CN215018540U - 用于实现宽带超声手术刀的超表面装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于实现宽带超声手术刀的超表面装置，属于声学领域，具有这样的特征，包括：底部基座，为长方体形状；以及多个凸起单元，连接在底部基座的同一个侧面上，并且沿底部基座的长度方向依次排布，其中，凸起单元为三棱柱形状并且其纵截面为三角形，凸起单元具有矩形的底面，底面与底部基座相连接，该超表面装置的材料为不锈钢。其结构紧凑、设计简单，不需要依靠任何电路调控的手段，仅靠自身的结构特性就可以实现超声刀的效果，属于无源被动式超声刀。同时，该超表面装置能量局域效果显著，且不受限于单个工作频率，这在生物医学工程领域如医学超声治疗中具有非常重要的应用价值，为多功能紧凑型声学元件的设计提供了新思路。

Description

用于实现宽带超声手术刀的超表面装置

技术领域

本实用新型涉及声学领域，具体涉及一种用于实现宽带超声手术刀的超表面装置。

背景技术

超声刀是一种新型的外科手术设备，主要用于生物组织的处理，如切割、分离、凝血等，不会引起组织干燥和灼伤等副作用，具有术中出血量少、对周围组织损伤小、安全性高、不产生烟雾等特点，在外科手术中受到广泛应用，有“无血手术刀”之称。传统的超声刀一般采用有源主动的方式，包括三个主要组成部分：超声激励电源、超声换能器和刀身(固体声波导)。其作用机理为将高频电能转化成超声机械(振动)能并由刀头向人体局部组织辐射声能，依靠超声刀头接触组织后产生的一系列生理效应达到手术治疗的目的。然而，这种有源主动式的手段通常系统复杂、电声转化效率低、造价昂贵、维护成本高。

实用新型内容

本实用新型是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种用于实现宽带超声手术刀的超表面装置，利用该装置独特的表面结构，使得垂直入射的超声波被反射并将超声能量局域在空间中一条狭长区域内，从而高效地实现了水下超声刀。

本实用新型提供了一种用于实现宽带超声手术刀的超表面装置，具有这样的特征，包括：底部基座，为长方体形状；以及多个凸起单元，连接在底部基座的同一个侧面上，并且沿底部基座的长度方向依次排布，其中，凸起单元为三棱柱形状并且其纵截面为三角形，凸起单元具有矩形的底面，底面与底部基座相连接，用于实现宽带超声手术刀的超表面装置为不锈钢超表面装置。

在本实用新型提供的用于实现宽带超声手术刀的超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，凸起单元还具有第一斜面以及第二斜面，第一斜面与第二斜面垂直。

在本实用新型提供的用于实现宽带超声手术刀的超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，第一斜面和第二斜面的交点，与底面之间的距离为h，h＝0.5λ₀，λ₀为参考波长，底部基座的厚度为l，l＝2λ₀。

在本实用新型提供的用于实现宽带超声手术刀的超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，第一斜面与底面的夹角为θ，凸起单元的数量为14个，沿底部基座的长度方向依次排布的14个凸起单元的θ的值分别为15°、15°、20°、25°、30°、30°、35°、35°、40°、40°、40°、45°、45°、45°。

在本实用新型提供的用于实现宽带超声手术刀的超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，底面的宽度为d，

λ₀为参考波长。

在本实用新型提供的用于实现宽带超声手术刀的超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，所有的凸起单元依次连接。

在本实用新型提供的用于实现宽带超声手术刀的超表面装置中，还可以具有这样的特征：其中，底部基座与所有的凸起单元一体成型。

实用新型的作用与效果

根据本实用新型所涉及的用于实现宽带超声手术刀的超表面装置，包括底部基座和多个凸起单元，底部基座为长方体形状，多个凸起单元连接在底部基座的同一个侧面上，并且沿底部基座的长度方向依次排布，凸起单元为三棱柱形状并且其纵截面为三角形，凸起单元具有矩形的底面，该底面与底部基座相连接，用于实现宽带超声手术刀的超表面装置的材料为不锈钢，在具体使用时，将该装置置于水中，并使超声波垂直入射至装置的表面，利用该装置独特的表面结构，使得入射超声波被反射并将超声能量局域在空间中一条狭长区域内，从而实现了水下超声刀的效果。

此外，该装置结构紧凑、设计简单，简单，不需要复杂的电路调控系统，仅靠自身的结构特性就可以实现上述功能，属于无源被动式超声刀，不需要复杂的电路调控系统。同时，本实用新型实现的装置对反射波能量的局域效果显著，且不受限于单个工作频率，这在生物医学工程领域如医学超声治疗中具有非常重要的应用价值，为多功能紧凑型声学元件的设计提供了新思路。

