ПЛАВАЮЩИЙ ЗОНД ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Российский патент 2009 года по МПК A61B17/16 B23B37/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к ультразвуковой дрели и пробоотборнику. Более конкретно, изобретение относится к комбинации ультразвуковых и звуковых колебаний для сверления с относительно малым осевым усилием.

Краткое описание чертежей

На фиг.1а изображены компоненты одного варианта осуществления настоящего изобретения в разнесенном виде в том порядке, в котором компоненты собираются друг с другом.

На фиг.1b изображены компоненты одного варианта осуществления настоящего изобретения, в котором компоненты, показанные на фиг.1А, собраны друг с другом.

На фиг.2а изображено поперечное сечение одного варианта осуществления собранного ультразвукового зонда с охлаждающим механизмом.

На фиг.2b представлен вид собранного ультразвукового зонда по фиг.2а по линии 2b на фиг.2а.

На фиг.3 изображена блок-схема одного варианта осуществления петли обратной связи для определения смещения корпусного датчика.

На фиг.4а и 4b изображены поперечные сечения одного варианта осуществления ультразвукового плавающего зонда, иллюстрирующие пьезоэлектрические чувствительные кристаллы.

На каждой фиг.5а и 5b изображены поперечные сечения в двух возможных положениях свободной массы ультразвукового плавающего зонда.

На фиг.6а, 6b, 6с и 6d изображены четыре возможные сборки ультразвукового плавающего зонда.

На фиг.6е изображен один вариант осуществления зонда, выполненного из нескольких деталей.

На фиг.6f изображен один вариант осуществления зонда, выполненного из одной детали.

На фиг.7а и 7b изображено множество конфигураций наконечника, которые могут использоваться на ультразвуковом плавающем зонде.

На фиг.8 изображено поперечное сечение одного варианта осуществления ультразвукового плавающего зонда с возможностью орошения и отсасывания.

На фиг.9 иллюстрируется простота использования одного варианта осуществления ультразвукового плавающего зонда.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ссылаясь на чертежи более подробно, для облегчения восприятия читателя, одинаковые ссылочные позиции означают идентичные или соответствующие детали во всех изображениях на чертежах. Следует отметить, что на чертежах показаны не все варианты осуществления настоящего изобретения и не все описанные варианты его применения проиллюстрированы на чертежах.

В настоящем изобретении используется механизм сверления с плавающей головкой, в котором высокочастотные ультразвуковые колебания создаются пьезоэлектрическим пакетным устройством, электрически соединенным с ультразвуковым генератором, и усиливаются ультразвуковым рупорным волноводом. Ультразвуковые высокочастотные колебания создаются пьезоэлектрическим пакетом и используются для создания отбойного действия как в продольном, так и в поперечном направлении, которое передается на головку плавающего зонда. Плавающая головка является механическим преобразователем частоты и сверло работает, комбинируя ультразвуковые и субзвуковые частоты. Одним из примеров является преобразователь, который преобразует ультразвуковую приводную частоту 20 кГц в комбинацию этого высокочастотного приводного сигнала со звуковым отбойным действием частотой 10-10000 Гц. Эти величины не являются ограничивающими, поскольку в зависимости от применения могут использоваться многие другие величины. Устройство представляет собой маломощное устройство, допускающее несоосность, которое может включать процесс удаления обломков и позволяющее осуществлять вбивание, долбление, резание, вращение и проходку. Устройство может быть (дополнительно) модифицировано путем включения функций орошения и отсасывания.

На фиг.1 показаны компоненты одного варианта осуществления настоящего изобретения в разнесенном виде в том порядке, в котором эти компоненты собираются, а на фиг.1b показаны те же компоненты в собранном состоянии. В варианте осуществления, показанном на фиг.1а и 1b, ультразвуковые частоты генерируются пьезоэлектрической керамикой или кристаллами (не показаны), находящимися в корпусе 15. В настоящем описании термин "пьезоэлектрическая керамика" будет использоваться для обозначения пьезоэлектрической керамики, пьезоэлектрических кристаллов и пьезокерамики. Высокочастотные колебания, генерируемые ультразвуковым генератором (не показан), усиливаются ультразвуковым волноводом 64, который усиливает ультразвуковые колебания, создаваемые ультразвуковым генератором. Резонаторный зонд (или сверло, зонд с плавающей головкой или механизм сверления), далее зонд 11, вставлен в волновод 64, который в свою очередь приводит в движение генератор. Зонд 11, однако, не закреплен на волноводе 64, а имеет возможность частично отходить от волновода 64 с использованием улавливающего механизма. Один вариант осуществления улавливающего механизма содержит барьерный элемент 50 и улавливающий элемент 51.

В собранном состоянии, как показано в варианте осуществления на фиг.1b, улавливающий элемент 51 закрывает волновод 64 и имеет отверстие 42, имеющее достаточно большой размер, чтобы сквозь него проходил наконечник зонда 11. Зонд 11 также имеет установленный на нем барьерный элемент 50. Таким образом, зонд 11 фактически является "плавающим зондом", поскольку зонд 11 частично отсоединяется от волновода 64 во время циклов ультразвуковых колебаний. Однако специалистам понятно, что для выполнения той же функции может использоваться и другой улавливающий механизм.

