DK171113B1 - Apparat til fjernelse af biologisk væv og med en ultrasonisk vibrerende sonde, samt fremgangsmåde til fremstilling af apparatet - Google Patents

Description

DK 171113 B1

Den foreliggende opfindelse angår et apparat til fjernelse af biologisk væv med en ultrasonisk vibrerende sonde, hvilket apparat iøvrigt er af den i indledningen til krav 1 angivne art. Opfindelsen angår tillige en fremgangs-5 måde til fremstilling af en foretrukken udformning af appa-ratet.

Et apparat af denne art er kendt fra USA-patent nr. 5.069.664. Med henblik på at gøre dimensionerne af de komponenter, hvoraf transduceren består, så små, at apparatet, 10 hvori transduceren indgår, kan indføres som en del af et kateter f.eks. i de blodkar, der omgiver det menneskelige hjerte, er de piezoelektriske elementer udformet som langstrakte, plane elementer, der er placeret på langs i appara-tets hus og med sidefladerne forløbende parallelt med son-15 dens akse. Ved det kendte apparat er de piezoelektriske krystaller forsynet med en vibrationsoverførende forbindelse til det som anker udformede koblingselement, f.eks. i form af en epoxyklæbning, men det er ikke nødvendigvis tilfældet, at en anden modsvingende del af piezokrystallerne er forank-20 ret til huset eller en anden masse. Det er derfor et udgangspunkt for den kendte konstruktion, at piezokrystallerne skal tjene det dobbelte formål dels at tilvejebringe de fornødne vibrationer, dels at virke som kontramasse i det svingende system. På grund af det dobbelte formål bliver kry-25 stallerne på trods af miniaturiseringen både forholdsvis lange og udstyret med et forholdsvis stort tværsnit i forhold til den svingningsenergi, de kan afgive. Yderligere er de akustiske forhold for det svingende system på grund af den valgfri eller delvise forankring af de piezolektriske 30 elementer til huset ubestemte, og dermed bliver virkningsgraden eller udnyttelsen af den tilførte elektriske energi vanskelig at kontrollere. Apparatet lader sig derfor næppe indsætte ved specielle opgaver, såsom øjenoperationer, hvor forholdsvis hårdt væv skal knuses, og hvor man af forsigtig-35 hedsårsager ikke må anvende mere energi end absolut nødvendigt på grund af risikoen for at fjerne mere væv end påkrævet.

Formålet med opfindelsen er at anvise et apparat, 2 DK 171113 B1 hvor den til transduceren tilførte energi omsættes meget effektivt og tilsvarende effektivt overføres til det svingende system, således at dimensionerne for et apparat med en given effekt kan reduceres, samt hvor selve huset på veldefineret 5 måde lader sig anvende som kontramasse.

Apparatet ifølge opfindelsen tilgodeser dette formål og er ejendommeligt ved det i den kendetegnede del af krav 1 angivne.

Ved apparatet ifølge opfindelsen udnyttes piezokry-10 stallerne i shear mode, i hvilken alle dele af krystallen påvirkes på ensartet måde, og hvor man derfor opnår et ensartet kraftforløb i krystallen med ringe sandsynlighed for, at dele af krystallerne overbelastes selv ved de ved høje frekvenser forekommende store accelerationer. Endvidere an-15 vendes krystallens største sideflader til overførsel af vibrationsenergien til ankeret, respektive til kontramassen, der eventuelt kan indgå som en del af apparatets hus. Den ved opfindelsen opnåede kombination af en effektiv udnyttelse af det piezoelektriske materiale og den effektive over-20 førsel af vibrationerne til ankeret muliggør en yderligere miniaturisering i forhold til det kendte apparat eller tillader indbygning i et hus med en meget slank udformning. Det sidstnævnte er ef særlig betydning ved anvendelse af apparatet til kritiske kirurgiske indgreb, hvor apparatet manuelt 25 skal føres med stor præcision under mikroskop. Muligheden for at formindske dimensionerne på de i tranduceren indgående komponenter gør det tillige muligt at afstemme transduceren til resonansfrekvenser i områder, som ligger over dem, som for tiden anvendes i kirurgiske apparater, og apparatet 30 ifølge opfindelsen vil derfor kunne finde anvendelse i forbindelse med operationer, hvor det er ønskeligt at arbejde med frekvenser i størrelsesordenen 50 -100 kHz.

