專利名稱：超聲手術刀的制作方法
技術領域：
本發明屬于醫療器械技術領域，具體涉及一種超聲手術刀。
背景技術：
20世紀70年代，微創技術迅猛發展，目前包括微創手術已經應用到普外科、婦產科、心胸外科、泌尿外科、小兒外科、骨科、腦外科及眼科等近10個手術中。微創手術的發展帶動了手術器械的發展，如內鏡超聲、超聲刀、微型手術器械、各類腔內切割吻合器等。隨之涌現的手術器械反過來又推動了微創外科的發展，逐步發展成為了醫療器械行業中的一個分支行業。超聲手術刀是一種利用超聲波能量引起的空化效應導致組織脫水，凝固，進而裂解的一種手術器械。此器械由強生公司最先提出，目前為強生公司等少數外國公司所把持。
相對于傳統的電刀手術器械來說，其最大的優勢在于切割組織不是采用電灼燒引起的熱效應，而是采用超聲波引起的空化效應，來達到類似于水沸騰的效果，起到組織切割和凝結的效應。因此其傷口焦痂更少，術后愈合效果更好。目前的超聲手術刀盡管具有如上優點，但依然存在手術操控不便。一方面由于現有的超聲手術刀的刀頭不能彎轉，容易出現手術死角，在手術進行過程中，大夫針對不同手術局部區域，需要更換手術刀；另一方面現有超聲手術刀存在超聲功率小等問題，對于大的血管，尤其是脂肪豐富的組織切割下降厲害。
發明內容
本發明的目的就是針對現有技術的不足，提供一種超聲手術刀。本發明包括刀頭、刀桿、手柄、壓電換能器。刀頭包括夾持部分和伸縮部分，刀桿包括夾持刀桿和伸縮刀桿。所述刀頭的夾持部分的前端設置有齒牙，尾部端面為半球形凹面；夾持刀桿的頭部端面為半球形凸面，夾持刀桿的頭部置于夾持部分的尾部內，夾持部分彎曲轉軸穿過夾持刀桿頭部的半球形凸面和夾持部分尾部的半球形凹面設置，夾持部分可以相對夾持刀桿轉動；兩根開合用鋼絲沿夾持刀桿的軸向穿過夾持刀桿設置，兩根開合用鋼絲的一端分別與夾持部分的尾端固定連接，另一端纏繞在開合轉軸上，開合轉軸與開合微電機連接，兩根開合用鋼絲在開合轉軸上的纏繞方向相反，開合轉軸轉動時，一根開合用鋼絲收緊，另一根開合用鋼絲放長；
所述刀頭的伸縮部分為圓桿，伸縮部分的尾部設置有突起；伸縮刀桿的頭部設置有卡槽，尾部連接有壓電換能器；伸縮部分的尾部的突起位于伸縮刀桿的卡槽內，伸縮部分彎曲轉軸穿過突起和卡槽設置，伸縮部分可以相對伸縮刀桿轉動；
夾持部分彎曲轉軸穿過主齒輪中心設置，伸縮部分彎曲轉軸穿過從齒輪中心設置，主齒輪與從齒輪嚙合，彎轉微電機與夾持部分彎曲轉軸通過皮帶連接。所述的壓電換能器包括多組壓電換能單元，相鄰兩個壓電換能單元之間設置有形變變換塊，壓電換能單元與形變變換塊之間設置有厚度為a的絕緣層。所述的壓電換能單元采用壓電堆結構，整體為圓柱形，包括多個同軸設置的圓片形狀的壓電片，壓電片的表面設置有金屬電極；所述的金屬電極為金屬薄片或金屬膜，覆蓋在壓電片的表面，金屬電極上連接有引線；相鄰的兩個壓電片之間設置有兩個金屬帽，所述的金屬帽為空心的圓臺形，圓臺的頂面封閉成端面，圓臺的底面開放，兩個金屬帽的頂面固定連接，側壁位于底面的邊沿與壓電片表面的金屬電極連接。