В показанном варианте осуществления барьерный элемент 50 расположен ближе к тому концу зонда 11, который должен вставляться в волновод 64, чем к концу, который выступает из улавливающего элемента 51, когда он установлен на место, однако этот элемент может размещаться в любом месте на зонде 11. Барьерный элемент 50 имеет размер больше чем отверстие 42 для предотвращения полного отсоединения зонда 11 от волновода 64. Барьерный элемент 50 может быть неподвижно закреплен на зонде 11 между волноводом 64 и улавливающим элементом 51 или зонд и барьерный элемент 50 могут быть выполнены единым целым, как показано на фиг.5а и 5b. Кроме того, в улавливающий механизм может входить на его часть пружина 20, которая показана в варианте осуществления настоящего изобретения на фиг.1а и 1b. Пружина 20 расположена между барьерным элементом 50 и улавливающим элементом 51 и создает дополнительное усилие для выталкивания зонда 11 обратно в волновод 64 после того, как зонд 11 отсоединится от волновода 64. В одном варианте осуществления пружина 20 сжимается на одну восьмую дюйма. Такое сжатие позволяет зонду 11 работать, не находясь под нагрузкой, т.е. устройство может работать без того, чтобы пользователь прижимал его к объекту. Кроме того, с пружиной 20 можно использовать колоколообразную шайбу или консольного типа пружину или пружиноподобный материал, как и любой другой нагружающий механизм, известный специалистам. Что касается величины смещения пружины 20, величина в одну восьмую дюйма несколько превышает длину хода конца зонда 11, когда он смещается вперед и назад.

Улавливающий элемент 51 может быть выполнен в разных вариантах геометрической формы, две из которых показаны на чертежах этой заявки. Однако обычный специалист легко поймет, что улавливающий элемент 51 может быть выполнен в альтернативной геометрической форме при условии, что улавливающий элемент 51 имеет отверстие 42 для прохода зонда 11 и имеет поверхность для предотвращения полного отсоединения зонда 11 от волновода 64.

На фиг.1 также показан частотно-корректирующий соединитель или свободная масса 101, которая используется в этом варианте осуществления настоящего изобретения для улучшения преобразования ультразвуковых частот в субзвуковые частоты. Свободная масса 101 представляет собой металлический диск или шайбу, которая скользит по зонду 11 и взаимодействует с ним. В настоящем описании термин "свободная масса" определяется как любой кусок материала (металла или другого), который не прикреплен неподвижно ни к одному другому компоненту и используется для усиления эффекта ударного бурения в устройстве для некоторых конкретных задач. Свободная масса 101 может быть выполнена из почти любого прочного материала, поскольку она может быть самым слабым компонентом ультразвукового зонда. Примерами материалов, которые могут использоваться, являются сталь (включая нержавеющую сталь), титан или другие подобные металлы или сплавы таких металлов. Однако обычный специалист легко поймет, что в устройстве могут использоваться и другие материалы.

Свободная масса 101 расположена между барьерным элементом 50 зонда 11 и тем концом зонда 11, который вставлен в волновод 64. Свободная масса 101 совершает колебания между волноводом 64 и барьерным элементом 50 и уменьшает частоту зонда с высокой частоты до низкой частоты. Свободная масса 101 действует как модулятор между низкой частотой зонда и высокой частотой устройства преобразователя. Таким образом, свободная масса 101 преобразует ультразвуковые колебания в субзвуковые колебания. В некоторых задачах это полезно, поскольку субзвуковые колебания создают меньше теплоты и работают лучше, чем ультразвуковые частоты.

При работе пьезоэлектрическая керамика быстро расширяется и сжимается, контактируя с волноводом 64, который в свою очередь ударяет по свободной массе 101, который передает удары на зонд 11, устремляя его вперед. Затем зонд 11 отводится назад к волноводу 64 либо пружиной 20, или каким-то другим нагружающим механизмом, или пользователем, который прилагает к устройству усилие, направленное вниз. Свободная масса 101 контактирует с зондом 11 либо на его торцевой поверхности (как показано в варианте осуществления на фиг.5b), либо с барьерным элементом 50 на зонде 11 (как показано в варианте осуществления на фиг.5а). Это повторяется много раз в секунду, создавая эффект ударного бурения.

Обычный специалист также поймет, что в дополнение к используемым материалам свободная масса 101 также может иметь разную форму, размеры и вес.Точные форма, размеры и вес выбираются в зависимости от размеров волновода 64 преобразователя, зонда 11 и от выходной частоты, на которой работает устройство. Диаметр свободной массы 101 должен быть по меньшей мере не меньше диаметра конца волновода 64, чтобы предотвратить выбрасывание зонда 11 сквозь отверстие 42 улавливающего элемента 51, но достаточно малым, чтобы не царапать боковые стенки улавливающего элемента 51. Для таких задач, как сверление закаленных материалов, как описано в настоящей заявке, свободная масса 101 в одном варианте осуществления имеет диаметр в четверть дюйма. Для таких задач, как удаление проводов кардиостимулятора, свободная масса также может иметь диаметр в четверть дюйма. Однако внутренний диаметр и внешний диаметр зонда 11 зависят от заданного размера диаметра отверстия или от диаметра предмета, пропускаемого внутри зонда 11, например удаляемого провода кардиостимулятора. Таким образом, размер свободной массы 101 в этой конкретной задаче также является функцией размера удаляемого провода. В другом примере варианта осуществления свободная масса 101 имеет диаметр 5 см при использовании для сверления и кернования льда при -30^оС.

Следует также понимать, что можно использовать более чем одну свободную массу 101, как показано, например, на фиг.6 с. Свободная масса 101 позволяет использовать зонды 11 разной длины с одним и тем же частотным преобразователем. Как известно, изменение длины зонда 11 обычно требует изменения частоты преобразователя. Использование свободной массы 101 устраняет необходимость настройки преобразователя под разные длины зонда 11.

На фиг.2а показан один вариант осуществления охлаждающего механизма для охлаждения установленного ультразвукового зонда для тех вариантов применения, которые могут требовать охлаждения устройства, например для некоторых биологических задач, а на фиг.2b показан вид ультразвукового плавающего зонда по линии 2b на фиг.2а. На фиг.2а и 2b показаны пьезоэлектрическая керамика 60, которая генерирует ультразвуковые частоты, которые излучаются в волновод 64, электрическое соединение 80, входное отверстие 85, выходное отверстие 86 и болт 82.

