ES2274605T3 - Cuchilla ultrasonica equilibrada que incluye una pluralidad de asimetrias de equilibrio. - Google Patents
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Abstract
Se describe un instrumento quirúrgico ultrasónico equilibrado en el que el instrumento ultrasónico quirúrgico equilibrado incluye una varilla de transmisión ultrasónica y una cuchilla accionada por ultrasonidos asociada al extremo distal de la varilla de transmisión ultrasónica. De acuerdo con la presente invención, la cuchilla accionada por ultrasonidos incluye una porción de tratamiento y una porción de equilibrio. La porción de tratamiento tiene una característica funcional tal como, por ejemplo, una cuchilla curvada que hace a la porción de tratamiento asimétrica. La porción de equilibrio incluye al menos una primera y segunda características de equilibrio asimétricas diseñadas y colocadas para neutralizar cualquier momento de torsión indeseable generado por la porción de tratamiento. La porción de equilibrio además se extiende generalmente desde un punto de nudo en la varilla de transmisión ultrasónica al extremo proximal de la porción de tratamiento.
Description
Cuchilla ultrasónica equilibrada que incluye una
pluralidad de asimetrías de equilibrio.
La presente invención se refiere, en general,
al campo de las cuchillas ultrasónicas curvadas para su uso en
instrumentos quirúrgicos y, más concretamente, al campo de las
cuchillas ultrasónicas equilibradas que incluyen dos o más
asimetrías de equilibrio.
Los instrumentos ultrasónicos son a menudo
utilizados en cirugía para cortar y coagular tejido. La excitación
del efector terminal (por ejemplo, cuchillas de corte) de dichos
instrumentos a frecuencias ultrasónicas induce un movimiento
vibratorio longitudinal que genera calor localizado dentro del
tejido adyacente, facilitando tanto el corte como la coagulación.
Debido a la naturaleza de los instrumentos ultrasónicos, puede
diseñarse un concreto efector terminal accionado de manera
ultrasónica para llevar a cabo numerosas funciones, incluyendo, por
ejemplo, el corte y la coagulación. La presión estructural inducida
en dichos efectores terminales mediante la vibración de la cuchilla
a frecuencias ultrasónicas puede tener una serie de efectos
indeseables. Dichos efectos indeseables pueden incluir, por
ejemplo, un movimiento transversal sustancial en la guía de ondas
del instrumento que puede conducir a, por ejemplo, un exceso de
generación de calor en la guía de ondas o a un fallo prematuro de
las tensiones estructurales. Los efectos indeseables de la vibración
de un efector terminal quirúrgico a frecuencias ultrasónicas se
exacerban cuando el efector terminal no es simétrico, esto es,
cuando la masa del efector terminal no está distribuida
simétricamente alrededor de una línea que se extiende a través del
eje geométrico central de la guía de ondas de transmisión. Por
consiguiente, una forma de mejorar el rendimiento de los efectores
terminales accionados de manera ultrasónica es diseñar unos
efectores terminales que sean sustancialmente simétricos alrededor
del eje geométrico central de la guía de ondas de transmisión.
Alternativamente, el efector terminal quirúrgico puede ser pequeño y
corto, en cuyo caso el efector terminal actuará como una pequeña
masa concentrada en el extremo de la guía de ondas de transmisión y
no inducirá un movimiento transversal sustancial en la guía de
ondas. Cuando es deseable diseñar efectores terminales que no sean
simétricos, el rendimiento puede mejorarse diseñando el efector
terminal de forma que el centro de la masa del efector terminal
esté situado a lo largo de la línea que se extiende a través del
eje geométrico central de la guía de ondas. Un procedimiento
conocido de desplazar el centro de la masa es añadir o sustraer una
masa opuesta o próxima a la zona asimétrica hasta que el centro de
la masa discurra a lo largo de un eje geométrico central. Como
alternativa adicional, el movimiento vibratorio longitudinal de la
guía de ondas puede reducirse o eliminarse utilizando guías de onda
más gruesas, más robustas, que no estén tan expuestas al movimiento
vibratorio transversal. Sin embargo, el empleo de guías de onda
gruesas puede no ser una alternativa aceptable cuando el
instrumento quirúrgico ultrasónico también se diseña para su uso en
cirugía mínimamente cruenta, como por ejemplo cirugía endoscópica o
laparoscópica. En dichos instrumentos es deseable en general
reducir el diámetro de la guía de ondas ultrasónicas con el fin de
acoplar el instrumento a través de las diminutas incisiones
quirúrgicas, de orificios corporales estrechos y a través de
trócares que actualmente se utilizan y que están siendo diseñados
con destino a intervenciones futuras. Las guías de ondas
ultrasónicas largas y delgadas, como las que se utilizan en
instrumentos de cirugía mínimanente cruenta, son particularmente
susceptibles a las vibraciones transversales inducidas por
desequilibrios en el efector terminal.
En ciertas aplicaciones, es deseable incluir una
o más características axialmente asimétricas, (por ejemplo una
curvatura de cuchilla) para potenciar el rendimiento del efector
terminal. También puede ser deseable diseñar unos efectores
terminales del tipo indicado que sean relativamente largos, con el
fin de facilitar determinadas intervenciones quirúrgicas. En dichos
efectores terminales, no siempre es posible o deseable incluir
características de equilibrio opuestas en la porción de tratamiento
con el fin de equilibrar el efector terminal alineando el centro de
la masa con el eje geométrico central de la guía de ondas de
transmisión. Sería, por consiguiente, deseable diseñar un
instrumento quirúrgico ultrasónico que incluyera una guía de ondas
y un efector terminal ultrasónico en el que las vibraciones
transversales indeseables derivadas de la inclusión de
características asimétricas beneficiosas (por ejemplo una cuchilla
curvada larga) en la porción funcional del efector terminal
hubieran sido reducidas o eliminadas. Sería así mismo ventajoso
diseñar un instrumento del tipo indicado en el que las vibraciones
transversales indeseables se hubieran reducido o eliminado sin
añadir características de equilibrio en la porción de tratamiento
del efector terminal. Sería así mismo ventajoso diseñar un efector
terminal en el que las vibraciones transversales indeseables
derivadas de la inclusión de características asimétricas
beneficiosas en la porción de tratamiento del efector terminal se
hubieran reducido o eliminado añadiendo características de
equilibrio asimétricas proximales a la porción de tratamiento del
efector terminal. Sería así mismo ventajoso diseñar un efector
terminal con un centro de masa que no estuviera sobre el eje
geométrico central de la guía de ondas de transmisión en el que un
movimiento transversal considerable no fuera inducido en la guía de
ondas por el efector terminal asimétrico.