附图说明

图1是本实用新型的实施例中用于实现宽带超声手术刀的超表面装置的立体结构示意图；

图2是图1中A部分的放大示意图；

图3是本实用新型的实施例中用于实现宽带超声手术刀的超表面装置在仿真条件下的声波能量局域空间的归一化声强分布图；

图4是本实用新型的实施例中用于实现宽带超声手术刀的超表面装置在入射超声频率为1MHz时超声刀的纵向归一化声强曲线；

图5是本实用新型的实施例中用于实现宽带超声手术刀的超表面装置在入射超声频率为1MHz时超声刀的横向归一化声强曲线；

图6是本实用新型的实施例中用于实现宽带超声手术刀的超表面装置在入射超声频率为0.9-1.15MHz时声波能量局域空间的的归一化声强分布图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本实用新型用于实现宽带超声手术刀的超表面装置作具体阐述。

<实施例>

图1是本实用新型的实施例中用于实现宽带超声手术刀的超表面装置的立体结构示意图。

如图1所示，本实施例中的用于实现宽带超声手术刀的超表面装置100包括底部基座10和多个凸起单元20。

底部基座10为长方体形状。

多个凸起单元20均连接在底部基座10的同一个侧面上，并且沿底部基座10的长度方向依次排布。所有的凸起单元20依次连接。

图2是图1中A部分的放大示意图。

如图1、2所示，每个凸起单元20均包括底面21、第一斜面22以及第二斜面23。凸起单元20为三棱柱形状，其纵截面为三角形。底面21为矩形，并且整个底面21与底部基座20相连接。第一斜面22与第二斜面23垂直。所有的凸起单元20的第一斜面22均朝向一个方向(图1中的-x方向)，所有的凸起单元20的第二斜面23均朝向另一个方向(图1中的+x方向)，第一斜面22与第二斜面23的朝向相反。

第一斜面22与底面21的夹角为θ。本实施例中，凸起单元20的数量为14个，沿底部基座10的长度方向依次排布的14个凸起单元20的θ的值分别为15°、15°、20°、25°、30°、30°、35°、35°、40°、40°、40°、45°、45°、45°。凸起单元的个数以及倾斜角度θ可根据实际应用中的需求进行调整，此处仅作为优选实施方式展示其超声刀效果。

第一斜面22和第二斜面23的交点，与底面21之间的距离为h，h＝0.5λ₀。

底部基座10的厚度为l，l＝2λ₀。底部基座10的长度和宽度可以根据实际需要进行调整，在本实施例中，底部基座10的长为45mm，宽为40mm。

底面21在y方向的长度与底部基座10的宽度相等，底面21的在x方向宽度为d，

其中，λ₀为参考波长，其为根据指定(设定)的入射频率所确定的值，具体地，

式中c为水的声速(为1500m/s)，f为指定(设定)的入射频率(即本实施例中的1MHz)。本实施例中，用于实现宽带超声手术刀的超表面装置100是针对入射频率1MHz所设计的，即f为1MHz，相应的λ₀＝1.5mm。在实际应用时，指定(设定)的入射频率还可以为1MHz以外的其它入射频率。

底部基座10与所有的凸起单元20一体成型，即整个水下超声刀装置100一体成型。整个水下超声刀装置100的材料均为超声人工材料，并且为声阻抗大于水的声阻抗20倍的材料，例如不锈钢或其他金属、合金等材料。本实施例中，选用不锈钢。

在使用时，水下超声刀装置100的凸起单元20朝向入射的超声波，并且超声波垂直入射至水下超声刀装置的表面，该“垂直”是指超声波的入射方向与底部基座10相垂直。利用该装置100独特的表面结构，使得超声波被反射并将超声能量局域在空间中一条狭长区域内，从而实现了水下超声刀的效果。

图3是本实用新型的实施例中用于实现宽带超声手术刀的超表面装置在仿真条件下的声波能量局域空间的归一化声强分布图。

如图3所示，我们开展了具体的实验来验证水下超声刀装置100的效果，实验中入射超声波的频率为1MHz，背景介质设定为水，水的密度和声速分别为1000kg/m³和1500m/s。频率为1MHz的超声波从整个空间上方垂直入射至超声刀装置100表面；超声刀装置100的材料为不锈钢，密度为7850kg/m³，声速为5740m/s。我们从整个仿真空间的归一化声强分布中可以明显看见，该超声刀装置100独特的表面结构，使得超声波被反射并将超声能量局域在空间中一条狭长区域内(白色区域)，从而显著实现了水下超声刀的效果。

图4是本实用新型的实施例中用于实现宽带超声手术刀的超表面装置在入射超声频率为1MHz时超声刀的纵向归一化声强曲线；图5是本实用新型的实施例中用于实现宽带超声手术刀的超表面装置在入射超声频率为1MHz时超声刀的横向归一化声强曲线。