На фиг.2б изображен болт 82, который используется для сжатия пьезоэлектрической керамики 60. В болте 82 имеется входное отверстие 85 и выходное отверстие 86, которые проходят фактически по длине болта 82. Сквозь болт 82 через входное отверстие 85 прокачивают солевой раствор, который проходит сквозь волновод 64 и охлаждает его, затем выходит из болта 82 через выходное отверстие 86. В одном варианте осуществления этого охлаждающего механизма солевой хладагент подается под давлением для нагнетания в болт 82 и на выходном отверстии подается разрежение для извлечения хладагента.

Обычному специалисту должно быть ясно, что охлаждающий механизм, описанный и показанный на фиг.2а и 2b, может быть необходим только для термочувствительных применений, таких как некоторые биомедицинские задачи. Комбинация плавающего зонда 11 со свободной массой 11 уменьшает трение и выделение тепла так, что в некоторых случаях применения системы охлаждения не требуется. Более того, специалисту должно быть очевидно, что можно применять любой механизм для охлаждения устройства для задач, требующих такого охлаждения.

На фиг.3 показана блок-схема одного варианта осуществления петли обратной связи для определения смещения устройства обратной связи корпусного датчика. Петля обратной связи позволяет оператору оптимально использовать частоту и мощность генератора. Для обеспечения обратной связи преобразователь 60 состоит по меньшей мере из двух чувствительных пьезоэлектрических керамических элементов 89, которые выполнены относительно тонкими и работают в качестве корпусного датчика и размещены рядом с относительно толстыми движущими пьезоэлектрическими керамическими элементами 88, или движущими керамическими элементами и зажаты между задней массой 90 и фронтальным направляющим элементом 99. Когда на приводные пьезоэлектрические керамические элементы 88 подается питание, они вызывают усилие на чувствительные пьезоэлектрические керамические элементы 89. Это усилие корпусным датчиком 89 преобразуется в электрический сигнал, который посылается на микропроцессор 91. Буфер/аттенюатор 97 понижает напряжение выходного сигнала корпусного датчика до уровня, который может принимать управляющая электроника. Детектор 95 пиков содержит выпрямитель и фильтр и его выход пропорционален пиковой величине выходного сигнала корпусного датчика. Позицией 98 обозначен аналого-цифровой преобразователь. Затем микропроцессор 91 вычисляет резонансную частоту. Необходимое изменение частоты осуществляется синтезатором 92 частот, который генерирует частотный сигнал. Переключающий элемент 93 является переключающим компонентом, который генерирует прямоугольный сигнал большой мощности, имеющий ту же частоту, что и выходной сигнал синтезатора 92 частот. Трансформатор 94 выходного каскада затем усиливает напряжение электрического сигнала до уровня, который может активировать движущие пьезоэлектрические керамические элементы 88. Устройство 94 выходного каскада может иметь компоненты для согласования импеданса, но может и не иметь их. Это устройство обеспечивает мгновенными показателями работы для оптимальной настройки работы узла преобразователя. Это позволяет узлу преобразователя при использовании сохранять оптимальную частоту. Однако такое устройство обратной связи корпусного датчика представляет собой лишь один вариант осуществления и обычный специалист поймет, что компоненты могут комбинироваться с другими компонентами или заменяться другими компонентами, известными специалистам.

На фиг.4а и 4b показаны поперечные сечения ультразвукового плавающего зонда, которые иллюстрируют чувствительные пьезоэлектрические керамические элементы 89 в соединении с устройством обратной связи корпусного датчика, описанным и показанным на фиг.3. На фиг.4а и 4b показаны положение и соединение между движущими пьезоэлектрическими керамическими элементами 88, которые создают ультразвуковые колебания, и чувствительными пьезоэлектрическими керамическими элементами 89, которые осуществляют обратную связь на микропроцессор (не показан) в ультразвуковом устройстве по настоящему изобретению. Чувствительные пьезоэлектрические керамические элементы 89 очень тонки по сравнению с движущими пьезоэлектрическими керамическими элементами 88. На фиг.4а и 4b также показаны заключенный в кожух нажимной или смещающий болт 100 и волновод 64. Ступенчатая форма волновода 64, как показано на фиг.4b, позволяет создать наибольшее увеличение смещения по сравнению с волноводами другой геометрии (например, показанным на фиг.4а).

В одном варианте осуществления настоящего изобретения узел ультразвукового преобразователя работает как четвертьволновой трансформатор с задней массой 90, действующей как механическая разомкнутая цепь, т.е. с воздушным зазором. В этих условиях преобразователь излучает большую часть своей выходной энергии в направлении зонда 11 и объекта, подвергающегося сверлению или кернованию. В этом варианте осуществления смещающий болт 100 содержит узел преобразователя и используется для крепежа узла преобразователя и поддержания прочности пьезоэлектрических керамических элементов 60 в пакете. Когда преобразователь совершает колебания под воздействием высокого приводного напряжения, растягивающие напряжения достигают уровня, который может привести к разрушению пьезоэлектрического материала. Смещающий болт 100 затянут для создания сжатия с уровнем, немного превышающим ожидаемый максимальный уровень растягивающего напряжения. Для создания пустотелой сверлильной/керноотборной головки (например, когда необходимо создать канал для охлаждающей среды или когда используется датчик) смещающий болт 100 можно заменить резьбовой трубкой, расположенной либо в центре пакета пьезоэлектрических керамических элементов 60, либо вне пакета, окружая многослойную структуру из пьезоэлектрических керамических элементов 60. В этом варианте осуществления амплитуда создаваемого преобразователем смещения увеличивается механическим способом ступенчатым фронтальным волноводом 64, который состоит из двух или более концентрических цилиндров разных диаметров.