Las características de la presente invención que
se divulgan en el documento US 5669922 han sido situadas en el
preámbulo de las reivindicaciones 1 y 5, adjuntas a la presente
memoria.
La presente invención proporciona un efector
terminal, de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 5, para obtener
un instrumento quirúrgico ultrasónico equilibrado.
La presente invención incluye un vástago de
transmisión ultrasónica y una cuchilla accionada de manera
ultrasónica fijada al extremo distal del vástago de transmisión
ultrasónica. De acuerdo con la presente invención, la cuchilla
accionada de manera ultrasónica incluye una porción de tratamiento y
una porción de equilibrio. La porción de tratamiento tiene una
característica funcional, como por ejemplo una cuchilla curvada que
convierte la porción de tratamiento en asimétrica. Dicha
característica funcional puede designarse como asimetría funcional.
La porción de equilibrio incluye al menos una primera y una segunda
características asimétricas diseñadas y situadas para contrarrestar
cualquier par de torsión indeseable generado por la porción de
tratamiento. Dichas características de equilibrio pueden designarse
como asimetrías de equilibrio y pueden incluir características
asimétricas, como por ejemplo muescas, rebajos, zonas abultadas o en
saliente. En un instrumento ultrasónico de acuerdo con la presente
invención, la porción de equilibrio se extiende genéricamente desde
un punto nodal situado sobre el vástago de transmisión ultrasónica
hasta el extremo proximal de la porción de tratamiento. En un
instrumento quirúrgico ultrasónico de la presente invención, la
primera y segunda asimetrías de equilibrio están situadas de forma
que las vibraciones transversales del vástago de transmisión
ultrasónica se reduzcan sustancialmente y pueden reducirse hasta
aproximadamente cero. Así mismo, en un instrumento quirúrgico
ultrasónico de acuerdo con la presente invención, la relación de
equilibrio de la guía de onda de transmisión puede reducirse a
menos de 1:10 y puede reducirse todavía hasta menos de 1:200.
Las características novedosas de la invención se
exponen de manera particularizada en las reivindicaciones adjuntas.
La invención misma, sin embargo, tanto por lo que respecta a la
organización como a los procedimientos operativos, junto con
objetos adicionales y ventajas de la misma, pueden entenderse de
forma óptima por referencia a la descripción subsecuente, tomada en
combinación con los dibujos que se acompañan, en los cuales:
La Figura 1 es una vista en perspectiva en
despiece ordenado de un instrumento quirúrgico ultrasónico de
acuerdo con la presente invención.
La Figura 2 es una vista lateral del extremo
distal de un montaje de transmisión ultrasónica de acuerdo con la
presente invención.
La Figura 3 es una vista desde arriba del
extremo distal de un montaje de transmisión ultrasónica de acuerdo
con la presente invención.
La Figura 4 es una vista en perspectiva del
extremo distal de una forma de realización alternativa de un montaje
de transmisión ultrasónica de acuerdo con la presente
invención.
La Figura 5 es una vista en perspectiva del
extremo distal del montaje de transmisión ultrasónica mostrado en
la Figura 4 con un plano x, y en línea de puntos trazado a través
de un centro de la línea de ondas de transmisión ultrasónica.
La Figura 6 es una vista en perspectiva de un
extremo distal del montaje de transmisión ultrasónica mostrado en
la Figura 4 con un plano x, z en línea de puntos trazado a través
del centro de la guía de ondas de transmisión ultrasónica.
La Figura 7 es una vista lateral de una forma de
realización alternativa del extremo distal del montaje de
transmisión ultrasónica mostrado en la Figura 4.
La Figura 8 es una vista desde arriba del
extremo distal del montaje de transmisión ultrasónica mostrado en
la Figura 7.
La Figura 9 es una vista en perspectiva del
extremo distal del montaje de transmisión ultrasónica mostrado en
la Figura 7.
La Figura 1 es una vista en perspectiva en
despiece ordenado de un instrumento quirúrgico ultrasónico 10 de
acuerdo con la presente invención. En la Figura 1, el efector
terminal 12 está mecánicamente acoplado a una guía de ondas de
transmisión ultrasónica 14 para constituir un montaje de transmisión
ultrasónica 11. La guía de ondas de transmisión ultrasónica 14 está
situada dentro de una vaina exterior 16 mediante el montaje de una
junta tórica 18 y de una junta de estanqueidad 20. Uno o más
amortiguadores o miembros de soporte adicionales (no mostrados)
pueden también incluirse a lo largo de la guía de ondas de
transmisión ultrasónica 14. La guía de ondas de transmisión
ultrasónica 14 está fijada a la vaina exterior 16 mediante el
pasador de montaje 21, el cual atraviesa los orificios de montaje
23 practicados en la vaina exterior 16 y en la ranura de montaje 25
de la guía de ondas de transmisión 14.
