ES2567269T3 - Generador ultrasónico en modo torsional - Google Patents

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ES2567269T3 ES09799125.1T ES09799125T ES2567269T3 ES 2567269 T3 ES2567269 T3 ES 2567269T3 ES 09799125 T ES09799125 T ES 09799125T ES 2567269 T3 ES2567269 T3 ES 2567269T3
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Michael John Radley Young
Stephen Michael Radley Young
James Anton Slipszenko
Michael James Ede
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Abstract

Aparato (5, 20, 50) adaptado para generar vibraciones ultrasónicas en modo torsional puro, que comprende una matriz (8) de elementos piezoeléctricos (10) alineados coaxialmente que tiene un primer elemento de conversión (1, 53) extendido sustancialmente coaxialmente montado sobre dicha matriz (8), en el que dicho primer elemento de conversión (1) comprende una inhomogeneidad (2) en la sección transversal de simetría generalmente helicoidal que se extiende desde adyacente a un extremo proximal (17) del primer elemento de conversión (1) hasta adyacente a un extremo distal (18) del primer elemento de conversión (1).

Description

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DESCRIPCION
Generador ultrasonico en modo torsional.
La presente invencion se refiere a un aparato para la generacion de vibraciones ultrasonicas en modo torsional para activar una herramienta que pueda vibrar ultrasonicamente, tal como una herramienta quirurgica. Mas particularmente, pero no exclusivamente, se refiere a aparatos para la generacion de vibraciones ultrasonicas en modo torsional, adaptados para incorporarse en una pieza manual de una herramienta quirurgica. La presente invencion se refiere adicionalmente a aparatos para convertir selectivamente vibraciones ultrasonicas en modo torsional a vibraciones en modo longitudinal en un extremo operativo de una herramienta, particularmente una herramienta quirurgica.
Trabajos por Young y Young sobre herramientas quirurgicas que pueden vibrar ultrasonicamente han establecido que en muchos sistemas las vibraciones ultrasonicas en modo torsional proporcionan distintas ventajas de rendimiento sobre las vibraciones ultrasonicas en modo longitudinal convencionales. Historicamente, sin embargo, la generacion de vibraciones ultrasonicas en modo longitudinal se ha hallado que es mas directa. Una pila dispuesta coaxialmente de elementos piezoelectricos axialmente polarizados puede inducirse facilmente para producir vibraciones ultrasonicas en modo longitudinal alineadas a lo largo del eje de la pila.
Un enfoque para la produccion de vibraciones ultrasonicas en modo torsional, desvelado en la Patente del Reino Unido n.° GB2333709, es imponer dichas vibraciones en modo longitudinal tangencialmente sobre un asta de conversion cilfndricamente simetrica. Esto induce vibraciones en modo torsional en el asta y en un guiaondas que se extiende coaxialmente desde ella. Sin embargo, la geometrla del generador resultante puede no ser conveniente, por ejemplo cuando se incorpora en una pieza manual de una herramienta quirurgica. Adicionalmente, son siempre deseables mejoras en la eficiencia de conversion de la energla electrica en vibraciones ultrasonicas en la punta operativa de una herramienta. Serla tambien beneficioso un diseno de generador que sea mas simple y mas economico de construir.
Trabajos iniciales por parte de Mitskevich (por ejemplo, tal como se ha publicado en "Sources of High Intensity Ultrasound", editado por L.D. Rozenberg) indicaron que la interpolacion de un elemento que tenia inhomogeneidades en la seccion transversal entre una pila de elementos piezoelectricos axialmente polarizados y un guiaondas extendido axialmente deberlan inducir una proporcion de vibraciones en modo torsional en el guiaondas. Sin embargo, aunque la propuesta de Mitskevich se publico en la decada de 1960, se ha demostrado diflcil conseguir resultados satisfactorios en la practica.
Boukhny, en la Solicitud de Patente de Estados Unidos n.° US2006/0041220, y Wuchinich, en la Patente de Estados Unidos n.° US6984220B, han intentado implementar algunos de los principios de Mitskevich. Sin embargo, cada uno ha usado un elemento que tiene inhomogeneidades en la seccion transversal (elemento 1ST) para generar modos de vibracion longitudinal/torsional combinados en un guiaondas alargado. En estas aplicaciones, el uso de los modos de vibracion combinados fue considerado deseable (por ejemplo, Boukhny tenia especlficamente en mente herramientas para facoemulsificacion de cataratas). Sin embargo, en muchas aplicaciones quirurgicas y otras, cualquier componente en el modo longitudinal del modo combinado es probable que incurra en los mismos problemas que un modo de vibracion longitudinal puro.