На фиг.5а и 5b показаны два варианта осуществления части улавливающего механизма, позволяющего зонду 11 частично отсоединяться от волновода 64. На фиг.5а показано поперечное сечение части ультразвукового плавающего зонда, который взаимодействует с волноводом 64. На увеличенном виде проксимального конца ультразвукового зонда 11 показан конец волновода 64 преобразователя, а также показано положение свободной массы 101 относительно конца волновода 64. Как показано на фиг.5а, свободная масса 101 надета на зонд 11 и расположена между барьерным элементом 50 зонда 11 и проксимальным концом 12 зонда 11, который установлен в волноводе 64. Свободная масса 101 также может размещаться в кольцевой области 75 волновода 64 между проксимальным концом 12 зонда 11 и волноводом 64, как показано на фиг.5b. В вариантах осуществления, показанных на фиг.5а и 5b, также показан улавливающий элемент 51. Отверстие 42 в улавливающем элементе 51 имеет меньший диаметр, чем у барьерного элемента 50, и предотвращает полное отсоединение зонда 11 от волновода 64. Обычный специалист поймет, что возможны и другие варианты расположения зонда 11, барьерного элемента 50, свободной массы 101 и волновода 64, которые предусмотрены настоящим изобретением. Кроме того, можно использовать более чем одну свободную массу 101.

На фиг.6а-6f показаны различные компоновки устройства ультразвукового плавающего зонда. На фиг.6а показан ручной узел с состоящим из одной детали пластиковым зондом 11, вставленным в волновод 64, на котором имеется барьерный элемент 50. Можно изготовить устройство, удерживаемое в руке, поскольку оно требует относительно небольшой осевой нагрузки и поскольку это устройство нечувствительно к несоосности. Это дает возможность использовать устройство для сверления и кернования под углом и оно особенно полезно в условиях низкой гравитации.

Устройство создает и продольное, и поперечное перемещение зонда 11. В результате таких движений колонковый наконечник 119 создает отверстие несколько большего диаметра, чем диаметр наконечника 119, уменьшая вероятность заклинивания долота 119 при сверлении и керновании. Наконечник 119 не обязательно должен быть острым и можно проектировать наконечники 119 разной формы (см. фиг.7а и 7b), позволяющие воспользоваться этим преимуществом. На фиг.6b показано то же устройство, что и на фиг.6а, за исключением того, что на этом чертеже также показана свободная масса 101, установленная, как показано на фиг.5а, т.е. свободная масса 101 расположена на зонде 11 между волноводом 64 и барьерным элементом 50. На фиг.6 с показано то же ручное устройство, что и на фиг.6b, но с дополнительной второй свободной массой 101', расположенной между зондом 11 и волноводом 64. На фиг.6d показано то же ручное устройство, что и на фиг.6а, но со свободной массой 101, расположенной между проксимальным концом 12 зонда 11 и волноводом 64, как показано на фиг.5b. Если необходимо усилить отбойный эффект, не влияя на ультразвуковую частоту, в устройство следует добавить свободную массу 101.

Кроме того, на фиг.6е показан зонд, состоящий из двух или множества частей, а на фиг.6f показан зонд, состоящий из одной части. Следует отметить, что в конструкции, состоящей из двух частей, эти части могут быть изготовлены из одинаковых или разных материалов, таких как сталь и стальные сплавы (например, нержавеющая сталь), титан и титановые сплавы, пластик или другие подходящие закаленные материалы. Следует отметить, что этот список не является исчерпывающим и обычный специалист поймет, что можно использовать и другие материалы. Следует также отметить, что конструкция, состоящая из одной части, как показано на фиг.6f, может быть изготовлена из любого из этих материалов.

На фиг.7а и 7b показана серия конфигураций наконечника, которые могут использоваться на ультразвуковом плавающем зонде в соответствии с настоящим изобретением. Наконечники 119 могут быть выполнены как близко расположенные стержни малого диаметра, позволяющие срезать только выбранные участки обрабатываемого материала, либо наконечники 119 могут быть гладкими для послойной выемки. Поскольку наконечник 119 и зонд (не показан) не вращаются, рядом с наконечником 119 могут быть интегрированы датчики сверления для проверки и анализа материала керна без риска механического повреждения. Для исследования свежеполученных поверхностей при проникновении в среду можно использовать один или множество датчиков или комплектов датчиков. Кроме того, датчики могут быть установлены в области керна для исследования материала керна, где выделяющиеся летучие вещества отсасываются вакуумной системой в анализатор (см. также фиг.8). К потенциальным датчикам относятся датчики температуры, датчики вихревых токов, акустические датчики, диэлектрики, волоконная оптика и пр. Показаны две особые конфигурации 111 и 112, которые имеют пальцевидную конструкцию для кернования. Пальцевидная конфигурация особенно подходит для кернования костей, что является одним из возможных вариантов применения устройства. Специалистам очевидно, что в настоящем изобретении можно использовать любой тип конфигурации наконечника 119 в зависимости от варианта применения, такие как остальные конфигурации по фиг 7а и 7b, но не ограничиваясь ими.

