УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕСТРУКТОР-АСПИРАТОР Российский патент 2005 года по МПК A61B17/22 A61B18/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Устройство относится к медицинской технике и предназначено для выполнения хирургических операций в широком спектре хирургического лечения путем дозированной послойной деструкции пораженной биологической ткани с последующим ее удалением аспирацией. Помимо деструкции и аспирации возможно стимулированное ультразвуком внедрение путем диффузии в глубину органа показанных лекарственных веществ. Устройство может использоваться во всех типах лечебных заведений, а также в полевых условиях.

Уровень техники

Известны устройства медицинской техники аналогичного назначения, например [1]. Они характеризуются следующими признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения:

- включают ультразвуковой хирургический инструмент с возможностью его подключения к генератору питания;

- хирургический инструмент содержит, по крайней мере, один электромеханический элемент, как правило, пьезоэлектрического типа, с контактными поверхностями, обеспечивающими возможность указанного подключения. Требование электрической прочности электромеханического элемента приводит к необходимости его размещения в герметичном корпусе;

- по крайней мере, часть хирургического инструмента выполнена в виде концентратора (применяют также термин «ультразвуковой трансформатор скорости»), предназначенного для увеличения амплитуды упругих колебаний на рабочем торце хирургического инструмента до необходимой величины и характеризуемого коэффициентом усиления. Требованию достаточно большого коэффициента усиления при сохранении многоцикловой усталостной прочности в наибольшей степени удовлетворяет известный [2, с.136-141] ступенчато-ампульный концентратор, содержащий две цилиндрические части большего и меньшего диаметров и переходную часть ампульной формы со ступенью между ней и цилиндрической частью большего диаметра.

Общим требованием к ультразвуковому хирургическому инструменту служит необходимость его выполнения как электромеханического резонатора с заданной основной частотой продольных упругих смещений f, совпадающей с частотой генератора. Только при выполнении этого требования он эффективен как деструктор. Недостатком рассмотренных аналогов является отсутствие признаков по выполнению этого требования.

Прототипом изобретения является «Ультразвуковой хирургический инструмент» [3], характеризуемый признаком его выполнения как полуволнового механического резонатора, идентичным с существенным эквивалентным признаком данного изобретения (см. описание изобретения [3], раздел «Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения»).

Недостатки прототипа обусловлены конструкцией резонатора. Электромеханический элемент, входящий в состав резонатора, расположен в середине резонатора; узел стоячей волны упругого смещения возникает в средней плоскости электромеханического элемента. Крепление резонатора к корпусу в виде кольцевой мембраны, по необходимости, не совпадает с расположением электромеханического элемента, вследствие чего амплитуда указанной стоячей волны в области крепления имеет конечную величину. Следствием этого является передача колебаний от резонатора к корпусу, возникновение потерь ультразвуковой мощности и опасности для оператора.

Устранения этих факторов достигают увеличением массы корпуса до величины не менее 1,25 от массы резонатора, что является недостатком.

Другой недостаток обусловлен креплением резонатора к корпусу посредством кольцевой мембраны при свободных торцах резонатора. Это является причиной возникновения изгибных колебаний с пучностью изгибных напряжений в плоскости мембраны, что приводит к ослаблению ее усталостной прочности и тоже к потерям ультразвуковой мощности.

Предлагаемое изобретение свободно от указанных недостатков.

Раскрытие изобретения

Изобретение направлено на устранение потерь ультразвуковой мощности вследствие ее передачи на корпус хирургического инструмента и возникновения изгибных колебаний резонатора, приводящих к ослаблению усталостной прочности элемента крепления резонатора к корпусу инструмента.

Техническим результатом изобретения является уменьшение массы корпуса при сохранении безопасности для оператора и увеличение многоцикловой усталостной прочности устройства. В условиях нарушения резонанса между резонатором и генератором, например, при значительной механической нагрузке на инструмент, предусмотрена возможность получения сигнала рассогласования.

