DE69632984T2

DE69632984T2 - Ultraschallgerät zur Verwendung in der Chirurgie

Info

Publication number: DE69632984T2
Application number: DE69632984T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Joseph Vaitekunas
Original assignee: Ethicon Endo Surgery Inc
Current assignee: Ethicon Endo Surgery Inc
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2016-09-28
Also published as: AU709756B2; JPH09135842A; CA2186721A1; EP0765637A2; DE69632984D1; JP3936001B2; ES2225860T3; EP0765637A3; US5630420A; EP0765637B1; CA2186721C; AU6556296A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein verbessertes chirurgisches Ultraschallinstrument und insbesondere ein chirurgisches Ultraschallinstrument, wobei die piezoelektrischen Elemente bei zwei oder mehreren Anregungsfrequenzen angeregt werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Chirurgische Ultraschallinstrumente können bei medizinischen Eingriffen verwendet werden, um, beispielsweise, lebendes organisches Gewebe zu sezieren oder zu schneiden. Das Sezieren oder Schneiden wird durch ein chirurgisches Werkzeug am distalen Ende des Instrumentes erreicht, wobei die chirurgische Spitze Ultraschallenergie auf das Gewebe überträgt. Ultraschallenergie kann auch verwendet werden, um Gewebe um die chirurgische Spitze herum zu kauterisieren, was Hämostase verursacht, indem Blut im umgebenden Gewebe koaguliert.
Eine Ultraschallschwingung wird in der chirurgischen Spitze induziert, indem elektrisch ein oder mehrere piezoelektrische(s) Elemente) im Instrumentenhandstück angeregt wird/werden. Die piezoelektrischen Elemente werden bei einer Resonanzfrequenz des chirurgischen Instrumentes angeregt. Die Resonanzgrundfrequenz der hierin beschriebenen chirurgischen Instrumente ist f₀ und die Resonanzwellenlänge ist λ₀. λ₀ = c/f₀, wobei c die Schallgeschwindigkeit in dem Instrument ist. Das elektrische Anregungssignal ist sinusförmig oder weist eine sinusförmige Komponente auf, die piezoelektrischen Elemente erzeugen eine mechanische Schwingung mit einer stehenden Welle bei einer Frequenz gleich der Frequenz des elektrischen Anregungssignals. Schwingungen, die durch den piezoelektrischen Abschnitt erzeugt werden, werden durch einen Resonator gefiltert, durch wenigstens einen Geschwindigkeitswandler amplifiziert und zu der chirurgischen Spitze übertragen.
Bei den hierin beschriebenen chirurgischen Ultraschallinstrumenten umfasst das Handstück, das auch als der „Langevin-Stapel" oder „Stapel" bekannt ist, wenigstens einen piezoelektrischen Abschnitt, der von einem Resonatorenpaar umgeben ist. Die Resonatoren umfassen im Allgemeinen Metallabschnitte, die mit dem piezoelektrischen Abschnitt auf einer jeden Seite bündig abschließen und sich über eine Entfernung von etwa einer Viertel-Wellenlänge (λ₀/4) von der Mitte des piezoelektrischen Stapels erstrecken. Der Stapel, einschließlich der piezoelektrischen Elemente und der Resonatoren, ist etwa eine halbe Wellenlänge (λ₀/2) lang. Die Resonatoren wirken als mechanische Bandpassfilter, die akustische Wellen bei Frequenzen oberhalb oder unterhalb der Betriebsfrequenz und oberhalb oder unterhalb Harmonischer der Betriebsfrequenzen herausfiltern oder wesentlich verringern. Ein Ende des Stapels kann ausgebildet sein, um das Kabel oder den Draht aufzunehmen, der das elektrische Anregungssignal auf die piezoelektrischen Elemente überträgt. Bei vielen derartigen Instrumenten sind die Resonatoren elektrisch geerdet und das Anregungssignal ist mit alternierenden Paaren aus piezoelektrischen Elementen innerhalb des Stapels verbunden. Das entgegengesetzte Ende des Stapels ist im Allgemeinen ausgebildet, um entweder die chirurgische Spitze oder einen Übertragungsstab aufzunehmen, der angepasst ist, um das akustische Signal von dem Stapel zu einer chirurgischen Spitze zu übertragen.
Bei chirurgischen Instrumenten, wie den oben beschriebenen Instrumenten, können die akustischen Wellen verstärkt werden, indem ein „Geschwindigkeitswandler" zwischen dem Resonator und der Spitze eingeführt ist. Ein Geschwindigkeitswandler verstärkt die akustische Welle, indem die Querschnittsfläche des Instrumentes verringert wird. Daher wird bei Verwendung eines Übertragungsstabes mit einem geringeren Durchmesser als der Resonatorausgang die Verbindung zwischen dem Resonator und dem Übertragungsstab als ein Geschwindigkeitswandler fungieren, was die Intensität der durch den Übertragungsstab übertragenen akustischen Welle erhöht. Wo die Spitze einen geringeren Durchmesser aufweist als der Übertragungsstab, dient eine ähnliche Stufenverbindung am Übergang zwischen dem Übertragungsstab und der Spitze als ein zweiter Geschwindigkeitswandler, der die Intensität der akustischen Welle an der Spitze des Instrumentes weiter erhöht. Im Allgemeinen werden die Längen der Resonatoren und der Übertragungsstäbe so ausgewählt, dass gewährleistet wird, dass die Geschwindigkeitswandler an Knoten in dem Muster aus stehenden Wellen angeordnet sind.
