SE461010B - Anordning vid ultraljudskniv - Google Patents

Description

461010 En exponentiellt avsmalnande form har visat sig vara rätt fördelaktig för att erhålla en så utspridd spänningsför- delning som möjligt. Vid anordningen enligt uppfinningen måste emellertid hornet vara försett med en central kanal för bortsugning av lösgjorda vävnader och blod. En exponen- tiellt avtagande form över hornets hela avsmalande del ger till följd härav upphov till stora tillverkningsproblem, då hålet upptar en procentuellt allt större del av den minskande tvärsektionen. Om nämligen spetsen skall vara av lämplig diameter blir den tjocka bakre delen av hornet ohanterligt tjock.

Ett syfte med föreliggande uppfinning är att eliminera dessa nackdelar. Detta syfte uppnås med en anordning enligt patentkravet 1. En utföringsform av anordningen anges i kravet 2. Bakgrunden till ovannämnda skumbildning är följ- ande: De skumbildningen bakomliggande fenomenen är följande. När anordningens spets rör sig in i en vätska, t.ex. vatten, från ett viloläge uppstår ett högt lokalt tryck, eftersom vatten är praktiskt taget icke kompressibelt. När spetsen därefter går tillbaka uppstår ett undertryck, varvid i vattnet lösta gaser överförs till gasfas. Bubblor, som från början är tomma utbildas och fylls sedan av respektive gas partialtryck. I kroppsvävnader finns t.ex. 02 med flera gaser i halter av åtminstone 10 ppm. Då spetsen på nytt går in i vätskan komer den ej att kunna komprimera samma volym utan endast en del av denna, vilket leder till likriktad diffustion. Detta medför att bubblor avgår från spetsen.

Jag har nu funnit att denna skumbildning är starkt beroende av spetsens svängningssätt. Om spetsen utför en ren sinus- svängning och har en betydande svängningskomponent i trans- versell led uppstår kraftig skumbildning. Vid tidigare kända 461 010 utföranden har frekvensen hos denna transversella svängning ofta varit betydligt lägre än den aktuella, longitudinella arbetsfrekvensen (24 kHz).

Genom att emellertid utforma anordningens s.k. horn på sätt som anges i patentkravets 1 kännetecknande del uppnår man att spetsen utför en mycket ren longitudinell svängning, i en icke linjär svängningsmod. Härigenom elimineras skum- bildningsproblemet.

Genom att utforma den avsmalnande delen på sätt som anges i patentkravet 1 uppnår man vidare fördelen att spännings- fördelningen sprids samtidigt som den centrala kanalen eller hålet kan borras på praktiskt sätt.

Enligt en fördelaktig vidareutveckling av anordningen styrs frekvensgeneratorn för intermittent drift av trans- ducerenheten. Härigenom undviker man än effektivare att en transversell svängning uppbyggs i spetsen, varvid fenomen liknande parametrisk excitation synes spela in.

Anordningen kan vara utförd så frekvensgeneratorns utsignal till transducerenheten moduleras, varigenom det önskade icke linjära svängningssättet främjas. Modulationen kan vara förhållandevis kraftig, av storleksordningen 5 %.

Transducerenheten kan innefatta ett piezoelektriskt element, varigenom förbättrad verkningsgrad uppnås jämfört med om magnetostriktiva transducerelement används.

Genom den i kravet 1 nämnda enhet uppnår man även en för- bättrad verkningsgrad, trots att endast en enkel tvåtråds- matning krävs. 461 010 Med fördel kan anordningen enligt uppfinningen innefatta två transducerenheter, som är hopkopplade med en resonans- stav av sådan längd att svängningsnoder erhålls i båda enheterna vid önskad svängningsfrekvens. Härigenom undviker 2 man på säkert sätt excitering av felaktig svängningsfre- ä kvens. ' É Enligt skyddsregler för utrustning av den typ uppfinningen hänför sig till skall patientanslutna delar vara galvaniskt isolerade från utrustningens övriga delar. Läckströmmar från patientanslutna delar skall normalt vara mindre än 100 mikroampere för frekvensintervallet DC-1 kHz. Detta uppnås utan svårighet med anordningen enligt uppfinningen.