Tambien, las herramientas que pueden vibrar ultrasonicamente se usan ampliamente en cirugla laparoscopica. En dichas situaciones, es necesario cubrir o aislar el guiaondas para impedir que se transfiera energla a los tejidos corporales en ningun lado excepto en la punta operativa de la herramienta. Esto es tanto por razones de seguridad del paciente como para asegurar que alcanza la punta operativa de la herramienta tanta energla como sea posible. La funda se monta optimamente en el guiaondas en planos nodales de las vibraciones en el, para minimizar la energla vibratoria transmitida a la funda. Sin embargo, en un modo de vibracion combinado, cada componente tendra una longitud de onda diferente, de modo que probablemente habra muy pocos o ningun nodo verdadero. Solo una vibracion en modo torsional puro o una vibracion en modo longitudinal puro es probable que proporcione una serie de puntos de montaje nodal adecuados a lo largo de un guiaondas. Consideraciones similares son aplicables cuando se monta el generador dentro de la parte portatil de la herramienta (pieza de mano), para la que es importante que no se transfieran vibraciones a la mano del usuario.
Bromfield, en la Solicitud de Patente de Estados Unidos n.° US2009/0236938, ha desvelado recientemente un intento para producir una vibracion en modo torsional puro a partir de un generador en un cierto grado derivado de los principios de Mitskevich. Este emplea dos conjuntos de elementos ceramicos piezoelectricos alineados axialmente, separados por un elemento que comprende una breve seccion 1ST. El generador tiene as! una forma global relativamente compacta, y en una banda de frecuencias estrecha puede reproducir una vibracion en modo torsional relativamente puro en un guiaondas montado en el. Sin embargo, fuera de esta banda de frecuencias, produce una vibracion en modo combinado. El presente solicitante ha descubierto que para dichas disposiciones, la eficiencia de la transferencia de energla a la punta operativa distal del guiaondas es pobre. Una proporcion inaceptablemente elevada de energla electrica proporcionada a los elementos piezoelectricos termina disipada como calor dentro del generador, lo que es tanto ineficiente como potencialmente inseguro.
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El documento EP 1 323 481 desvela una vibracion por acoplamiento a una pieza manual ultrasonica que esta adaptada para generar una vibracion compuesta en la direccion del eje central del asta y una vibracion torsional que tiene el eje central del asta como un punto de apoyo en una punta del asta mediante la conversion de la vibracion longitudinal procedente de una fuente de vibracion y, por otro lado, mediante la formacion de un mecanismo de variacion de velocidad de la vibracion torsional en la vibracion compuesta en la parte hembra de la punta del asta.
Se ha descubierto as! que esta lejos de ser facil producir un generador ultrasonico en modo torsional efectivo en base a los principios generales establecidos por Mitskevich. Sin embargo, si se pudiera conseguir dicho generador, habrfa beneficios considerables con respecto al coste, simplicidad, facilidad de fabricacion, compacidad y comodidad del generador. Serla naturalmente siempre ventajosa la transferencia de energla mas elevada posible a la parte operativa de una herramienta.
Es por ello un objeto de la presente invencion proporcionar un medio de generacion de vibraciones ultrasonicas en modo torsional, por ejemplo para energizar una herramienta que comprende un guiaondas alargado, que evite las desventajas de los sistemas existentes mientras proporciona algunos o todos de entre los beneficios listados anteriormente.
De acuerdo con un primer aspecto de la presente invencion, se proporciona un aparato adaptado para generar vibraciones ultrasonicas en modo torsional, que comprende una matriz de elementos piezoelectricos alineados coaxialmente que tiene un primer elemento de conversion extendido sustancialmente coaxialmente montado sobre ella, en el que dicho primer elemento de conversion comprende una inhomogeneidad en la seccion transversal de simetrla generalmente helicoidal que se extiende desde adyacente a su extremo proximal hasta adyacente a su extremo distal.
Pueden montarse medios de guiaondas alargados o son montables en dicho primer elemento de conversion.
Dichos medios guiaondas pueden extenderse sustancialmente coaxialmente desde el primer elemento de conversion.
Preferiblemente, dicha inhomogeneidad en la seccion transversal tiene una longitud axial de al menos AT/2, en la que At es la longitud de onda de las vibraciones ultrasonicas dentro del elemento de conversion.
Mas preferiblemente, dicha inhomogeneidad en la seccion transversal tiene una longitud axial que corresponde sustancialmente a At/2.
Ventajosamente, la inhomogeneidad de la seccion transversal se extiende a lo largo de al menos tres cuartos de la longitud del primer elemento de conversion, opcionalmente a lo largo de al menos nueve decimos de la longitud del mismo.
El primer elemento de conversion puede comprender una parte homogenea proximal que se extiende entre la inhomogeneidad de la seccion transversal y el extremo proximal del elemento de conversion, teniendo dicha parte homogenea una longitud axial de At/10 o menos, opcionalmente de At/20 o menos.
El primer elemento de conversion puede comprender una parte homogenea distal que se extiende entre la inhomogeneidad de la seccion transversal y el extremo distal del elemento de conversion, teniendo dicha parte homogenea una longitud axial de AT/10 o menos, opcionalmente de AT/20 o menos.
