УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ХИРУРГИЧЕСКИЙ ИНСТРУМЕНТ Российский патент 1997 года по МПК A61B17/32 A61B8/00 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к ультразвуковым хирургическим инструментам для воздействия на мягкие ткани в труднодоступных физиологических и раневых полостях.

Известен ультразвуковой инструмент для создания кавитационного воздействия в сосудистом русле [1] Устройство содержит рукоятку, источник ультразвуковых колебаний и подсоединенный к нему концентратор, включающий полуволновый экспоненциальный участок, механически сопряженный с гибким многополуволновым цилиндрическим волноводом диаметром 1,5 0,3 мм, помещенным в катетер. Инструмент позволяет, отслеживая эластичность стенок сосудов, раздвигать их ткани и разрушать новообразования с эвакуацией разрушенного материала через просвет между гибким волноводом и катетером. Вышеописанное устройство не позволяет проводить деструкцию мягких тканей в узком канале или в глубоких труднодоступных полостях вследствие недостаточной устойчивости системы из-за наличия гибкого цилиндрического участка, не позволяющего развивать предельные амплитуды продольных колебаний (150 180 мкм).

Известен ультразвуковой хирургический инструмент для разрушения клапанов вен [2] включающий источник ультразвуковых колебаний, соединенный с многополуволновым стержневым концентратором с шаровидной рабочей частью, на которой выполнены кольцевые режущие кромки. При работе инструмента в стержне возбуждают продольные колебания, рабочую часть вводят внутрь вены, подводят к клапану и острой режущей кромкой срезают створки клапана. Так же как и приведенный выше аналог, этот инструмент не может быть использован для деструкции мягких тканей из-за невозможности развивать предельные амплитуды продольных колебаний рабочего конца ультразвукового инструмента вследствие того, что наличие стержневого участка с массивной шаровидной рабочей частью не обеспечивает необходимую высокую устойчивость системы.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании ультразвукового хирургического инструмента, обеспечивающего возможность формирования узких каналов в мягких тканях с минимальной травматичностью окружающих тканей, например подслизистое прохождение носовых раковин при хирургическом лечении вазомоторных ринитов, а также активизацию процесса очистки глубоких раневых и физиологических полостей через промежуточную среду для ускорения процессов заживления.

Техническим результатом, который достигается при использовании предложенной конструкции, является развитие предельных амплитуд продольных механических колебаний ультразвуковой частоты на рабочем конце ультразвукового хирургического инструмента минимального диаметра 0,75 1,5 мм за счет создания многополуволновой ультразвуковой системы с минимальным эффективным значением площади активного элемента и высокой устойчивостью.

Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой хирургический инструмент, включающий источник ультразвуковых колебаний, в узловой плоскости которого закреплена герметичная рукоятка, а также многополуволновый концентратор, имеющий входной участок экспоненциальной формы, коническую и рабочую части, выполнен в виде тела вращения переменного сечения и включает четвертьволновый участок, содержащий активный элемент и нерабочую частотопонижающую накладку, при этом площади изменяющихся поперечных сечений в местах сопряжений определяют из следующей зависимости:

где S₀ эффективное значение площади активного элемента и входного участка концентратора;
S₁ эффективное значение площади торца нерабочей частотопонижающей накладки инструмента;
S₂ эффективное значение площади концентратора в месте сопряжения экспоненциальной и конической частей;
S₃ эффективное значение площади концентратора в месте сопряжения первого и второго полуволновых участков;
S_n эффективное значение площади концентратора в месте сопряжения последующих полуволновых участков;
S_n+1 эффективное значение площади выходного участка рабочего конца концентратора;
N_a,b,c,d любое действительное число из ряда Фибоначчи (1,2,3,5,8,13,21,34,55,89.);
Ф коэффициент равный 1,5 2,0 ("Золотая пропорция").

Кроме того

где длина четвертьволнового участка между свободным торцом нерабочей частотопонижающей накладки и узловой плоскостью;
l длина участка между свободным торцом нерабочей частотопонижающей накладки и плоскостью симметрии активного элемента.