所述壓電片的材料為摻雜鋯鈦酸鉛陶瓷、或ZnO、或A1N、或PVDF。所有構成壓電換能器的圓柱形的壓電換能單元的高度b相同，多個壓電換能單元的壓電片的直徑依次減小。所有壓電換能單元中的相同極引線相互連接。形變變換塊為實心喇叭形塊體，兩個圓形的端面分別于連接的兩個壓電換能單元的壓電片直徑相等，其縱截面的腰線為函數y=x/e曲線，e為數學常數；形變變換塊的高度c符合以下公式
a+b+2c=L= V /ω
其中，ω是電激勵信號的頻率、V是聲波傳播的速度、L是相鄰兩個壓電換能單元的中心距離。本發明將刀頭的兩個部分分別連接各自的刀桿，通過一個微電機帶動刀頭的兩個部分同時彎轉，實現了超聲手術刀刀頭的電控彎曲，通過兩根開合用鋼絲實現刀頭的夾持部分的開合動作。本發明提高了器械的可操作性，為器械的自動化和智能化打下基礎。本發明中壓電換能器的形變變換塊從喇叭形的的大頭到小頭，由于橫截面積逐級減小，在遵循能量守恒定理的基礎上，小頭的伸縮幅度增加，起到了聲波振幅放大的作用。每個壓電換能單元的高度相同，每個形變變換塊的高度相同，每個絕緣層的厚度相同，因此壓電換能單元沿軸向周期分布，滿足色散方程1/1=ω/ν，頻率為ω的電信號激勵的壓電換能器發出的聲波在空間正好波峰和波峰相疊，波谷和波谷相疊，也就是說，不同壓電換能器在軸向某一個點上產生的形變都是伸長或者都是縮短，強化了疊加效果。
圖I為本發明中刀頭的夾持部分和夾持刀桿的結構示意 圖2為本發明中刀頭的伸縮部分和伸縮刀桿的結構示意 圖3為本發明中夾持部分彎曲轉軸和伸縮部分彎曲轉軸的位置示意 圖4為本發明壓電換能器的截面結構示意 圖5為圖4中壓電換能單元的截面結構示意 圖6為圖5中金屬帽的結構示意圖。
具體實施例方式一種超聲手術刀包括刀頭、刀桿、手柄、壓電換能器；刀頭包括夾持部分和伸縮部分，刀桿包括夾持刀桿和伸縮刀桿。如圖I所示,刀頭的夾持部分I的前端設置有齒牙1-1，尾部端面為半球形凹面1-2 ;夾持刀桿2的頭部端面為半球形凸面2-1，夾持刀桿2的頭部置于夾持部分I的尾部內，夾持部分彎曲轉軸3穿過夾持刀桿頭部的半球形凸面2-1和夾持部分尾部的半球形凹面1-2設置，夾持部分I可以相對夾持刀桿2轉動。兩根開合用鋼絲4沿夾持刀桿2的軸向穿過夾持刀桿2設置，兩根開合用鋼絲4的一端分別與夾持部分I的尾端固定連接，另一端纏繞在開合轉軸5上，開合轉軸5與開合微電機6連接，兩根開合用鋼絲4在開合轉軸5上的纏繞方向相反。工作時，開啟開合微電機6，開合轉軸5轉動，一根開合用鋼絲被收緊，另一根開合用鋼絲則放長，收緊的開合用鋼絲拉動夾持部分I轉動，實現刀頭的開合。如圖2所不，刀頭的伸縮部分7為圓桿，伸縮部分7的尾部設置有突起7-1 ;伸縮刀桿8的頭部設置有卡槽8-1，尾部連接有壓電換能器10 ;伸縮部分的尾部的突起7-1位于伸縮刀桿的卡槽8-1內，伸縮部分彎曲轉軸9穿過突起7-1和卡槽8-1設置，伸縮部分7可以相對伸縮刀桿8轉動。如圖3所示，夾持部分彎曲轉軸3穿過主齒輪11中心設置，伸縮部分彎曲轉軸9穿過從齒輪12中心設置,主齒輪11與從齒輪12哨合,彎轉微電機13與夾持部分彎曲轉軸3通過皮帶14連接。
