的尖端部位施行切割、凝结操作。

对于现有技术的超声外科系统，其在系统设计时不考虑负载(例如待切割/凝结的目标组织的类型和/或所施加的夹持压力的大小)对超声外科系统的谐振频率的影响，当超声外科系统对目标组织进行操作(例如切割和/或凝结等)时，由于负载与超声外科系统的相互作用，超声外科系统的实际谐振频率(包括：带负载时的谐振频率(只向组织施加夹持压力时的谐振频率或向组织施加夹持压力并输出小于或等于1瓦的功率时的谐振频率)，即对目标组织施加夹持压力时的谐振频率；以及带负载运行时的谐振频率(向组织施加夹持压力并输出切割和/或凝结组织的功率时的谐振频率)，即当超声外科系统对目标组织进行切割和/或凝结操作时，由于负载与超声外科系统的相互作用导致目标组织及切割部位的温度显著上升后超声外科系统所具有的谐振频率)会偏离所设计的谐振频率(未带负载(即未向组织施加夹持压力)时的谐振频率)，导致依据未带负载时的谐振频率获得的节点位置(半波长的整数倍的位置，在此处设置有与外部支撑套管接合的凸台)与实际工作时不一致，从而当以设计的谐振频率驱动超声外科系统时，在节点位置的凸台与和凸台相接触的外部支撑套管之间会产生剧烈振动并导致摩擦生热，不仅造成超声外科系统的损耗增大，也可能使患者的部分组织存在高温烫伤的危险因素。为了减轻这种危险，在现有技术中，会在凸台上采用粘接、注塑等工艺加工弹性件，以形成超声变幅杆与外部支撑套筒之间软支撑，但是这样会显著提高超声外科系统的制造成本。

另外，超声外科系统的各个部件的制造精度、组装精度等也会导致超声外科系统的谐振频率偏离所设计的谐振频率(未带负载时的谐振频率)。

在现有技术中，为了克服实际工作时的谐振频率偏离初始设计的谐振频率这一问题，通常采用闭环控制来使超声换能器以超声外科系统的实际工作时的谐振频率来驱动超声外科系统，以使超声外科系统的振动频率跟踪或尽可能接近超声外科系统的实际工作时的谐振频率。例如，中国发明专利申请CN104582606A和CN104582629A中公开了使用发生器的控制系统中的锁相环路来监控来自声学组件的反馈，锁相环路调节由发生器发生的电能的频率，使其与声学组件的选定的纵向振动模式的共振频率匹配。例如，中国发明专利申请CN110507389A公开了采用DSP实现谐振频率控制，中国发明专利申请CN110448355A公开了采用微控制器、数字信号处理器等实现谐振频率控制。再例如，中国发明专利申请CN102458286A公开了一种超声波手术装置，其具备：超声波振子，其能够产生超声波振动；驱动部，其根据驱动信号来驱动上述超声波振子；探头，其具有基端部和前端部，该基端部与上述超声波振子运动耦合，该探头用于从上述基端部向上述前端部传递上述超声波振子产生的上述超声波振动，从而使该前端部产生用于对生物体组织进行处置的超声波振动；谐振频率跟踪部，其自动调整上述驱动信号的频率，使得上述驱动信号的频率跟踪上述超声波振子的谐振频率，从而使上述前端部以上述谐振频率进行超声波振动。

需要注意的是，尽管在现有技术中采用闭环控制来使超声外科系统的振动频率跟踪或尽可能接近超声外科系统的实际工作时的谐振频率，以便提高切割效率等，但现有设计的超声外科系统仍存在实际工作时的谐振频率和设计谐振频率不匹配所产生的技术问题，例如设置在节点位置处的凸台与外部的支撑套管之间的剧烈振动等。

另外，尽管在现有技术中采用闭环控制来使超声外科系统的振动频率跟踪或尽可能接近超声外科系统的实际谐振频率，但是由于手术过程是一个动态过程，即在手术过程中，负载(例如所切割和/或凝结的目标组织类型和/或夹持压力大小和/或所夹持的目标组织的长度)是在不断变化的，导致超声外科系统的实际谐振频率也在不断变化，超声外科系统的振动频率与超声外科系统的实际谐振频率始终存在较大幅度的偏差。

实用新型内容

为了至少部分地克服或减轻现有技术中存在的上述一个或多个缺陷，本公开提供了一种超声外科系统，其特征在于，所述超声外科系统包括：超声换能器，所述超声换能器用于将交流电信号转变为振动；和超声变幅杆，所述超声变幅杆用于放大所述超声换能器产生的振动的振幅，以驱动位于所述超声变幅杆的末端的工作部位来对目标组织进行切割和/或凝结操作；其中，所述超声外科系统在未带负载时的动态等效电感L₁与动态等效电容C₁的乘积L₁×C₁和在带负载时的动态等效电感L’与动态等效电容C’的乘积L’×C’满足以下关系式(1)，

