基于声黑洞的纵弯耦合振动超声手术刀头、手术刀及设计方法

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，涉及手术设备，具体为基于声黑洞的纵弯耦合振动超声手术刀头、手术刀及设计方法。

背景技术

近年来，超声手术刀以其高切割精度和手术安全系数、更少的器械交换以及更短的手术时间和术后恢复期等优势，已成为一种常规且首选的能量型手术器械，在各类开放手术和微创手术中广泛应用。超声手术刀主要工作机理是通过刀头的高频振动实现组织的精准切割，并在与组织接触时产生摩擦热量，同时利用超声波在组织液中形成空化效应导致蛋白质变性，从而达到同时切割和凝固组织的目的。参见申请号为CN201922075221.6的专利文献，其公开了用于超声手术刀的刀杆及超声手术刀，刀杆的前端为弧形，包括刀杆本体；外套管；钳夹组件；滑动块；钢丝绳；所述外套管内设置有用于限制所述钢丝绳朝向径向方向偏移的限位结构。该专利文献所记载的刀杆前端为弧形，适应了人体的腔道结构，方便进入；进入到人体后，带弧形的刀杆相对于直线结构的刀杆在相同的活动夹角下，沿自身轴线旋转时获得更大的操作范围，减少操作者的操作强度，减少患者痛苦程度。然而，目前大多数超声手术刀头采用纵向振动设计，包括上述的专利文献，其超声手术刀仅依靠纵向剪切力进行切割，能量聚集效应差，导致超声手术刀的振幅有限，切割效率低。

发明内容

针对背景技术中所描述的，现有的大多数超声手术刀头采用纵向振动设计，其仅纵向剪切力进行切割，能量聚集效应差，存在超声手术刀的振幅有限，切割效率低的技术问题，本发明提出了基于声黑洞的纵弯耦合振动超声手术刀头、手术刀及设计方法。

本发明基于声黑洞的结构特征和能量聚集效能与超声手术刀头的设计是完全契合的原理，在超声手术刀头中引入声黑洞的结构特征形成弯曲振动模式的耦合，为超声手术刀头提供额外的横向剪切力，同时利用声黑洞结构的聚焦效应来进一步增强超声手术刀头的机械振动能力，从而大幅提升工作效率，以缩短手术时间并减少对患者的手术创伤。

本发明的技术方案如下：

本发明基于声黑洞的纵弯耦合振动超声手术刀头，包括超声手术刀头，所述超声手术刀头包括首尾依次相接的超声手术刀头头部、超声手术刀头背部、超声手术刀头尾部以及超声手术刀头弧形刃部；所述超声手术刀头弧形刃部的弧形结构满足一维声黑洞截面高度计算模型，所述一维声黑洞截面高度计算模型为：

式中，h(x)为一维声黑洞截面高度变化值，单位：m；h

所述超声手术刀头背部长度L

进一步限定，所述刀头的声黑洞纵弯耦合振动模型包括刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵和刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组；

所述刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵为：

式中，

所述刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组为：

式中，

本发明基于声黑洞的纵弯耦合振动超声手术刀头设计方法，包括以下步骤：

1)利用传输矩阵法建立刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵和刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组；根据刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵和刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组确定超声手术刀头背部长度L

2)将超声手术刀头背部长度L

所述一维声黑洞截面高度计算模型为：

式中，h(x)为一维声黑洞截面高度变化值，单位：m；h

3)根据超声手术刀头弧形刃部的弧形结构、超声手术刀头背部长度L

进一步限定，所述步骤1)中刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵为：

式中，

所述步骤1)中刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组为：

式中，

本发明基于声黑洞的纵弯耦合振动超声手术刀，包括加固节点、刀杆以及超声手术刀头所述超声手术刀头包括首尾依次相接的超声手术刀头头部、超声手术刀头背部、超声手术刀头尾部以及超声手术刀头弧形刃部；所述超声手术刀头的超声手术刀头尾部通过加固节点与刀杆连接；所述超声手术刀头弧形刃部的弧形结构满足一维声黑洞截面高度计算模型，所述一维声黑洞截面高度计算模型为：

式中，h(x)为一维声黑洞截面高度变化值，单位：m；h

所述超声手术刀头背部长度L

进一步限定，所述手术刀的声黑洞纵弯耦合振动模型包括手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵和手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组；

所述手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵为：

式中，

所述手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组为：

式中，

进一步限定，所述刀杆上连接有换能器或传振杆。

本发明基于声黑洞的纵弯耦合振动超声手术刀的设计方法，包括以下步骤：

1)利用传输矩阵法建立手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵和手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组；根据手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵和手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组确定超声手术刀头背部长度L