Dicha inhomogeneidad de la seccion transversal comprende preferiblemente una pluralidad de medios de ranuras que se extienden helicoidalmente, extendidas sustancialmente de modo paralelo entre si desde adyacentes al extremo proximal del primer elemento de conversion a adyacentes a su extremo distal.
Puede haber un numero par de dichos medios de ranura, opcionalmente dos o cuatro.
Cada medio de ranura puede tener una profundidad de entre el 10 % y el 40 % de un diametro global del elemento de conversion, opcionalmente entre el 20 % y el 40 % del mismo, o entre el 20 % y el 30 % del mismo.
Cada medio de ranura puede tener un ancho de entre el 2 % y el 20 % del diametro global del elemento de conversion, opcionalmente entre el 3 % y el 14 % del mismo, o entre el 10 % y el 14 % del mismo.
Cada medio de ranura puede extenderse helicoidalmente entre sus extremos proximal y distal respectivos durante sustancialmente una rotacion completa alrededor de la circunferencia del elemento de conversion.
En una realization preferida, el aparato comprende un segundo elemento de conversion que se extiende sustancialmente de modo coaxial desde la matriz de elementos piezoelectricos, remotamente desde el primer elemento de conversion.
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Dicho segundo elemento de conversion puede ser sustancialmente similar al primero.
El segundo elemento de conversion puede montarse directamente en el primero, opcionalmente mediante medios de montaje que se extienden a traves o alrededor de la matriz de elementos piezoelectricos.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invencion, se proporciona un aparato adaptado para generar vibraciones ultrasonicas en modo torsional, que comprende una matriz de elementos piezoelectricos alineados coaxialmente que tiene un primer elemento de conversion que se extiende sustancialmente coaxialmente montado en la misma, en el que dicho primer elemento de conversion comprende una inhomogeneidad de la seccion transversal de simetrfa generalmente helicoidal que tiene una longitud axial que corresponde sustancialmente a At/2, donde At es la longitud de onda de las vibraciones ultrasonicas dentro del elemento de conversion.
Preferiblemente, dicha inhomogeneidad de la seccion transversal se extiende desde adyacente a un extremo proximal del primer elemento de conversion a adyacente a su extremo distal.
En una realization preferida, el aparato comprende un segundo elemento de conversion que se extiende sustancialmente coaxialmente desde la matriz de elementos piezoelectricos, remotamente respecto al primer elemento de conversion.
Dicho segundo elemento de conversion puede ser sustancialmente similar al primero.
El segundo elemento de conversion puede montarse directamente en el primero, opcionalmente mediante medios de montaje que se extienden a traves o alrededor de la matriz de elementos piezoelectricos.
De acuerdo con un tercer aspecto de la presente invencion, se proporciona un aparato adaptado para generar vibraciones ultrasonicas en modo torsional, que comprende una matriz alineada coaxialmente de elementos piezoelectricos polarizados axialmente que tiene un primer elemento de conversion que se extiende coaxialmente montado en ella, en el que dicho primer elemento de conversion comprende una inhomogeneidad de la seccion transversal de simetrla generalmente helicoidal, y en el que la energization de la matriz de elementos piezoelectricos induce una vibration ultrasonica en modo torsional tanto en el primer elemento de conversion como en la matriz de elementos piezoelectricos polarizados axialmente.
Preferiblemente, el aparato comprende ademas un segundo elemento de conversion sustancialmente identico al primer elemento de conversion y que se extiende sustancialmente de modo coaxial desde una cara de la matriz opuesta al primer elemento de conversion.
En cualquiera de los aspectos anteriores, el aparato puede proporcionarse con medios de montaje aislantes adaptados para recibir medios de revestimiento del mismo, estando montados dichos medios de montaje aislantes en el aparato en un plano nodal situado dentro de la matriz de elementos piezoelectricos.
Dichos medios de montaje aislantes pueden montarse adyacentes a un punto medio de dicha matriz.
De acuerdo con un cuarto aspecto de la presente invencion, se proporciona un medio de herramienta ultrasonicamente vibratoria que comprende un medio para generar vibraciones ultrasonicas conectado operativamente a un medio de guiaondas alargado que se extiende a una punta distal operativa del medio de herramienta, en el que el medio de guiaondas comprende una inhomogeneidad de la seccion transversal que tiene una simetrla generalmente helicoidal situada adyacente a dicha punta distal.
Dicha inhomogeneidad de la seccion transversal puede adaptarse para convertir las vibraciones ultrasonicas en modo torsional en el medio de guiaondas al menos parcialmente en vibraciones ultrasonicas en modo longitudinal en la punta distal operativa.
Dicha inhomogeneidad de la seccion transversal puede adaptarse para convertir las vibraciones ultrasonicas en modo longitudinal en el medio de guiaondas al menos parcialmente en vibraciones ultrasonicas en modo torsional en la punta distal operativa.