使得所述超声外科系统在未带负载时的谐振频率f_s与在带负载时的谐振频率f_s′满足以下关系式(2)：

其中，

并且

根据本公开，所述超声外科系统在未带负载时的动态等效电感L₁与动态等效电容C₁的乘积L₁×C₁与带负载时的动态等效电感L’与动态等效电容C’的乘积L’×C’在所述超声外科系统的工作部位的预期组织夹持压力范围内满足所述关系式(1)，使得在所述预期组织夹持压力范围内，所述超声外科系统在未带负载时的谐振频率f_s与在带负载时的谐振频率f_s′满足所述关系式(2)。

根据本公开，所述预期组织夹持压力范围为1N至40N，优选地，所述预期组织夹持夹持压力范围为5N至36N，更优选地预期组织夹持夹持压力范围为10N至36N。

根据本公开，所述目标组织包括一种或多种软组织，所述软组织包括肌腱、韧带、筋膜、皮肤、结缔组织、脂肪、滑膜、肌肉、神经和血管。

根据本公开，在带负载运行(即向组织施加夹持压力并输出切割和/或凝结组织的功率)时，所述超声外科系统的谐振频率偏移量与所述超声外科系统的工作部位的温度满足一对一函数关系，使得能够仅根据超声外科系统的谐振频率偏移量确定所述超声外科系统的工作部位的温度。

根据本公开，所述换能器包括：换能器外壳，所述换能器外壳限定开口；至少两个压电元件，所述至少两个压电元件设置在所述开口内，和紧固件，所述紧固件接合到所述换能器外壳以封闭所述开口并对所述至少两个压电元件施加压缩力，通过调节所述换能器的以下参数a、b和c中的任一个或任何两个或更多个的组合来使得所述超声外科系统在未带负载时的动态等效电感L₁与动态等效电容C₁的乘积L₁×C₁与在带负载时的动态等效电感L’与动态等效电容C’的乘积L’×C’满足所述关系式(1)：

a：压电元件的数量；

b：压电元件的直径；和

c：压电元件受到的压缩力。

根据本公开，通过调节所述超声变幅杆的材料、长度、横截面沿纵向轴线的变化、工作部位的横截面沿纵向轴线的变化中的任一个或任何两个或更多个的组合，来使得所述超声外科系统在未带负载时的动态等效电感L₁与动态等效电容C₁的乘积L₁×C₁与在带负载时的动态等效电感L’与动态等效电容C’的乘积L’×C’满足所述关系式(1)。

根据本公开，所述超声外科系统还包括支撑套管，所述超声变幅杆设置在所述支撑套管内，并且所述超声变幅杆在节点位置处设置有至少一个凸台，所述超声变幅杆在所述至少一个凸台处由所述支撑套管支撑，通过调节所述超声变幅杆的所述凸台的数量和/或凸台的位置，来使得所述超声外科系统在未带负载的动态等效电感L₁与动态等效电容C₁的乘积L₁×C₁与带负载时的动态等效电感L’与动态等效电容C’的乘积L’×C’满足所述关系式(1)。

根据本公开，所述超声外科系统还包括设置在所述超声变幅杆的凸台和所述支撑套管之间的摩擦系数小于或等于0.1的非金属材料管。

根据本公开，所述非金属材料管包括聚四氟乙烯(TFE)管或四丙氟橡胶(TFEP)管。

根据本公开，所述至少一个凸台的外周部的外轮廓设置成使得所述至少一个凸台在其外周部的至少一个位置处，所述非金属材料管与所述支撑套管间隔开，以沿着所述支撑套管形成能够通过气体和/或液体的贯通通道。

根据本公开，所述至少一个凸台的外周部的外轮廓设置成使得所述至少一个凸台在其外周部的至少一个位置处，所述聚四氟乙烯管或四丙氟橡胶管与所述支撑套管间隔开，以沿着所述支撑套管形成能够通过气体和/或液体的贯通通道。

根据本公开，所述贯通通道的有效通流截面的面积在所述支撑套管所限定的中空截面面积的1％至25％之间，优选地在所述支撑套管所限定的中空截面面积的2％至15％之间，更优选地在所述支撑套管所限定的中空截面面积的2％至10％之间，并且例如可以是3％-5％之间。

根据本公开，所述谐振频率在20kHz至100kHz之间，优选地在30kHz至60kHz之间，更优选地在43kHz至45kHz之间或52kHz至54kHz之间，并且可以是上述数值区间内的任何具体数值，例如43.5kHz、44kHz、44.5kHz、52.5kHz、53kHz、53.5kHz等。