Med själva ultraljudskniven fritt flytande i elektriskt avseende kan höga spänningar uppstå vid högre frekvenser, såsom vid en arbetsfrekvens av 24 kHz med sina harmoniska övertoner, vid låg belastning. För att lösa detta problem kan transformatorns sekundärsida belastas med en parallell- koppling av ett motstånd och en kondensator, varvid dock strömmen inom frekvensområdet DC-1 kHz ej överskrider fastställt gränsvärde. Kopplingen eliminerar bl.a. stör- ningar till känslig annan utrustning.

En såsom exempel vald utföringsform av anordningen enligt uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare i anslutning till bifogade ritningar, på vilka fig. l visar en utföringsform av ultraljudskniven i genomskärning med tillhörande kringutrustning schematiskt visad, fig. 2 visar ett blockschema över transducerenheten och den elektriska utrustningen vid anordningen enligt uppfinningen, 461 010 fig. 3 visar schematiskt den isolerade kontakten för anslutning av den elektriska utrustningen till själva ultraljudskniven, och fig. 4 illustrerar den elektriska kopplingen av ultra- ljudsknivens olika delar.

I fig. l visas i sidovy och i längdsnitt en ultraljudskniv 1, avsedd att användas för att vid kirurgiska ingrepp avlägsna vävnader med hjälp av den vibrerande spetsen 4.

Ultraljudsknivens ena änddel, det s.k. hornet, innefattar ett cylindriskt parti 32 och ett avsmalnande ändparti 34.

Det avsmalnande partiet 34 uppvisar ett från den cylindriska delen 32 utgående, exponentiellt avtagande parti lc, som övergår i en rak konisk form id som slutar i spetsen 4.

Partiet 34 är försett med ett centralt, cirkulärt hål eller kanal 3, som leder från spetsen 4 till en radiell kanal 36 i partiet 32, genom vars mynning lösgjorda vävnader och blod kan bortsugas.

Det avsmalnande partiet 34 är vidare dimensionerat för att ge önskad förstärkning av svängningsamplituden. Transducer- enheten 2, som driver hornet, ger en svängningsamplitud av 5 - 10 mikrometer. I praktiken är det önskvärt att spetsen 4 svänger med en amplitud upp till ca. 240 mikrometer.

Hornet är därför utformat för att ge en förstärkning av storleksordningen 25 gånger. Då spetsen svänger med en frekvens av 24 kHz uppstår i spetsen sålunda accelerationer av storleksordningen 75.000 g. Partiet 34 är därför ut- format på speciellt sätt, såsom diskuterats ovan, för att undvika spänningskoncentrationer och vidare är det utfört i en titanlegering, som värmebehandlats för att ytterligare förbättra hållfastheten. 461 010 Hornet är via en resonansstav 6 kopplat till en elektrome- kanisk omvandlare i form av en transducerenhet 2 för om- vandling av elektriska svängningar till en longitudinell svängning för överföring till hornet.

Transducerenheten 2 består av ett antal cirkulära skivor av piezoelektriskt, keramiskt material, t.ex. sintrat högeffekt blytitanatzirkonat, anordnade i ett sandwich- arrangemang. För att tillåta att transducerenheten arbetar med vibrationer, som överstiger det keramiska materialets brottgräns, förspänns sandwicharrangemanget mellan reso- nansstaven 6 och ett ändstycke 5 medelst en titanbult 38.

De piezoelektriska skivorna är belagda med metallfilm på omkretsytorna för att via anslutningsledningar 8a och 8b kopplas till en elektrisk anslutning 40 vid ultraljudskni- vens bakre ände.

Såväl resonansstaven 6 som ändstycket S utgörs av metall- stavar, företrädesvis av en magnesiumlegering eller dural- umin.

Ultraljudsknivens 1 bakre del tjänar som handtag vid in- strumentets användning och är inbakat i ett silikongummi 44, som håller anslutningsledningarna 8a och Bb från själva höljet, jämför även fig. 4.

Längden av transducerenheten 2 skall vara en halv våglängd för den aktuella longitudinella svängningen. Ultraljuds- knivens hela längd är sådan att den får två noder. I den ena noden placeras den transversella kanalen 36, varigenom man undviker att den till kanalens 36 mynning lb kopplade anslutningsslangen 42 skadas av vibrationerna. Handtagets ytterhölje la monteras med fördel i den andra noden, så att vibrationerna ej överförs till handtaget. _. . ...rrwwwa-H.. 461 010 En förlängningsstav 30 av längden en våglängd kan om så önskas inkopplas mellan hornet och transducerenheten.