Dicha inhomogeneidad de la seccion transversal puede comprender una pluralidad de medios de ranura que se extienden helicoidalmente, extendiendose cada uno paralelamente a los otros entre un extremo proximal de la inhomogeneidad de la seccion transversal y un extremo distal de la misma.
Los medios para generar vibraciones ultrasonicas pueden comprender aparatos para la generation de vibraciones ultrasonicas en modo torsional tal como se ha descrito en uno cualquiera del primer a tercer aspectos anteriores.
Se describiran ahora mas particularmente realizaciones de la presente invencion a modo de ejemplo y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
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La Figura 1A es un alzado lateral de una primera unidad transductora que realiza la presente invencion;
la Figura 1B es una representation esquematica de una amplitud de desplazamiento de las vibraciones
ultrasonicas a lo largo de la primera unidad transductora de la Figura 1A, en operation;
la Figura 2 es un alzado lateral de una segunda unidad transductora que realiza la presente invencion;
la Figura 3A es un alzado lateral de una parte operativa de una herramienta quirurgica que realiza la presente
invencion;
la Figura 3B es una representacion esquematica de una amplitud de desplazamiento de las vibraciones ultrasonicas a lo largo de un guiaondas de la herramienta quirurgica mostrada en la Figura 3A, en operacion; la Figura 3C es un alzado del extremo distal de la herramienta quirurgica mostrada en la Figura 3A; la Figura 4A es un alzado lateral de una tercera unidad transductora que realiza la presente invencion; la Figura 4B es un alzado en section transversal de la tercera unidad transductora mostrada en la Figura 4A, tomada a lo largo de la llnea IV-IV;
la Figura 4C es una representacion esquematica de una amplitud de desplazamiento de las vibraciones ultrasonicas a lo largo de la tercera unidad transductora mostrada en las Figuras 4A y 4B, en operacion; la Figura 4D es una vista isometrica de la tercera unidad transductora mostrada en las Figuras 4A y 4B; y la Figura 5 es una vista en seccion transversal radial a traves de una seccion de salida de la tercera unidad transductora mostrada en las Figuras 4A, 4B y 4D.
En referencia ahora a las Figuras, y a las Figuras 1A y 1B en particular, una primera unidad transductora 5 comprende una pila 8 ceramica piezoelectrica sustancialmente convencional y una seccion de salida 1 que comprende una inhomogeneidad de la seccion transversal (1ST), montada en una cara distal de la pila 8.
La pila 8 comprende cuatro anillos 10 transductores piezoelectricos (TPZ) polarizados axialmente/polarizados en espesor, separados por cinco electrodos 6 conductores, que pueden ser anillos de laton, o cunas berilio-cobre. Los anillos TPZ 10 y los electrodos 6 se mantienen en compresion entre la seccion de salida 1 y una arandela 12, asegurada mediante una tuerca 14 roscada sobre un extremo proximal de una espiga 15, que se extiende coaxialmente a traves de la pila 8 desde un extremo proximal de la seccion de salida 1.
Los anillos TPZ 10 se conectan electricamente como dos pares paralelos, con electrodos extremo y central 6 a un bajo potencial y conexiones alternadas a una tension de accionamiento a alta tension (AT), que es tlpicamente de forma sinusoidal.
La pila 8 tiene as! una simetrla sustancialmente cillndrica. La seccion de salida 1 es tambien sustancialmente cillndrica, se extiende coaxialmente desde la cara distal de la pila 8, y tiene sustancialmente el mismo diametro que la pila 8.
Si la seccion de salida 1 fuese no mas que un elemento cillndrico plano, entonces esta geometrla, con anillos 10 polarizados en espesor (es decir polarizados axialmente), generarlan vibraciones ultrasonicas puramente longitudinales dirigidas axialmente a lo largo de la seccion 1. Dicho transductor de pila en modo longitudinal (o modo de compresion) serfa una unidad relativamente barata y directa de producir.
Sin embargo, con la seccion de salida 1 comprendiendo una inhomogeneidad de la seccion transversal adecuada, tal como se muestra, el comportamiento de la primera unidad transductora 5 es radicalmente diferente. La 1ST comprende cuatro ranuras helicoidales 2, que se extienden desde adyacentes a un extremo proximal de la seccion de salida 1 sustancialmente a su extremo distal. La ranuras 2 estan espaciadas regularmente alrededor de la circunferencia de la seccion de salida 1, y cada ranura helicoidal 2 se extiende a traves de 360° alrededor de la seccion de salida 1 de extremo a extremo. Las ranuras 2 se extienden a lo largo de aproximadamente el 90 % de la longitud global de la seccion de salida 1, medida axialmente. La parte proximal sin ranuras 17 y la parte distal 18 de la seccion de salida 1 son tan cortas como sea posible, consistentes con proporcionar una resistencia adecuada y una superficie de contacto plana segura para casar los elementos adyacentes a la misma.
