DE3788129T2

DE3788129T2 - Ultraschallmassen.

Info

Publication number: DE3788129T2
Application number: DE3788129T
Authority: DE
Inventors: Hans Wiksell
Original assignee: SWEDEMED UPPSALA AB
Current assignee: Surgical Technologie Group Ltd Andover Gb
Priority date: 1987-09-04
Filing date: 1987-11-20
Publication date: 1994-05-26
Anticipated expiration: 2007-11-21
Also published as: ATE96992T1; SE458821B; JPS6470036A; SE8703458D0; JP2511077B2; US4974581A; EP0305627B1; EP0305627A1; DE3788129D1; SE8703458L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschallmesser, das aus einem Horn mit einer Spitze, um mit Gewebe in Kontakt gebracht zu werden, und einer Wandlereinheit besteht, die mit dem entgegengesetzten Ende des Horns verbunden und derart angeordnet ist, daß sie die Spitze mit einer longitudinalen Schwingung durchdringt.
Insbesondere in Verbindung mit der Chirurgie des Hirnstamms oder des spinalen Bereichs, d. h., wenn für maximale Effizienz ein Stereomikroskop verwendet wird, sollte das Ultraschallmesser mit einer gebogenen Anordnung konstruiert sein, so daß sein das Wandlersystem enthaltendes hinteres Ende u. a. nicht die Sehlinie zwischen Mikroskop und Arbeitspunkt stört.
Ein Ultraschallmesser der in Rede stehenden Art ist schon aus der schwedischen Patentanmeldung 85 05 289-2 bekannt. Die Wandlereinheit ist hier gerade und weist eine hänge von 0,5 lambda auf, wobei sich lambda auf die Wellenlänge der relevanten longitudinalen Vibration bezieht. Das Horn weist eine Länge von etwa 0,7 lambda auf, um eine geeignete Amplitudenverstärkung zu liefern.
Umfassende Forschungs- und Entwicklungsarbeit war erforderlich, um ein Ultraschallmesser zu verwirklichen, das in der gewünschten Weise mit hoher Effizienz und extrem sauberer longitudinaler Schwingung in einem nichtlinearen Schwingungsmodus für die Spitze arbeiten würde. Das Ergebnis dieser Forschung ist in der besagten schwedischen veröffentlichten Beschreibung dargestellt, wo u. a. angegeben ist, daß die Wandlereinheit eine Länge von 0,5 lambda aufweisen soll, wobei diese Länge demnach von der Vibrationsfrequenz, der Ausbreitungsgeschwindigkeit in der longitudinalen Richtung in dem Wandlermaterial und dem Verhältnis zwischen Länge und Querschnitt in der Wandlereinheit abhängt.
Wie ebenfalls in der schwedischen Patentanmeldung angegeben, kann es für die Wandlereinheit zweckmäßig sein, einen Resonanzstab aufzuweisen, der in longitudinaler Richtung nicht symmetrisch ist. Die Vibrationsamplitude wird deshalb an dem Ende der Wandlereinheit größer sein, welches mit dem Horn verbunden ist.
Weiterhin muß beim Konstruieren der Wandlereinheit auch in Erwägung gezogen werden, daß das Verhältnis zwischen Länge und Querschnittsfläche für das Auftreten störender Geräuschphänomene selbst bei niedrigen Frequenzen kritisch sein kann.
Die longitudinale Vibration des Wandlers muß dann durch ein geeignet geformtes "Horn" verstärkt werden, das vorzugsweise, wie in der schwedischen Anmeldung beschrieben, geformt ist und eine Länge von etwa 0,72 lambda aufweist.
Von oben Erwähntem ist es klar, daß der Wandler und das Horn zum Erzeugen einer wohldefinierten Bewegung in der Arbeitsspitze des Horns kooperieren, und es wird erkannt werden, daß eine große Anzahl an Parametern geometrischer Natur und bezüglich Material und Elektrotechnik zu diesem Zweck in vollständigem Einklang sowohl akustischer Art als auch bezüglich der Resonanz kooperieren.
Ein bekanntes Ultraschallmesser weist daher einen geraden Wandler mit einer Länge von 0,5 lambda und ein damit verbundenes gerades Horn von etwa 0,7 lambda auf. Die gesamte Länge eines aus Duralumin oder einer geeigneten Titanlegierung hergestellten Messers mit einer Frequenz von 24 kHz und einem Wandlerdurchmesser von etwa 16 mm wird etwa 250 mm betragen.
Wie einem Fachmann wohlbekannt und auch in besagter Patentanmeldung angegeben ist, können der Wandler und das Horn über einen Wellenleiter zusammen verbunden werden, der eine Länge aufweisen sollte, die ein ganzzahliges Vielfaches von 0,5 lambda beträgt. Solch ein Wellenleiter besteht vorzugsweise aus einem harten Material wie bspw. Titan, Duralumin oder Magnesium, das geringe Verluste liefert. Einschließlich eines solchen Wellenleiters wird die gesamte Länge des Ultraschallmessers für eine Frequenz von 24 kHz und unter Verwendung von Materialien der genannten Art etwa 350 mm betragen.