La Figura 2 es una vista lateral del extremo
distal del montaje de transmisión ultrasónica 11, que incluye el
efector terminal 12. La Figura 2 incluye así mismo un sistema de
ordenadas en el cual: el eje x discurre a lo largo del eje
geométrico central 24 de la guía de ondas de transmisión ultrasónica
14 mientras que el eje y es el eje de curvatura de la zona de
tratamiento 26. En las formas de realización de la invención
descritas en la presente memoria, el efector terminal 12 está
fijado al extremo distal de la guía de ondas de transmisión 14 al
nivel del nodo de equilibrio 22. El eje geométrico central 24 de la
guía de ondas de transmisión 14 se extiende desde el extremo
proximal de la guía de ondas de transmisión 14 hasta el extremo
distal de la guía de ondas de transmisión 14. La guía de ondas de
transmisión 14 es simétrica alrededor del eje geométrico central
24. El efector terminal 12 incluye una zona de tratamiento 26, la
cual está situada en el extremo distal del efector terminal 12 y
una zona de equilibro 28 que está situada entre la zona de
tratamiento 26 y el nodo de equilibrio 22. La zona de tratamiento
26, al estar curvada, incluye dos superficies, una superficie
superior cóncava 30 y una superficie inferior convexa 32. La
superficie inferior convexa 32 es sustancialmente plana o llana a
lo largo del eje y de la cuchilla. La zona de tratamiento 26 incluye
así mismo una punta redondeada 34. En la forma de realización
ilustrada de la invención, la zona de equilibrio 28 incluye un
primer recorte 13 y un segundo recorte 40 los cuales actúan como
características de equilibrio asimétricas. El primer recorte 38 que
se extiende desde el extremo proximal de la superficie cóncava 30
hasta un primer punto predeterminado 42 que es distal al nodo de
equilibrio 22. El segundo recorte 40 se extiende desde el extremo
proximal de la superficie convexa 32 hasta un segundo punto
predeterminado 44 que es distal al punto 42 y al nodo de equilibrio
22.
La Figura 3 es una vista desde arriba del
extremo distal del montaje de transmisión ultrasónica 11, e incluye
el efector terminal 12. En la Figura 3, los filos 36 de la cuchilla
están situados a ambos lados de la zona de tratamiento 26 y se
extienden desde el extremo proximal de la zona de tratamiento 36
hasta la zona de la punta redondeada 34. La intersección de la
superficie cóncava 30 y de la superficie convexa 32 forma los filos
36 de la cuchilla. La arista central 37 discurre desde el extremo
distal de la zona de equilibrio 28 hasta la punta redondeada 34 a
lo largo del centro de la zona de tratamiento 26. La arista central
37 forma una porción de la superficie superior cóncava 30. La
arista central 37 añade resistencia, dureza y rigidez a la zona de
tratamiento 26 dotando a la zona de tratamiento 26 de una sección
transversal sustancialmente trapezoidal.
La Figura 4 es una vista en perspectiva del
extremo distal de una forma de realización de un montaje de
transmisión ultrasónica 11. La Figura 5 es una vista en perspectiva
del extremo distal del montaje de transmisión ultrasónica 11 de una
forma de realización de la invención mostrada en la Figura 4 con un
plano x, y en línea de puntos 52 trazado a través del centro de la
guía de ondas ultrasónica 14. En la Figura 5, el plano x, y 52 en
línea de puntos pasa a través del eje geométrico central 24. Dado
que la zona de tratamiento 26 se incurva, alejándose del plano x, y
52, el efector terminal 12 no es simétrico alrededor del plano x, y
52. El plano 52 puede, por consiguiente, ser designado como plano
de asimetría del efector terminal 12.
La Figura 6 es una vista en perspectiva del
extremo distal del montaje de transmisión ultrasónica 11 de la
forma de realización de la invención mostrada en la Figura 4, con un
plano x, z 50 en línea de puntos trazado a través del centro de la
guía de ondas ultrasónica 14. En la Figura 6, el plano x, z 50 en
línea de puntos pasa a través del eje geométrico central 24 en un
ángulo de 90º respecto del plano x, y 52. El efector terminal 12 es
sustancialmente simétrico alrededor del plano x, z 50. El plano 50
puede, por consiguiente, designarse como plano de simetría del
efector terminal 12. La Figura 7 es una vista lateral de una forma
de realización alternativa del extremo distal del montaje de
transmisión ultrasónica mostrado en la Figura 4. En la forma de
realización de la invención ilustrada en la Figura 7, el efector
terminal 12 tiene sustancialmente la misma forma y estructura que
la forma de realización de la invención ilustrada en las Figuras 1 a
6, excepto porque la forma de realización de la Figura 7 incluye
una punta aguda 35 en el extremo distal de la zona de tratamiento
26. La Figura 8 es una vista desde arriba del extremo distal del
montaje de transmisión ultrasónica mostrado en la Figura 7. La
Figura 9 es una vista en perspectiva del extremo distal del montaje
de transmisión ultrasónica mostrado en la Figura 7.
El instrumento quirúrgico ultrasónico 10 tiene
una zona de tratamiento 26 que incluye una cuchilla curvada
diseñada para cortar y coagular tejido cuando es sometida a
vibración a frecuencias ultrasónicas, como por ejemplo, cincuenta y
cinco kilohertzios (55 kHz). La zona de tratamiento 26 está curvada
para proporcionar al cirujano un mejor acceso y visibilidad al
utilizar el instrumento ultrasónico 10. Como se ilustra en las
Figuras 5 y 6, la zona de tratamiento curvada 26 es simétrica
alrededor del plano x, z 50 pero no es simétrica alrededor del
plano x, y 52. Cuando la zona de tratamiento 26 es sometida a
vibración a una frecuencia ultrasónica apropiada para facilitar el
corte y la coagulación, la forma asimétrica de la zona de
tratamiento 26 tenderá a inducir fuerzas indeseables, incluyendo
un par de torsión, las cuales son trasmitidas de vuelta a la guía
de ondas de transmisión 14 e inducen vibraciones transversales
indeseables en la guía de ondas de transmisión 14.