Para una seccion de salida 1 de diametro global de quince millmetros, las ranuras espirales 2 deberlan ser de dos a cinco millmetros de profundidad; idealmente, la profundidad de la ranura 2 deberla estar entre el 20 % y el 40 % del diametro de la seccion de salida 1. El ancho de la ranura 2 deberla estar entre 0,45 mm y 3 mm, idealmente entre el 3 % y el 14 % del diametro de la seccion de salida 1. Anchos de la ranura 2, de 1,5-2 mm son mas directos de fabricar y son altamente efectivos.
Con una seccion de salida 1 de esta estructura acoplada con seguridad a la pila 8, la conversion desde vibraciones ultrasonicas en modo longitudinal a vibraciones en modo torsional es completa. Realmente, contrariamente al conocimiento convencional y al comportamiento de otros elementos para producir disposiciones de conversion basadas en una 1ST, una vez energizada la pila completa 8 rapidamente entra en un modo de vibration puramente torsional sin ningun traza de componente longitudinal, a pesar de tanto la polarization de los anillos 10 como del potencial electrico aplicado que estan unicamente alineados axialmente.
Asl, tal como se muestra en la Figura 1B, un unico modo de vibracion puramente torsional se extiende a todo lo largo de la primera unidad transductora 5. Hay una amplitud de desplazamiento rotacional maxima en el extremo
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proximal de la unidad 5 (punto A), en el extremo distal de la unidad (punto D) y aproximadamente adyacente a un extremo proximal de la ranuras 2 (punto E). Hay planos nodales en un punto medio de la pila 8 (punto B) y adyacentes a un punto medio de la ranuras 2 (punto C), en cuyos puntos la amplitud de desplazamiento rotacional es cero o proxima a cero. (Esto se ha confirmado mediante examen microscopico de pellculas de polvo fino espolvoreadas sobre las caras extremas y superficies cillndricas de una unidad transductora 5 activada. Este examen tambien confirmo la ausencia de cualquier componente de vibracion longitudinal en cualquiera de los extremos, puntos A y D).
Para un sistema bien sintonizado, la ranuras 2 se extienden cada una a una distancia Aj/2 medida axialmente a lo largo de la seccion de salida 1, en la que At es la longitud de onda de las vibraciones torsionales extendidas en la seccion de salida 1. Se ha descubierto que el analisis por elementos finitos (AEF) es un procedimiento preferido para establecer rapidamente los parametros apropiados, aunque otros enfoques pueden proporcionar tambien resultados suficientemente proximos para un ajuste fino posterior.
Se ha descubierto que las longitudes de las partes no ranuradas proximal 17 y distal 18 estan tambien mejor controladas por una longitud de onda At de las vibraciones en ella. Cada parte no ranurada deberla ser menor de At/10 de largo, e idealmente menor de At/20 de largo, medida axialmente. No solamente partes no ranuradas 17, 18 mas largas representarlan material desperdiciado, sino que tambien tenderlan a debilitar el acoplamiento vibratorio entre la pila 8 y la parte ranurada de la seccion de salida 1, conduciendo probablemente a una conversion solamente parcial de las vibraciones del modo longitudinal al torsional.
La unidad transductora 5 en su conjunto es compacta y axialmente simetrica. Es facil de incorporar dentro de la pieza manual de una herramienta de tamano y forma conveniente, particularmente dado que hay dos planos nodales en los que pueden montarse convenientemente una cubierta en la unidad 5 con aislamiento vibratorio.
La Figura 2 muestra una segunda unidad transductora 20, que comprende una unidad transductora 5 muy similar a la primera unidad transductora 5 mostrada en la Figura 1A, con la adicion de un asta de enfoque en semi-onda 2, que comprende una parte de entrada conica 16 montada directamente en la cara distal de la seccion de salida 1 y una parte de salida paralela/cillndrica 17 que se extiende coaxialmente de modo distal desde la parte de entrada 16.
El enfoque de astas 3 de este tipo es util para la amplificacion de vibraciones en modo torsional dado que se transmiten en un guiaondas coaxial cillndrico estrecho alargado, de la forma tlpicamente usada en una herramienta quirurgica, tal como una herramienta laparoscopica para corte y/o coagulacion de tejidos corporales, vasos sangulneos y similares.
Un ejemplo de dicha herramienta se muestra en la Figura 3. Se monta un asta 31 parcialmente en una cara distal de una primera unidad transductora 5, que es sustancialmente la misma que la mostrada en la Figura 1A. Se extiende un guiaondas 34 delgado, alargado, cillndrico desde el asta 31 a un efector extremo en una punta distal 35 de la herramienta. El guiaondas 34 y el asta 31 extienden entre ellos o bien nAr o bien (2n + 1) At/2, en las que At es la longitud de onda de las vibraciones ultrasonicas torsionales en el. Asl, la amplitud de desplazamiento esta en un maximo en la punta distal 35 (vease la Figura 3B). Esto tiene un beneficio adicional en que hay una serie de nodos a lo largo del guiaondas 34, en posiciones predecibles, en las que se puede montar una funda para encapsular el guiaondas. Estando en un nodo, se disipa una energfa de vibracion minima a traves de las disposiciones de montaje respectivas dentro de la funda (y por ello, potencialmente, al interior de tejidos en contacto con la funda).