Wie zuvor festgehalten, wird ein Muster aus stehenden akustischen Wellen initiiert, indem eine elektrische Spannung bei einer Frequenz f an den piezoelektrischen Elementen angelegt wird. Das Anlegen einer elektrischen Spannung über einem piezoelektrischen Element führt zur Ausdehnung oder Kontraktion des piezoelektrischen Elementes entlang der Achse des Spannungsgradienten. Die Richtung der Auslenkung des piezoelektrischen Elementes (d. h. ob es sich ausdehnt oder kontrahiert) wird durch die Polarität des angelegten Signals bestimmt. Wenn somit eine elektrische Anregung ein elektrisches Signal mit einer sinusförmigen Komponente bei einer Frequenz f angelegt wird, dehnt sich und kontrahiert sich das piezoelektrische Element fortdauernd. Mechanisches Ausdehnen und Kontrahieren des Stapels selbst können vermieden werden, indem die piezoelektrischen Elemente in Paaren verwendet werden, wobei das Anlegen eines elektrischen Signals mit einer gegebenen Polarität dazu führt, dass sich ein Element des Paares ausdehnt und sich das zweite Element des Paares kontrahiert.
Ein chirurgisches Ultraschallinstrument kann angetrieben oder angeregt werden bei irgendeiner seiner Resonanzfrequenzen. Das Instrument mit einer Grundresonanzfrequenz von f₀ kann durch ein Anregungssignal f_e bei einer Harmonischen (d. h. einem ganzzahligen Vielfachen) von f₀ angetrieben werden. Ein Signal bei der Anregungsfrequenz f_e weist eine Wellenlänge λ_e auf. Da die Resonanzgrundfrequenz des Instrumentes f₀ ist, wird ein elektrisches Anregungssignal, das die piezoelektrischen Elemente bei einer Frequenz f₀ antreibt, dazu führen, dass die chirurgische Spitze mit f₀ schwingt. Wo das elektrische Anregungssignal keine saubere Sinuswelle ist (z. B. eine quadratische oder Sägezahnwelle), enthält es Harmonische des Anregungssignals und man würde erwarten, dass die chirurgische Spitze mit f₀ und mit Harmonischen von f₀ schwingt. Selbst wo das elektrische Anregungssignal eine reine Sinuswelle ist, können Nichtlinearitäten im Instrument dafür sorgen, dass die chirurgische Spitze mit f₀ und mit Harmonischen von f₀ schwingt. In einem jeden Fall wäre die Größe der Schwingung an der chirurgischen Spitze bei f₀ am größten und man würde annehmen, dass sie bei Harmonischen von f₀ wesentlich geringer ist. In den meisten Fällen wäre die Leistung der harmonischen Frequenz weniger als 25% der Leistung bei der Grundfrequenz. Deshalb würde man bei bekannten Generatoren erwarten, dass die durch die chirurgische Spitze übertragene Leistung bei anderen als der Anregungsfrequenz maximal 25% der Leistung wäre, die bei der Anregungsfrequenz des Instrumentes übertragen wird. Die relative Leistung bei der Anregungsfrequenz und ihren Harmonischen ist eine Funktion des Grades, mit dem das Anregungssignal von einer reinen Sinuswelle abweicht. Deshalb wird, wo das Anregungssignal die piezoelektrischen Elemente mit f₀ antreibt, im Wesentlichen die ganze Arbeit durch die Spitze (z. B. Schneiden und/oder Kauterisieren von Gewebe) mit f₀ verrichtet. Wo das Anregungssignal die piezoelektrischen Elemente mit einer anderen Anregungsfrequenz f_e antreibt, wird im Wesentlichen die gesamte Arbeit, die durch die Spitze verrichtet wird, mit f_e verrichtet.
Man glaubt, dass bestimmte Schwingungsfrequenzen die Wirkung eines Ultraschallinstrumentes für einen speziellen Zweck verstärken. Z. B. kann eine gegebene Frequenz besonders vorteilhaft sein, wenn das Instrument verwendet wird, um Gewebe zu schneiden oder zu sezieren, während eine zweite, andere Frequenz nützlich sein kann bei der Verwendung des Instrumentes, um Gewebe zu kauterisieren. Deshalb könnte das Antreiben der piezoelektrischen Elemente mit sowohl einer ersten Anregungsfrequenz, z. B. der Grundfrequenz des Instrumentes, als auch mit einer oder mehreren Harmonischen der Anregungsfrequenz, bei einigen Anwendungen, die Leistung des Instrumentes wesentlich verbessern. Wo z. B. das Instrument verwendet wird, um Gewebe zu schneiden und zu koagulieren, könnte das Anregungssignal selektiv kontrolliert werden, um Leistung bei der Grundfrequenz zum Schneiden von Gewebe bereitzustellen und bei einer Harmonischen der Grundfrequenz zum Kauterisieren des Gewebes.
Da das Anlegen von akustischer Leistung an Gewebe in der Form von Ultraschallwellen zu unterschiedlichen vorteilhaften Wirkungen in Abhängigkeit von der Frequenz der an dem Gewebe angelegten Ultraschalleistung führen kann, wäre es vorteilhaft, ein chirurgisches Ultraschallinstrument zu konstruieren, wo der piezoelektrische Stapel mit sowohl einer ersten Anregungsfrequenz, beispielsweise der Grundfrequenz des Instrumentes, als auch wenigstens einer Harmonischen der Grundfrequenz angeregt würde. Es wäre weiter vorteilhaft, ein Ultraschallinstrument zu konstruieren, wo die mit Harmonischen der ersten Anregungsfrequenz bereitgestellte Leistung im Wesentlichen gleich oder größer ist als 50% der mit der ersten Anregungsfrequenz bereitgestellten Leistung.
In US-A-4838853 wird (i) ein Verfahren bekannt gemacht zum Anregen eines Ultraschallstapels in einem chirurgischen Instrument und (ii) ein chirurgisches Ultraschallinstrument, das die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 aufweist.