Staven består av ett hårt material, som ger låga förluster, t.ex. titan, duralumin eller magnesium, och den kan för vissa tillämpningar utformas något böjd.

En frekvensgenerator 7 är över en tvåtrådsförbindelse 8 ansluten till ultraljudsknivens 1 elektriska anslutning 40. Den elektriska anslutningens närmare utförande beskrivs nedan i anslutning till fig. 3 och 4. Frekvensgeneratorn 7 innefattar organ för att styra den angivna frekvensen för ändring, alternativt konstanthâllning, av nämnda frek- vens, vilket förklaras närmare nedan med hänvisning till fíg. 2.

Som nämnts överförs den av generatorn 7 genererade fre- kvensen på en tvåtrådsledning 8 och via en transformator 46 till ledningarna 8a och 8b, vilka leder till transducer- enheten 2, jämför fig. 4. Själva kontakten 48 för anslut- ning av ledningen från generatorn 7 till ultraljudskniven 1 är försedd med en isolerande bricka 50, såsom illustreras schematiskt i fig. 3. I stället för en standardkontakt monterad i en isolerad bricka, såsom visas, kan naturligt- vis en isolerad tvåledarkontakt el. dyl. användas.

Transformatorn 46 utgörs av en järnpulvertransformator för att minska förlusterna vid anordningens arbetsfrekvens (24 kHz) och för att få god elektrisk impedansanpassning för matning av transducerenheten 2. Med denna enkla trans- formatormatning blir själva ultraljudskniven elektriskt helt flytande och kravet på en läckström av mindre än 100 mikroampere inom frekvensintervallet DC-lkHz enligt de I fastställda normerna för denna typ av apparat uppfylls med god marginal. För den enkla tvåtrådsutgång från transfor- matorn 46, som utnyttjas vid anordningen enligt uppfinnin- gen, är läckkapacitansen till jord med säkerhet mindre än 461 010 8 200 pF, vilket för nätspänning, d.v.s. 220 V och 50Hz, vilken i praktiken är helt dominerande, ger en ytterst liten läckström.

För att hålla vivelströmsförlusterna nere vid den höga frekvens det är frågan om utnyttjas en pulverkärna i trans- formatorn 46, varvid erfordras förhållandevis låga lind- ningsvarvtal, endast några få varv på primärsidan och ca. 100 på sekundärsidan, vilket medför god DC galvanisk iso- lation och låg läckkapacitans.

Fig. 4 illustrerar även hur ultraljudsknivens ytterhölje la kopplas elektriskt.

Då själva spetspartiet 34 har hög akustisk impedans får denna del stor inverkan på svängningsfrekvensen. Även fyllnadsgraden i hålet 3 samt spetsens 4 koppling till vävnaden påverkar frekvensen. I praktiken har det visat sig att frekvensen behöver styras inom 1 0,5 % för att god funktion hos ultraljudskniven 1 skall uppnås. Detta är realiserbart med det nedan beskrivna återkopplingssystemet och då förbättrad koppling mellan ultraljudskniven och vävnaden medför ett lägre Q-värde och därmed större band- bredd för det svängande partiet 34 samt fyllnadsgraden i hålet 3 endast visat sig ha en mindre inverkan på resonans- frekvensen arbetar anordningen felfritt med högst varierande fyllnadsgrad i hålet.

Vid anordningen enligt uppfinningen matas ultraljudskniven l med en effekt av upp till storleksordningen 100 W och med en spänning av ca. 300 V. Om transformatorn 46 dimen- sioneras så att dess utgångslindning uppfyller ekvationen L=f2 .frzxco '1, där L betecknar induktansen i H,_f frekvensen = 24 kHz och Co kapacitansen över transducerenheten i F. Med denna ekvation uppfylld blir den komplexa belastning, som ultra- 461 010 ljudskniven utgör, en rent ohmsk last vid resonans, så att felaktig frekvens ger upphov till en kraftig ändring av fasvinkeln mellan ström och spänning till transducerenheten 2. Fasvinkeln mellan ström I och spänning U till transduc- erenheten 2 bestäms därför för att i beroende av denna fasvinkel styra generatorfrekvensen 7, så att frekvensen hålls konstant vid önskat värde. Härigenom undviks inverkan av olika effekt.