附图说明

以下将结合附图和具体实施方式，对本公开的技术方案作进一步的详细描述，其中：

图1为根据本公开的一个实施方式的超声外科系统的示意图；

图2A至2F分别为图1中所示的超声外科系统的末端部分的主视图、左视图、右视图、俯视图、仰视图和立体图；

图2G为图2A至2F中所示的超声外科系统的末端部分的分解立体图；

图3A至图3F分别为图1所示的超声外科系统的处于夹持状态的末端部分的主视图、左视图、右视图、俯视图、仰视图和立体图；

图3G至图3I分别为沿着图3A中A-A线、B-B线和C-C线截取的剖视图；

图3J为图3A至3F中所示的超声外科系统的处于夹持状态的末端部分的分解立体图；

图4A为根据本公开的一个实施方式的超声外科系统的超声变幅杆的立体图；

图4B为图4A中示出的超声变幅杆的包含工作部位的部分的局部放大图；

图4C至图4E为超声变幅杆的工作部位的变型。

图5A示出了根据本公开的超声外科系统在不带负载(工作部位未与其他物体接触，即未对目标组织进行切割和/或凝固时)的等效电路图，并且图5B示出了超声外科系统在带负载时的等效电路图。

图6示出了在夹持两种组织时根据本公开的超声外科系统的谐振频率变化偏移量随夹持压力变化趋势图。

图7示出了根据本公开的超声外科系统的带负载运行时谐振频率随温度变化趋势图。

具体实施方式

下面将对本公开的技术方案的特定细节进行详细阐述，以使本领域普通技术人员能够透彻地理解说明书中描述并且在附图中所示的实施方式的整体结构、功能、制造和用途。然而，本领域普通技术人员应当理解，可以在没有这些特定细节的情况下实施本公开的技术方案。没有详细描述本领域技术人员熟知的结构、元件以及它们的操作，以避免使说明书中描述并请求保护的技术方案模糊不清。本领域普通技术人员将会理解，本说明书中所描述和示出的技术方案并不是限制性示例，所公开的特定结构和功能细节是代表性的和示例性的。在不脱离权利要求所限定的保护范围的情况下可对这些技术方案进行变型和改变。

本说明书所提及的“各种实施方式”、“一些实施方式”、“一个实施方式”或“实施方式”等，意味着结合该实施方式描述的具体特征、结构或特性也可以包含在至少一个其它的实施方式中。因此，本说明书所提及的“在各种实施方式中”、“在一些实施方式中”或“在一个实施方式中”等，并不一定都指同一个实施方式。此外，各个实施方式中的具体特征、结构或特性可以任何合适的方式组合而形成新的技术方案。因此，在无限制的情形下，结合一个实施方式示出或描述的具体特征、结构或特性可全部或部分地与一个或多个其它实施方式的特征、结构或特性组合而形成新的技术方案。

为了清楚起见，术语“近侧”和“远侧”在本说明书中是相对于抓握具有远侧端部执行器组件的超声外科系统的操作者(例如外科医生)定义的。术语“近侧”是指元件的更靠近操作者的位置，并且术语“远侧”是指元件的更靠近超声外科系统的端部执行器组件并更远离操作者的位置。

为了便于理解，首先定义根据本公开的超声外科系统的三种工作状态：

1、未带负载，即未向组织施加夹持压力；

2、带负载，即只向组织施加夹持压力或向组织施加夹持压力并输出小于或等于1瓦的功率；和

3、带负载运行，即向组织施加夹持压力并输出切割和/或凝结组织的功率。

应当理解的是，根据本公开的超声外科系统的工作状态并不局限于上述三种工作状态，而是还可以包括其它可能的工作状态。

为了克服或减轻现有技术中存在的上述一个或多个缺陷，申请人经研究发现，针对超声外科系统10的预期负载，即针对预期的需要切割/凝结的目标组织类型、所需要的夹持压力大小，可以将超声外科系统10的整体结构和/或各个部件设计为使得该超声外科系统10的谐振频率不随着预期负载的变化而变化或者仅随着预期负载的变化而发生很小的变化。这里“不随着预期负载的变化而变化或者仅随着预期负载的变化而发生很小的变化”指的是所述超声外科系统在未带负载时的谐振频率f_s与在带负载时的谐振频率f_s′满足以下关系式(2)：