Como se describió anteriormente, es sabido que
estas vibraciones transversales indeseables pueden ser reducidas al
mínimo y equilibrarse el efecto terminal diseñando el efecto
terminal de forma que el centro de masa en cualquier punto a lo
largo del efector terminal se sitúe sobre o muy cerca del eje
geométrico central de la guía de ondas de transmisión. Sin embargo,
cuando, como en la presente invención, la asimetría (por ejemplo la
curva de la zona de tratamiento 26), provoca que el centro de masa
se desvíe sustancialmente de una línea que se extiende desde el eje
geométrico central de la guía de ondas de transmisión y la adición
de características de equilibrio dentro de la zona de tratamiento
resulta indeseable, la cuchilla debe equilibrarse utilizando un
procedimiento alternativo.
De acuerdo con la presente invención, el efector
terminal 12 es equilibrado reduciendo o eliminado el par de torsión
inducido en el efector terminal 12 en dirección proximal a la zona
de tratamiento 26 como resultado de la inclusión de características
asimétricas funcionales en la zona de tratamiento 26. Un punto
físico conveniente de referencia en el extremo proximal del efector
terminal 12 es el nodo de equilibrio 22. Debe destacarse que el
nodo de equilibrio 22 puede ser cualquier nodo de vibración
longitudinal a lo largo de la guía de ondas de transmisión 14 y no
es necesariamente el nodo vibratorio más distal. Los nodos de
vibración longitudinal se producen a intervalos de media longitud
de onda a lo largo de la guía de ondas de transmisión, en los que
la longitud de onda de interés es la longitud de onda de la
frecuencia a la cual es accionado el efector terminal ultrasónico
(por ejemplo 55 kHz). En la forma de realización de la invención
ilustrada en la Figura 3, las características funcionales
asimétricas comprenden una zona de tratamiento curvada 26 que tiene
una punta redondeada 34. Una característica es asimétrica cuando su
sección transversal no es simétrica con respecto al eje geométrico
central 24 de la guía de ondas. Una característica es simétrica
cuando la sección transversal es simétrica con respecto al eje
geométrico central 24 de la guía de ondas. Esto es, una
característica es simétrica cuando una cuerda tirada a través de
una sección transversal de la porción del efector terminal, que
incluye la característica, es biseccionada por el eje geométrico
central 24.
De acuerdo con la presente invención, una zona
de equilibrio 28 está incluida en el efector terminal 12 y el
efector terminal 12 es equilibrado situando al menos dos
características de equilibrio asimétricas en la zona del equilibrio
28 entre el extremo proximal de la zona de tratamiento 26 y el nodo
de equilibrio 22. El tamaño, forma y posición de las
características de equilibrio incluidas en la zona de equilibrio 28
son seleccionados para reducir el par de torsión al nivel del punto
de equilibrio 29 hasta cero o lo más próximo posible a cero. El
punto de equilibrio 29 está sobre el eje geométrico central 24
situado al nivel de, por ejemplo, el nodo de equilibrio 22. El
grado hasta el cual se reduce el par dependerá de las exigencias de
diseño y fabricación concretas. Así, mediante la adecuada
disposición de características de equilibrio asimétricas en la zona
de equilibrio 28, el par inducido por las características
funcionales asimétricas en la zona de tratamiento 26 puede
suprimirse por el par inducido por las características de equilibrio
asimétricas. Con la reducción al mínimo de la suma del par sobre
el efector terminal 12, la vibración transversal inducida en la
guía de ondas de transmisión 14 se reducirá sustancialmente y puede
reducirse hasta aproximadamente cero.
Con el fin de determinar si un efector terminal
asimétrico ha sido adecuadamente equilibrado, puede ser oportuno
medir el par inducido en la guía de ondas de transmisión 14. La
magnitud relativa del par inducido en la guía de ondas de
transmisión 14 puede ser estimado tomando la relación del
desplazamiento lateral de cresta, menos la dilatación de Poisson
(también designada como dilatación de nodo longitudinal), en
cualquier antinodo vibratorio transversal de la guía de ondas de
transmisión con respecto al desplazamiento longitudinal de cresta en
cualquier antinodo vibratorio longitudinal de la guía de ondas de
transmisión. Cuanto más próxima a cero se sitúe la relación, menos
vibración transversal está siendo inducida en la guía de ondas. Así,
la relación del desplazamiento lateral de cresta respecto del
desplazamiento longitudinal de cresta puede designarse como
"relación de equilibrio". En una forma de realización
preferente de la presente invención, una cuchilla se consideraría
equilibrada si la relación de equilibrio del desplazamiento lateral
de cresta con respecto al desplazamiento longitudinal de cresta
fuera de 1:10 o menos. Más concretamente, utilizando las técnicas
descritas en la presente memoria puede ser posible obtener unas
relaciones de equilibrio de 1:200 o menos.
Una característica asimétrica es una
característica del efector terminal en la que el centro de masa de
la característica está fuera de una línea que se extiende desde el
eje geométrico central de la guía de ondas de transmisión. En un
efector terminal que tenga una orientación simétrica y una
orientación asimétrica, como por ejemplo el efector terminal
mostrado en las Figuras, todas las características asimétricas están
en un plano paralelo al plano de simetría.
La masa y forma de las características de
equilibrio asimétricas introducidas en la zona de equilibrio 26 se
determinan mediante una serie de factores. El par inducido en el
punto de equilibrio 29 es igual a la integral sobre el volumen del
producto cruzado de la aceleración vectorial en cada punto sobre el
efector terminal con un vector de posición multiplicado por una
densidad escalar. La densidad escalar es una función que representa
la densidad del efector terminal en cada punto del efector terminal.