Ein solches Anwachsen der Länge ist normalerweise nur insoweit gutgeheißen, als es eine leichte Krümmung in dem Wellenleiter erlaubt. Ein gekrümmtes Ultraschallmesser ist daher für Anwendungen der in der Einleitung erwähnten Art verfügbar.
Jedoch wird auch erkannt werden, daß die bekannte Machbarkeit, das Messer gekrümmt zu fertigen, auch bedeutet, daß seine Länge und sein Gewicht erheblich vergrößert werden müssen, was einen negativen Effekt auf seine Manövrierbarkeit hat.
US-A-4 634 419 offenbart ein gekrümmtes Ultraschallmesser, wobei dessen gesamte vibrierende Länge, d. h. die addierte Länge von magnetostriktivem Element, Verbindungskörper und Spitze, im wesentlichen gleich der Länge λ der longitudinalen Vibrationswelle ist, wenn diese bei der Resonanzfrequenz vibriert wird, wobei die kombinierte Länge von magnetostriktivem Element und Verbindungskörper gleich 3/4λ beträgt. Um die Resonanzfrequenz dieses gekrümmten Ultraschallmessers der eines im übrigen identischen Messers gerader Konfiguration gleich zu machen (beide Messer weisen dieselbe axiale Länge auf), muß ein Anteil an Masse von der äußeren Oberfläche an einem Ort entfernt werden, der an eine Knotenebene in der Nähe des zur Befestigung der Spitze vorgesehenen Endes des Verbindungskörpers angrenzt.
Es hat sich nun als möglich herausgestellt, ein gekrümmtes Ultraschallmesser der beschriebenen Art ohne einen Wellenleiter zwischen der Wandlereinheit und dem Horn zu verwirklichen, ohne einen wesentlichen Funktionsunterschied gegenüber einer gerade Messerkonstruktion der diskutierten Art zu verursachen.
Gemäß der Erfindung ist dieser Vorteil durch die Wandlereinheit verwirklicht, die mit einem gekrümmten Resonanzstab versehen ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Ultraschallmesser mit einer Betriebsfrequenz offenbart, das ein Horn mit einer Spitze an einem entfernten Ende derselben, um mit Gewebe in Kontakt gebracht zu werden, und eine Wandlereinheit mit einer Länge von 0,5 lambda umfaßt, wobei lambda mit der longitudinalen Vibrationswellenlänge der Wandlereinheit korrespondiert und an ein dem entfernten Ende abgewandtes Ende des Horns derart gekoppelt ist, daß eine longitudinale Schwingung auf die Spitze übertragen wird, daß die Wandlereinheit einen Vibratorbereich und einen abgewinkelten Resonanzstab aufweist, wobei ein Bereich des abgewinkelten Resonanzstabs um einen vorgegebenen Winkel von dem Vibratorbereich abgewinkelt ist, und daß der Vibratorbereich und der abgewinkelte Resonanzstab derart aneinander angepaßt sind, daß sie als eine Einheit in Resonanz mit der Betriebsfrequenz des Messers schwingen.
Demnach ist überraschenderweise herausgefunden worden, daß eine gekrümmte Konstruktion des Resonanzstabs in der Wandlereinheit das in den diskutierten bekannten Ultraschallmessern vorherrschende empfindliche Parametergleichgewicht nicht nachteilig beeinflußt. Jedoch mußte die Länge dieses gekrümmten Resonanzstabs in der Wandlereinheit angepaßt werden. Im Vergleich mit dem geraden Resonanzstab mußte die Länge des gekrümmten Resonanzstabs derart angepaßt werden, daß sie Resonanz bei der gewünschten Frequenz liefert, einer Sollfrequenz von gewöhnlich 24 kHz. Dies ist, weil die longitudinalen Wellen unterschiedliche Phasendistanzen in Abhängigkeit von dem durch die jeweiligen Krümmungsradien verursachten Wegstreckenunterschied zurücklegen müssen. Gemäß der Erfindung ist vorzugsweise eine Länge ausgewählt, die den Mittelwert für diesen variierenden Krümmungsradius wiederherstellt. Die Ablenkung des Resonanzstabs beträgt bspw. etwa 16º.
Eine geeignete Wandlereinheit weist die in der zitierten Anmeldung beschriebenen allgemeinen Konstruktion auf und umfaßt ein kurzes und ein längeres Stabteil, zwischen welche ein Stapel von piezoelektrischen Elementen geklemmt ist, so daß die resultierende Wandlereinheit an einem Ende eine größere Amplitude aufweist als an dem anderen, wobei das Horn, das die Amplitude verstärkt, in geeigneter Weise mit dem einen Ende der Einheit verbunden ist.