图1示出了根据本公开的具有上述特征(即超声外科系统10的谐振频率不随着预期负载的变化而变化或者仅随着预期负载的变化而发生很小的变化)的超声外科系统10的一个实施方式的侧视图。在例示的实施方式中，超声外科系统10可用于多种外科手术，包括内窥镜手术或常规开放式外科手术。在一个示例性实施方式中，超声外科系统10包括柄部组件100、细长轴组件200、超声换能器300和超声变幅杆400。柄部组件100包括触发器组件110、远侧旋转组件120和开关组件130。细长轴组件200包括端部执行器组件210，该端部执行器组件210包括夹持元件211，所述夹持元件211能够枢转，以便能够相对于超声变幅杆400的末端的工作部位410(也称作刀元件)处于分离构造(参见图1以及图2A至图2G)和用于夹持目标组织的接合构造(参见图3A至3J)。

柄部组件100能够在近侧端部处接收超声换能器300。超声换能器300可机械地在声学上接合到细长轴组件200和超声变幅杆400，以将超声换能器300产生的超声振动传递到细长轴组件200和超声变幅杆400。超声换能器300可通过其末端处的线缆310电连接到发生器(未示出)。在某些情况下，发生器可例如与柄部组件100结合，并且通过柄部组件100内的电连接部件与超声换能器300电连接，这样超声换能器300不再需要设置连接线缆，使得可以方便地更换超声换能器300，并避免发生器直接连接到超声换能器300的线缆310而可能造成的线缆缠绕以及由于不均匀的拖拽力而影响医生的手术操作等。

根据本公开，柄部组件100被构造成能够使外科医生与超声换能器300、超声变幅杆400等的声学组件的振动基本上隔离，以避免这些振动影响外科医生的手术操作。

虽然这里没有详细描述发生器的结构和构造，但是本领域普通技术人员应当理解，发生器可以包括若干功能性元件或模块。不同的功能元件或模块可被配置用于驱动不同种类的外科装置。例如，发生器的超声发生器模块可以驱动超声装置，例如超声外科系统10的超声换能器。发生器可以包括与发生器成一整体的控制系统以及经由线缆连接至发生器的脚踏开关。发生器还可以包括用于激活外科器械例如超声外科系统10的触发机构。触发机构可以包括电源开关以及脚踏开关。当由脚踏开关激活时，发生器可以提供能量以驱动超声外科系统10的声学组件(即超声换能器300)。发生器可以以声学组件的任何合适的谐振频率来驱动或激发超声换能器300。提供给超声换能器300的电信号可使超声变幅杆400的末端处的工作部位410以例如约20kHz至100kHz的范围内纵向振动或纵向与扭转复合振动，这些振动在所夹持的组织内产生局部热能与振动能量，由此促进凝结止血(例如通过使组织细胞中的蛋白质变性)和切割。根据各种实施方式，超声变幅杆400的末端处的工作部位410可以在30kHz至60kHz之间，优选地在43kHz至45kHz之间或52kHz至54kHz之间，例如43.5kHz、44kHz、44.5kHz、52.5kHz、53kHz、53.5kHz等的频率振动。

在本公开的实施方式中，如图1、图2A至2G、图3A至3J和图4A至4E所示，细长轴组件200在与端部执行器组件210相对的另一个端部处机械地接合柄部组件100和远侧旋转组件120。细长轴组件200包括外部管状护套220和位于外部管状护套220内的往复式管状致动构件(支撑套管)230。往复式管状致动构件230的近侧端部机械地接合到柄部组件100的触发器组件110，以响应于触发器组件110的致动和/或释放而在外部管状护套200内轴向地线性运动，以致动端部执行器组件210的夹持元件211。一系列连杆将触发器组件110的枢转旋转转化成往复式管状致动构件230的轴向往复运动，该轴向往复运动控制端部执行器组件210的夹持元件211在相对于超声变幅杆400的工作部位410(也称作刀元件)的分离构造(参见图1以及图2A至图2G)和用于夹持目标组织的接合构造(参见图3A至3J)之间切换。在分离构造，夹持元件211和工作部位410相对于彼此间隔设置，在接合构造，夹持元件211和工作部位410配合，以便以适当的夹持压力夹持位于夹持元件211和工作部位410之间的目标组织。夹持元件211可以包括夹持垫(未示出)以接合位于工作部位410和夹持元件211之间的组织。释放触发器组件110使夹持元件211从接合构造运动到分离构造。

上述柄部组件100、细长轴组件200、端部执行器组件210的结构、操作是本领域技术人员所公知的，可以是例如中国专利申请CN106999203A、CN108366827A、CN107205775A中所描述的柄部组件、细长轴组件和端部执行器组件。

在本公开的实施方式中，超声换能器300包括限定换能器外壳310、至少两个压电元件(未示出)和紧固件(未示出)，所述换能器外壳310限定容纳有至少两个压电元件(未示出)的开口，所述紧固件接合到所述换能器外壳310以封闭所述开口并对所述至少两个压电元件施加压缩力。可以用于超声外科系统10的超声换能器的结构和操作对于本领域普通技术人员而言是已知的，因此这里不再进行详细描述。