I henhold til en foretrukken udformning af apparatet er ankeret og fortrinsvis tillige de mellem piezolegemerne 35 og bøsningen placerede segmenter fremstillet af anodiseret aluminium. Anodiseringen udgør en effektiv elektrisk isolering, som alene er i stand til at isolere for den vekselspænding, som er nødvendig til aktivering af piezoelementer- DK 171113 B1 3 ne, og som må tilføres til ledende mellemlæg anbragt mellem krystallerne og ankeret henholdssvis segmenterne.

Alternativt kan anker og eventuelt segmenterne bestå af en på aluminiumoxyd baseret keramik. Det keramiske mate-5 riale besidder både styrke og isolerende egenskaber, som er velegnede til formålet, og delene lader sig fremstille med fornøden nøjagtighed ved en forholdvis enkel støbeproces.

Også det keramiske materiale har forholdvis lav vægtfylde, hvilket i forbindelse med det med små dimensioner udformede 10 anker bidrager til opnåelse af høje resonansfrekvenser for det ved hjælp af piezolegemerne ophængte, vibrerende system, dersom dette er ønsket.

Opfindelsen angår tillige en fremgangsmåde til fremstilling af apparatet. Fremgangsmåden ifølge opfindelsen er 15 karakteriseret ved det i krav 5 angivne.

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen fremstilles der i et cylindrisk legeme et spor fra den ene endeflade med en tilstrækkelig dybde til, at det kan rumme de piezoelektriske krystaller. Inden disse indsættes med de fornødne mellemlæg 20 af elektrisk ledende materiale, anodiseres det cylindriske legeme, hvorved legemet generelt overtrækkes med et lag af elektrisk isolerende oxyder. Især forsynes de planparallelle flader af sporene med dette isolerende overtræk. Efter indsætning af krystallerne indspændes disse mellem de planpa-25 rallelle flader ved påpresning af den omspændende bøsning, og efter den sidste afkortning af legemet, hvorved den del af legemet fjernes, som danner bund i sporet, bliver de piezoelektriske krystaller den eneste forbindelse mellem den omspændende bøsning og ankeret, som fremkom som den tilbage-30 bievne del ved fremstillingen af det rundtgående spor.

Ved fremgangsmåden foretrækkes det, at de piezoelektriske elementer monteres med afstand fra sporets bund ved påsætningen af den omspændende bøsning. Ved dette arrangement vil der ved afkortningen, hvorved anodiseringen brydes 35 på de bearbejdede flader, kunne opnås en passende afstand mellem disse flader og piezoelementerne, således at isoleringen mellem piezoelementerne og ankeret på den ene side og bøsningen på den anden ikke brydes.

DK 171113 B1 4

For at lette påsætningen af den omspændende bøsning til sammenspænding af de planparallelle spor omkring piezoe-lementerne foretrækkes det ifølge opfindelsen, at det rundt-gående spor forsynes med udvidelser, som gennembryder side-5 væggene mellem de planparallelle partier. Disse gennembryd-ninger kan være ganske smalle, således at der mellem de afsnit, der danner de planparallelle spor, står vægafsnit tilbage, der kan rumme tilstrækkeligt gods til at kunne indeholde kanaler til transport af væske forbi ankeret.

10 I henhold til opfindelsen fremstilles sporet ved gnistbearbejdning, idet denne fremstillingsmåde giver den fornødne frihed til udformning af det rundtgående spor og navnlig friheden til at lade de tilbageblivende vægpartier udforme med fortykkelser og lignende til gennemføring af 15 væskekanaler.

Opfindelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningen, på hvilken:

Fig. 1 viser et apparat ifølge opfindelsen set fra siden og med sonden antydet med punkterede linier, 20 fig. 2 viser et snit gennem apparatets forreste del langs linien II-II på fig. 3, fig. 3 viser et aksialsnit gennem apparatets forreste del med ankeret og dets lejring, fig. 4 viser i skrå afbildning et stadium under frem-25 stillingen af apparatet inden monteringen af de piezoelektriske krystaller i sporene i aluminiumslegemet, og fig. 5 viser et længdesnit gennem ankeret og dets lejring, inden ankeret adskilles fra de med bøsningen forbundne dele af aluminumlegemet.

30 Det på fig. 1 fra siden viste apparat 1 er fortrins vis anvendeligt til fjernelse af biologisk væv f.eks. ved øjenoperationer. Ved sådanne operationer fjernes f.eks. den på grund af stær uklare linse ved hjælp af en rørformet vibrerende sonde 2, der på f iguren er antydet med punkterede 35 linier. Sonden 2 bringes ved hjælp af en ultrasonisk vibrator, der er anbragt i apparatets forreste del 3, til at udføre aksiale vibrationer i frekvensområdet 25 til 100 kHz. Apparatet er på dets hus forsynet med en tilgang 4, gennem DK 171113 B1 5 hvilken der kan fremføres en biologisk saltopløsning, som føres frem til apparatets forreste del, på hvilken der er påsat en tilspidset kappe 5, i hvilken den med indføringen 4 forbundne kanal udmunder. Ved vibrationen findeler sonden 2 5 det biologiske væv og opslemmer det i saltopløsningen, hvorefter det gennem den hule sonde kan suges bort gennem afgangsstudsen 6. Apparatet er ved dets bageste ende forsynet med en elektrisk tilslutning 7 til en generator for højfrekvente elektriske svingningsimpulser, der er således afstemt 10 i forhold til vibratorens resonansfrekvens, at det af vibratorens anker og sonden bestående system bringes til at vibrere ved den afstemte frekvens. Apparatets hus danner håndtag for styring af sonden, og det er derfor udformet som et slankt rør 8, der indvendigt desuden er belastet med et 15 lod 9 på et passende sted, således at apparatet falder bekvemt i hånden og kan styres omtrent som en blyant.

Det for apparatet ifølge opfindelsen særegne er den forreste del 3, der indeholder vibratoren, som er i stand til dels at overføre en betydelig energi til vibratorens an-20 ker, dels udmærker sig ved at være særdeles kompakt. Den kompakte udformning af vibratoren er grundlaget for, at apparatet kan udføres som et slankt instrument med en diameter af størrelsesordenen ca. 10 mm, hvilket gør apparatet bekvemt at håndtere. Udformningen af vibratoren fremgår af 25 fig. 2 og 3, der henholdsvis viser et tværsnit og et aksi-alsnit gennem apparatet ifølge opfindelsen.