Die vorliegende Erfindung stellt ein chirurgisches Ultraschallinstrument gemäß Anspruch 1 bereit. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Leistung des Anregungssignals bei der zweiten Frequenz f₂ im Wesentlichen gleich oder größer als die Leistung des Anregungssignals bei der ersten Frequenz f₁. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Leistung des Anregungssignals bei der zweiten Frequenz f₂ gleich oder größer als 50% der Leistung des Anregungssignals bei der ersten Frequenz f₁. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Verhältnis der Eingangsleistungen nicht größer als 2 : 1. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Frequenz f₂ zweimal die Frequenz f₁.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung, sowohl was die Konstruktion als auch Verfahren zum Betreiben betrifft, wird zusammen mit anderen Zielen und Vorteilen davon am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden, wobei:
1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines chirurgischen Instrumentes ist, das einen einzelnen piezoelektrischen Abschnitt aufweist.
2 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines chirurgischen Instrumentes ist, das zwei piezoelektrische Abschnitte umfasst.
3 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines chirurgischen Instrumentes ist, das zwei piezoelektrische Abschnitte aufweist.
4 eine Reihe von Anregungswellenformen veranschaulicht, die eine Grundfrequenz, eine erste Harmonische und ein Signal umfassen, das aus der algebraischen Summe der Grundfrequenz und der ersten Harmonischen zusammengesetzt ist.
5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die die potentielle Stelle von piezoelektrischen Abschnitten veranschaulicht.
6 ein Kontrollsystem zur Verwendung zusammen mit dem in 1 dargestellten chirurgischen Instrument veranschaulicht.
7 ein Kontrollsystem zur Verwendung zusammen mit den in den 2 und 3 dargestellten Instrumenten darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines chirurgischen Ultraschallinstrumentes gemäß der vorliegenden Erfindung. In der Ausführungsform der in 1 dargestellten Erfindung umfasst das chirurgische Ultraschallinstrument 14 den Stapel 10, der mit der chirurgischen Spitze 40 durch den Übertragungsstab 60 verbunden ist. Der Signaldraht 16 trägt ein elektrisches Anregungssignal zu dem Ultraschallstapel 10. Der Stapel 10 besteht aus einem ersten Resonator 20, der mit einer ersten Seite 52 eines piezoelektrischen Abschnittes 50 verbunden ist, und einem zweiten Resonator 30, der mit einer zweiten Seite 54 des piezoelektrischen Abschnittes 50 verbunden ist. Der Übertragungsstab 60 koppelt den Ausgang des zweiten Resonators 30 mit einer chirurgischen Spitze 40 und kann eine Klinge 44 oder eine andere Einrichtung zur Übertragung von Ultraschalleistung auf Gewebe umfassen. Wie in 1 dargestellt, ist der Übertragungsstab 60 mit dem zweiten Resonator 30 verbunden durch Befestigen des Übertragungsstabes 60 in dem zweiten Resonator 30 unter Verwendung, beispielsweise, eines mit einem Gewinde versehenen Anschlussstückes. In 1 ist der Übertragungsstab 60 kleiner als der Resonator 30, was die Stufenverbindung 25 ausbildet. Die chirurgische Spitze ist mit dem Übertragungsstab 60 verbunden unter Verwendung, beispielsweise, eines mit einem Gewinde versehenen Anschlussstückes, das die chirurgische Spitze 40 in dem Übertragungsstab 60 befestigt. Die chirurgische Spitze 40, die kleiner ist als der Übertragungsstab 60, wird die Stufenverbindung 27 an dem Übergang zwischen dem Übertragungsstab 60 und der chirurgischen Spitze 40 ausbilden. Die Stufenverbindungen 25 und 27 fungieren als Geschwindigkeitswandler, die die Größenordnung der durch die chirurgische Spitze geleiteten Schwingung erhöhen.
Das Ultraschallinstrument 14 kann ein äußeres Gehäuse (nicht gezeigt) umfassen, das ausgeführt ist, um den Anwender gegen Schwingungen im Stapel 10 zu isolieren. Der Stapel 10 trägt und nimmt den piezoelektrischen Ultraschallabschnitt oder die Ultraschallwandleranordnung 50 auf. Bei dieser Ausführungsform umfasst der piezoelektrische Abschnitt 50 ein oder mehrere Paare von gegenüberliegenden piezoelektrischen Kristallen. Die piezoelektrischen Kristallpaare sind zusammen schichtweise zwischen einem Paar aus räumlich getrennten und gegenüberliegenden Resonatoren 20 und 30 angeordnet. Der piezoelektrische Abschnitt 50 schwingt in Reaktion auf elektrischen Hochfrequenzstrom, der daran von einem Kontrollsystem angelegt wird, wie beispielsweise dem in 6 dargestellten. Beim Betreiben produziert der piezoelektrische Abschnitt 50 mechanische Schwingungen mit hoher Frequenz, die zur chirurgischen Spitze 40 in einem Muster aus einer stehenden Welle übertragen werden. Der piezoelektrische Abschnitt 50 produziert Ultraschallgrundschwingungen im Bereich von, beispielsweise, 10 kHz bis 500 kHz, und bevorzugterweise in einem Bereich von etwa 20 kHz bis 80 kHz. Ein verlängerter Schwingungskopplungs- oder Übertragungsstab 60 ist direkt und zentral mit dem piezoelektrischen Abschnitt 50 durch den zweiten Resonator 30 gekoppelt. Der Übertragungsstab 60 ist auch mit der chirurgischen oder Funktionsspitze 40 gekoppelt. Der Übertragungsstab 60 kann mit einem Ansaugkanal oder -durchgang (nicht gezeigt) ausgebildet sein, der dessen axiale Erstreckung verlängert. Der Ansaugdurchgang wäre an einem Ende mit einer zentralen Bohrung (nicht gezeigt) der operativen Spitze 40 und am anderen Ende mit einem Ansaugkanal (nicht gezeigt) in Flüssigverbindung, der von dem Handstück zu einer Saugpumpe (nicht gezeigt) führt. Der Betrieb der Saugpumpe würde dafür sorgen, dass fragmentiertes Körpergewebe und Flüssigkeiten, die an der chirurgischen Stelle vorhanden sind, durch eine zentrale Bohrung der chirurgischen Spitze 40 und der Handstückanordnung zu einem geeigneten Sammelgefäß (nicht gezeigt) aspiriert würden.