Expresando esa ecuación matemáticamente, el par (\check{T}) en el
punto de equilibrio 29 es
donde:
x_{0}, y_{0} y z_{0} están situados en el
plano x=0 en el punto de equilibrio 29;
x_{1}, y_{1} y z_{1} están situados en un
plano tangencial a la punta distal del efector terminal 12 y, con
x_{0}, y_{0}, y z_{0}, definen una zona que abarca el efector
terminal 12;
\overline{A}(x, y, z) es la aceleración
de la cuchilla en cualquier punto (x, y, z);
\overline{o}(x, y, z) es un vector
indicativo de la posición del punto (x, y, z) con respecto al punto
de equilibrio 29; y
p(x, y, z) es la densidad de la cuchilla
en cualquier punto (x, y, z).
\newpage
Por consiguiente, en un efector terminal
equilibrado diseñado de acuerdo con la presente invención, un
efector terminal 12 es primeramente diseñado incorporando una o más
asimetrías beneficiosas en la zona de tratamiento 26 (por ejemplo
los filos curvados 36 de la cuchilla). Un punto de nodo de
equilibrio se selecciona a continuación en un nodo vibratorio
conveniente a lo largo de la guía de ondas 14. Normalmente, el punto
de nodo de equilibro será el nodo vibratorio más distal sobre la
guía de ondas 14. Una zona 28 de equilibrio simétrica (cilíndrica)
se incorpora a continuación en el efector terminal 12. En las formas
de realización ilustradas, la zona de equilibrio 28 se extiende
desde el nodo de equilibrio 22 hasta el extremo proximal de la zona
de tratamiento 26. Normalmente el extremo proximal de la zona de
tratamiento 26 se corresponderá con el extremo proximal de la
asimetría proximal más beneficiosa. Por ejemplo, en la forma de
realización de la invención ilustrada en la Figura 2, el extremo
proximal de la zona de tratamiento 26 se corresponde con el extremo
proximal del filo curvado 36 de la cuchilla. Una vez que las
asimetrías beneficiosas apropiadas han sido diseñadas en el efector
terminal, el par inducido en el punto de equilibrio 29 por el diseño
de efector terminal, incluyendo las asimetrías beneficiosas, puede
ser calculado utilizado la Ecuación (1) anterior.
Utilizando la Ecuación (1) anterior para
calcular el par inducido por cualquier asimetría particular en el
punto de equilibrio 29, una primera etapa apropiada es encontrar una
expresión matemática para \overline{A}(x, y, z), la
aceleración en cada punto a lo largo del efector terminal 12, junto
con una expresión matemática para p(x, y, z), la densidad de
cada punto a lo largo del efector terminal 12, y una expresión
matemática para \overline{o}(x, y, z), el vector de
posición para cada punto a lo largo del efector terminal 12 con
respecto al punto de equilibrio 29. Por razones de comodidad,
\overline{o}(x, y, z) puede ser designado como el vector de
desviación. Como la Ecuación (1) indica, el par inducido en el
punto de equilibrio 29 por el efector terminal 12 es la integral de
volumen del producto cruzado del vector de aceleración con el
producto del vector de desviación y la densidad escalar. En la
Ecuación (1), la integral es tomada sobre el volumen del efector
terminal 1. Expuesto en términos generales, el par inducido en el
punto de equilibrio 29 será igual a la suma de los pares inducidos
por cada asimetría en el efector terminal 12. Así, un diseño óptimo
puede obtenerse cuando las asimetrías de equilibrio se incorporen
en la zona de equilibrio 28, de forma que el par inducido por las
asimetrías de equilibrio supriman el par inducido por las
asimetrías beneficiosas.
En una situación ideal sería posible expresar
\overline{A}(x, y, z), \overline{o}(x, y, z) y
p(x, y, z) utilizando fórmulas matemáticas que podrían
convenientemente integrarse sobre el volumen del efector terminal
12. Sin embargo, es en general muy difícil desarrollar dichas
fórmulas matemáticas con relación a la geometría del efector
terminal quirúrgico ultrasónico, debido a que los efectores
terminales quirúrgicos ultrasónicos no adoptan en general formas
geométricas continuas, como por ejemplo conos o cilindros. Por
consiguiente, una vez que las variables han sido calculadas o
moduladas, la integral puede utilizarse utilizando, por ejemplo, un
programa de integración numérico. De los parámetros
\overline{A}(x, y, z), \overline{o}(x, y, z), y
p(x, y, z), lo más difícil de calcular es en general el
vector de aceleración \overline{A}(x, y, z) para cada punto
a lo largo del efector terminal 12, concretamente para efectores
terminales con una geometría compleja. Por consiguiente, normalmente
es necesario emplear procedimientos distintos del cálculo directo
para obtener una aproximación de la aceleración en cualquier punto
a lo largo del efector terminal 12. Por ejemplo, el desplazamiento
en cada punto puede ser una aproximación apropiada de la
aceleración con un factor de escala apropiado. El desplazamiento
puede calcularse utilizando, por ejemplo, un análisis de elemento
finito de la cuchilla. Alternativamente, la velocidad en cada punto
puede utilizarse para obtener una estimación de la aceleración a una
frecuencia determinada. La velocidad en puntos específicos puede
calcularse, por ejemplo, observando físicamente los puntos externos
a lo largo de la superficie de la cuchilla, (por ejemplo utilizando
un vibrómetro láser) y suponiendo que los puntos interiores están
actuando de la misma manera que los puntos superficiales. Como otro
ejemplo, la velocidad en cualquier punto a lo largo de la cuchilla
puede calcularse aproximadamente como una función sustancialmente
sinusoidal de la distancia desde el punto de nodo de equilibrio.
El cálculo del vector de posición
\overline{o}(x, y, z) está genéricamente ligado al
procedimiento utilizado para calcular \overline{A}(x, y,
z). Por ejemplo, si \overline{A}(x, y, z) se mide o se
calcula aproximadamente en los puntos específicos a lo largo del
efector terminal, entonces \overline{o}(x, y, z) sería el
vector de posición tomado en esos puntos específicos.