Med ringtransformator uttas för den skull strömvärdet I på transducerns 2 ingång och ínmatas till en fasdetektor, se fig. 2. Spänningsvärdet U uttas ur förstärkaren 58 med spänningsdelare, och bildar referensfas. Fasdetektorn 52 är en s.k. synkrondemodulator, balanserad ringblandare, vilken möjliggör bestämning av den momentana fasskillnaden även om ström- och spänningskurvorna är kraftigt distorde- rade t.ex. på grund av belastning av ultraljudsknivens 1 spets 4 och icke-linjära effekter i det piezoelektriska materialet och det svängande systemet.

Från fasdetektorn 52 erhålls en utsignal i form av en likspänning, som är nroportionell mot fasskillnaden. Upp- träder ingen fasskillnad, d.v.s. vid rent ohmsk last vid resonans, är utsignalen lika med 0. Härigenom är det möjligt att variera effekten till transducern 2 utan att utsignalen från fasdetektorn påverkas, så länge som frekvensen är nära den önskade resonansfrekvensen.

Utspänningen från fasdetektorn 52 filtreras i filtret 54 och matas till en spänningsstyrd oscillator (VCO-oscillator) 56. På detta sätt åstadkoms ett faslåst servosystem som hela tiden strävar att hålla ultraljudskniven vid resonans- frekvens, oavsett variationer i fyllnadsgraden för hålet 3. 461 010 10 Utsignalen från oscillatorn 56 förstärks i en effektför- stärkare 58.

Enheterna 52, 54, 56 och S8 i fig. 2 är inbyggda i frekvens- generatorn 7 enligt fig. 1.

Det är även möjligt att utöka synkrondetektorn till att arbeta i alla fyra kvadranterna, varvid även amplituden kan mätas. Härigenom kan den även utnyttjas som lastmätare för att automatiskt anpassa uteffekten till den aktuella lasten. Utan belastning på ultraljudsknivens 1 spets 4 matas den då endast med en förhållandevis låg tomgångs- effekt, medan då kirurgen sätter spetsen mot vävnaden spetsen 4 belastas mekaniskt och den tillförda effekten ökas automatiskt. Nominell effekt tillförs först när belast- ningen överstiger ett på förhand bestämt tröskelvärde, vilket innebär att spetsen 4 endast kommer att utsättas för de stora mekaniska påkänningar, som åtföljer fulleffekt- drift, under den tid då ultraljudskniven används på effek- tivt sätt. Härigenom ökar spetsens livslängd självfallet.

Claims (2)

10 15 20 25 11 P a t e n t k r a v 461010

1. Anordning vid ultraljumcüv, avsedd att användas vid kirurgiska ingrepp för att avlägsna vävnader, innefattande ett horn (32, 34) med en central kanal (3) försedd rotationssymmetrisk avsmalnande del med mot hornets ena ände (4) exponentiellt (1 c) avsmalnande form, vilken ände (4) är avsedd att bringas i kontakt med vävnaden, en till hornets andra ände kopplad transducerenhet (2), anordnad att driva nämnda ände (4) i longitudinell svängning, samt en frekvensgenerator (7) för drivning av transducerenheten k ä n n e t e c k - n a d a v att frekvensgeneratorn (7) är anordnad att mata transducerenheten (2) över en tvâtrådsförbindelse (8) via en transformator (46) för isolering av ultra- ljudskniven (1) frán övrig utrustning, att en enhet (52) är anordnad att bestämma fasläget mellan ström och spänning till transducerenheten och avge en motsvarande utsignal, som återkopplas till frekvensgeneratorn för att i beroende av nämnda fasläge styra frekvensen till Önskat värde, och att hornet har rakt koniskt avsmalnande form i sitt till den exponentiella formen anslutande, till änden (4) nàende avsnitt.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att transformatorn (46) och transducerenheten (2) är så utförda att ekvationen är uppfylld mellan induktansen L i transformatorns ut- gàngslindning, resonansfrekvensen f samt kapacitansen Co över transducerenheten.