2 ist eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines chirurgischen Ultraschallinstrumentes 114 nach der vorliegenden Erfindung. Das chirurgische Ultraschallinstrument 114 umfasst den Stapel 110, der mit einer chirurgischen Spitze 140 durch einen Übertragungsstab 160 verbunden ist. Das chirurgische Ultraschallinstrument 114 kann ein äußeres Gehäuse umfassen, das ausgeführt ist, um den Anwender von den Schwingungen während der Verwendung zu isolieren. In der Ausführungsform von 2 stützt der Stapel 110 den ersten 150 und zweiten 162 piezoelektrischen Abschnitt oder Wandleranordnung und nimmt diese(n) auf. Bei dieser Ausführungsform können die piezoelektrischen Abschnitte 150 und 162 eine oder mehrere Paare aus gegenüberliegenden piezoelektrischen Kristallen umfassen. Die piezoelektrischen Abschnitte 150 und 162 werden durch den zentralen Abschnitt 145 voneinander getrennt und schichtweise zwischen räumlich getrennten und gegenüberliegenden Resonatoren 120 und 130 angeordnet. Der zentrale Abschnitt 145 kann eine im Wesentlichen massive metallische Region umfassen. Die piezoelektrischen Abschnitte 150 und 160 sind funktionsfähig in Reaktion auf hochfrequenten elektrischen Strom, der durch einen Signaldraht 116 von einem Kontrollsystem, wie beispielsweise dem in 7 dargestellten, unter der Kontrolle eines Fußschalters oder dergleichen bereitgestellt wird. Während des Betriebs erzeugen die piezoelektrischen Abschnitte 150 und 162 hochfrequente mechanische Schwingungen, die zur chirurgischen Spitze 140 in einem Muster aus einer stehenden Welle übertragen werden. Die piezoelektrischen Abschnitte 150 und 162 sind funktionsfähig, um Ultraschallgrundfrequenzen in einem Bereich von, beispielsweise, 10 kHz bis 500 kHz zu produzieren, und, bevorzugterweise, in einem Bereich von etwa 20 kHz bis 80 kHz. Ein verlängerter Schwingungskupplungs- oder Übertragungsstab 160 ist direkt und zentral mit den piezoelektrischen Abschnitten 150 und 162 durch den Resonator 130 und den zentralen Abschnitt 145 gekoppelt. Der Übertragungsstab 160 ist auch mit der chirurgischen oder operativen Spitze 140 gekoppelt. Die in 2 dargestellte Ausführungsform kann auch einen Ansaugdurchgang, Ansaugkanal und eine Kontrollbohrung im Übertragungsstab 160, Stapel 110 bzw. in der chirurgischen Spitze 140 umfassen.
In den Ausführungsformen von 1 und 2 umfassen die piezoelektrischen Stapel 50, 150 und 160 eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen. Das durch den Signaldraht 16 und 116 bereitgestellte elektrische Signal regt die piezoelektrischen Elemente an, was diese veranlasst, zu schwingen und eine akustische Ultraschallwelle, wie hierin beschrieben, zu erzeugen. Das durch den Signaldraht 16 und 116 bereitgestellte Signal kann, beispielsweise, ein Signal sein mit einer rms-Spannung von etwa 500 V mit einem Strom von etwa 1/2 A. Die einzelnen Elemente der Stapel 50, 150 und 160 können auch in einer alternierenden Art und Weise zusammengestapelt sein, so dass die Ausdehnung von einem die Kontraktion seines gepaarten Elementes kompensiert.
In einem Ultraschallinstrument, wie den in den 1 und 2 dargestellten Instrumenten, wird die Leistung an die chirurgische Spitze übertragen, indem eine stehende akustische Welle in dem Stapel aufgebaut wird. Um eine stehende Welle innerhalb eines Stapels zu erzeugen, ist der Stapel so konstruiert, dass er eine Länge aufweist, die ein Vielfaches von λ₀/2 ist, wobei λ₀ die Wellenlänge der Grundfrequenz f₀ ist. Wenn der Stapel so konstruiert ist, dass er eine Länge von λ₀/2 aufweist, kann eine stehende Welle mit der Grundfrequenz oder einer jeglichen harmonischen Frequenz induziert werden. Ein Minimum oder Nulldurchgang in der stehenden Welle wird im Allgemeinen als ein Knoten bezeichnet. Die physikalischen Positionen entlang der Länge des Stapels, des Übertragungsstabes und der chirurgischen Spitze, wo die Größe der stehenden Welle minimal ist, können als Knotenpunkte bezeichnet werden. Ein absoluter Maximalwert oder Peak in der stehenden Welle wird im Allgemeinen als Anti-Knoten bezeichnet. Deshalb können die physikalischen Positionen entlang der Länge des Stapels, des Übertragungsstabes und der chirurgischen Spitze, wo die Größe der stehenden Welle ein absolutes Wertmaximum aufweist, als Anti-Knotenpunkte bezeichnet werden. Jedes Ende des Stapels, das frei ist, um zu schwingen, ist ein Anti-Knotenpunkt. Anti-Knoten treten in Intervallen von 1/2 Wellenlängen entlang der Länge des Stapels auf. Um den Stapel wirksam anzuregen und eine stehende Welle mit einer erwünschten Anregungsfrequenz zu erzeugen, sind die Anregungsmittel, beispielsweise die piezoelektrischen Elemente, im Allgemeinen an einem oder mehreren Knotenpunkten angeordnet. In einer stehenden Welle ist ein Knoten immer λ/4 von einem Anti-Knoten entfernt. Da es wünschenswert ist, den piezoelektrischen Abschnitt an einem Amplitudenknoten in einem Stapel, der bei einer vorher ausgewählten Frequenz f_x mit der damit verbundenen Wellenlänge λ_x betrieben wird, die eine Harmonische der Grundfrequenz f₀ des Stapels ist, anzuordnen, kann der piezoelektrische Bereich in einer Entfernung von etwa λ_x/4 von einem jeden Ende des Stapels angeordnet sein.