Замысел изобретения состоит в выполнении хирургического инструмента в виде известного ступенчатого, например ступенчато-ампульного, концентратора, цилиндрическая часть большего диаметра которого содержит электромеханические элементы и является полуволновым электромеханическим резонатором с заданной частотой продольных упругих смещений. В отличие от прототипа, резонатор выполнен с возможностью образования в нем стоячей волны продольных упругих смещений с пучностью в средней плоскости и с узлами на концах, что достигается новым расположением одного из электромеханических элементов. Он расположен на противоположном от ступени конце резонатора. Резонатор закреплен в герметичном корпусе посредством осевого сжатия. Сжимающее усилие прикладывают на расстоянии между ступенью ступенчатого концентратора и противоположной по отношению к ступени поверхностью этого электромеханического элемента. При этом стремятся, чтобы указанное расстояние (размер а) было равно половине длины упомянутой волны.

Данное стремление выполняют конструктивно, следующим образом. Известно, что длина волны продольных упругих колебаний в среде определяется соотношением:

где

λ - длина указанной волны;

Е - модуль Юнга среды;

ρ - плотность среды;

f - заданная частота колебаний.

Для гетерогенной среды указанные параметры Е и ρ являются эффективными величинами и определяются индивидуальными табличными параметрами компонент гетерогенной среды с учетом их относительного количественного содержания в среде, по известным расчетным соотношениям. В данном случае гетерогенной средой является материал составного резонатора, а ее компонентами выступают входящие в состав металлические, пьезоэлектрические и, возможно, диэлектрические детали. Осевые размеры пьезоэлектрических и диэлектрических деталей заданы как комплектующих. Таким образом, выполнение указанного стремления

а=0,5 λ, (2)

где а - указанный размер, заключается в определении расчетом общего осевого размера металлических деталей резонатора, с учетом того, что осевая деформация при сжатии достаточно мала по сравнению с размером а.

Разумеется, в реальном устройстве равенство (2) не может быть выдержано точно. Поэтому численный коэффициент задают в пределах 0,35-0,65. В этом диапазоне устройство работоспособно, и технический результат достигается, однако на границах диапазона качество, естественно, снижается.

Итак, указанные новые признаки: указанное расположение одного из электромеханических элементов и закрепление резонатора посредством осевого сжатия в герметичном корпусе с выдерживанием размера а в указанных пределах, устраняют недопустимую величину передачи ультразвуковой мощности на корпус, что снимает ограничение на минимальную величину массы корпуса. Последняя теперь обусловлена только требованием прочности корпуса, необходимой при сжатии резонатора и, при соответствующем выборе материала, например сверхлегкого сплава ИМВ-2, существенно меньше массы резонатора.

В силу этих же отличительных признаков в отношении изгибной неустойчивости резонатор представляет собой сжатый стержень, для которого критическая сила равна сумме сил статического и динамического сжатия. Из характера динамического сжатия следует, что связанной с критической силой длиной стержня следует считать величину 0,5 а. Наш анализ на основе известных соотношений для устойчивости упругих систем [4, с.124-126] приводит к соотношению

где

а - указанный размер;

D - диаметр резонатора;

Е - его эффективный модуль Юнга;

σ_кр - критическое для возникновения изгибной неустойчивости напряжение сжатия, обусловленное упомянутой критической силой. Приравнивая σ_кр к известному предельному напряжению многоцикловой усталостной прочности, получают критическое для возникновения изгибной неустойчивости отношение по порядку величины равное 10-10².

На практике для предлагаемого устройства указанное отношение всегда меньше 10, так что возникновение изгибной неустойчивости исключено.

Из изложенного следует, что заявленный общий технический результат изобретения достигается; при этом устранение ослабленного в отношении усталостной прочности элемента - мембраны - открывает возможность при конструировании реализовать принцип равнопрочности изделия. В этом случае изделие характеризуется качественными характеристиками, превосходящими известные из уровня техники: надежности, долговечности, массогабаритными параметрами, эффективности деструкции.