На фиг.8 показано поперечное сечение одного варианта осуществления ультразвукового плавающего зонда с механизмом орошения и отсасывания. На чертеже показан один пример свободно плавающего кольцевого зонда 11 с возможностью орошения и отсасывания, при этом зонд 11 является пробоотборником. На проксимальном конце зонда 11 расположен адаптер 109 для орошения. Адаптер 109 имеет орошающий канал 110, который соединен с головкой 106 насоса. Головка 106 насоса является частью насоса 105, который закачивает орошающую среду в зонд 11. Узел насоса имеет несколько баков 108, которые могут содержать орошающую жидкость, например солевой раствор. Каждый бак 108 соединен с головкой 106 насоса одним или несколькими каналами 113, по которым орошающая среда прокачивается через насосные каналы насосами или, например, соленоидами 107. В этом варианте осуществления имеется два вакуумных выходных отверстия. Первое вакуумное отверстие 104 предназначено для образцов, а второе вакуумное отверстие 102 - для пыли и летучих веществ. Первое вакуумное отверстие 104 и второе вакуумное отверстие 102 образуют отсасывающее устройство. На изображенном варианте осуществления второе вакуумное отверстие 102 расположено в волноводе 64, а первое вакуумное отверстие 104 расположено в задней части устройства за пьезоэлектрическим пакетом 103. Обычный специалист поймет, что возможны и другие конфигурации, где различные детали отсасывающего устройства могут располагаться в других местах.

Фиг.9 иллюстрирует простоту использования ультразвукового плавающего зонда во время применения. На фиг.9 показана рука 114 пользователя и эта иллюстрация предназначена продемонстрировать легкость удержания устройства, поскольку для сверления или бурения требуется небольшое осевое усилие. На чертеже показаны закрытая и легкая рукоятка 115, в которой размещены компоненты (пьезоэлектрический пакет, волновод и пр.), и зонд 11. Специалистам очевидно, что зонд может иметь разную длину в зависимости от варианта применения.

Устройство по настоящему изобретению, в любом из описанных вариантов, может применяться для решения различных задач. Одной из важных задач является пересадка костной ткани. Препарирование аутогенной пересадки костной ткани аллотрансплантатов или других заменителей, например корралинового гидроксиапатита, являются полезными применениями настоящего изобретения. Одним из шагов при пересадке костной ткани является извлечение материала, предназначенного для пересадки. Использование настоящего изобретения с его механизмами коронкового бурения и извлечения образцов особенно пригодно для этой цели. Другим способом пересадки костной ткани является использование деминерализованной кости. Деминерализованная кость является корковым аллотрансплантатом, в котором удаление поверхностных липидов и обезвоживание кости проводятся разными растворами, например этанолом или соляной кислотой. При деминерализации удаляются растворимые в кислоте протеины и остаются не растворимые в кислоте протеины, факторы роста кости и коллаген. Кость, обработанная таким способом, может имплантироваться полосами или перерабатываться в меньшие частицы. Предполагалось также, что если в корковых аллотрансплантатах сверлить отверстия, это повысит пористость кости, обеспечивающую более эффективную деминерализацию. Это может дать более остеокондуктивный и остеоиндуктивный имплантат. Другим применением ортопедического сверления является замена бедренной кости, где при подготовке к замене в заменяемой бедренной кости нужно высверлить отверстие. Из здоровой кости человека можно брать образцы костного мозга для изучения или пересадки, при этом процедура будет менее болезненной, чем при других известных способах. Другим вариантом применения в ортопедии является сверление/кернование для последующей установки штырей или винтов после несчастного случая или болезни для соединения кости пациента или для удаления костного цемента в случае процедуры замены имплантата.

Устройство может использоваться для сверления разных материалов, включая, помимо прочего, базальт, корсит, мел и лед. Настоящее изобретение может использоваться для проходческих операций и при отборе проб в межпланетных исследованиях.

Еще одним потенциальным вариантом использования устройства является зондирование. Отбойное действие создает механизм зондирования для бесконтактных геологических исследований для сбора информации о подземной структуре и механических свойствах. Для того чтобы воспользоваться преимуществами этой возможности, можно использовать акселерометры для восприятия акустических волн, которые направляются в грунт и, анализируя характеристики полученных волн, которые дают информацию, например, о механических свойствах почвы, геологической анизотропии и характеристиках слоев, а также обнаруживать, определять местоположение и характеристики геологических полостей, что полезно в строительстве и при геологических раскопках. Способ заключается в передаче акустических волн через среду и в анализе энергии волн после взаимодействия с различными геофизическими структурами, характеристик слоев и физических свойств материала и грунта, а также трещин. Как показано в таблице, модули упругости почв и скальных пород имеют четкие диапазоны, изменяющиеся по величине:

Типичные величины модуля упругости почв и скальных пород Тип и состояние почвы или скальной породы Модуль упругости Е в фунтах на кв. дюйм Модуль упругости Е в Па Мягкая глина 5К-30К 0,25К-1,5К Влажная мягкая глина 30К-200К 1,5К-10К Глина средней плотности 10К-70К 0,5К-3,5К Влажная глина средней плотности 100К-1000К 5К-50К Твердая глина 25К-400К 1,2К-20К Влажная твердая глина 300К-1500К 15К-75К Сыпучий песок 200К-500К 10К-25К Песок средней плотности 400К-1200К 20К-60К Плотный песок 1000К-2000К 50К-100К Песчаник 1,4×10⁸-4×10⁸ 7М-20М Гранит 5×10⁸-10×10⁸ 25М-50М Сталь 4,2×10⁹ 200М

Хотя для удобства способ применения и соответствующее устройство по настоящему изобретению были описаны выше в первую очередь в связи с конкретными вариантами, очевидно, что в настоящее изобретение можно внести различные изменения, не выходящие за пределы заявленной изобретательской идеи. Описание этих вариантов не предназначено для демонстрации всех возможных конструкций и модификаций конструкции. Специалистам понятно, что они входят в объем настоящего изобретения.