Vibratoren 3, som på fig. 2 er vist i tværsnit, omfatter en ringformet bøsning 10, som holder selve vibratoren sammenspændt. Vibratoren har et anker 11, der i den viste 30 udformning har et trekantet tværsnit, og mod hvis sideflader der hviler tre piezoelektriske legemer 12. Mellem de piezo-elektriske legemer 12 og bøsningen er der indskudt tre udfyldende segmenter 13. De piezolelektriske legemer 12 har en sådan krystalstruktur, at de ved påtrykning af en elektrisk 35 spænding mellem de to flader, med hvilke de hviler mod henholdsvis ankeret li og udfyldningssegmenterne 13, skaber en forskydning i ankerets længderetning. Mellem ankeret 11 og hvert af de enkelte piezolegemer 12 er der indskudt dels et 6 DK 171113 B1 isolerende lag, dels en elektrisk ledende plade 14. Det isolerende lag er tilvejebragt ved at ankeret, der fremstilles af aluminium af en passende hård og stærk legering, forsynes med en anodisering, medens den ledende plade 14 blot er en 5 metalfolie f.eks. rustfri stålfolie. Mellem de piezoelek-triske legemer og udfyldningslegemerne er der på tilsvarende måde indlagt en elektrisk ledende plade 15 og et isolerende lag. Udfyldningslegemerne er på tilsvarende måde som ankeret fremstillet af anodiseret aluminium, idet anodiseringen dan-10 ner det isolerende lag. I området mellem de enkelte piezoe-lektriske legemer kan udfyldningslegemerne være forsynet med flanger 16, der eventuelt kan indeholde en udvidelse med en gennemboring 17. Gennemboringen kan tjene til fremføring af væske omkring den til ankeret fastgjorte sonde. Ankeret er 15 endvidere forsynet med en aksial gennemboring 18, der dels tjener til indskruning af sonden, dels kan tjene som returkanal for den væske, der bortsuges gennem den hule sonde.

Fig. 3 viser et længdesnit gennem vibratoren ifølge fig. 2. Bøsningen 10 er indrettet til fastgørelse til huset 1 og er 20 derfor forlænget så meget, at en fri ende kan fastgøres i en reces 19 på husets forreste ende. Den ringformede bøsning 10 har forrest en krave 20, der danner anslag ved indsætning af vibratorens komponenter ved fremstillingen, og som letter påsætningen af kappen. Kraven 20 beskytter endvidere en 25 elastisk tætning 21, som hindrer væske, som tilføres omkring sonden, i at kortslutte mellem de ledende plader på de pie-zoelektriske legemer 12. Gennem kanalen 17 er der ført et rør 22, der udmunder foran kraven 20, og som anvendes til fremføring af en saltopløsning til området omkring sonden.

30 Sonden indsættes i den centrale boring 18 i ankeret og fastspændes mod ankerets forside, på hvilken der kan være placeret en rørformet studs 23. Den rørformede studs 23 udgør sammen med en muffe 24 til den egentlige fastspænding af sonden en mulighed for tuning af resonansfrekvensen af sy-35 stemet bestående af anker 11, sonde 2 og muffe 24 gennem tilføjelse af masser og/eller indsnævring af tværsnit til dannelse af svingningsknuder i systemet, således at frekvensen svarer til den vibrationsfrekvens, man ønsker at ar- DK 171113 B1 7 bejde ved, f.eks. 60 kHz.

Fremstillingen af vibratoren kan ifølge opfindelsen med fordel ske ved følgende fremgangsmåde: I et cylindrisk legeme 30 af aluminium fremstilles 5 der ved gnistbearbejdning et rundtgående spor 31 med en form, der tilnærmelsesvis svarer til en trekant som vist på fig. 4. Sporet fremstilles med en dybde, der er noget større end højden af de piezoelektriske elementer, som vibratoren skal forsynes med. Sporet 31 udformes med tre afsnit med 10 modstående planparallelle vægge 32 med en indbyrdes afstand, der netop er stor nok til, at et piezoelektrisk legeme 33 kan indsættes i sporet med en metallisk folie på hver side. Ved fremstillingen af sporet bliver der et trekantet prisme 34 stående i midten, hvilket prisme, når vibratoren er fær-15 dig, skal blive dens anker. Det er hensigtsmæssigt, at det cylindriske legeme inden fremstillingen af det rundtgående spor afdrejes på endefladerne, således at de fremstående cylindriske studse kan fremstilles, medens legemet har den fornødne stivhed. I områderne mellem de med planparallelle 20 vægge forsynede afsnit efterlades forholdsvis tyndvæggede afsnit af legemet, men der er dog plads til fortykkelser, gennem hvilke der kan udføres boringer 36, hvorigennem rør til fremføring af væske eller ledninger kan føres. De tyndvæggede afsnit gennembrydes med et smalt snit 37, der gør 25 det muligt at sammenpresse de tre derved adskilte partier af legemet 30 ved påpresning af en stram bøsning, der sammenpresser de planparallelle flader mod siderne af de i sporene indsatte piezoelektriske legemer 33. Inden disse legemer indsættes, underkastes aluminiumslegemet en anodisering, 30 hvorved der på overfladen dannes et lag af aluminiumoxyder, som udgør en effektiv elektrisk isolering. En særlig egenskab ved anodiseringen er, at laget på enkel måde opnår en ensartet tykkelse, hvorved tolerancerne af de sporafsnit, hvori de piezoelektriske legemer indsættes, ikke ændrer sig 35 efter den mekaniske bearbejdning. Fig. 5 viser vibratoren efter påsætning af bøsningen i aksialsnit. Det ses, at de piezoelektriske legemer ikke når helt frem til bunden af sporet, men at der ved bunden af sporet er et mellemrum 38.