Замысел изобретения в указанном частном случае нарушения резонанса состоит в следующем. Известно, что электрическое напряжение, генерируемое на пьезоэлектрическом конденсаторе, пропорционально механическому напряжению в его пьезоэлектрике. В резонансе электромеханического резонатора с питающим генератором, то есть в случае совпадения их частот, узел стоячей волны механического напряжения находится в средней плоскости резонатора. Здесь размещают среднюю плоскость дополнительного плоского пьезоэлектрического конденсатора, например, аналогичного пьезокерамическому электромеханическому элементу. В резонансе переменное электрическое напряжение на его потенциальной пластине стремится к нулю. При нарушении резонанса, например, по причине изменения основной частоты резонатора при работе хирургического инструмента под нагрузкой, узел волны механического напряжения смещается по оси. Это приводит к возрастанию переменного электрического напряжения. Данное напряжение используют как сигнал рассогласования для подстройки частоты генератора, что значительно упрощает эту задачу. Так достигается технический результат в частном случае выполнения изобретения.

Итак, изобретение характеризуется следующей совокупностью существенных признаков, обеспечивающих получение технического результата во всех случаях его использования.

Ультразвуковой деструктор-аспиратор включает ультразвуковой хирургический инструмент с возможностью его подключения к генератору питания.

Хирургический инструмент выполнен в виде ступенчатого, например ступенчато-ампульного, концентратора, цилиндрическая часть большего диаметра которого содержит, по крайней мере, один электромеханический элемент пьезоэлектрического типа с контактными поверхностями, обеспечивающими возможность подключения. В таком виде эта цилиндрическая часть концентратора совместно с электромеханическими элементами представляет электромеханический резонатор с заданной основной частотой продольных упругих смещений.

Резонатор размещен в герметичном корпусе.

Перечисленные признаки известны из уровня техники и совпадают с признаками прототипа изобретения [3], за исключением использованного типа ступенчато-ампульного концентратора.

Изобретение характеризуется следующими отличительными признаками.

По крайней мере, один из входящих в состав резонатора электромеханический элемент размещен на противоположном от ступени ступенчатого концентратора конце резонатора.

Резонатор закреплен в герметичном корпусе посредством осевого сжатия между указанной ступенью и крайней по отношению к ступени контактной поверхностью указанного электромеханического элемента.

Осевой размер а резонатора составляет 0,35-0,65 от длины стоячей волны продольных упругих смещений на указанной частоте.

В указанном частном случае изобретение отличается тем, что резонатор дополнительно содержит плоский пьезоэлектрический конденсатор со средней плоскостью, перпендикулярной к оси резонатора, расположенной посередине указанного размера а.

Краткое описание чертежей

На чертеже представлен ультразвуковой хирургический инструмент с устройствами его подключения к прочим системам ультразвукового деструктора-аспиратора. Размеры чертежа увеличены и пропорциональны. Дан осевой разрез и вид по А-А. Указан размер а, упоминаемый в предыдущем разделе. На чертеже и в тексте следующего раздела приведен частный случай использования единственного электромеханического элемента, не противоречащий формуле изобретения.

Осуществление изобретения

Главная часть ультразвукового деструктора-аспиратора - хирургический инструмент - имеет два корпуса: внешний корпус 1 подачи операционных жидкостей и аспирации продуктов деструкции биотканей (в дальнейшем - жидких фракций) и герметичный корпус 2. Указанные корпуса, вместе с укрепленными на них элементами подключения внешних систем аппарата 16 и 13 и раздельной подачи и удаления жидких фракций в операционную зону - сепаратором 23, составляют неподвижную (неколебляющуюся) часть хирургического инструмента. Они совместно образуют каналы 4 подачи и аспирации жидких фракций, через штуцера 13 с отверстиями 26, соединенные с внешней системой баллонов, насосов и коммутаторов аппарата. С помощью сепаратора 23 каналы имеют индивидуальные выходы в операционную зону 21. Части стенок 6 и 27 каналов, образованные внешней поверхностью герметичного корпуса 2 и находящейся вне его частью концентратора 22, служат поверхностями теплоотвода в жидкие фракции.