工作時，開啟彎轉微電機13，彎轉微電機13通過皮帶14帶動夾持部分彎曲轉軸3轉動，夾持部分彎曲轉軸3通過嚙合的主齒輪11和從齒輪12帶動伸縮部分彎曲轉軸9轉動，從而使刀頭的夾持部分I和刀頭的伸縮部分7同時發生轉動，實現兩個部分同時彎轉，實現了超聲手術刀刀頭的電控彎曲。如圖4所示，壓電換能器10包括三組壓電換能單元10-1和兩個形變變換塊10-2，每個形變變換塊10-2設置在相鄰兩個壓電換能單元10-1之間，壓電換能單元10-1與形變變換塊10-2之間設置有厚度為a的絕緣層10-3。第一組壓電換能單元與第二組壓電換能單元的中心距離LI等于第二組壓電換能單元與第三組壓電換能單元的中心距離L2。如圖5所示，壓電換能單元10-1采用壓電堆結構，整體為圓柱形，包括三個同軸設置的圓片形狀的壓電片10-1-1,壓電片10-1-1的表面設置有金屬電極10-1-3。金屬電極為金屬薄片或金屬膜，覆蓋在壓電片10-1-1的表面，金屬電極10-1-3上連接有引線，相鄰的兩個壓電片之間設置有兩個金屬帽10-1-2。壓電片的材料為摻雜鋯鈦酸鉛陶瓷、或ZnO、或 A1N、或 PVDF。如圖5和6所示，金屬帽為空心的圓臺形，圓臺的頂面封閉成端面，圓臺的底面開放，兩個金屬帽的頂面固定連接，側壁位于底面的邊沿與壓電片表面的金屬電極10-1-3連接。所有構成壓電換能器的圓柱形的壓電換能單元的高度b相同，構成三個壓電換能單元的壓電片的直徑依次減小。所有壓電換能單元中的相同極引線相互連接。形變變換塊10-2為實心喇叭形塊體，兩個圓形的端面分別于連接的兩個壓電換能單元的壓電片直徑相等，其縱截面的腰線k采用函數y=x/e曲線，e為數學常數；形變變換塊的高度c符合以下公式
a+b+2c=L= V /ω
其中，ω是電激勵信號的頻率、V是聲波傳播的速度、L是相鄰兩個壓電換能單元的中心距離。通電后壓電堆振動，壓電片產生軸向形變和徑向形變，其中壓電片的徑向形變帶動金屬帽發生徑向形變(圖6中的實線箭頭所示)，金屬帽特有的結構會將該徑向形變部分轉化為軸向形變(圖6中的虛線箭頭所示)，加大了軸向形變的尺度，進一步提高器件在軸向伸縮能力。同時由于采用周期性結構設置，如果其空間周期性和激勵電信號的頻率滿足色散方程，則可以改善超聲換能器的品質因數和頻率選擇性 ，可以大大強化電激勵信號，抑制對噪聲的響應。壓電換能單元和形變變換塊周期設置，形成級聯狀態，進一步放大了刀頭的伸縮距離，提高工作效率。
權利要求