在本公开的实施方式中，如图1、图2A至2G、图3A至3J和图4A至E所示，超声变幅杆400设置在往复式管状致动构件(支撑套管)230内，并且，为了避免在手术过程中夹持目标组织所施加的压力引起超声变幅杆400变形而与支撑机械结构(例如所述往复式管状致动构件230)之间产生摩擦，需要在当超声外科系统10以谐振频率振动时节点(振幅为零的点)位置处设置至少一个凸台420(图4A中示出了4个凸台420)，所述超声变幅杆400在凸台420处由所述往复式管状致动构件230支撑。这里节点位置指的是超声变幅杆400上的振动的半波长的整倍数的位置。

应当注意的是，根据本公开的超声变幅杆400除了传导并放大超声换能器300产生的振动以在工作部位410通过纵向振动或纵向与扭转复合振动来对目标组织进行切割和/或凝结止血以外，还可以用于传导电流，以另外地烧灼目标组织。在一些手术条件下，这是非常有利的。

作为一种可能的实施方式，本公开的超声外科系统10还可以包括设置在所述超声变幅杆400的凸台420和所述往复式管状致动构件230之间的低摩擦系数材料，如聚四氟乙烯(TFE)管或四丙氟橡胶(TFEP)管。

作为一种可能的实施方式，所述至少一个凸台420的外周部的外轮廓设置成使得所述至少一个凸台420在其外周部的至少一个位置处，所述凸台420的外周部与所述往复式管状致动构件230的内表面间隔开，或者在设置有聚四氟乙烯管或四丙氟橡胶管的情况下使所述聚四氟乙烯管或四丙氟橡胶管与往复式管状致动构件230的内表面间隔开，以沿着所述往复式管状致动构件230形成能够通过气体和/或液体的贯通通道。这在超声外科系统10应用于腹腔镜手术等的封闭式手术的情况下是非常有利的，这因为对于这种封闭式手术通常会向手术部位注入气体(例如氮气)，所注入的气体的温度远低于超声外科系统10尤其是超声变幅杆400的工作温度，例如为36℃。通过形成这种贯通通道，在手术过程中，气体能够通过该贯通通道，以便冷却超声外科系统10尤其是超声变幅杆400。应当理解的是，所述贯通通道除了可以在封闭手术环境下供手术部位的气体通过之外，还可以用于从外部向手术部位传送冷却气体或液体，这尤其是适用于开放式手术。作为一个示例，可以通过切除凸台420的外周部的一部分来形成该所述贯通通道。

在一个实施方式中，由于封闭式手术环境下，需要通过注入的气体维持手术部位处于正压状态，因此，所述贯通通道的有效通流截面的面积设定为在所述往复式管状致动构件230所限定的中空截面面积的1％至25％之间，优选地在所述往复式管状致动构件230所限定的中空截面面积的2％至15％之间，更优选地在所述往复式管状致动构件230所限定的中空截面面积的2％至10％之间或3％至5％之间,由此，能够在保持手术部位处于正压状态的同时，对超声变幅杆400以及其它部件进行冷却。

图5A示出了根据本公开的超声外科系统10在不带负载(工作部位410未与其他物体接触，即未对目标组织进行夹持、切割和/或凝固时)的等效电路图，包括压电元件(例如压电陶瓷)形成的静态等效电容C₀，机械振动系统的动态等效电感L₁、动态等效电容C₁、动态等效电阻R₁。图5B示出了超声外科系统10在带负载时的等效电路图，包括动态等效电感L’、动态等效电容C’、机械负载等效电阻R’。在根据本公开的一个实施方式中，可以将超声外科系统10设计成使得，所述超声外科系统在未带负载时的动态等效电感L₁与动态等效电容C₁的乘积L₁×C₁和在带负载时的动态等效电感L’与动态等效电容C’的乘积L’×C’满足以下关系式(1)，

其中，

并且

图6示出了室温(例如20摄氏度)条件下根据本公开的超声外科系统夹持血管组织(Vessel)和皮肤组织(Skin)时采用阻抗分析仪进行测试，超声外科系统的谐振频率相对偏移

随夹持压力F变化的趋势图，从图6可以看出，在夹持压力从0N增加到40N时，α小于0.04％。

图7示出了根据本公开的超声外科系统带负载运行时谐振频率偏移Δf＝f_s′-f_s随工作部位温度变化的趋势图。申请人惊奇地发现，当超声外科系统10具有上述特征(即所述超声外科系统在未带负载时的谐振频率与在带负载时的谐振频率满足上述关系式(2))时，所述超声外科系统10的谐振频率偏移量与所述超声外科系统10的工作部位410的温度满足一对一函数关系(参见图7)，使得能够仅根据超声外科系统10的谐振频率偏移量确定所述超声外科系统10的工作部位410的实时或近实时温度，从而确定正在切割和/或凝结的目标组织的实时或近实时温度。