Wo der Stapel mit der Grundfrequenz oder einem ungeraden ganzzahligen Mehrfachen der Grundfrequenz angeregt wird, wird die in dem Stapel erzeugte stehende Welle einen Knoten in einer Entfernung von λ₀/4 von einem jeden Ende des Stapels und in Intervallen von λ₀/2 jenseits dieses Punktes aufweisen. Deshalb kann, wenn die erwünschte Anregungsfrequenz die Grundfrequenz oder ein ungerades Vielfaches der Grundfrequenz ist, der piezoelektrische Bereich in einer Entfernung von Aλ₀/4 von einem jeden Ende des Stapels positioniert sein, wobei A irgendeine ungerade ganze Zahl ist. Das Positionieren des piezoelektrischen Abschnittes in einer Entfernung von Aλ₀/4 von einem jeden Ende des Stapels, wobei A eine ungerade ganze Zahl ist, weist den Vorteil auf, dass der Betreiber selektiv den piezoelektrischen Bereich bei der Grundfrequenz des Instrumentes oder bei irgendeinem ungeradzahligen Mehrfachen der Grundfrequenz antreiben kann. Alternativ kann der Stapel so konstruiert sein, dass er mit einer spezifischen Frequenz oder einer harmonischen Frequenz, die verschieden ist von einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz, angetrieben wird. In diesem Falle kann der piezoelektrische Abschnitt an irgendeinem Knoten der stehenden Welle angeordnet sein, die durch das Anregungssignal erzeugt wird. Da Knoten immer in einer Entfernung von Aλ_e/4 angeordnet sind, wobei A irgendeine ungerade ganze Zahl und λ_e die Anregungsfrequenz ist, kann der piezoelektrische Abschnitt an Aλ_e/4 von einem jeden Ende des Stapels angeordnet sein. Deshalb werden die Knoten der stehenden Welle bei λ_0/4x angeordnet sein, wenn die Anregungsfrequenz f_e das X-fache der Grundfrequenz ist.
In einem Stapel mit einer Länge von λ/2 wird eine stehende Welle mit einer Wellenlänge von λ einen Amplitudenknoten in einer Entfernung von etwa λ/4 von dem Ende des Stapels aufweisen. Da es im Allgemeinen vorteilhaft ist, den piezoelektrischen Abschnitt an einem Punkt anzuordnen, wo ihre Amplitude der stehenden Welle ein Minimum aufweist, würde der piezoelektrische Abschnitt in einem Stapel mit einer Wellenlänge von λ/2 normalerweise in der Mitte des Stapels angeordnet sein, einer Entfernung von etwa λ/4 von einem jeden Ende des Stapels. In einem Stapel, der länger als λ/2 ist, kann der Stapel ein ganzes ungeradzahliges Mehrfaches von λ/2 sein (d. h. λ, 3λ/2, 5λ/2, 7λ/2 ... Aλ/2).
In 1 stellt λ₀ die Wellenlänge der Grundfrequenz f₀ dar. Wie 1 veranschaulicht, ist die Mitte des piezoelektrischen Abschnittes 50 etwa eine viertel Wellenlänge (λ₀/4) vom ersten Ende 12 des konischen Resonators 20 entfernt. Weiterhin ist die Stufenverbindung 25 etwa eine viertel Wellenlänge (λ₀/4) von der Mitte des piezoelektrischen Abschnittes 50 entfernt. In einem herkömmlichen Stapel weisen die Resonatoren einen gleichförmigen Durchmesser auf, der im Wesentlichen gleich dem Durchmesser der piezoelektrischen Elemente ist. Die physikalische Länge der Resonatoren in einem Stapel wird eine Funktion einer Anzahl von Variablen sein, einschließlich der Stärke des piezoelektrischen Abschnittes, der Masse des in den Resonatoren verwendeten Materials und der Grundfrequenz des Stapels. Die Länge der Resonatoren ist jedoch so ausgewählt, dass der Stapel in 1 etwa eine halbe Wellenlänge (λ/2) lang ist.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform wird das elektrische Signal durch den Signaldraht 16 bereitgestellt und umfasst wenigstens ein erstes und ein zweites Anregungssignal. Die Frequenz f₁ des ersten Anregungssignals ist ein ungerades ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz f₀ (z. B. f₀, 3f₀, 5f₀, 7f₀ ...). Die Frequenz f₂ des zweiten Anregungssignals ist auch ein ungerades ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz f₀, wobei f₂ nicht gleich f₁ ist. Der piezoelektrische Bereich 50 wird somit mit f₁ und f₂ angeregt und erzeugt stehende akustische Wellen im Stapel 10 mit f₁ und f₂. Als ein Ergebnis weist die akustische Leistung, die durch die chirurgische Spitze 40 auf das umgebende Gewebe übertragen wird, eine erste Komponente mit f₁ und eine zweite Komponente mit f₂ auf. In der Ausführungsform von 1 ist die Stromversorgung, die in 6 dargestellt ist, so konstruiert, dass elektrische Anregungssignale mit sowohl f₁ als auch f₂ erzeugt werden, so dass die mit f₁ abgegebene akustische Leistung im Wesentlichen gleich oder größer der mit f₂ abgegebenen Leistung ist. Alternativ ist die mit f₁ abgegebene Leistung innerhalb von 75% der mit f₂ abgegebenen Leistung. Alternativ kann die mit f₁ abgegebene Leistung eingestellt werden bezüglich der mit f₂ abgegebenen Leistung. Die in 1 beschriebenen und dargestellten Elemente können in geeigneter Weise für spezielle Anwendungen dimensioniert werden, indem die oben angegebenen Größen durch irgendwelche ganze Zahlen multipliziert werden.