2)将超声手术刀头背部长度L

所述一维声黑洞截面高度计算模型为：

式中，h(x)为一维声黑洞截面高度变化值，单位：m；h

3)根据超声手术刀头弧形刃部的弧形结构、超声手术刀头背部长度L

4)将超声手术刀头的超声手术刀头尾部通过加固节点与刀杆连接，形成超声手术刀。

进一步限定，所述步骤1)中声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵为：

式中，

所述步骤1)中手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组为：

式中，

进一步限定，所述步骤4)具体为：将超声手术刀头的超声手术刀头尾部通过加固节点与刀杆连接，并在刀杆上连接换能器或传振杆，形成超声手术刀。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明基于声黑洞的纵弯耦合振动超声手术刀头，其是基于声黑洞的结构特征和能量聚集效能与超声手术刀头的设计是完全契合的原理，在超声手术刀头中引入声黑洞的结构特征形成弯曲振动模式的耦合，通过纵弯耦合振动模式同时提供纵向剪切力和横向剪切力，为超声手术刀增加了额外的横向剪切力，同时利用声黑洞结构的聚焦效应来进一步增强超声手术刀头的机械振动能力，可以极大地缩短超声手术刀头在手术中切割时间从而大幅提升工作效率，以缩短手术时间并减少对患者的手术创伤。

2、本发明提出的基于声黑洞结构新型超声手术刀头是一种振动增强型超声手术刀头，该超声手术刀头的截面高度变化函数设计为幂函数(m≥2)，可以减缓弯曲波在超声手术刀头中的传播速度，并同时增大弯曲振动和纵向振动的振幅，实现声能量的聚焦，可以进一步提升超声手术刀的工作效率。

3、本发明基于声黑洞的纵弯耦合振动超声手术刀头设计方法，其建立了一种可以快速设计超声手术刀头的理论计算模型，并给出了全新的设计方法，弥补了目前只能依靠有限元仿真软件设计超声手术刀头的方法缺陷。

4、本发明基于声黑洞的纵弯耦合振动超声手术刀，其在本发明的超声手术刀头上增设加固节点和刀杆，并将超声手术刀头、加固节点和刀杆利用声黑洞结构一体化设计，通过加固节点和刀杆提供额外的结构刚度以防止应力过大对刀具造成损坏。

附图说明

图1为本发明超声手术刀头的结构示意图；

图2为将本发明超声手术刀头沿长度方向分为N份等截面杆的结构示意图；

图3为本发明超声手术刀的结构示意图；

图4为实施例3中三种不同频率的基于声黑洞的纵弯耦合振动超声手术刀的振动模态；

图5为实施例3基于声黑洞的纵弯耦合振动超声手术刀与传统的纵振超声手术刀有限元模拟实验曲线；

其中，1-超声手术刀头，2-加固节点，3-刀杆。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行进一步地解释说明，但本发明并不限于以下说明的实施方式。

实施例1

参见图1，包括超声手术刀头1，超声手术刀头1包括首尾依次相接的超声手术刀头头部、超声手术刀头背部、超声手术刀头尾部以及超声手术刀头弧形刃部，即超声手术刀头头部的首端与超声手术刀头弧形刃部的尾端连接，超声手术刀头头部的尾端与超声手术刀头背部的首端连接，超声手术刀头背部的尾端与超声手术刀头尾部的首端连接，超声手术刀头尾部的尾端与超声手术刀头弧形刃部的首端连接；超声手术刀头弧形刃部的弧形结构满足一维声黑洞截面高度计算模型，一维声黑洞截面高度计算模型为：

式中，h(x)为一维声黑洞截面高度变化值，单位：m；h

超声手术刀头背部长度L

其中，刀头的声黑洞纵弯耦合振动模型包括刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵和刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组；

刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵为：

式中，

所述刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组为：

式中，

其中，[M

ω＝2πf (6)

Z

式中，

刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵[M

式中，

本实施例给定超声手术刀头的纵弯耦合振动工作频率和材料参数，确定其他尺寸不变，代入刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组：

作为特例，将超声手术刀头背部长度L

表1：三种基于声黑洞的纵弯耦合振动超声手术刀头的设计方案

实施例2

本实施例基于声黑洞的纵弯耦合振动超声手术刀头设计方法，其包括以下步骤：

1)利用传输矩阵法建立刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵和刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组；根据刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵和刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组确定超声手术刀头背部长度L