需要注意的是，现有技术中公开了用于估算超声外科系统的工作部位或正在切割和/或凝结的目标组织的温度的各种方法和装置，但这些方法和装置均存在精确度较差或存在严重的迟滞(即无法实现实时或近实时的温度测量)。例如中国发明专利申请CN101772325A公开了1)通过测量超声系统的共振频率以及将端部执行器频率的变化与端部执行器的温度相关联来大致确定使用中的超声端部执行器的温度和2)直接用温度传感器(例如热电偶、声传感器或热敏电阻器类型的装置)来确定端部执行器的温度。

对于中国发明专利申请CN101772325A公开的1)通过测量超声系统的谐振频率以及将端部执行器频率的变化与端部执行器的温度相关联来大致确定使用中的超声端部执行器的温度，其所存在的缺陷在于，由于超声系统的谐振频率受到负载(所切割和/或凝结的组织类型和/或夹持压力的大小和/或夹持的目标组织的长度)的影响较大，其谐振频率的变化与端部执行器的温度并不存在一对一函数关系或者不存在精确的一对一函数关系，即对于某一个特定的共振频率的变化量可能对应于两个或更多个不同的温度。相比之下，根据本公开的超声外科系统10的谐振频率不随负载的变化而变化，或者仅随负载的变化发生很小的变化，使得本公开的超声外科系统10的谐振频率偏移量与所述超声外科系统10的工作部位410的温度满足一对一函数关系，即仅根据谐振频率偏移量就可以精确地、近实时地确定工作部位410的温度。这相对于现有技术显著提高了所确定的温度的精确性和时效性。

对于中国发明专利申请CN101772325A公开的2)直接用温度传感器(例如热电偶、声传感器或热敏电阻器类型的装置)来确定端部执行器的温度，其所存在的缺陷在于，额外地设置温度传感器使得结构变得更加复杂，并且提高了制造成本，而且，由于温度传感器(例如热电偶、声传感器或热敏电阻器类型的装置)的工作原理的限制，所测量到的温度存在严重的迟滞性，无法及时地反应手术操作的实际状况。

申请人还发现，当超声外科系统10的谐振频率不随负载变化或者仅随负载的变化而发生可以忽略的变化时，能够显著简化超声外科系统10的机械设计、部件的制造精度、组装精度，从而显著降低了超声外科系统10的制造成本。由于所设计的超声外科系统10的谐振频率受负载变化的影响很小，所以能够采用更为简单的支撑或隔振机械结构。例如超声变幅杆与往复式管状致动构件(支撑套管)230之间可采用凸台420的结构方式形成硬支撑，避免在凸台上采用粘接、注塑等工艺加工弹性件形成超声变幅杆与支撑套管的软支撑，从而降低了超声外科系统10的加工成本。如上所述，可以在凸台420和往复式管状致动构件(支撑套管)230之间设置聚四氟乙烯管。

如本领域普通技术人员所公知的那样，并非超声外科系统的所有部件都以相同的速率磨损。例如，对于超声外科系统，超声变幅杆能够比超声外科系统的其它部件更快地磨损并且变得不可用，并细长轴组件可以具有比包括端部执行器的部件更长的使用寿命，并且超声换能器能够具有更长的使用寿命。现有技术中的在凸台上采用粘接、注塑等工艺加工弹性件形成超声变幅杆与支撑套管的软支撑虽然能够实现良好的隔离不期望的振动的效果，但是由于该弹性件无法从超声变幅杆拆除并更换，并且弹性件由于材料的限制无法经受足够多次高温消毒，导致在超声变幅杆达到其使用寿命之前，该弹性件已经变得不可再次使用，因此这种弹性件进一步缩短了超声变幅杆的使用寿命，造成了严重的浪费。相比之下，由于超声外科系统10的谐振频率不随负载变化或者仅随负载的变化而发生可以忽略的变化，所以不会在凸台420的位置产生不期望的剧烈振动，从而可以在超声变幅杆400与往复式管状致动构件230之间采用硬支撑的接合方式，并且在根据本公开的一个实施方式中，可以在凸台420和往复式管状致动构件230之间设置有可拆卸的聚四氟乙烯管。设置聚四氟乙烯管的技术优势在于，该聚四氟乙烯管更加能够耐受高温消毒，具有更长的使用寿命，并且能够方便地由外科医生或其它辅助人员单独更换(即可以只更换聚四氟乙烯管而不更换超声变幅杆)，由此降低了超声外科系统10的整体使用成本。