In 2 weist der Stapel 110 eine Länge von etwa λ₀ auf, wobei λ₀ die Wellenlänge der Grundfrequenz f₀ darstellt. In 2 sind die piezoelektrischen Abschnitte 150 und 162 an Knotenpunkten angeordnet. Wie in 2 dargestellt, ist das Zentrum des piezoelektrischen Abschnittes 150 in etwa eine viertel Wellenlänge (λ₀/4) vom Ende 112 des Resonators 120 entfernt. Weiterhin ist die Stufenverbindung 125 etwa eine viertel Wellenlänge (λ₀/4) vom Zentrum des piezoelektrischen Abschnittes 162 entfernt. Die piezoelektrischen Abschnitte 150 und 160 sind etwa eine halbe (λ/2) Wellenlänge voneinander entfernt. Die physikalische Länge der Resonatoren 150 und 162 und des zentralen Abschnittes 145 in einem Stapel werden eine Funktion einer Anzahl von Variablen sein, einschließlich der Stärke des piezoelektrischen Abschnittes, der Masse des in den Resonatoren verwendeten Materials und der Grundfrequenz des Stapels an der Spitze. Die Länge des zentralen Abschnittes und des Resonators sind jedoch so ausgewählt, dass der Stapel in 2 etwa eine Wellenlänge (λ₀) lang ist.
In der in 2 dargestellten Ausführungsform umfasst das durch den Signaldraht 116 bereitgestellte elektrische Signal wenigstens erste und zweite elektrische Anregungssignale. Die Frequenz f₁ des ersten Anregungssignals ist ein ungerades ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz f₁ (z. B. f₀, 3f₀, 5f₀, 7f₀ ...). Die Frequenz des zweiten Anregungssignals ist auch ein ungerades ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz f₀, wobei f₁ nicht gleich f₂ ist. In der in 2 dargestellten Ausführungsform regt das Anregungssignal f₁ die piezoelektrischen Elemente in dem ersten piezoelektrischen Abschnitt 110 an und das Anregungssignal f₂ die piezoelektrischen Elemente in dem zweiten piezoelektrischen Abschnitt 162 anregt. In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist die in 7 dargestellte Stromversorgung so konstruiert, dass sie elektrische Anregungssignale mit sowohl f₁ als auch f₂ bereitstellt, so dass die mit f₁ abgegebene akustische Leistung im Wesentlichen gleich der Leistung ist, die bei f₂ abgegeben wird. Alternativ ist die mit f₁ abgegebene Leistung innerhalb von 75% der mit f₂ abgegebenen Leistung.
Alternativ kann die mit f₁ abgegebene Leistung bezogen auf die mit f₂ abgegebene Leistung eingestellt werden.
In der in 2 dargestellten Ausführungsform sind der erste 150 und zweite 162 piezoelektrische Abschnitt etwa λ_0/4 vom ersten Ende 112 bzw. der Verbindung 125 angeordnet. Alternativ können, wie hierin beschrieben, die piezoelektrischen Abschnitte 150 und 162 an irgendeinem Knotenpunkt der Grundfrequenz angeordnet sein. Indem ein Knotenpunkt der Grundfrequenz ausgewählt wird, wird eine stehende Welle erzeugt, wenn der piezoelektrische Abschnitt mit irgendeiner ungeraden ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz angeregt wird. Somit kann ein einzelner Stapel verwendet werden, um die chirurgische Spitze mit einer oder mehreren derartigen ungeraden ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz anzutreiben. Wenn jedoch die Spitze mit einer Harmonischen angetrieben werden soll, die keine ungerade ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz ist, muss der Ort des piezoelektrischen Bereiches gemäß der Position der Knoten der stehenden Welle der ausgewählten Frequenz ausgewählt werden, wie hierin beschrieben. Deshalb kann in einer Ausführungsform eines Stapels, worin die Position des piezoelektrischen Abschnittes so ausgewählt ist, dass sie mit einem Knotenpunkt bei der Anregungsfrequenz zusammenfällt, der piezoelektrische Abschnitt in einer Entfernung Aλ_e/4 von einem jeden Ende des Stapels angeordnet werden, wobei A eine ungerade ganze Zahl ist und λ_e die Wellenlänge der Anregungsfrequenz f_e ist. Wo mehrere Anregungssignale an getrennten piezoelektrischen Abschnitten angelegt werden, kann ein jeder piezoelektrischer Abschnitt in einer Entfernung Aλ_e/4 von einem jeden Ende des Stapels angeordnet sein, wobei A eine ungerade ganze Zahl und λ_e die Wellenlänge der Anregungsfrequenz f_e von dem speziellen piezoelektrischen Abschnitt ist. Die oben beschriebenen und in 2 dargestellten Elemente können in geeigneter Weise für besondere Anwendungen dimensioniert werden, indem die oben angegebenen Größen mit irgendeiner ganzen Zahl multipliziert werden.