El extremo del efector en si puede ser de cualquier forma deseada que sea operativa por vibraciones ultrasonicas en modo torsional (vease por ejemplo la patente del Reino Unido n.° GB2333709 y muchas otras que tienen inventores en comun con la presente solicitud). Por ello no hay ningun efector de extremo mostrado en la Figura 3A, por simplicidad.
Sin embargo, hay tambien formas de un efector de extremo para las que las combinaciones de excitacion en modo longitudinal y en modo torsional podrian ser deseables. Como se ha mencionado anteriormente, si se propaga una vibracion ultrasonica en modo combinado a lo largo de un guiaondas alargado, los nodos del componente en modo torsional es altamente improbable que coincidan con nodos del componente en modo longitudinal. De ese modo, fundas de montaje u otros componentes de la herramienta en el guiaondas es probable que sean un problema principal, dado que la energia vibratoria de cualquiera o ambos de los componentes tiende a perderse a traves de los montajes. Es tambien probablemente dificil disponer que ambos componentes produzcan una amplitud maxima en o cerca del efector de extremo.
En dichos casos, la incorporacion de una caracteristica de inhomogeneidad de la seccion transversal (1ST) adicional es probable que sea de beneficio, tal como se muestra en la Figura 3A. Se dispone una parte de 1ST corta 32 en un extremo distal del guiaondas 34, adyacente a la punta distal 35. Se extiende una serie de ranuras helicoidales 37 a traves de la parte de 1ST 32, cada una teniendo una profundidad 36 (vease la Figura 3C).
Cuando se propaga a lo largo del guiaondas 34 una vibracion en modo torsional puro, la parte de 1ST 32 distal convierte una parte de la onda de desplazamiento en modo torsional en una onda de compresion en modo
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longitudinal en la punta distal 35 (veanse la onda torsional 39 y la onda longitudinal discontinua 40 en la Figura 3B). Un resto del guiaondas 34 permanece resonante en un modo torsional puro, evitando problemas con el aislamiento a lo largo de su longitud. La proporcion de energfa en modo torsional transformada en modo longitudinal depende de la profundidad 36 de las ranuras 37 y el paso del perfil helicoidal de las ranuras 37. Ranuras mas superficiales 37 favorecen el componente en modo torsional, mientras que ranuras 37 mas profundas incrementan la transformacion al modo longitudinal.
Esta transformacion parcial de las vibraciones en modo torsional al modo longitudinal no solo serlan utiles en conjunto con unidades transductoras 5 en modo torsional que realizan la presente invencion, sino que tambien podrlan aplicarse potencialmente a guiaondas energizados por generadores ultrasonicos en modo torsional conocidos, tal como los descritos en la patente del Reino Unido n.° GB2333709 y otras.
Aunque una conversion parcial del modo longitudinal al modo torsional, usando unas 1ST adyacentes a un extremo proximal de un gula ondas, ha sido demostrada previamente por Boukhny, Wuchinich y otros (vease mas arriba), se cree que este es el primer caso de conversion de modo torsional a modo longitudinal con una 1ST, y el primer caso de conversion de modo en un extremo distal del guiaondas.
Se muestra una tercera unidad transductora 50 que realiza la presente invencion en las Figuras 4A a 4D y 5. De nuevo, se proporciona una pila de TPZ en modo axial convencional que comprende cuatro anillos TPZ 10 polarizados en espesor, con cinco electrodos 52 intercalados, pero uno 56 de forma convencional. Sin embargo, esta tercera unidad transductora 50 esta provista con dos 1ST, en la forma de dos convertidores torsionales de resorte 51, 53 (la seccion de salida 1 de la primera unidad transductora 5 puede considerarse tambien como un convertidor torsional de resorte).
Se monta un convertidor torsional 53 de resorte distal en una cara distal de la pila de TPZ, y acciona un asta 54 torsional convencional que se extiende coaxialmente desde su extremo distal. El convertidor torsional 53 de resorte distal esta provisto con cuatro ranuras 53 helicoidales equidistantemente espaciadas que se extienden en una distancia At/2 a lo largo de su longitud y que tienen un paso de 360° de extremo a extremo, como para la seccion de salida 1 de la primera unidad transductora 5.