При этом максимальное значение эффективной площади поперечного сечения рабочей части концентратора, выполненной на участке длиной не более четверти волны и имеющей форму любого тела вращения переменного сечения не превышает эффективное значение площади концентратора в месте сопряжения экспоненциальной и конической его частей.

Отличительные существенные признаки изобретения, выраженные в виде математической зависимости позволяют создать гармоническую систему с высокой устойчивостью, обеспечивающую на рабочем конце хирургического инструмента предельные амплитуды механических колебаний, максимальное значение которых ограничивается только прочностными свойствами материала концентратора, вследствие использования фундаментального коэффициента Ф "Золотой пропорции" [3] Построение системы на основе соотношения закономерностей коэффициента Ф и числа из ряда Фибоначчи позволяет оптимальным образом строить акустическую систему по законам гармонии, отражающим диалектическое единство двух начал: непрерывного и дискретного. Указанные соотношения позволяют максимально использовать мощность активного элемента при минимально возможных эффективных значениях его площади, что существенно важно для уменьшения диаметра рукоятки инструмента, предназначенного для работы в узких и глубоких операционных полостях. Гармоническое построение системы позволяет сохранять ее устойчивость и работоспособность без возникновения поперечных колебаний, приводящих к излому инструмента, работающего в предельных режимах, при минимальных значениях диаметра рабочего конца инструмента, что необходимо для обработки глубоких и узких физиологических или раневых полостей, например санации послеоперационных свищей, обработки узких колотых ран и т.п.

Соотношения по п.1 предназначены для построения ультразвуковых инструментов с любыми источниками ультразвуковых колебаний. Соотношения по п.2 являются частным случаем построения ультразвуковой пьезокерамической системы пакетного типа. Признаки по п.3 обеспечивают устойчивость ультразвуковой системы с различными модификациями рабочих концов инструментов широкого хирургического назначения.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг.2 эпюра амплитуд колебаний соответствующих точек инструмента.

Ультразвуковой хирургический инструмент содержит рукоятку 1, закрепленную в узловой плоскости находящегося внутри ее источника ультразвуковых колебаний, включающего активный пьезокерамический элемент 2 пакетного типа, нерабочую частотопонижающую гайку-накладку 3 с торцом 4, часть рабочей частотопонижающей накладки 5 с буртом 6, расположенным в узловой плоскости четвертьволнового участка инструмента и служащим для крепления рукоятки 1. Болт 7 предназначен для стягивания акустической системы. Концентратор 8 включает входной участок 9, экспоненциальную часть 10 и многополуволновый конический участок 11, а также рабочий конец 12 с выходным участком 13. Инструмент построен по следующей зависимости:

где S₀ эффективное значение площади активного элемента 2 и входного участка 9 концентратора;
S₁ эффективное значение площади торца 4;
S₂ эффективное значение площади концентратора в месте сопряжения экспоненциальной части 10 и конического участка 11;
S₃ эффективное значение площади концентратора в месте сопряжения первого и второго полуволновых участков конической части 11;
S₄ эффективное значение площади концентратора 8 в месте сопряжения второго и третьего полуволновых участков конической части 11;
S_n+1 эффективное значение площади выходного участка 13 рабочего конца 12 концентратора 8;
5, 13, 89, 8 действительные числа из ряда Фибоначчи;
Ф коэффициент равный 1,618.

В числовом выражении зависимость имела следующие значения:

Эффективное значение площадей указано в см².

Отношение
Рабочий конец 12 выполнен каплевидным, максимальное значение эффективной площади его поперечного сечения равно 0,087 см², что меньше значения S₂ 0,1398 эффективного значения площади концентратора 8 в месте сопряжения экспоненциальной 10 и конической 11 частей.