Ein Beispiel eines gekrümmten Ultraschallmessers gemäß der Erfindung ohne einen gekrümmten Wellenleiter zwischen der Wandlereinheit und dem Horn wird nun unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Wandlereinheit, die in dem Ultraschallmesser gemäß der Erfindung enthalten ist,
Fig. 2 zeigt schematisch eine Seitenansicht der zentralen Komponenten in dem Ultraschallmesser gemäß der Erfindung und
Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Amplitudenverteilung in longitudinaler Richtung für das Ultraschallmesser gemäß Fig. 2 darstellt und auch die Größe der Materialbeanspruchung entlang der Länge des Ultraschallmessers zeigt.
Wie in Fig. 2 gesehen werden kann, ist das Ultraschallmesser im wesentlichen aus einer Wandlereinheit 5 und einem Messerbereich 2 in der Form eines "Horns" zusammengesetzt. Ein Fachmann wird erkennen, daß ein Horn mit der Wandlereinheit 5 bspw. an dem Punkt verbunden werden kann, wo die longitudinale Vibration maximal ist. Er wird auch erkennen, daß jegliche Anschlüsse an das Horn 2 zusammen mit Dichtungen wie bspw. einem O-Ring geeigneterweise an dem Punkt entlang des Horns angeordnet werden, wo die longitudinale Vibrationsamplitude am kleinsten ist.
Das Messer weist natürlich auch eine Anschlußstelle für die Wechselspannungsversorgung mit Ultraschallfrequenz über Zuleitungen 30 und 31 zu dem Teil der Wandlereinheit 5 auf, der Vibration erzeugt. Das Horn 2 ist ein Amplitudentransformator, dessen Geometrie unten beschrieben ist.
Eine Bohrung 6 erstreckt sich zentral durch die Spitze des Horns und kann mit einem Aspirationsrohr verbunden werden. Auch kann ein Rohr zur Salzlösungsversorgung zur Spitze des Messers befestigt werden.
Der Wandler in Fig. 1 umfaßt ein piezoelektrisches Element mit sechs Ringen 20 - 25 aus einem gesinterten keramischen Material, zwischen welche bspw. durchlöcherte Scheiben 26 aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung eingesetzt sind. Die Ringe 20 - 25 und Scheiben 26 sind auf einem Titanstift 27 angeordnet, der an beiden Enden mit einem Gewinde versehen ist. Der Stift ist auch mit einer Schicht (nicht gezeigt) eines elektrisch isolierenden Materials, Teflon, versehen, um als elektrische Isolation für die Scheiben 26 zu dienen. Zylindrische, aus einer Magnesiumlegierung oder dgl. hergestellte Resonanzstäbe 28, 29 sind auf jedes Ende des Stifts 27 aufgeschraubt, und die ganze Einheit 20 - 29 ist statisch vorgespannt, um einen Druck von etwa 500 kg/cm² zu liefern, wodurch sie in die Lage versetzt wird, der beträchtlichen Beschleunigung zu widerstehen, welcher sie unterworfen sind, wenn die Spannung über die Zuleitungen 30, 31 übertragen wird. Diese Zuleitungen sind mit den Scheiben 26 derart elektrisch verbunden, daß eine mit jeder zweiten Scheibe verbunden ist, während die andere mit den verbleibenden Scheiben verbunden ist.
Die Länge des Wandlers beträgt eine halbe Wellenlänge bezüglich der Wechselversorgungsspannung. Die Resonanzstäbe 28, 29 weisen unterschiedliche Längen L&sub1; und L&sub2; auf, die wie folgt berechnet werden, wenn die Stäbe gerade sind,
wobei f
und wobei l&sub1;, l&sub2; und lc die Länge der Stäbe 28, 29 oder die Länge der Ringeinheit 20 - 25 bezeichnen, v&sub1;, v&sub2; und vc die Schallgeschwindigkeit für dieselben Einheiten bezeichnen,
A&sub1;, A&sub2; und Ac die Querschnittsfläche dieser Einheiten bezeichnen und
P&sub1;, P&sub2; und Pc die Dichte dieser Einheiten bezeichnen.
Da jedoch gemäß der Erfindung einer der Resonanzstäbe, vorzugsweise Resonanzstab 28, gekrümmt ist, wobei die Ablenkung bspw. 160 beträgt, ist die Länge L&sub1; modifiziert, da die longitudinalen Wellen unterschiedliche Phasendistanzen in Abhängigkeit von der durch die jeweiligen Krümmungsradien der gekrümmten Bereiche verursachten unterschiedlichen Wegstrecke zurücklegen müssen. Es ist vorzugsweise eine Länge ausgewählt, die den Mittelwert für den variierenden Kurvenradius wiederherstellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der in der Zeichnung gezeigten Messervorrichtung beträgt ein geeignetes Verhältnis l&sub1; : l&sub2; 2,5, so daß der Wandler mit einem Hub von etwa 10 um an der Endoberfläche 32 und 4 um an der Endoberfläche 33 schwingt. Der vorzugsweise eine Länge von etwa 0,72 λ aufweisende Amplitudentransformator 2 ist mit der Endoberfläche 32 des Wandlers verbunden und verstärkt die Größe der Bewegung etwa 30-fach.