2)将超声手术刀头背部长度L

所述一维声黑洞截面高度计算模型为：

式中，h(x)为一维声黑洞截面高度变化值，单位：m；h

3)根据超声手术刀头弧形刃部的弧形结构、超声手术刀头背部长度L

本实施例中，步骤1)中刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵为：

/>

式中，

本实施例中，步骤1)中刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组为：

式中，

本实施例中，刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵和刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组的推导过程参见实施例1。

本实施例给定超声手术刀头的纵弯耦合振动工作频率和材料参数，确定其他尺寸不变，代入刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组：

作为特例，将超声手术刀头背部长度L

实施例3

参见图3，本实施例基于声黑洞的纵弯耦合振动超声手术刀，其包括加固节点2、刀杆3以及超声手术刀头1，超声手术刀头1包括首尾依次相接的超声手术刀头头部、超声手术刀头背部、超声手术刀头尾部以及超声手术刀头弧形刃部，超声手术刀头头部的尾端与超声手术刀头背部的首端连接，超声手术刀头背部的尾端与超声手术刀头尾部的首端连接，超声手术刀头尾部的尾端与超声手术刀头弧形刃部的首端连接；超声手术刀头1的超声手术刀头尾部通过加固节点2与刀杆3连接，即超声手术刀头1的超声手术刀头尾与加固节点2的一端固定连接，加固节点2的另一端与刀杆3固定连接；超声手术刀头弧形刃部的弧形结构满足一维声黑洞截面高度计算模型，所述一维声黑洞截面高度计算模型为：

式中，h(x)为一维声黑洞截面高度变化值，单位：m；h

超声手术刀头背部长度L

其中，手术刀的声黑洞纵弯耦合振动模型包括手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵和手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组。

手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵为：

式中，

手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组为：

式中，

手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵的推导过程如下：

刀头的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵[M

加固节点2的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵[M

ω＝2ωf (43)

/>

式中，

刀杆(3)的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵[M

ω＝2πf(73)

/>

式中，

式中，

本实施例的刀杆3上连接有换能器或传振杆。

需要说明的是，超声手术刀头1、加固节点2以及刀杆3均为同一材质。

本实施例给定超声手术刀头的纵弯耦合振动工作频率和材料参数，确定其他尺寸不变，代入超声手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组：

作为特例，将超声手术刀头背部长度L

表2：三种基于声黑洞的纵弯耦合振动超声手术刀的设计方案

实施例4

本实施例基于声黑洞的纵弯耦合振动超声手术刀的设计方法，包括以下步骤：

1)利用传输矩阵法建立手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵和手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组；根据手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵和手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组确定超声手术刀头背部长度L

2)将超声手术刀头背部长度L

所述一维声黑洞截面高度计算模型为：

式中，h(x)为一维声黑洞截面高度变化值，单位：m；h

3)根据超声手术刀头弧形刃部的弧形结构、超声手术刀头背部长度L

4)将超声手术刀头1的超声手术刀头尾部通过加固节点2与刀杆3连接，形成超声手术刀。

优选的，步骤4)具体为：将超声手术刀头1的超声手术刀头尾部通过加固节点2与刀杆3连接，并在刀杆3上连接换能器或传振杆，形成超声手术刀。

本实施例中，步骤1)中手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵为：

式中，

本实施例中，步骤1)中手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组为：

式中，

本实施例中，手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵和手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组的推导过程具体参见实施例3。

本实施例给定超声手术刀头的纵弯耦合振动工作频率和材料参数，确定其他尺寸不变，代入超声手术刀的声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组：

作为特例，将超声手术刀头背部长度L

本发明是基于铁木辛柯梁的弯曲振动理论以及棒的一维纵向振动理论将超声手术刀头1的超声手术刀头背部的长度方向进行等截面划分形成的。N个截面是沿超声手术刀头背部长度方向进行等截面划分形成的，具体的，等截面是指N个截面的超声手术刀头背部面积相等。

本发明中声黑洞结构纵弯耦合振动计算矩阵和声黑洞结构纵弯耦合振动频率计算方程组是铁木辛柯梁的弯曲振动理论以及棒的一维纵向振动理论(出自林书玉.超声换能器的原理及设计[M].科学出版社,2004.)结合边界条件建立的。

参见图4，采用有限元法对实施例3的基于声黑洞的纵弯耦合振动超声手术刀的振动模态进行模拟，两种方法得到的尺寸计算结果吻合很好，误差兼小于0.5％，这表明了本发明提出的设计方案的模态设计准确，计算精度高、速度快，可以弥补了当前超声手术刀设计存在的方法缺陷。

参见图5，利用有限元模拟实验比较了实施例3基于声黑洞的纵弯耦合振动超声手术刀(m＝2.94)与传统纵振超声手术刀(m＝1)的输出振幅。给定设计频率为55kHz，其他尺寸选为:L