DK 171113 B1 8

Ved påsætningen af bøsningen er vibratorens anker 34 blevet fastspændt mellem de tre piezoelektiske legemer 33, og vibratoren udgør en samlet enhed. For at gøre ankeret i stand til at udføre en højfrekvent svingning i aksial retning 5 mangler man blot at udføre en udstikning af et spor i endevæggen til fjernelse af det på fig. 5 krydsskraverede materiale 39. Mellem ankeret og bøsningen, der fortrinsvis er forsynet med en krave, anbringes der en elastisk masse af f.eks. silikonegummi. De elektrisk ledende plader på siderne 10 af de piezoelektriske legemer er forsynet med fremstående flige 40,41, der tjener som terminaler for den vekselspænding, der skal drive vibratoren. Vibratoren er nu i alt væsentligt klar til montering i røret 8.

Den ovenfor beskrevne vibrator er forsynet med tre 15 piezoelektriske legemer, hvilket i de fleste tilfælde må anses for det mest hensigtsmæssige. Opfindelsen er dog ikke begrænset til vibratorer med tre piezoelektriske krystaller. Der kan på helt analog måde fremstilles vibratorer med mere end tre legemer, f.eks. fire, omend en forøgelse af antallet 20 stiller større fordringer til fremstillingstolerancerne ved fremstillingen af det rundtgående spor. Tilsvarende kan der inden for opfindelsens rammer fremstilles vibratorer med kun to piezolegemer. Ankeret vil da ikke få form som et regulært prisme, men som et i forhold til et plan gennem sondens akse 25 symmetrisk legeme med to lige store sideflader, mod hvilke de to piezolegemer hviler. De to lige store sideflader vil være forbundet med to andre sideflader, som ikke behøver at være plane, men som kan udformes således, at der opstår passende åbninger gennem vibratoren til fremføring af saltop-30 løsningen. Et apparat med kun to piezoelementer kan tillige være udformet således, at vibrationen finder sted i en retning, der forløber vinkelret på sondens akse. I forhold til den normale udformning, hvor piezoelementernes forskydningsretning forløber parallelt med sonden, drejes disse 90° i 35 deres eget plan. Vibratorer, der virker vinkelret på sondens retning fordrer en særlig omhyggelig udformning af sonden, idet denne skal udformes således, at den inducerede vibration transmitteres til sondens aktive spids.

DK 171113 B1 9

Som ovenfor beskrevet forudsætter den foretrukne fremgangsmåde ved fremstilling af vibratoren, at ankeret fremstilles af aluminium. Andre metalliske materialer kan anvendes, men fordelen ved, at det isolerende overfladelag 5 kan tilvejebringes ved en anodisering, går derved tabt. Det forudsættes imidlertid ikke ved apparatet ifølge opfindelsen, at ankeret og udfyldningslegemerne er fremstillet af metal. I henhold til en alternativ udformning ifølge opfindelsen er anker og fortrinsvis tillige udfyldningslegemerne 10 fremstillet af keramik på basis af aluminiumoxyd. Dette materiale vil på samme måde som den anodiserede aluminium besidde elektrisk isolerende egenskaber, hvorved andre forholdsregler til isolering mod den vekselspænding, som driver vibratoren, overflødiggøres.