Der Wandler und der Amplitudentransformator werden mittels eines Bolzens zusammengehalten, der bspw. mittels einer Schraubverbindung mit den beiden Stäben 28, 29 verbunden ist.
Der verwendete Amplitudentransformator ist vorzugsweise aus einer Titanlegierung gefertigt, die Aluminium und Vanadium aufweist. Der Eisengehalt sollte nicht 0,3% überschreiten. Der Amplitudentransformator weist drei Bereiche 40, 41 und 42 auf. Bereich 40 weist eine zylindrische Form auf und geht in Bereich 41 auf, dessen Geometrie eine Wellenfunktion der Fourier-Form vierter Ordnung ist, d. h.
wobei
U(X) = longitudinale Ablenkung in X-Richtung,
αK = Konstanten.
Bereich 42 ist im wesentlichen kegelförmig. Mit dieser Ausführung des Messers wird eine deutliche Resonanz bezüglich der longitudinalen Schwingungsbewegung erhalten, und vom Frequenzaspekt ist diese Resonanz weitgehend von den sekundären longitudinalen Resonanzen und verbleibenden Resonanzen bezüglich transversaler Schwingungen separiert. Aus dem Diagramm in Fig. 3 wird in Verbindung mit Fig. 1, wo sich die Abszisse auf die Länge des Amplitudentransformators gemäß den Kurven A und B bezieht und sich die Ordinate auf die longitudinale Schwingung gemäß Kurve A und die Größe der Materialbeanspruchung gemäß Kurve B bezieht, gesehen werden, daß der Messerhub sein Maximum bei Punkt 43 erreicht und an dem Punkt, wo sich die Bohrung 6 auf der Oberfläche aufweitet, gegen Null abnimmt. Es ist daher möglich, die Verbindung von dem Vakuumrohr mit der Bohrung mit O-Ring-Dichtungen abzudichten, die durch Vibration nicht angegriffen sein werden. Aus demselben Grund ist der Handgriff an dem Wandler 5 befestigt, um zu vermeiden, daß er in der Bedienerhand vibriert. Kurve B zeigt ebenfalls, daß die Materialbeanspruchungen nicht an der äußersten Spitze 43 an einem Maximum sind, sondern in einem Bereich, der eine Distanz L innerhalb dieser Spitze liegt. Der Vorteil dieser Geometrie des Messers ist insofern offensichtlich, als sie eine erhöhte Lebensdauer liefert. Die Resonanzpunkte des Messers können leicht experimentell überprüft werden, indem es mit dem Wandler verbunden wird und der letztere mit elektrischer Energie oder Ultraschallfrequenz versorgt wird. Die Bewegung der Spitze 43 kann so gemessen werden.
Durch die Erfindung ist es deshalb trotz der gekrümmten Form des Messers möglich, eine uneingeschränkte Amplitude zu verwirklichen, d. h., "volle" Daten können in der Form einer Amplitude von 300 (240) Mikrometern für die Spitze 43 erreicht werden. Ungeachtet dessen funktioniert die Vorrichtung wirksam und der Verlustfaktor ist daher befriedigend, was wiederum sicherstellt, daß die Kraftentwicklung in der Wandlereinheit 5 akzeptabel ist. Es ist daher gemäß der Erfindung möglich, ein Ultraschallmesser mit einer Gesamtlänge von etwa 250 mm für eine Frequenz von 24 kHz, jedoch noch mit einer Krümmung (z. B. 16º) in dem Mittelbereich des Messers, zu erzeugen.
Mit einem Messer obigen Aufbaus, können Daten erreicht werden, die im wesentlichen dem in der schwedischen Patentanmeldung 85 05 289-2 beschriebenen Hand-Instrument äquivalent sind, wobei noch die Vorteile erlangt werden, daß die Sehlinie des Bedieners zu der Spitze 43 nicht versperrt wird, daß das Messer nicht schwerer ist als das bekannte gerade Messer und daß seine Länge nicht wesentlich von dem bekannten geraden Messer abweicht. Die Sensitivität des Bedieners hinsichtlich des Feedbacks wird daher beibehalten.
Der Resonanzstab 28 kann nicht im wahren Sinne gebogen werden, da es dann nicht länger mühelos ist, reproduzierbare Daten zu verwirklichen. Statt dessen wird der gekrümmte Resonanzstab 28 aus einem im wesentlichen spannungsfreien Rohling aus geeignetem Metall hergestellt, bspw. einer Duralumin-Legierung, dem eine gekrümmte Form mit einem Ablenkungswinkel a von bspw. 160 mittels numerisch kontrolliertem Drehen oder Fräsen gegeben wird, so daß der resultierende Resonanzstab im wesentlichen frei von Spannung ist und demzufolge reproduzierbare Daten liefert. Die Krümmung ist vorzugsweise kontinuierlich und kann sich entlang des größten Teils der Länge des Stabes erstrecken.