Подвижная система хирургического инструмента выполнена в виде ступенчатого концентратора ультразвуковых колебаний [2, с.136-141]; использован известный ступенчато-ампульный концентратор, обладающий наибольшей многоцикловой усталостной прочностью при возможности достижения высокого коэффициента усиления. Такой концентратор включает две цилиндрические части, соответственно, меньшего диаметра 20 с рабочим торцом 21 и большего 5 с ампульной частью 22 между ними. Характерным для этого концентратора является наличие ступени 19 между ампульной частью 22 и цилиндрической частью большего диаметра 5. Величина коэффициента усиления ограничивается многоцикловой усталостной прочностью в области ступени 19. Для повышения прочности ступень 19 сопряжена с ампульной частью 22 развитой галтелью 24. Выдерживая принцип равнопрочности, в данном устройстве принят высокий коэффициент усиления, равный 20. Исходя из этой величины, по известным формулам [2, с.136-137, табл.3-5] определены профиль ампульной части 22 и соотношения между диаметрами и характерными длинами концентратора. Цилиндрическая часть большего диаметра 5 содержит, по крайней мере, два металлических цилиндра 7 и 10, причем цилиндр 7 выполнен заедино с ампульной частью 22, что повышает прочность концентратора в области ступени 19. Между цилиндрами 7 и 10 размещен дополнительный плоский пьезоэлектрический конденсатор из пьезокерамического диска и кольца 9 с потенциальной пластиной 8 между ними, подключенной изолированным проводом 28 к сигнальному выводу 17 в стандартном герметичном штепсельном разъеме 16. Характеризуемая цилиндрическая часть содержит также, по крайней мере, один электромеханический элемент пьезоэлектрического типа 11, состоящий из двух пьезокерамических колец, электрически и механически контактирующих с металлом цилиндра 10 и втулки 12 своими наружными поверхностями. Внутренние поверхности пьезокерамических колец контактируют с потенциальной металлической пластиной 18, подключенной к силовому выводу штепсельного разъема 16 (не показано) с помощью изолированного провода 29.

Новым в конструкции хирургического инструмента, в частности, является расположение одного из электромеханических элементов: он размещен на противоположном от рабочего торца 21 конце концентратора.

Все перечисленные детали описанной цилиндрической части, кроме проводов, в совокупности характеризуются упомянутыми в разделе «Сущность изобретения» эффективными величинами плотности ρ и модуля Юнга Е и составляют электромеханический резонатор продольных упругих колебаний с заданной основной частотой f, связанной с длиной волны X и указанными эффективными величинами Е и ρ соотношением (1). Электромеханический резонатор 3 размещен в герметичном корпусе 2 и закреплен в нем посредством осевого сжатия между ступенью 19 и крайней контактной поверхностью электромеханического элемента 11. При этом величина его осевого размера а выдерживается в заданных пределах (0,35-0,65)λ. За исключением области ступени 19 резонатор 3 отделен от внутренней поверхности герметичного корпуса 2 узким (не более 0,25 мм) радиальным зазором 30.

Указанный вид крепления резонатора также является новым. Осевое сжатие резонатора может быть осуществлено горячей запрессовкой холодной втулки 12 в нагретый герметичный корпус 2 с контролируемым усилием и последующим уменьшением осевого размера герметичного корпуса 2 при его остывании. В этом случае температуру герметичного корпуса 2 при горячей запрессовке выдерживают на уровне температуры горячей стерилизации хирургического инструмента при его эксплуатации. Усилие запрессовки контролируют с использованием возникающего при этом электрического напряжения на потенциальной пластине 18 электромеханического элемента 11, выдерживая требование безопасного механического напряжения сжатия для применяемых материалов пьезокерамики при холодном герметичном корпусе 2. Резонатор 3 уплотнен в герметичном корпусе 2 с помощью металлического уплотнения 25 и заглушки 15 с пайкой 14, при этом заглушка 15 не имеет механического контакта со втулкой 12. Так же уплотнен на заглушке 15 стандартный герметичный штепсельный разъем 16.