Dado que los instrumentos ultrasónicos de
acuerdo con la presente invención normalmente utilizan efectores
terminales construidos con titanio, aluminio o una aleación de
titanio o aluminio, la densidad en cualquier punto p(x, y,
z) es una constante. Por consiguiente, en general p(x, y, z)
= P donde P es la densidad del material utilizado en el efector
terminal.
En la práctica, se diseña un efector terminal
que incorpora asimetrías beneficiosas apropiadas en la zona de
tratamiento 26. Esas asimetrías beneficiosas inducen un par
indeseable \check{T}_{U} en el punto de equilibrio 29 el cual
puede calcularse utilizando la Ecuación 1. Una vez que se conoce el
par indeseable \check{T}_{u} para un diseño particular, las
asimetrías de equilibrio pueden añadirse en la zona de equilibrio 28
para generar un par de equilibrio \check{T}_{b} en el punto de
equilibrio 29 que elimine el par indeseable \check{T}_{u}
generado por las asimetrías beneficiosas. La adición de asimetrías
de equilibrio a la zona de equilibrio 28 consiste en añadir o
sustraer masa de porciones concretas de la zona de equilibrio 28. El
tamaño y posición de la masa añadida o sustraída se determina no
solo por el par de equilibrio \check{T}_{b} inducido en el punto
de equilibrio 29 sino también por consideraciones tales como el
efecto sobre el aspecto, el tacto y la ergonomía del efector
terminal. Por consiguiente, una vez que se calcula
\check{T}_{U,} el diseñador puede empezar a añadir y sustraer
masa de la zona de equilibrio 28 para crear dos o más asimetrías de
equilibrio que induzcan un par beneficioso en el punto de
equilibrio 29.
Puede ser posible simplificar los cálculos
requeridos, por ejemplo, utilizando unas presunciones apropiadas,
es posible simplificar la ecuación (1) con el fin de calcular
\check{T}_{b}. En particular, suponiendo que las asimetrías de
equilibrio puedan ser modeladas como una serie de masas de puntos y
desdeñando el efecto de rotación:
donde:
m_{n} es la masa del efector terminal en cada
punto n;
\check{T}_{b} es el par inducido en el punto
de equilibrio 29 por las asimetrías de equilibrio diseñadas por la
zona de equilibrio 26;
k es el número total de asimetrías de
equilibrio;
\overline{A}_{s,n} es la media respecto de
una superficie, o una aceleración vectorial representativa en el
punto de la zona de equilibrio 26 donde se añade una masa n;
y
\overline{O}_{CMmn} es un vector de
desviación que señala al Centro de Masa de la masa n.
Diseñando las asimetrías de equilibrio para que
sean asimétricas al plano de simetría 50, el par ejercido en el
nodo 22 puede ser modelado para que se sitúe por entero alrededor
del eje -y del efector terminal. Si todas las simetrías de
equilibrio están situadas en un plano de simetría 50, la ecuación
(2) se convierte en:
o, desdeñando
signos,
Resulta evidente que un número significativo de
combinaciones de tamaños y formas de asimetría de equilibrio puede
utilizarse para generar un par apropiado \check{T}_{b} en el
nodo de equilibrio 29. Así mismo, el tamaño y la forma de las
asimetrías de equilibrio particulares escogidas serán una función
del material utilizado para crear esas asimetrías. Por
consiguiente, el diseñador queda normalmente en libertad para
diseñar las asimetrías de equilibrio que no solo generan el par de
equilibrio deseado \check{T}_{b,} sino para encontrar otros
criterios de diseño también. Así, el diseño efectivo de las
asimetrías de equilibrio apropiadas se convierte en un ejercicio
reiterativo, seleccionando el diseñador de las cuchillas las formas
y posiciones preferentes de las asimetrías de equilibrio y a
continuación verificando aquellas formas y posiciones utilizando
una entre las Ecuaciones (1), (2) o (5). La forma y tamaño de las
asimetrías de equilibrio puede ajustarse según lo requerido para
generar \check{T}_{b.}
Un efector terminal de acuerdo con la presente
invención puede también diseñarse utilizando uno o más
procedimientos empíricos, como por ejemplo, utilizando análisis
modales. En los procedimientos empíricos, el efector terminal es
diseñado con las asimetrías beneficiosas apropiadas incluidas en la
zona de tratamiento 26 y en la zona de equilibrio 28 es modelado
como un conector simétrico entre la zona de tratamiento y la guía de
ondas de transmisión 14. Dado que la zona de tratamiento 28 incluye
unas asimetrías beneficiosas (por ejemplo filos curvados 36 de la
cuchilla) sin las asimetrías de equilibrio correspondientes en la
zona de equilibrio 28, este efector terminal de primer paso tenderá
a estar desequilibrado. Una vez que el efector terminal de primer
paso está desarrollado, puede seleccionarse una medición apropiada
del par generado en el punto preseleccionado, como por ejemplo el
punto de equilibrio 29. Por ejemplo, la relación de equilibrio del
desplazamiento lateral de cresta con respecto al desplazamiento
longitudinal medido en la guía de ondas de transmisión. El efector
terminal de primer paso puede a continuación ser numéricamente
modelado y sometido a vibración empleando técnicas de análisis
modal o de análisis de elemento finito. Una vez activado el modelo
numérico de primer paso a una frecuencia generadora apropiada (por
ejemplo 55 kHz), es posible, utilizando, por ejemplo, programas de
análisis de elemento finito determinar la relación del
desplazamiento lateral de cresta respecto del desplazamiento
lateral de cresta en puntos seleccionados a lo largo de la guía de
ondas de transmisión. El efector terminal puede entonces ser
equilibrado (esto es, reduciéndose la relación del desplazamiento
lateral de cresta respecto del desplazamiento longitudinal de
cresta en menos de 1:10) añadiendo o sustrayendo masa de la zona de
equilibrio. Esto es, por supuesto, un proceso reiterativo, que
puede potenciarse (esto es requiriendo menos repeticiones) teniendo
en cuenta la habilidad y experiencia del diseñador.