La tercera unidad transductora 50 comprende tambien un convertidor torsional 51 de resorte proximal, que se monta para extenderse coaxialmente desde una cara proximal de la pila de TPZ. Se extiende una espiga 59 desde el convertidor proximal 51, coaxialmente a traves de los anillos TPZ 10 de la pila y al interior de un conector roscado cooperativamente en el convertidor distal 53. Los dos convertidores 51, 53 actuan as! tambien como placas frontal y posterior para comprimir la pila de TPZ entre ellas.
Esta geometrla tiene varios beneficios. Una es que el transductor que comprende la pila de anillos TPZ 10 y los dos convertidores 51, 53 son globalmente simetricos, y hay un plano nodal fijo en el punto medio de la pila. Uno central de los electrodos 56 puede as! extenderse radialmente hacia el exterior para duplicarse como un elemento de montaje nodal. Esto proporciona sustancialmente un aislamiento acustico completo. Se forma un casquillo de aislamiento 57 como parte del elemento de montaje nodal/electrodos 56, en el que puede montarse a su vez una pieza manual de cubierta segura y convenientemente.
El montaje del convertidor proximal 51 en un convertidor distal 53 anade ganancia torsional adicional al convertidor distal 53, en comparacion con la disposition de la primera unidad transductora 5.
La salida de la tercera unidad transductora 50 es (como en la primera unidad 5) una vibration ultrasonica en modo torsional puro, y toda la tercera unidad transductora 50 experimenta de nuevo una unica vibracion en modo torsional, incluyendo la pila de anillos TPZ 10 polarizados en espesor estimulados axialmente. Sin embargo, la eficiencia de la transferencia de energfa a un guiaondas, en la forma de vibraciones en modo torsional, es incluso mayor que para la primera unidad 5.
Con referencia a la Figura 4C, se muestra un trazado 60 de la amplitud de desplazamiento a lo largo de la tercera unidad transductora 50. Dos convertidores proximal 51 y distal 53 tienen cada uno una longitud sustancialmente correspondiente a la mitad de la longitud de onda de las vibraciones en modo torsional en ellos (como en el caso de la seccion de salida 1 de la primera unidad transductora 5, las longitudes de las partes sin ranuras respectivas de los convertidores 51, 53 se mantienen al mlnimo, idealmente menos de una decima incluso un veinteavo de una longitud de onda). La pila de anillos TPZ 10 tambien tiene una longitud correspondiente a la mitad de la longitud de onda (mas corta) de las vibraciones en modo torsional en ellas, y el asta 54 se sintoniza tambien para tener una longitud la mitad de una longitud de onda. Asl, hay amplitudes de desplazamiento maximo en el extremo proximal del convertidor proximal 51 (A3), la cara distal de la pila (A4), el extremo distal del convertidor distal 53/extremo distal del asta 54 (A2) y en el extremo distal del asta 54 (A1). Las ganancias producidas en estas uniones son tales que A1 > A2 > A3 > A4. (Nota: las amplitudes relativas mostradas en las Figuras 4C no estan a escala; los ultimos resultados indican que A2 es aproximadamente el doble que A3). De ese modo, una proporcion muy alta de la energfa suministrada a la pila puede proyectarse como vibraciones ultrasonicas en modo torsional desde el extremo distal del asta 54 al interior de un guiaondas convencional o similar, que se extiende parcialmente desde la misma.
Se ha descubierto que para un efector extremo distal de cuatro millimetres de diametro montado en dicho guiaondas, puede suministrarse una vibracion ultrasonica en modo torsional puro al efector extremo lo que da como resultado una amplitud de desplazamiento, medida alrededor de la circunferencia del efector extremo, de 200 pm. Esto representa mucha mas eficiencia y transferencia de energla efectiva de la que puede conseguirse con los sistemas 5 existentes, ademas de los beneficios de la transmision en modo torsional descritos anteriormente.
Para la tercera unidad transductora 50, se deberla observar que los conjuntos de ranuras helicoidales 55 en los convertidores proximal 51 y distal 53 deberlan corregirse en fase tal como se muestra, para maximizar la ganancia del sistema global y para evitar la generation de componentes no deseados en modo longitudinal. Si las ranuras 10 helicoidales 55 estuviesen alineadas en sentidos opuestos, entonces sus efectos probablemente se cancelarlan.
Es interesante que la presente invention representa un ejemplo adicional, ademas del desvelado en la Solicitud de PCT pendiente junto con la presente del presente solicitante n.° PCT/GB2009/001281, de como es posible, dada una election creativa de elementos mecanicos adicionales, inducir que anillos TPZ axialmente polarizados simples, 15 esencialmente convencionales y pilas vibren en un modo no axial y para producir eficientemente una salida de vibracion de elevada amplitud en ese modo no axial. En la referencia anterior, puede inducirse un modo de flexion desde una pila ostensiblemente estimulada axialmente, mientas que la presente solicitud, es un modo torsional el que puede generarse en lugar del modo longitudinal/extensional anticipado. Normalmente, forzar a dicha pila a vibrar en otro modo serla muy ineficiente, pero es ahora posible proporcionar eficientemente una salida de elevado 20 desplazamiento a partir de una pila simple y economica de elementos TPZ polarizados en espesor.