Ультразвуковое устройство содержит резонаторный зонд, имеющий проксимальный конец и дистальный конец, корпус, волновод, неподвижно прикрепленный к корпусу и выполненный с возможностью установки проксимального конца резонаторного зонда, множество пьезоэлектрических керамических элементов, расположенных в корпусе, улавливающий механизм, обеспечивающий частичное отсоединение резонаторного зонда от волновода, и свободную массу, подвижно закрепленную на резонаторном зонде. Технический результат: повышение эффективности сверления за счет комбинации звуковых и ультразвуковых колебаний. 3 н. и 77 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

1. Ультразвуковое устройство, содержащее резонаторный зонд, имеющий проксимальный конец и дистальный конец, корпус, волновод, неподвижно прикрепленный к упомянутому корпусу и выполненный с возможностью установки упомянутого проксимального конца резонаторного зонда, множество пьезоэлектрических керамических элементов, расположенных в упомянутом корпусе, улавливающий механизм, обеспечивающий частичное отсоединение резонаторного зонда от волновода, и свободную массу, подвижно закрепленную на упомянутом резонаторном зонде.

2. Устройство по п.1, в котором резонаторный зонд выполнен в виде одной детали.

3. Устройство по п.1, в котором резонаторный зонд выполнен из множества деталей.

4. Устройство по п.1, в котором резонаторный зонд выполнен из материала, выбранного из группы, содержащей сталь, ее сплавы, титан, титановые сплавы, пластик, и их комбинации.

5. Устройство по п.1, в котором упомянутый дистальный конец резонаторного зонда дополнительно содержит наконечник, адаптированный для конкретного применения при сверлении, керновании, проходке, отборе проб, пересадке костной ткани и зондировании.

6. Устройство по п.1, в котором упомянутое множество пьезоэлектрических керамических элементов сжаты посредством болта, проходящего через упомянутое множество пьезоэлектрических керамических элементов.

7. Устройство по п.1, в котором упомянутое множество пьезоэлектрических керамических элементов электрически соединено с ультразвуковым генератором для генерирования ультразвуковых колебаний.

8. Устройство по п.1, которое дополнительно содержит устройство обратной связи корпусного датчика для обеспечения оператора мгновенными показателями работы и оптимальной настройки для эксплуатации устройства.

9. Устройство по п.8, в котором упомянутое устройство обратной связи корпусного датчика содержит множество чувствительных пьезоэлектрических керамических элементов, множество движущих пьезоэлектрических керамических элементов, заднюю массу, фронтальный направляющий элемент, буфер/аттенюатор, детектор пиков, аналого-цифровой источник, микропроцессор, синтезатор частот, переключающий элемент и трансформатор выходного каскада.

10. Устройство по п.9, в котором упомянутое множество чувствительных пьезоэлектрических керамических элементов выполнено в виде тонких пьезоэлектрических керамических элементов, работающих как корпусной датчик.

11. Устройство по п.9, в котором упомянутое множество движущих пьезоэлектрических керамических элементов выполнены в виде толстых пьезоэлектрических керамических элементов.

12. Устройство по п.9, в котором упомянутый детектор пиков дополнительно содержит выпрямитель и фильтр.

13. Устройство по п.9, в котором упомянутый аналого-цифровой источник выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя.

14. Устройство по п.9, в котором упомянутый переключающий элемент предназначен для генерирования прямоугольных импульсов большой мощности с частотой, равной частоте сигнала.

15. Устройство по п.9, в котором упомянутый трансформатор выходного каскада выполнен увеличивающим напряжение упомянутого электрического сигнала до уровня, который может активировать упомянутое множество движущих пьезоэлектрических керамических элементов.

16. Устройство по п.1, в котором волновод выполнен ступенчатым, состоящим по меньшей мере из двух концентрических цилиндров разного диаметра.

17. Устройство по п.1, в котором упомянутый улавливающий механизм состоит из улавливающего элемента с отверстием и барьерного элемента, диаметр которого больше диаметра упомянутого отверстия, а упомянутый барьерный элемент расположен на резонаторном зонде между волноводом и улавливающим элементом.

18. Устройство по п.17, в котором улавливающий механизм дополнительно содержит пружину или пружиноподобный материал, расположенные между упомянутым барьерным элементом и упомянутым улавливающим элементом, и прилагающие усилия к упомянутому резонаторному зонду в направлении волновода.

19. Устройство по п.1, в котором свободная масса предназначена для уменьшения частоты зонда с килогерц до герц.

20. Устройство по п.1, в котором упомянутая свободная масса выполнена из материала, выбранного из группы, содержащей сталь, ее сплавы, титан, титановые сплавы, их комбинации и пластик.

21. Устройство по п.1, в котором свободная масса расположена между упомянутым резонаторным зондом и упомянутым волноводом.

22. Устройство по п.1, в котором упомянутый волновод дополнительно содержит кольцеобразную область, в которой упомянутая свободная масса расположена между проксимальным концом резонаторного зонда и упомянутым волноводом.

23. Устройство по п.1, которое дополнительно содержит по меньшей мере одну дополнительную свободную массу.

24. Устройство по п.6, которое дополнительно содержит охлаждающий механизм.

25. Устройство по п.24, в котором упомянутый охлаждающий механизм выполнен с входным отверстием и выходным отверстием, проходящим по меньшей мере частично по длине болта, и предназначен для прохода холодного солевого раствора сквозь упомянутый болт через входное отверстие, через волновод и охлаждение его, и выхода холодного солевого раствора из упомянутого болта через выходное отверстие.

26. Устройство по п.1, которое дополнительно содержит механизм орошения и отсасывания.

27. Устройство по п.26, в котором упомянутый механизм орошения и отсасывания состоит из адаптера, по меньшей мере одного вакуумного выхода или входа, и узла насоса.

28. Устройство по п.1, которое дополнительно содержит электрическое соединение между множеством пьезоэлектрических керамических элементов и ультразвуковым генератором для генерирования ультразвуковых колебаний в упомянутом множестве пьезоэлектрических керамических элементов.