如图4、5所示，我们开展了具体的实验来验证超声刀装置100的实际效果。图4和图5分别表示入射超声频率为1MHz时水下超声刀的纵向和横向归一化声强曲线，其中，圆点表示实验结果，线条表示仿真结果。在这里，纵向指示生成的超声刀的半高全宽最大值的方向，横向指示与超声刀装置100的纵向相互垂直的方向。我们用半高全宽衡量声波能量的局域效果，半高全宽定义为声强峰值一半处的峰宽度。针对超声刀的使用场景，纵向/横向半高全宽比越大则代表超声刀的性能越优。从图4、5中，我们可以得到，仿真条件下，纵向半高全宽为16.81个波长，横向半高全宽为1.33个波长，纵向/横向半高全宽比约为12.64；实验条件下，纵向半高全宽为13.41个波长，横向半高全宽为1.46个波长，纵向/横向半高全宽比约为9.18。

图6是本实用新型的实施例中用于实现宽带超声手术刀的超表面装置在入射超声频率为0.9-1.15MHz时声波能量局域空间的归一化声强分布图。

如图6所示，我们开展了具体的实验来验证超声刀装置100的宽带性能。图6中，第一行表示仿真条件下的归一化声强分布，第二行表示实验条件下的归一化声强分布，实验条件与仿真条件一致。为了更加清晰地比较生成的超声刀的轮廓，我们对声强分布图进行了二值处理。图6中，白色区域为声强值大于一半声强峰值的区域，黑色区域为声强值小于一半声强峰值的区域，黑白区域之间的边界即为半高全宽的轮廓线。我们可以清楚地看出，该超声刀装置100对频率为0.9-1.15MHz的超声波同样能有效地实现水下超声刀效果(白色区域)，实验与仿真结果具有良好的一致性。这说明该超声刀装置不局限于单个工作频率，具有显著的宽带性能，这在实际应用中具有广阔的前景。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的用于实现宽带超声手术刀的超表面装置，包括底部基座和多个凸起单元，底部基座为长方体形状，多个凸起单元连接在底部基座的同一个侧面上，并且沿底部基座的长度方向依次排布，凸起单元为三棱柱形状并且其纵截面为三角形，凸起单元具有矩形的底面，该底面与底部基座相连接，用于实现宽带超声手术刀的超表面装置的材料为不锈钢，在具体使用时，将该装置置于水中，并使超声波垂直入射至装置的表面，利用该装置独特的表面结构，使得入射超声波被反射并将超声能量局域在空间中一条狭长区域内，从而实现了水下超声刀的效果。

此外，该水下超声刀装置结构紧凑、设计简单、制作成本低，不需要复杂的电路调控系统仅靠自身的结构特性就可以实现上述功能，属于无源被动式超声刀。

进一步地，该装置的材料为声阻抗大于水的声阻抗20倍的材料，可选材料的范围广，实用性强。

进一步地，该装置在入射超声频率为1MHz时，生成的水下超声刀的纵向半高全宽为16.81个波长，横向半高全宽为1.33个波长，纵向/横向半高全宽比约为12.64，超声刀效果显著；该装置对频率为0.9-1.15MHz的超声波同样能有效地实现水下超声刀效果。该水下超声刀装置能量局域效果显著，有效频率范围宽，这在生物医学工程领域如医学超声治疗中具有非常重要的应用价值，为多功能紧凑型声学元件的设计提供了新思路。

上述实施方式为本实用新型的优选案例，并不用来限制本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于实现宽带超声手术刀的超表面装置，其特征在于，包括：

底部基座，为长方体形状；以及

多个凸起单元，连接在所述底部基座的同一个侧面上，并且沿所述底部基座的长度方向依次排布，

其中，所述凸起单元为三棱柱形状并且其纵截面为三角形，所述凸起单元具有矩形的底面，所述底面与所述底部基座相连接，

所述用于实现宽带超声手术刀的超表面装置为不锈钢超表面装置。

2.根据权利要求1所述的用于实现宽带超声手术刀的超表面装置，其特征在于：

其中，所述凸起单元还具有第一斜面以及第二斜面，所述第一斜面与所述第二斜面垂直。

3.根据权利要求1所述的用于实现宽带超声手术刀的超表面装置，其特征在于：

其中，所述第一斜面和所述第二斜面的交点，与所述底面之间的距离为h，h＝0.5λ₀，λ₀为参考波长，

所述底部基座的厚度为l，l＝2λ₀。

4.根据权利要求1所述的用于实现宽带超声手术刀的超表面装置，其特征在于：

其中，所述第一斜面与所述底面的夹角为θ，所述凸起单元的数量为14个，

沿所述底部基座的长度方向依次排布的14个所述凸起单元的θ的值分别为15°、15°、20°、25°、30°、30°、35°、35°、40°、40°、40°、45°、45°、45°。

5.根据权利要求4所述的用于实现宽带超声手术刀的超表面装置，其特征在于：

其中，所述底面的宽度为d，

λ₀为参考波长。

6.根据权利要求1所述的用于实现宽带超声手术刀的超表面装置，其特征在于：

其中，所有的所述凸起单元依次连接。

7.根据权利要求1所述的用于实现宽带超声手术刀的超表面装置，其特征在于：

其中，所述底部基座与所有的所述凸起单元一体成型。

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