Существенно, что резонатор 3, с осевым размером а в указанных пределах, механически контактирует с герметичным корпусом 2 только в плоскостях ступени 19 и контакта крайней поверхности электромеханического элемента 11 со втулкой 12. Эта совокупность признаков, наряду с расположением электромеханического элемента, является новой и обеспечивает достижение заявленного технического результата во всех случаях применения устройства, что видно из нижеследующего описания действия хирургического инструмента.

При соответствующем выборе материалов в приведенной конструкции резонатор 3 представляет собой высокодобротную электромеханическую колебательную систему, характеризуемую эффективными параметрами Е и ρ и основной частотой f, которая на практике всегда задана. Эффективные параметры Е и ρ рассчитывают методом итераций по соотношениям (1), (2) и

где:

Е_n, ρ_n, a_n - величины на n-ом шаге итераций;

L_i - заданные осевые размеры деталей резонатора из заданных материалов: металлов, пьезоэлектриков и, возможно, диэлектриков;

E_i, ρ_i - табличные параметры заданных материалов. Заметим, что для принятой базовой частоты 44 кГц, а тем более для меньших частот, в силу преобладания содержания металла в составе резонатора, итеративный процесс быстро сходится, так что удовлетворительную точность имеют на первом шаге итерации; при этом эффективные параметры, используемые в соотношении (1), незначительно отличаются от табличных параметров для металла цилиндров 7 и 10.

На заданной основной частоте f резонатор является полуволновым резонатором со стоячей волной продольных упругих колебаний, характеризуемой пучностью продольных смещений в его середине и узлами в областях концов размера а. При использовании усталостно прочных и высокодобротных материалов, например титанового сплава ВТЗ-1 и пьезокерамик ЦТС-23, ЦТС-24 или ЦТС-300, добротность резонатора на выбранной частоте 44 кГц больше 10², и амплитуда А продольных смещений в пучности характеризуется величиной на уровне 10 мкм. В идеальном случае, когда выполняется равенство (2), амплитуда продольных упругих смещений в плоскостях крепления резонатора равна нулю. Сопряженная с волной продольных смещений радиальная пуассоновская волна смещений, имеющая пучность и узлы в этих же плоскостях, блокируется от герметичного корпуса радиальным зазором 30. На практике всегда отношение длины резонатора к диаметру a/D меньше 10, так что изгибная устойчивость не нарушается, изгибных колебаний не возникает. Очевидно, что обеспечение безопасности для оператора не требует увеличения массы корпуса устройства. В данном устройстве масса корпуса конструктивно обусловлена только требованиями прочности при статическом растяжении, сопряженным с осевым сжатием резонатора. Учитывая, что это требование значительно слабее требования к многоцикловой усталостной прочности резонатора и применяя материалы с малой плотностью, например сверхлегкий и прочный сплав на основе магния ИМВ-2 с плотностью 1500 кг/м³, получают отношение массы неподвижной к подвижной системе хирургического инструмента около 0,25. Наряду с этим обусловленное новой конструкцией резонатоpa устранение самого слабого в отношении прочности элемента - мембраны, дополнительно нагруженной изгибными колебаниями, значительно увеличивает многоцикловую усталостную прочность устройства. В идеальном случае, когда выполнено равенство (2), заявленный технический результат изобретения полностью достигается.