29. Ультразвуковое устройство, содержащее резонаторный зонд, имеющий проксимальный конец и дистальный конец, корпус, волновод, неподвижно прикрепленный к упомянутому корпусу и выполненный с возможностью установки проксимального конца резонаторного зонда, множество пьезоэлектрических керамических элементов, расположенных внутри упомянутого корпуса, улавливающий элемент, функционально взаимодействующий с упомянутым волноводом, по меньшей мере частично охватывающий упомянутый резонаторный зонд, имеющий отверстие, сквозь которое выступает дистальный конец резонаторного зонда, и обеспечивающий частичное отсоединение упомянутого резонаторного зонда от упомянутого волновода, барьерный элемент, расположенный на упомянутом резонаторном зонде между упомянутым волноводом и упомянутым улавливающим элементом и имеющий диаметр больше, чем диаметр отверстия в упомянутом улавливающем элементе, и свободную массу, функционально взаимодействующую с резонаторным зондом.

30. Ультразвуковое устройство по п.29, в котором упомянутый резонаторный зонд выполнен в виде одной детали.

31. Ультразвуковое устройство по п.29, в котором упомянутый резонаторный зонд выполнен из множества деталей.

32. Ультразвуковое устройство по п.29, в котором упомянутый резонаторный зонд выполнен из материала, выбранного из группы, содержащей сталь, ее сплавы, титан, титановые сплавы, пластик, и их комбинации.

33. Ультразвуковое устройство по п.29, в котором упомянутый дистальный конец упомянутого резонаторного зонда дополнительно содержит наконечник для конкретного применения при сверлении, керновании, проходке, отборе проб, пересадке костной ткани и зондировании.

34. Ультразвуковое устройство по п.29, в котором упомянутое множество пьезоэлектрических керамических элементов сжаты посредством болта, проходящего через упомянутое множество пьезоэлектрических керамических элементов.

35. Ультразвуковое устройство по п.29, в котором упомянутое множество пьезоэлектрических керамических элементов электрически соединено с ультразвуковым генератором для генерирования ультразвуковых колебаний.

36. Ультразвуковое устройство по п.29, которое дополнительно содержит устройство обратной связи корпусного датчика для снабжения оператора мгновенными показателями и оптимальной настройки для эксплуатации устройства.

37. Ультразвуковое устройство по п.36, в котором упомянутое устройство обратной связи корпусного датчика содержит множество чувствительных пьезоэлектрических керамических элементов, множество движущих пьезоэлектрических керамических элементов, заднюю массу, фронтальный направляющий элемент, буфер/аттенюатор, детектор пиков, аналого-цифровой источник, микропроцессор, синтезатор частот, переключающий элемент и трансформатор выходного каскада.

38. Ультразвуковое устройство по п.37, в котором упомянутое множество чувствительных пьезоэлектрических керамических элементов выполнено в виде тонких пьезоэлектрических керамических элементов, работающих как корпусный датчик.

39. Ультразвуковое устройство по п.37, в котором упомянутое множество движущих пьезоэлектрических керамических элементов выполнено в виде толстых пьезоэлектрических керамических элементов.

40. Ультразвуковое устройство по п.37, в котором упомянутый детектор пиков дополнительно содержит выпрямитель и фильтр.

41. Ультразвуковое устройство по п.37, в котором упомянутый аналого-цифровой источник выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя.

42. Ультразвуковое устройство по п.37, в котором упомянутый переключающий элемент предназначен для генерирования прямоугольных импульсов большой мощности с частотой, равной частоте сигнала.

43. Ультразвуковое устройство по п.37, в котором упомянутый трансформатор выходного каскада выполнен увеличивающим напряжение упомянутого электрического сигнала до уровня, который может активировать упомянутое множество движущих пьезоэлектрических керамических элементов.

44. Ультразвуковое устройство по п.29, в котором упомянутый волновод выполнен ступенчатым, состоящим по меньшей мере из двух концентрических цилиндров разного диаметра.

45. Ультразвуковое устройство по п.29, которое дополнительно содержит пружину или пружиноподобный материал, расположенный между барьерным элементом и улавливающим элементом, прилагающие усилия к упомянутому резонаторному зонду в направлении упомянутого волновода.

46. Ультразвуковое устройство по п.29, в котором упомянутая свободная масса предназначена для уменьшения частоты зонда с килогерц до герц.

47. Ультразвуковое устройство по п.29, в котором упомянутая свободная масса выполнена из материала, выбранного из группы, содержащей сталь, ее сплавы, титан, титановые сплавы, их комбинации и пластик.

48. Ультразвуковое устройство по п.29, в котором упомянутая свободная масса расположена на упомянутом резонаторном зонде между упомянутым барьерным элементом и упомянутым волноводом.

49. Ультразвуковое устройство по п.29, в котором упомянутый волновод дополнительно содержит кольцеобразную область, в которой упомянутая свободная масса расположена между проксимальным концом упомянутого резонаторного зонда и упомянутым волноводом.

50. Ультразвуковое устройство по п.29, которое дополнительно содержит по меньшей мере одну дополнительную свободную массу.

51. Ультразвуковое устройство по п.34, которое дополнительно содержит охлаждающий механизм.

52. Ультразвуковое устройство по п.51, в котором упомянутый охлаждающий механизм выполнен с входным отверстием и выходным отверстием, проходящим по меньшей мере частично по длине болта, и предназначен для прохода холодного солевого раствора сквозь упомянутый болт через входное отверстие, через волновод и охлаждение его, и выхода холодного солевого раствора из упомянутого болта через выходное отверстие.

53. Ультразвуковое устройство по п.29, которое дополнительно содержащее механизм орошения и отсасывания, который состоит из адаптера, по меньшей мере одного вакуумного выхода или входа и узла насоса.