3 ist eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die piezoelektrischen Abschnitte in einer Entfernung von etwa λ₀/8 und λ₀/4 vom proximalen Ende des Stapels entfernt angeordnet sind. Das in 3 dargestellte Instrument ist im Wesentlichen identisch mit dem in 2 dargestellten Instrument und die Diskussion der Elemente in 2 gilt für ähnliche Elemente in 3. In der in 3 dargestellten Ausführungsform umfasst das durch den Signaldraht 316 bereitgestellte elektrische Signal wenigstens ein erstes und ein zweites elektrisches Anregungssignal. Die Frequenz f₁ des ersten Anregungssignals ist ein gerades ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz f₀ (z. B. f₀, 2f₀, 4f₀, 6f₀ ...). Die Frequenz des zweiten Anregungssignals ist ein ungerades ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz f₀, wobei f₁ nicht gleich f₂ ist. In der in 3 dargestellten Ausführungsform regt das Anregungssignal f₁ die piezoelektrischen Elemente in dem ersten piezoelektrischen Abschnitt 350 und das Anregungssignal f₂ die piezoelektrischen Elemente in dem zweiten piezoelektrischen Abschnitt 362 an. In der in 3 dargestellten Ausführungsform ist die in 7 veranschaulichte Stromquelle so konstruiert, dass sie elektrische Anregungssignale mit sowohl f₁ als auch f₂ erzeugt, so dass die mit f₁ abgegebene akustische Leistung im Wesentlichen gleich der Leistung ist, die mit f₂ abgegeben wird. Alternativ ist die mit f₁ abgegebene Leistung innerhalb von 75% der mit f₂ abgegebenen Leistung. Alternativ kann die mit f₁ abgegebene Leistung hinsichtlich der mit f₂ abgegebenen Leistung eingestellt werden.
In der in 3 veranschaulichten Ausführungsform ist der piezoelektrische Abschnitt 150 etwa λ₀/8 vom ersten Ende 112 angeordnet, während der zweite piezoelektrische Abschnitt 162 in einer Entfernung von etwa λ₀/4 vom ersten Ende 112 angeordnet ist. Wenn die chirurgische Spitze mit einer Harmonischen angetrieben werden soll, die nicht ein ungerades ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz ist, muss die Stelle des piezoelektrischen Abschnittes gemäß der Position der Knoten der stehenden Welle der ausgewählten Frequenz ausgewählt werden, wie hierin beschrieben. Entsprechend kann in einer Ausführungsform eines Stapels, wo die Position des piezoelektrischen Abschnittes so ausgewählt ist, dass sie mit einem Knotenpunkt bei der Anregungsfrequenz zusammenfällt, der piezoelektrische Abschnitt in einer Entfernung von Aλ_e/8 von einem jeden Ende des Stapels entfernt angeordnet sein, wobei A ein ungerades ganzzahliges Vielfaches und λe die Wellenlänge der Anregungsfrequenz f_e für den piezoelektrischen Abschnitt ist. Wo mehrere Anregungssignale an getrennten piezoelektrischen Abschnitten angelegt werden, kann der zweite piezoelektrische Abschnitt in einer Entfernung Aλ_e/4 von einem jeden Ende des Stapels angeordnet sein, wobei A eine ungerade ganze Zahl und λ_e die Wellenlänge der Anregungsfrequenz f_e für den speziellen piezoelektrischen Abschnitt ist. Die oben beschriebenen und in 3 dargestellten Elemente können in geeigneter Weise für besondere Anwendungen dimensioniert werden, indem die oben angegebenen Größen mit irgendeiner ganzen Zahl multipliziert werden.
4 veranschaulicht eine Reihe von Anregungswellenformen. 4(a) veranschaulicht eine erste sinusförmige Anregungswellenform, die eine Frequenz von, beispielsweise, 25 kHz aufweisen kann. 4(b) veranschaulicht eine zweite sinusförmige Anregungswellenform, die eine Frequenz von, beispielsweise, 50 kHz aufweisen kann. Die in 4(a) und 4(b) dargestellten sinusförmigen Signale weisen in etwa eine gleiche Größe auf. 4(c) veranschaulicht eine Wellenform, die die algebraische Summe der Anregungssignale in 4(a) und 4(b) darstellt. Somit wird, indem die piezoelektrischen Elemente in einem Bereich 50 von 1 mit der Grundfrequenz, beispielsweise der in 4(a) dargestellten sinusförmigen Anregungswellenform, und einer zweiten oder höheren Harmonischen der Grundfrequenz, z. B. die sinusförmige Anregungswellenform, wie in 4(b) dargestellt, angetrieben werden, die chirurgische Spitze 40 mit beiden Frequenzen angeregt werden.
5 veranschaulicht, wie die Stelle eines piezoelektrschen Abschnittes für eine besondere Frequenz λ_x ausgewählt werden kann. In 5 können die piezoelektrischen Bereiche bei λ_x/4, 3λ_x/4 etc. angeordnet sein, die zu den Knotenpunkten für die mit f_x erzeugte Wellenform korrespondieren.