Una técnica de diseño empírica adicional
consiste en diseñar un efector terminal de primer paso de la manera
anteriormente expuesta. Un modelo físico de efector terminal de
primer paso es a continuación construido y probado activando la
energía de entrada de la guía de ondas de transmisión a una
frecuencia generadora apropiada. La frecuencia a la cual el efector
terminal es activado puede designarse como la frecuencia de
activación. Una vez activado el efector terminal de primer paso a
la frecuencia de activación, puede seleccionarse una medición
apropiada del par generado en el nodo de equilibrio, por ejemplo, la
relación de equilibrio puede medirse directamente a partir de la
guía de ondas de transmisión. El efector terminal puede entonces ser
equilibrado, (esto es reducirse la relación de equilibrio a menos
de 1:10) añadiendo o sustrayendo físicamente masa de la zona de
equilibrio. Esto es, por supuesto, un proceso reiterativo que puede
potenciarse (requiriéndose pocas reiteraciones) teniendo en cuenta
la habilidad y experiencia del diseñador. Con independencia del
procedimiento de diseño escogido, ya sea empírico o analítico, si
es un proceso reiterativo, cuanto más tosca sea la aproximación
utilizada en primer término, más reiteraciones serán necesarias para
llegar al diseño de cuchilla equilibrado.
Como se ha descrito en la presente memoria, el
nodo de equilibrio 22 se ha seleccionado como el origen proximal de
la zona de equilibrio 26 con el fin de proporcionar claridad para
exponer un punto de referencia físicamente definible que pueda
situarse sobre cualquier guía de ondas de transmisión, utilizando ya
sea computación matemática o mediciones físicas. Como,
efectivamente, la utilización del nodo 22 como el origen proximal de
la zona de equilibrio 26 es también beneficiosa en el sentido de
que se considera que hace que las matemáticas expuestas en la
presente memoria sean más limpias y más compresibles. Sin embargo,
debe advertirse que utilizando la presente invención, el par
deseable generado en la guía de ondas será sustancialmente suprimido
por el par de equilibrio generado en la guía de ondas desde un
punto justo proximal a la asimetría de equilibrio más proximal. Por
ejemplo, en la forma de realización de la invención ilustrada en la
Figura 2, el par convergerá hacia cero en la porción de la guía de
ondas proximal al primer punto predeterminado 42.
Aunque las formas de realización ilustradas y
descritas en la presente memoria tienen asimetrías beneficiosas en
una sola dirección, la presente técnica podría utilizarse para
equilibrar cuchillas que tuvieran asimetrías en cualesquiera dos o
más direcciones. Debe resultar así mismo evidente que, en un efector
terminal quirúrgico diseñado de acuerdo con la presente invención,
el centro de masa del efector terminal puede no estar situado sobre
el eje geométrico central de la guía de ondas. Una cuchilla de
acuerdo con la presente invención puede también estar diseñada para
incluir un ángulo de curvatura único o múltiple y para incluir filos
de cuchilla romos, vivos o afilados. Una cuchilla ultrasónica
equilibrada diseñada de acuerdo con la presente invención puede
utilizarse para llevar a cabo muchas intervenciones quirúrgicas
abiertas y endoscópicas, incluyendo: procedimientos de supresión de
la arteria mamaria interna (IMA); extirpación o disección de la
arteria radial; reducción y reconstrucción de mamas; extirpación
hemorroidal. Las cuchillas ultrasónicas de acuerdo con la presente
invención, tienen múltiples funciones y pueden incluir múltiples
características para facilitar esas funciones, por ejemplo, zonas
planas de configuración de filos de cuchilla agudos o romos y filos
de cuchilla aserrados.
Aunque en la presente memoria se han mostrado y
descrito formas de realización preferentes de la presente
invención, resultará obvio para los expertos en la materia que
dichas formas de realización se ofrecen únicamente a modo de
ejemplo. Los expertos en la materia tendrán presentes numerosas
variaciones, cambios y sustituciones en la técnica sin apartarse de
la invención. En consecuencia, se pretende que la invención quede
únicamente limitada por el ámbito de las reivindicaciones
adjuntas.
Claims (17)
1. Efector terminal (11) para su uso en
un instrumento quirúrgico ultrasónico, comprendiendo dicho efector
terminal (11):
un vástago de transmisión ultrasónica (14) que
tiene un extremo proximal y un extremo distal;
una cuchilla accionada ultrasónicamente (12)
fijada al extremo distal de dicho vástago de transmisión (14), en
el que dicha cuchilla accionada ultrasónicamente (12) comprende:
- un extremo distal;
- un extremo proximal conectado a dicho vástago de transmisión (14) en un punto de nodo vibratorio longitudinal (22);
- una porción de tratamiento (26) que incluye al menos una asimetría funcional; y
- una porción de equilibrio (28) que incluye una primera y una segunda zonas asimétricas de masa añadida o sustraída (38, 40); en el que
- dicha porción de equilibrio (28) se extiende desde dicho punto de nodo (22) hasta dicha porción de tratamiento (26); y
- dicha porción de tratamiento (26) se extiende desde dicha porción de equilibrio (28) hasta dicho extremo distal de dicha cuchilla (12);
caracterizado porque:
la primera y segunda zonas asimétricas de masa
añadida o sustraída están asimétricamente situadas a lo largo de la
porción de equilibrio (28), de forma que las vibraciones
transversales de cresta existentes en el vástago de transmisión
(14) son sustancialmente menores a las vibraciones longitudinales de
cresta existentes en el vástago de transmisión (14).
2. Efector terminal (11) de acuerdo con
la reivindicación 1, en el que una arista central discurre desde el
extremo distal de la porción de equilibrio (28) a lo largo del
centro de la porción de tratamiento para añadir resistencia y
rigidez a la porción de tratamiento (26) dotando a la porción de
tratamiento (26) de una sección transversal sustancialmente
trapezoidal.