在一个可行的实施方式中，所述超声外科系统10在未带负载时的动态等效电感L₁与动态等效电容C₁的乘积L₁×C₁与在带负载时的动态等效电感L’与动态等效电容C’的乘积L’×C’在所述超声外科系统10的工作部位410的预期组织夹持压力范围内满足所述关系式(1)，使得在预期组织夹持压力范围内，所述超声外科系统10在未带负载时的谐振频率与在带负载时的谐振频率满足所述关系式(2)。所述预期组织夹持压力范围为1N至40N，优选地，所述预期组织夹持压力范围为5N至36N，更优选地预期组织夹持压力范围为10N至36N。

可以通过调整、设计超声外科系统10的以下参数，来将超声外科系统10的整体结构和/或各个部件设计为使得该超声外科系统10的谐振频率不随着预期负载的变化而变化或者仅随着预期负载的变化而发生很小的变化：

1、超声换能器300的以下参数a、b和c中的任一个或任何两个或更多个的组合：a：压电元件的数量；b：压电元件的直径；和c：压电元件受到的压缩力。

2、超声变幅杆400的长度、超声变幅杆400的横截面沿纵向轴线的变化、工作部位410的横截面沿纵向轴线的变化中的任一个或任何两个或更多个的组合，如图4A所示，超声变幅杆400的横截面沿着其纵向轴线具有多个直径不同的分段使得超声变幅杆400的横截面沿纵向轴线的变化，另外，图4B、4C、4D和4E示出了不同设计(即工作部位410的横截面沿纵向轴线以不同的方式变化)的工作部位410。应当理解的是，虽然图4A中示出了超声变幅杆400的横截面沿着其纵向轴线不连续地变化(即沿着其纵向轴线具有多个直径不同的分段)，但是超声变幅杆400的横截面沿着其纵向轴线连续地变化。

3、超声变幅杆400的所述凸台420的数量和/或凸台420的位置。

由于根据本公开的超声外科系统10的谐振频率不随着预期负载的变化而变化或者仅随着预期负载的变化而发生很小的变化，所以这显著降低了超声外科系统10的各个部件的制造和组装的精度要求，尤其是显著降低了与对目标组织施加夹持压力相关的部件的制造和组装的精度要求。这是因为，即便与对目标组织施加夹持压力相关的部件的制造和组装的精度降低和/或公差增大，所导致的预期夹持压力和施加夹持压力的差异也不会对本公开的超声外科系统10的谐振频率产生影响或仅产生可以忽略不计的影响。另外，由于可以不考虑的预期夹持压力或施压和施加夹持压力的差异对本公开的超声外科系统10的谐振频率的影响，这也进一步显著简化了超声外科系统10的控制。

本领域普通技术人员应当理解的是，上面描述的超声外科系统10的可以调整、设计的参数并不是穷举的，还可以通过调整、设计超声外科系统10的其它参数，来将超声外科系统10的整体结构和/或各个部件设计为使得该超声外科系统10的谐振频率不随着预期负载的变化而变化或者仅随着预期负载的变化而发生很小的变化。

在一个可行的实施方式中，所述谐振频率在20kHz至100kHz之间，优选地在30kHz至60kHz之间，更优选地在43kHz至45kHz之间或52kHz至54kHz之间，并且可以是上述数值区间内的任何具体数值，例如43.5kHz、44kHz、44.5kHz、52.5kHz、53kHz、53.5kHz等。

本领域技术人员应当理解的是，本公开还可有其它多种实施例，在不背离本公开精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本公开做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都落在本公开所附的权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种超声外科系统，其特征在于，所述超声外科系统包括：

超声换能器，所述超声换能器用于将交流电信号转变为振动；和

超声变幅杆，所述超声变幅杆用于放大所述超声换能器产生的振动的振幅，以驱动位于所述超声变幅杆的末端的工作部位来对目标组织进行切割和/或凝结操作；

其中，所述超声外科系统在未带负载时的动态等效电感L₁与动态等效电容C₁的乘积L₁×C₁和在带负载时的动态等效电感L’与动态等效电容C’的乘积L’×C’满足以下关系式(1)，

使得所述超声外科系统在未带负载时的谐振频率f_s与在带负载时的谐振频率f′_s满足以下关系式(2)：

其中，

并且

其中，α小于或等于α₀，α₀等于0.1％。

2.根据权利要求1所述的超声外科系统，其中，所述超声外科系统在未带负载时的动态等效电感L₁与动态等效电容C₁的乘积L₁×C₁与带负载时的动态等效电感L’与动态等效电容C’的乘积L’×C’在所述超声外科系统的工作部位的预期组织夹持压力范围内满足所述关系式(1)，使得在所述预期组织夹持压力范围内，所述超声外科系统在未带负载时的谐振频率f_s与在带负载时的谐振频率f′_s满足所述关系式(2)。