Покажем, что технический результат достигается и в заявленном диапазоне а, равном (0,35-0,65)λ. В этом случае местоположение правого (см. чертеж) узла стоячей волны смещений сохраняется; оно обусловлено местоположением электромеханического элемента. Левый же узел на пределах указанного диапазона смещается относительно плоскости ступени на величину l, равную плюс-минус 0,15λ. Амплитуда смещений в этой плоскости при этом не равна нулю и составляет где А - амплитуда в пучности. Считая А равной 10 мкм, получают для колебаний в этой плоскости величину около 8 мкм. С учетом диссипации в конструктивных соединениях эти колебания передаются на внешний корпус с коэффициентом 0,3-0,5; на оператора воздействуют колебания с амплитудой не более 4 мкм, что является безопасным. Так что заявленный технический результат достигается на указанных пределах, хотя, естественно, качество устройства снижается.

В частном случае возможного отклонения основной частоты резонатора от заданной соответственно подстраивают частоту генератора. В качестве управляющего этой подстройкой сигнала рассогласования используют электрическое напряжение, возникающее на потенциальной пластине 8 дополнительного плоского пьезоэлектрического конденсатора 9 при отклонении узла стоячей волны механического напряжения от его средней плоскости. Так достигается технический результат изобретения в этом частном случае.

Итак, реализуя принцип равнопрочности конструкции, на основе изобретения достигают высоких массогабаритных характеристик хирургического инструмента. На базовой частоте 44 кГц габаритные размеры составляют: длина 165 мм и диаметр 45 мм, при общей массе менее 0,3 кг. При этом амплитуда колебаний рабочего торца достигает 200 мкм, что на указанной частоте обеспечивает эффективность деструкции, превосходящую известную из уровня техники.

Источники информации

1. RU 2050152 C1, 20.12.1995. Ультразвуковой хирургический аппарат.

2. Донской А.В., Келлер O.K., Кратыш Г.С. Ультразвуковые электротехнологические установки. Энергоиздат, 1982.

3. RU 2187278 С2, 20.08.2002. Ультразвуковой хирургический инструмент.

4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости М.: Наука, 1965.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для выполнения хирургических операций путем деструкции и аспирации биологической ткани посредством ультразвука. Ультразвуковой деструктор-аспиратор содержит ультразвуковой хирургический инструмент, выполненный в виде ступенчатого, например ступенчато-ампульного, концентратора, цилиндрическая часть большего диаметра которого сопряжена с ампульной частью посредством ступени, является резонатором, закрепленным в герметичном корпусе, и включает, по крайней мере, один электромеханический элемент пьезоэлектрического типа с контактными поверхностями, с возможностью его подключения к генератору питания. Электромеханический элемент размещен на противоположном от ступени конце резонатора, резонатор закреплен в герметичном корпусе посредством осевого сжатия корпусом с усилием, приложенным между ступенью и крайней контактной поверхностью электромеханического элемента, при этом размер между ступенью и крайней контактной поверхностью электромеханического элемента составляет а=(0,35-0,65)λ, где λ - длина стоячей волны продольных упругих смещений резонатора. Использование изобретения позволяет уменьшить массу корпуса и повысить усталостную прочность хирургического инструмента. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ультразвуковой деструктор-аспиратор, содержащий ультразвуковой хирургический инструмент, выполненный в виде ступенчатого, например ступенчато-ампульного концентратора, цилиндрическая часть большего диаметра которого сопряжена с ампульной частью посредством ступени, является резонатором, закрепленным в герметичном корпусе, и включает, по крайней мере, один электромеханический элемент пьезоэлектрического типа с контактными поверхностями, с возможностью его подключения к генератору питания, отличающийся тем, что этот электромеханический элемент размещен на противоположном от ступени конце резонатора, резонатор закреплен в герметичном корпусе посредством осевого сжатия этим корпусом с усилием, приложенным между ступенью и крайней контактной поверхностью электромеханического элемента, при этом размер между ступенью и крайней контактной поверхностью электромеханического элемента составляет а=(0,35÷0,65)λ, где λ - длина стоячей волны продольных упругих смещений резонатора.2. Ультразвуковой деструктор-аспиратор по п.1, отличающийся тем, что резонатор дополнительно содержит плоский пьезоэлектрический конденсатор с перпендикулярной к оси резонатора средней плоскостью, расположенной посередине размера а.