3. Efector terminal (11) de acuerdo con
las reivindicaciones 1 o 2, en el que dicha cuchilla (12) es
biseccionada por un plano de simetría, siendo dicha cuchilla (12)
sustancialmente simétrica a ambos lados de dicho plano de simetría,
comprendiendo dicha primera zona asimétrica de masa añadida o
sustraída una superficie plana (38) sobre una superficie superior
(30) de dicha cuchilla (12) en el que dicha superficie plana (38)
es sustancialmente perpendicular a dicho plano de simetría.
4. Efector terminal (11) de acuerdo con
la reivindicación 3, en el que dicha segunda zona asimétrica de
masa añadida o sustraída comprende una segunda superficie plana (40)
sobre una superficie inferior (32) de dicha cu-
chilla (12), en el que dicha superficie plana (40) es sustancialmente perpendicular a dicho plano de sime-
tría.
chilla (12), en el que dicha superficie plana (40) es sustancialmente perpendicular a dicho plano de sime-
tría.
5. Efector terminal (11) para su uso en
un instrumento quirúrgico ultrasónico, comprendiendo dicho efector
terminal (11):
un vástago de transmisión ultrasónica (14) que
tiene un extremo proximal y un extremo distal;
una cuchilla accionada ultrasónicamente (12)
fijada a dicho extremo distal de dicho vástago de transmisión (14),
en el que dicha cuchilla accionada ultrasónicamente (12)
comprende:
- un extremo distal;
- un extremo proximal;
- una porción de tratamiento curvada (26); y
- una porción de equilibrio (28) que incluye una primera y una segunda zonas asimétricas de masa añadida o sustraída (38, 40);
\newpage
- en el que dicha porción de equilibrio (28) se extiende desde dicho extremo de dicha cuchilla (12) hasta dicha porción de tratamiento (26) y dicha porción de tratamiento (26) se extiende desde dicha porción de equilibrio (28) hasta dicho extremo distal de dicha cuchilla (12);
caracterizado porque:
la primera y segunda zonas asimétricas de masa
añadida o sustraída están asimétricamente situadas a lo largo de
la porción de equilibrio (28) de forma que las vibraciones
transversales de cresta existentes en el vástago de transmisión
(14) son sustancialmente menores que las vibraciones longitudinales
de cresta existentes en el vástago de transmisión (14).
6. Efector terminal (11) de acuerdo con
la reivindicación 5, en el que dicho efector terminal (11) tiene
una superficie superior (30) y una superficie inferior (32), siendo
dicha superficie superior (30) cóncava en dicha porción de
tratamiento (26) y siendo dicha superficie inferior (32) convexa en
dicha zona de tratamiento (26), estando dicha primera zona
asimétrica de masa añadida o sustraída (38) situada sobre dicha
superficie superior (30) y estando dicha segunda zona asimétrica de
masa añadido o sustraída (40) situada sobre dicha superficie
inferior (32).
7. Efector terminal (11) de acuerdo con la
reivindicación 6, en el que dicha primera zona asimétrica de masa
añadida o sustraída comprende una primera zona plana (38) sobre
dicha superficie superior (30) de dicha porción de equilibrio
(28).
8. Efector terminal (11) de acuerdo con la
reivindicación 7, en el que dicha segunda zona asimétrica de masa
añadido o sustraída comprende una segunda zona plana (40) sobre
dicha superficie inferior (32) de dicha porción de equilibrio
(28).
9. Efector terminal (11) de acuerdo con la
reivindicación 6, en el que dicha cuchilla (12) es biseccionada por
un plano de simetría, siendo dicha cuchilla (12) sustancialmente
simétrica a ambos lados de dicho plano de simetría, comprendiendo
dicha primera zona asimétrica de masa añadida o sustraída una
superficie plana (38) sobre dicha superficie superior (30) de dicha
cuchilla (12) en el que dicha superficie plana (38) es
sustancialmente perpendicular a dicho plano de simetría.
10. Efector terminal (11) de acuerdo con la
reivindicación 9, en el que dicha segunda zona asimétrica de masa
añadida o sustraída comprende una segunda superficie plana (40)
sobre dicha superficie inferior (32) de dicha cuchilla (12), en el
que dicha superficie plana (40) es sustancialmente perpendicular a
dicho plano de simetría.
11. Efector terminal (11) de acuerdo con las
reivindicaciones 1, 2 o 5, en el que al menos una entre dichas
primera y segunda zonas asimétricas de masa añadida o sustraída
comprende una muesca practicada en dicha zona de equilibrio
(28).
12. Efector terminal (11) de acuerdo con las
reivindicaciones 1, 2 o 5, en el que al menos una entre dichas
primera y segunda zonas asimétricas de masa añadida o sustraída
comprende una zona en relieve que incluye una masa añadida a dicha
zona de equilibrio (28).
13. Efector terminal (11) de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la
segunda zona asimétrica de masa añadida o sustraída (40) es distal a
la primera zona asimétrica de masa añadida o sustraída (38).
14. Efector terminal (11) de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dichas
primera y segunda zonas asimétricas de masa añadida o sustraída (38,
40) están también situadas para contrarrestar el par creado por
dicha asimetría funcional.
15. Efecto terminal (11) de acuerdo con la
reivindicación 14, en el que dichas primera y segunda zonas
asimétricas de masa añadida o sustraída (38, 40) están situadas de
forma que las vibraciones transversales de dicho vástago de
transmisión ultrasónica (14) son sustancialmente iguales a cero.
16. Efector terminal (11) de acuerdo con la
reivindicación 14, en el que dicho vástago de transmisión (14)
tiene una relación de equilibrio de menos de 1:10.
17. Efector terminal (11) de acuerdo con la
reivindicación 20, en el que dicha relación de equilibrio de
dicho vástago de transmisión (14) es inferior a 1:200.
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