15

Claims (8)

1. Apparat til fjernelse af biologisk væv med en aksi-5 alt, ultrasonisk vibrerende sonde (2) , hvilket apparat (1) omfatter et langstrakt hus, der forløber i forlængelse af sondens akse, og som udvendigt kan være udformet som et håndgreb, samt som indeholder en lejring for en piezoelek-trisk transducer, med et anker (11), til hvilket der er 10 fastgjort plane, piezoelektriske elementer (12) på vibrationsoverførende måde, og hvor disse elementer er placeret parallelt med sondens akse, kendetegnet ved, at de piezoelektriske elementer (12) med i det væsentlige hele den flade, der vender mod 15 sondens akse med mellemlæg af en ledende plade (14), er i anlæg med en plan sideflade på ankeret (11), og med i det væsentlige hele den sideflade, der vender bort fra aksen, med mellemlæg af en ledende plade (15), er i anlæg med en plan flade på et segment (13), hvis krumme flader sammen med 20 segmenter for de øvrige piezoelementer danner en med i det mindste med tilnærmelsesvis cirkulært tværsnit forsynet cylinderflade, der er omspændt af et bøsningsformet afsnit af huset eller en med huset forbundet bøsning (10).

2. Apparat ifølge krav 1, 25 kendetegnet ved, at ankeret (11) og fortrinsvis tillige mellemlægssegmenterne (13) er fremstillet af anodi-seret aluminium.

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at ankeret (11) og fortrinsvis 30 mellemlægssegmenterne (13) er fremstillet af aluminiumoxyd.

4. Apparat ifølge krav 1, 2 eller 3, kendetegnet ved, at ankeret (11) er et regulært tre- eller firesidet prisme.

5. Fremgangsmåde til fremstilling af et apparat (1) 35 ifølge krav 1 eller krav 2, hvilket apparat omfatter en ultrasonisk sonde (2) og et langstrakt hus (8), der forløber i forlængelse af sondens akse, og som indeholder en lejring for en piezoelektrisk transducer med plane piezoelektriske DK 171113 B1 11 elementer (12), som på vibrationsoverførende måde er forbundet med et anker (11), og som forløber parallelt med sondens akse, kendetegnet ved, at der i et aluminiumslegeme 5 (30) med cirkulært tværsnit forarbejdes et rundtgående spor (31), som omfatter et antal med planparallelle vægge (32) forsynede afsnit, hvis bredde netop er tilstrækkelig til indsætning af piezoelementerne (33) under mellemlæg af en elektrisk ledende plade på hver side af elementet, at alumi-10 niumslegemet anodiseres inden piezoelementerne (33) indsættes, og en legemet (30) omspændende bøsning (10) monteres, hvorefter aluminiumslegemet (30) afdrejes modsat den ende med det rundtgående spor (31) til separering af den inden for sporet (31) beliggende del (34) af aluminiumlegemet (30) 15 fra den øvrige.

6. Fremgangsmåde ifølge krav 5, kendetegnet ved, at de piezoelektriske elementer (33) er placeret med afstand fra sporets bund til dannelse af et mellemrum (38) ved monteringen af den omspændende bøs-20 ning (10).

7. Fremgangsmåde ifølge krav 5 eller 6, kendetegnet ved, at det rundtgående spor (31) forsynes med udvidelser (37), der mellem de planparallelle afsnit (32) gennembryder legemets sidevægge. 25

8. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 5-7, kendetegnet ved, at sporet fremstilles ved gnistbearbejdning. 1