Устройство работает следующим образом. Ультразвуковой хирургический инструмент через разъем (на чертеже не показан) в рукоятке 1 подсоединяют к ультразвуковому генератору (на чертеже не показан). При подаче напряжения активный элемент 2, возбуждаясь, преобразует высокочастотные электрические колебания в механические колебания ультразвуковой частоты передающейся с усилением концентратором 8 на рабочую часть 12. Инструмент образует многополуволновую резонансную систему в диапазоне частот 16,5 ± 1,65; 22 ± 1,65; 44 ± 4,4 кГц в зависимости от предназначения инструмента. Приведенный в примере инструмент предназначен для коагуляции крови при капиллярных кровотечениях в узких полостях и выполнен трехполуволновым с расчетом на резонансную частоту 44,0 кГц. Ручка 1, находясь в руке врача, обеспечивает полную электрическую и акустическую развязку ультразвуковой системы и руки хирурга. Коническую часть 11 с рабочей частью 12 и выходным участком 13 вводят в обрабатываемую полость. За счет поверхностного трения, возникающего в результате высокочастотных и высокоамплитудных (80 120 мкм) колебаний происходит быстрая коагуляция кровоточащих участков. Такая же форма рабочей части при ультразвуковом воздействии через промежуточную среду (лекарственный препарат) в кавитационном режиме обеспечивает очистку раневых и физиологических полостей, активизируя диффузию лекарственных препаратов и значительно ускоряя процесс заживления.

Источники информации
1. Патент США N 4920954, кл. A 61 B 17/32, 1990.

2. Авт. св. СССР N 1507353, кл. A 61 B 17/32, 1989 (прототип).

3. Васютинский Н.А. Золотая пропорция, М. "Молодая гвардия", 1990.

Использование: изобретение относится к медицинской технике и предназначено для воздействия на мягкие ткани в труднодоступных физиологических и раневых полостях. Сущность изобретения: ультразвуковой инструмент содержит источник ультразвуковых колебаний, закрепленный в герметичной рукоятке и соединенный с многополуволновым концентратором, имеющим входной участок экспоненциальной формы. Инструмент выполнен в виде тела вращения переменного сечения, при этом площади изменяющихся поперечных сечений в местах сопряжений удовлетворяют определенному соотношению, связанному с "золотой пропорцией". 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Ультразвуковой хирургический инструмент, содержащий герметичную рукоятку, размещенный в ней ультразвуковой источник и скрепленный с рукояткой в узловой плоскости, а также многополуволновый концентратор, имеющий входной, экспоненциальный, конический и рабочий участки, отличающийся тем, что инструмент выполнен в виде тела вращения переменного сечения, ультразвуковой источник содержит четвертьволновый участок с активным элементом и нерабочей частотопонижающей накладкой, при этом площади поперечных сечений в местах сопряжений участков инструмента удовлетворяют соотношению

где S₀ эффективное значение площади поперечного сечения активного элемента и входного участка концентратора;
S₁ эффективное значение площади свободного торца нерабочей частотопонижающей накладки;
S₂ эффективное значение площади поперечного сечения концентратора в месте сопряжения экспоненциального и конического участков;
S₃ эффективное значение площади поперечного сечения концентратора в месте сопряжения первого и второго полуволновых участков;
S_n эффективное значение площади поперечного сечения концентратора в месте сопряжения последующих полуволновых участков;
S_n+1 эффективное значение площади торца рабочего участка концентратора;
N_a,b,c,d любое действительное число из ряда Фибоначчи (1,2,3,5,8,13,21,34,55,89.);
Φ - коэффициент, равный 1,5-2,0. 2. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что расстояние l между свободным торцом нерабочей частотопонижающей накладки и параллельной ему плоскостью симметрии активного элемента, а также длина lλ/4 четвертьволнового участка между свободным торцом нерабочей частотопонижающей накладки и узловой плоскостью удовлетворяют соотношению

3. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что рабочий участок концентратора выполнен в форме тела вращения переменного сечения с длиной не более четверти длины волны, причем максимальное значение эффективной площади поперечного сечения рабочего участка не превышает S₂.