6 veranschaulicht ein Kontrollsystem zur Verwendung mit den in 1 dargestellten Instrumenten. In 6 umfasst der Stapel 610 einen Satz aktiver Elemente (612), die elektrisch mit dem Impedanzanpassungsschaltkreis 609 gekoppelt sind. Der Leistungsverstärker 608 empfängt ein Signal von dem Summierer 607 und gibt ein verstärktes Antriebssignal an den Anpassungsschaltkreis 609 heraus. Der Summierer 607 addiert die Signale f₁ von dem ersten Oszillator 605 und f₂ von dem zweiten Oszillator 606. Die Rückkopplungsschleife 611 liefert einen Eingang für den ersten Amplitudenkontrollschaltkreis 601 und den zweiten Amplitudenkontrollschaltkreis 603 und, zusätzlich, für den ersten Frequenzkontrollschaltkreis 602 und den zweiten Frequenzkontrollschaltkreis 604, die den ersten Oszillator 605 bzw. den zweiten Oszillator 606 antreiben.
7 veranschaulicht einen Kontrollschaltkreis zur Verwendung mit den in den 2 und 3 dargestellten Instrumenten. In 6 umfasst der Stapel 710 zwei Sätze aus aktiven Elementen 713 und 714, die elektrisch mit getrennten Impedanzanpassungsschaltkreisen 709 und 712 gekoppelt sind. Die Leistungsverstärker 707 und 708 erhalten Signale von den Oszillatoren 705 bzw. 706 bzw. Ausgabe-amplifizierte Antriebssignale an die Anpassungsschaltkreise 712 bzw. 709. Der Oszillator 705 liefert ein Signal f₁ an den Verstärker 707. Der Oszillator 706 liefert ein Signal f₂ an den Verstärker 708. Die Rückkopplungsschleife 711 liefert einen Eingang an den Verstärkungskontrollschaltkreis 701 und die Frequenzkontrolle (702), die den Oszillator 705 antreiben. Die Rückkopplungsschleife 715 liefert einen Eingang an den Amplitudenkontrollschaltkreis 703 und den Frequenzkontrollschaltkreis 704, der den Oszillator 706 antreibt.
Es wird von den Fachleuten anerkannt werden, dass viele Anregungsquellen, z. B. Generatoren, keine sauberen Sinuswellenformen wie die in 4 dargestellte Wellenform produzieren. Wo das Antriebssignal keine saubere sinusförmige Wellenform ist, wird das Anregungssignal sowohl die Grundfrequenz als auch eine oder mehrere harmonische Frequenzen enthalten. Bei derartigen Signalen sind die harmonischen Elemente hinsichtlich ihrer Größe wesentlich geringer als die Grundfrequenz (z. B. üblicherweise weniger als 25% der Leistung der Grundfrequenz), was eine Spitzenauslenkung bei einer Harmonischen verglichen mit der Spitzenauslenkung, die sich aus der Grundanregung ergibt, vergleichsweise gering macht. Indem die Harmonischen des Anregungssignals bei einem Signalniveau bewusst angetrieben werden, das 50% oder mehr und bevorzugterweise gleich dem Signalniveau der Grundfrequenz ist, wird die Größe der Spitzenauslenkung bei den harmonischen Frequenzen wesentlich erhöht, was bestimmte Qualitäten des Instrumentes wesentlich verbessert. Z. B. können die hämostatischen Eigenschaften des Instrumentes, wo das Instrument als ein mit der Grundfrequenz angetriebenes Messer verwendet wird, verbessert werden, indem die Größe des Anregungssignals bei der ersten oder zweiten Harmonischen der Grundfrequenz erhöht wird.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf ein chirurgisches Ultraschallinstrument mit einem Übertragungsstab und einer schneidenden oder sezierenden chirurgischen Spitze veranschaulicht und beschrieben worden ist, wird für die Fachleute offensichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung die Form einer Anzahl von anderen chirurgischen Ultraschallinstrumenten einnehmen kann. Die vorliegende Erfindung kann, beispielsweise, eine chirurgische Ultraschallschere oder ein Ultraschalltrokar sein. Zusätzlich könnte die vorliegende Erfindung ein Ultraschallkauterisierungswerkzeug sein. Somit kann das hierin beschriebene chirurgische Instrument eine Vielzahl von chirurgischen Ultraschallwerkzeugen, einschließlich der hierin beschriebenen, darstellen.
Während bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hierin gezeigt und beschrieben worden sind, wird für die Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass derartige Ausführungsformen nur als Beispiele angegeben werden. Viele Variationen, Änderungen und Substitutionen werden für die Fachleute innerhalb des Umfanges der beigefügten Ansprüche offensichtlich sein.

Claims

Chirurgisches Ultraschallinstrument (14) umfassend: einen ersten von einem oder zwei piezoelektrischen Abschnitten (50) zwischen einem ersten (20) und einem zweiten (30) Resonator; und eine Stromquelle, die mit dem piezoelektrischen Abschnitt verbunden ist; wobei: die Stromquelle den piezoelektrischen Abschnitt gleichzeitig mit einem Anregungssignal versorgt, das wenigstens ein erstes Signal mit einer ersten Frequenz und ein zweites Signal mit einer zweiten Frequenz umfasst, so dass die Resonatoren mit zwei Anregungsfrequenzen in Resonanz sind; und die ersten und zweiten Signale mit einer ersten bzw. zweiten Eingangsleistung bereitgestellt werden; dadurch gekennzeichnet, dass: die zweite Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der ersten Frequenz ist; und die Eingangsleistung des zweiten Signals größer als oder gleich 50% der Eingangsleistung des ersten Signals ist, so dass die Eingangsleistungen der zwei Anregungssignale das Instrument in die Lage versetzen, eine kombinierte Schneid- und Koagulationswirkung bereitzustellen.
Ultraschallinstrument nach Anspruch 1, wobei die zweite Frequenz in etwa zweimal die erste Frequenz ist.
Ultraschallinstrument nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verhältnis der Eingangsleistungen nicht größer als 2 : 1 ist.