54. Ультразвуковое устройство по п.29, в котором ультразвуковой генератор электрически соединен с множеством пьезоэлектрических керамических элементов для генерирования ультразвуковых колебаний в упомянутом множестве пьезоэлектрических керамических элементов.

55. Ультразвуковая система, содержащая резонаторный зонд, имеющий проксимальный конец и дистальный конец, корпус, множество пьезоэлектрических керамических элементов, расположенных внутри упомянутого корпуса, волновод, неподвижно прикрепленный к упомянутому корпусу и выполненный с возможностью установки упомянутого проксимального конца упомянутого резонаторного зонда, улавливающий механизм, обеспечивающий частичное отсоединение упомянутого резонаторного зонда от упомянутого волновода, свободную массу, функционально взаимодействующую с резонаторным зондом, и ультразвуковой генератор для генерирования ультразвуковых колебаний в упомянутом множестве пьезоэлектрических керамических элементов, электрически соединенный с упомянутым множеством пьезоэлектрических керамических элементов.

56. Система по п.55, в которой упомянутый резонаторный зонд выполнен в виде одной детали.

57. Система по п.55, в которой упомянутый резонаторный зонд выполнен из множества деталей.

58. Система по п.55, в которой упомянутый резонаторный зонд выполнен из материала, выбранного из группы, содержащей сталь, ее сплавы, титан, титановые сплавы, пластик, и их комбинации.

59. Система по п.55, в которой упомянутый дистальный конец резонаторного зонда дополнительно содержит наконечник адаптированный для конкретного применения при сверлении, керновании, проходке, отборе проб, пересадке костной ткани и зондировании.

60. Система по п.55, в которой упомянутое множество пьезоэлектрических керамических элементов сжаты посредством болта, проходящего через упомянутое множество пьезоэлектрических керамических элементов.

61. Система по п.55, в которой упомянутое множество пьезоэлектрических керамических элементов электрически соединено с ультразвуковым генератором для генерирования ультразвуковых колебаний.

62. Система по п.55, в которой упомянутое устройство дополнительно содержит устройство обратной связи корпусного датчика для снабжения оператора мгновенными показателями и оптимальной настройки для эксплуатации упомянутого устройства.

63. Система по п.62, в которой упомянутое устройство обратной связи корпусного датчика содержит множество чувствительных пьезоэлектрических керамических элементов, множество приводных пьезоэлектрических керамических элементов, заднюю массу, фронтальный направляющий элемент, буфер/аттенюатор, детектор пиков, аналого-цифровой источник, микропроцессор, синтезатор частот, переключающий элемент и трансформатор выходного каскада,

64. Система по п.63, в которой упомянутое множество чувствительных пьезоэлектрических керамических элементов выполнено в виде тонких пьезоэлектрических керамических элементов, работающих как корпусный датчик.

65. Система по п.63, в которой упомянутое множество движущих пьезоэлектрических керамических элементов выполнено в виде толстых пьезоэлектрических керамических элементов.

66. Система по п.63, в которой упомянутый детектор пиков дополнительно содержит выпрямитель и фильтр.

67. Система по п.63, в которой аналого-цифровой источник выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя.

68. Система по п.63, в которой упомянутый переключающий элемент предназначен для генерирования прямоугольных импульсов высокой мощности с частотой, равной частоте сигнала.

69. Система по п.63, в которой упомянутый трансформатор выходного каскада выполнен увеличивающим напряжение упомянутого электрического сигнала до уровня, который может активировать упомянутое множество приводных пьезоэлектрических керамических элементов.

70. Система по п.55, в которой упомянутый волновод выполнен ступенчатым, состоящим по меньшей мере из двух концентрических цилиндров разного диаметра.

71. Система по п.55, в которой упомянутый улавливающий механизм содержит улавливающий элемент с отверстием, и барьерный элемент, диаметр которого больше диаметра отверстия, упомянутый барьерный элемент расположен на упомянутом резонаторном зонде между упомянутым волноводом и упомянутым улавливающим элементом.

72. Система по п.71, в которой упомянутый улавливающий механизм дополнительно содержит пружину или пружинообразный материал, расположенные между барьерным элементом и упомянутым улавливающим элементом и прилагающие усилия к упомянутому резонаторному зонду в направлении упомянутого волновода.

73. Система по п.55, в которой упомянутая свободная масса предназначена для уменьшения частоты зонда с килогерц до герц.

74. Система по п.55, в которой упомянутая свободная масса выполнена из материала, выбранного из группы, содержащей сталь, ее сплавы, титан, титановые сплавы, их комбинации и пластик.

75. Система по п.55, в которой упомянутая свободная масса расположена на упомянутом резонаторном зонде между упомянутым барьерным элементом и упомянутым волноводом.

76. Система по п.55, в которой упомянутый волновод дополнительно содержит кольцеобразную область, в которой упомянутая свободная масса расположена между проксимальным концом упомянутого резонаторного зонда и упомянутым волноводом.

77. Система по п.55, в которой упомянутое устройство дополнительно содержит по меньшей мере одну дополнительную свободную массу.

78. Система по п.60, в которой упомянутое устройство дополнительно содержит охлаждающий механизм.

79. Система по п.78, в которой упомянутый охлаждающий механизм выполнен с входным отверстием и выходным отверстием, проходящим по меньшей мере частично по длине болта, и предназначен для прохода холодного солевого раствора сквозь упомянутый болт через входное отверстие, через волновод и охлаждение его, и выхода холодного солевого раствора из упомянутого болта через выходное отверстие.

80. Система по п.55, в которой упомянутое устройство дополнительно содержит механизм орошения и отсасывания, состоящий из адаптера, по меньшей мере одного вакуумного выхода или входа и узла насоса.