1.超聲手術刀，包括刀頭、刀桿、手柄、壓電換能器，其特征在于 刀頭包括夾持部分和伸縮部分，刀桿包括夾持刀桿和伸縮刀桿； 所述刀頭的夾持部分的前端設置有齒牙，尾部端面為半球形凹面；夾持刀桿的頭部端面為半球形凸面，夾持刀桿的頭部置于夾持部分的尾部內，夾持部分彎曲轉軸穿過夾持刀桿頭部的半球形凸面和夾持部分尾部的半球形凹面設置，夾持部分可以相對夾持刀桿轉動；兩根開合用鋼絲沿夾持刀桿的軸向穿過夾持刀桿設置，兩根開合用鋼絲的一端分別與夾持部分的尾端固定連接，另一端纏繞在開合轉軸上，開合轉軸與開合微電機連接，兩根開合用鋼絲在開合轉軸上的纏繞方向相反，開合轉軸轉動時，一根開合用鋼絲收緊，另一根開合用鋼絲放長； 所述刀頭的伸縮部分為圓桿，伸縮部分的尾部設置有突起；伸縮刀桿的頭部設置有卡槽，尾部連接有壓電換能器；伸縮部分的尾部的突起位于伸縮刀桿的卡槽內，伸縮部分彎曲轉軸穿過突起和卡槽設置，伸縮部分可以相對伸縮刀桿轉動； 夾持部分彎曲轉軸穿過主齒輪中心設置，伸縮部分彎曲轉軸穿過從齒輪中心設置，主齒輪與從齒輪嚙合，彎轉微電機與夾持部分彎曲轉軸通過皮帶連接； 所述的壓電換能器包括多組壓電換能單元，相鄰兩個壓電換能單元之間設置有形變變換塊，壓電換能單元與形變變換塊之間設置有厚度為a的絕緣層； 所述的壓電換能單元采用壓電堆結構，整體為圓柱形，包括多個同軸設置的圓片形狀的壓電片，壓電片的表面設置有金屬電極；所述的金屬電極為金屬薄片或金屬膜，覆蓋在壓電片的表面，金屬電極上連接有引線，相鄰的兩個壓電片之間設置有兩個金屬帽；所述的金屬帽為空心的圓臺形，圓臺的頂面封閉成端面，圓臺的底面開放，兩個金屬帽的頂面固定連接，側壁位于底面的邊沿與壓電片表面的金屬電極連接； 所有構成壓電換能器的圓柱形的壓電換能單元的高度b相同，多個壓電換能單元的壓電片的直徑依次減小；所有壓電換能單元中的相同極引線相互連接； 形變變換塊為實心喇叭形塊體，兩個圓形的端面分別于連接的兩個壓電換能單元的壓電片直徑相等，其縱截面的腰線為函數y=x/e曲線，e為數學常數；形變變換塊的高度c符合以下公式a+b+2c=L= V /ω 其中，ω是電激勵信號的頻率、V是聲波傳播的速度、L是相鄰兩個壓電換能單元的中心距離。
2.如權利要求I所述的超聲手術刀，其特征在于所述壓電片的材料為摻雜鋯鈦酸鉛陶瓷、或ZnO、或Α1Ν、或PVDF。
全文摘要
本發明涉及超聲手術刀。目前超聲手術刀的刀頭不能彎轉、超聲功率小。本發明包括刀頭、刀桿、手柄、壓電換能器。刀頭包括夾持部分和伸縮部分，刀桿包括夾持刀桿和伸縮刀桿。夾持部分和夾持刀桿活動連接，伸縮部分和伸縮刀桿活動連接，夾持部分和伸縮部分同步轉動，伸縮刀桿尾部連接有壓電換能器。壓電換能器包括多組壓電換能單元，相鄰兩個壓電換能單元之間設置有實心喇叭形的形變變換塊，壓電換能單元包括多個同軸設置的圓片形狀的壓電片，壓電片的表面設置有金屬電極，相鄰的兩個壓電片之間設置有兩個圓臺形的金屬帽。本發明有效地提高了電聲轉換效率，提高了超聲波輻射的指向性，同時提高了器械的可操作性。
文檔編號A61B17/3211GK102813543SQ201210306558
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月27日 優先權日2012年8月27日
發明者余厲陽 申請人:杭州電子科技大學