Claims

1. Ein Ultraschallmesser mit einer Betriebsfrequenz umfaßt

ein Horn (2) mit einer Spitze (43) an einem entfernten Ende derselben (43), um mit Gewebe in Kontakt gebracht zu werden, und

eine Wandlereinheit (5) mit einer Länge von 0,5 lambda, wobei lambda mit der longitudinalen Vibrationswellenlänge der Wandlereinheit (5) korrespondiert und an ein dem entfernten Ende abgewandtes Ende des Horns derart gekoppelt ist, daß eine longitudinale Schwingung auf die Spitze (43) übertragen wird, daß die Wandlereinheit (5) einen Vibratorbereich und einen abgewinkelten Resonanzstab aufweist, wobei ein Bereich des abgewinkelten Resonanzstabs um einen vorgegebenen Winkel von dem Vibratorbereich abgewinkelt ist, und daß der Vibratorbereich und der abgewinkelte Resonanzstab derart aneinander angepaßt sind, daß sie als eine Einheit in Resonanz mit der Betriebsfrequenz des Messers schwingen.

2. Ein Ultraschallmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Horn (2) direkt mit der Wandlereinheit (5) verbunden ist.

3. Ein Ultraschallmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinheit (5) einen weiteren Resonanzstab aufweist und daß der Vibratorbereich eine piezoelektrische Einheit (20-26) ist, die zwischen die abgewinkelten Resonanzstäbe geklemmt ist, von denen einer der abgewinkelte Stab und der andere ein gerader Stab ist.

4. Ein Ultraschallmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der abgewinkelte Resonanzstab (28) zwischen der piezoelektrischen Einheit (20-26) und dem Horn (2) angeordnet ist.

5. Ein Ultraschallmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der abgewinkelte Resonanzstab (28) derart abgewinkelt ist, daß er eine Ablenkung von etwa 160 gibt.

6. Ein Ultraschallmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Horn (2) eine Länge von etwa 0,7 lambda aufweist.

7. Ein Ultraschallmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinheit (5) und das Horn (2) derart angeordnet sind, daß sie eine im wesentlichen longitudinale Schwingung der Spitze (43) des Horns (2) erzeugen.