3.根据权利要求2所述的超声外科系统，其中，所述预期组织夹持压力范围为1N至40N。

4.根据权利要求1所述的超声外科系统，其中，所述目标组织包括一种或多种软组织。

5.根据权利要求1所述的超声外科系统，其中，在带负载运行时，所述超声外科系统的谐振频率偏移量与所述超声外科系统的工作部位的温度满足一对一函数关系，使得能够仅根据超声外科系统的谐振频率偏移量确定所述超声外科系统的工作部位的温度。

6.根据权利要求1所述的超声外科系统，其中，所述换能器包括：

换能器外壳，所述换能器外壳限定开口；

至少两个压电元件，所述至少两个压电元件设置在所述开口内，和

紧固件，所述紧固件接合到所述换能器外壳以封闭所述开口并对所述至少两个压电元件施加压缩力，通过调节所述换能器的以下参数a、b和c中的任一个或任何两个或更多个的组合来使得所述超声外科系统在未带负载时的动态等效电感L₁与动态等效电容C₁的乘积L₁×C₁与在带负载时的动态等效电感L’与动态等效电容C’的乘积L’×C’满足所述关系式(1)：

a：压电元件的数量；

b：压电元件的直径；和

c：压电元件受到的压缩力。

7.根据权利要求1所述的超声外科系统，其中，通过调节所述超声变幅杆的材料、长度、横截面沿纵向轴线的变化、工作部位的横截面沿纵向轴线的变化中的任一个或任何两个或更多个的组合，来使得所述超声外科系统在未带负载时的动态等效电感L₁与动态等效电容C₁的乘积L₁×C₁与在带负载时的动态等效电感L’与动态等效电容C’的乘积L’×C’满足所述关系式(1)。

8.根据权利要求1所述的超声外科系统，其中，所述超声外科系统还包括支撑套管，所述超声变幅杆设置在所述支撑套管内，并且所述超声变幅杆在节点位置处设置有至少一个凸台，所述超声变幅杆在所述至少一个凸台处由所述支撑套管支撑，通过调节所述超声变幅杆的所述凸台的数量和/或凸台的位置，来使得所述超声外科系统在未带负载的动态等效电感L₁与动态等效电容C₁的乘积L₁×C₁与带负载时的动态等效电感L’与动态等效电容C’的乘积L’×C’满足所述关系式(1)。

9.根据权利要求8所述的超声外科系统，其中，所述超声外科系统还包括设置在所述超声变幅杆的凸台和所述支撑套管之间的摩擦系数小于或等于0.1的非金属材料管。

10.根据权利要求9所述的超声外科系统，其中，所述非金属材料管包括聚四氟乙烯管或四丙氟橡胶管。

11.根据权利要求9所述的超声外科系统，其中，所述至少一个凸台的外周部的外轮廓设置成使得所述至少一个凸台在其外周部的至少一个位置处，所述非金属材料管与所述支撑套管间隔开，以沿着所述支撑套管形成能够通过气体和/或液体的贯通通道。

12.根据权利要求10所述的超声外科系统，其中，所述至少一个凸台的外周部的外轮廓设置成使得所述至少一个凸台在其外周部的至少一个位置处，所述聚四氟乙烯管或四丙氟橡胶管与所述支撑套管间隔开，以沿着所述支撑套管形成能够通过气体和/或液体的贯通通道。

13.根据权利要求11或12所述的超声外科系统，其中，所述贯通通道的有效通流截面的面积在所述支撑套管所限定的中空截面面积的1％至25％之间。

14.根据权利要求1所述的超声外科系统，其中，所述谐振频率在20kHz至100kHz之间。

15.根据权利要求1所述的超声外科系统，其中，α₀等于0.05％。

16.根据权利要求3所述的超声外科系统，其中，所述预期组织夹持夹持压力范围为5N至36N。

17.根据权利要求3所述的超声外科系统，其中，所述预期组织夹持夹持压力范围为10N至36N。

18.根据权利要求13所述的超声外科系统，其中，所述贯通通道的有效通流截面的面积在所述支撑套管所限定的中空截面面积的2％至15％之间。

19.根据权利要求13所述的超声外科系统，其中，所述贯通通道的有效通流截面的面积在所述支撑套管所限定的中空截面面积的2％至10％之间。

20.根据权利要求14所述的超声外科系统，其中，所述谐振频率在30kHz至60kHz之间。

21.根据权利要求14所述的超声外科系统，其中，所述谐振频率在43kHz至45kHz之间或52kHz至54kHz之间。