Claims (14)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    55
    60
    65
    REIVINDICACIONES
    1. Aparato (5, 20, 50) adaptado para generar vibraciones ultrasonicas en modo torsional puro, que comprende una matriz (8) de elementos piezoelectricos (10) alineados coaxialmente que tiene un primer elemento de conversion (1, 53) extendido sustancialmente coaxialmente montado sobre dicha matriz (8), en el que
    dicho primer elemento de conversion (1) comprende una inhomogeneidad (2) en la seccion transversal de simetrla generalmente helicoidal que se extiende desde adyacente a un extremo proximal (17) del primer elemento de conversion (1) hasta adyacente a un extremo distal (18) del primer elemento de conversion (1).
  2. 2. Aparato segun la reivindicacion 1, caracterizado por que dicha inhomogeneidad (2) en la seccion transversal tiene una longitud axial de al menos At/2, en la que At es la longitud de onda de las vibraciones ultrasonicas dentro del elemento de conversion (1, 53).
  3. 3. Aparato segun o bien la reivindicacion 1 o bien la reivindicacion 2, caracterizado por que dicha inhomogeneidad (2) en la seccion transversal tiene una longitud axial que corresponde sustancialmente a At/2.
  4. 4. Aparato segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la inhomogeneidad (2) de la seccion transversal se extiende a lo largo de al menos tres cuartos de la longitud del primer elemento de conversion (1, 53).
  5. 5. Aparato segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que el primer elemento de conversion (1, 53) comprende una parte homogenea proximal (17) que se extiende entre la inhomogeneidad (2) de la seccion transversal y el extremo proximal del elemento de conversion (1, 53), teniendo dicha parte homogenea proximal (17) una longitud axial de At/10 o menos.
  6. 6. Aparato segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que el primer elemento de conversion (1) comprende una parte homogenea distal (18) que se extiende entre la inhomogeneidad (2) de la seccion transversal y el extremo distal del elemento de conversion (1, 53), teniendo dicha parte homogenea distal (18) una longitud axial de At/10 o menos.
  7. 7. Aparato segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que dicha inhomogeneidad (2) de la seccion transversal comprende una pluralidad de medios de ranuras (2, 55) que se extienden helicoidalmente, extendidas sustancialmente de modo paralelo entre si desde adyacentes al extremo proximal (17) del primer elemento de conversion (1, 53) a adyacentes a su extremo distal (18).
  8. 8. Aparato segun la reivindicacion 7, caracterizado por que cada medio de ranura (2, 55) se extiende helicoidalmente entre sus extremos proximal y distal respectivos durante sustancialmente una rotacion completa alrededor de la circunferencia del elemento de conversion (1, 53).
  9. 9. Aparato (50) segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que comprende un segundo elemento de conversion (51) que se extiende sustancialmente de modo coaxial desde la matriz (8) de elementos piezoelectricos (10), remotamente desde el primer elemento de conversion (53).
  10. 10. Aparato segun la reivindicacion 9, caracterizado por que dicho segundo elemento de conversion (51) es sustancialmente similar al primero (53).
  11. 11. Aparato segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que esta provisto de medios de montaje aislantes (57) adaptados para recibir medios de revestimiento del mismo, estando montados dichos medios de montaje aislantes (57) en el aparato (5, 20, 50) en un plano nodal situado dentro de la matriz (8) de elementos piezoelectricos (10).
  12. 12. Medio de herramienta ultrasonicamente vibratoria que comprende un medio para generar vibraciones ultrasonicas (5, 20, 50) conectado operativamente a un medio de guiaondas (34) alargado que se extiende hasta una punta distal (35) operativa del medio de herramienta, caracterizado por que el medio para generar vibraciones ultrasonicas comprende aparatos para la generacion de vibraciones ultrasonicas en modo torsional de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, y el medio guiaondas (34) comprende una inhomogeneidad (32) de la seccion transversal que tiene una simetrla generalmente helicoidal dispuesto adyacente a dicha punta distal (35) del medio guiaondas (34).
  13. 13. Medio de herramienta segun la reivindicacion 12, caracterizado por que dicha inhomogeneidad (32) de la seccion transversal se adapta para convertir las vibraciones ultrasonicas en modo torsional (39) en el medio de guiaondas (34) al menos parcialmente en vibraciones ultrasonicas en modo longitudinal (40) en la punta distal operativa (35).
  14. 14. Medio de herramientas segun cualquiera de la reivindicacion 12 o la reivindicacion 13, caracterizado por que dicha inhomogeneidad (32) de la seccion transversal comprende una pluralidad de medios de ranura (37) que se
    extienden helicoidalmente, extendiendose cada uno paralelamente a los otros entre un extremo proximal de la inhomogeneidad (32) de la seccion transversal y un extremo distal de la misma.
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