一种多段式应力削弱的超声手术刀刀杆

技术领域

本发明涉及一种超声手术刀刀杆，具体涉及一种多段式应力削弱的超声手术刀刀杆，属于医疗器械技术领域。

背景技术

在现代外科手术中，腔镜微创手术已经逐渐取代许多开放性手术而迅速普及，而超声手术刀作为微创手术的用具也受到了广泛的关注，超声手术刀拥有灵活性好，出血量少，对患者创面的破坏性小，副作用小等优点。随着科技的发展，超声手术刀的进步也是必然的，超声刀由刀杆，刀头以及刀杆尾部的超声换能器构成，刀杆的作用是将尾部的超声能量进行增益处理并将其传递到刀头处，所以控制好刀杆的应力大小是很有必要的，未对应力集中处进行削弱处理的刀杆，超声手术刀的稳定性较差，使用过程中存在安全隐患，手术的难度相对较高。

发明内容

本发明为解决超声手术刀的使用寿命及在使用过程中的安全性的问题，进而提出一种多段式应力削弱的超声手术刀刀杆，可以使得超声能量在刀杆中平稳的传递过去，降低了前中段的径向位移可以使超声手术刀的使用更加平稳，降低了手术的难度，同时提升了超声手术刀的稳定性。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

一种多段式应力削弱的超声手术刀刀杆，包括刀杆主体和杆尾，杆尾设于刀杆主体的后端，刀杆主体的前端连接有刀头，刀杆主体近杆尾端的应力集中处同轴设有刀杆修正结构，刀杆修正结构将刀杆主体分为第一刀杆主体和第二刀杆主体，刀杆修正结构位于第一刀杆主体和第二刀杆主体之间。

进一步的，刀杆修正结构包括自杆尾到刀头方向依次连接的削弱刀杆径向位移区、削弱应力区和圆滑过渡区，削弱刀杆径向位移区与第一刀杆主体相连且削弱刀杆径向位移区直径大于与第一刀杆主体直径，削弱应力区直径大于削弱刀杆径向位移区直径，圆滑过渡区与第二刀杆主体相连。

进一步的，削弱刀杆径向位移区位于刀杆主体径向位移的波节后端位置。

进一步的，削弱应力区位于刀杆主体径向位移的波幅位置。

进一步的，杆尾与超声换能器相连。

进一步的，超声换能器、第一刀杆主体、刀杆修正结构、第二刀杆主体和刀头位于同一轴线。

进一步的，所述超声手术刀刀杆的工作频率为55.5kHz。

进一步的，所述超声手术刀刀杆的材质为医用钛合金材料。

本发明的有益效果是：

本发明提供的超声手术刀杆，在刀杆部分添加了刀杆修正结构，使得整个超声手术刀的特征频率会随着结构的位置发生一定的变化，通过调整结构的位置和直径厚度可以使得超声手术刀的频率更加接近超声主机和换能器的工作频率，在加入刀杆修正结构后，可以使得超声能量在刀杆前中平稳的传递过去，降低了前中段的径向位移可以使超声手术刀的使用更加平稳，降低了手术的难度，同时提升了超声手术刀的稳定性。

附图说明

图1是本发明的一种实施方式的结构示意图。

图2是图1的A处放大示意图。

图3是未设置刀杆修正结构的超声手术刀杆的结构示意图。

图4是未设置刀杆修正结构的超声手术刀杆的应力示意图。

图5是本发明的应力示意图。

图中：1、刀杆主体；11、第一刀杆主体；12、第二刀杆主体；2、杆尾；3、刀头；4、刀杆修正结构；41、削弱刀杆径向位移区；42、削弱应力区；43、圆滑过渡区。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，所有方向性指示(例如前、后等)为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

具体实施方式一：结合图1-5说明本实施方式，如图1和图2所示，本实施方式所述一种多段式应力削弱的超声手术刀刀杆，包括刀杆主体1和杆尾2，杆尾2设于刀杆主体1的后端，杆尾2与超声换能器相连，优选的，在刀尾后端留有螺丝孔，通过双头螺丝把刀尾和超声换能器相连接。刀杆主体1的前端连接有刀头3，刀杆主体1近杆尾2端的应力集中处设有刀杆修正结构4，刀杆修正结构4将刀杆主体1分为第一刀杆主体11和第二刀杆主体12，刀杆修正结构4位于第一刀杆主体11和第二刀杆主体12之间。超声换能器、第一刀杆主体11、刀杆修正结构4、第二刀杆主体12和刀头3位于同一轴线。超声手术刀主机发出的特定频率信号，大小为55.5kHz，超声换能器接收电信号将其转化为高频振动，将超声能量放大后传递给杆尾2并通过第一刀杆主体11、刀杆修正结构4和第二刀杆主体12传递给刀头3。在此过程中，随着激励信号时间的增加、以及负载的变化关系、以及材料间的相互损耗，会使得整体特征频率发生偏移，这样尽可能在初始状态实现主机频率、换能器频率以及超声刀杆频率共同为此在55.5kHz就非常重要。刀杆修正结构4包括自杆尾2到刀头3方向依次连接的削弱刀杆径向位移区41、削弱应力区42和圆滑过渡区43，削弱刀杆径向位移区41与第一刀杆主体11相连且削弱刀杆径向位移区41直径大于与第一刀杆主体11直径，削弱应力区42直径大于削弱刀杆径向位移区41直径，圆滑过渡区43与第二刀杆主体12相连。可以极大提升超声刀的性能，以及使用过程中的稳定性。

超声手术刀的激励是通过超声换能器所提供的，超声换能器所提供的超声能量通过超声换能器内的变幅杆传递到超声刀尾部，这种激励可以简化为一种激励力，超声刀可以简化为一端受到简谐激励力，另一端自由的杆结构。

简谐力为：

式(1)中F

细杆在不同的边界条件下的振动情况不同，通过对细杆的纵振方程为：

式(2)中

通过对细杆的纵振方程的求解，因为细杆是有边界的，所以当波从一个边界传递到另一个边界的时候，在端面会形成反射，正向波和方向波会叠加形成驻波，上述纵振方程的驻波解为

式(3)中A、B为待定系数，根据边界条件不同为不同的常数，无物理意义，k为

代入细杆一端自由，一端受简谐激励力的边界条件。可以得到

式(4)中S为细杆的横截面积，E为杨氏模量，l为细杆的总体长度。

由此可以得到刀杆在轴向简谐力的作用下轴线位移的波节和波腹的位置。

波节：

波腹：

式(5)和式(6)中，

m n为可从1取到任意的自然数，实际意义是代表下次波节或者波腹出现的位置，λ

而刀杆的径向位移的波节波腹位置和轴向位移的波节波腹位置正好相反，本发明的削弱刀杆径向位移区41和削弱应力区42相对于刀杆的两处加粗位置分别位于径向位移的波节后端位置和径向位移的波幅位置，因为在波节后端位置进行加粗可以达到削弱简谐力传播的作用，从而起到削弱当前位置径向位移的作用，并且同时对后续的径向位移都有一定的削弱作用，径向位移的大小也就代表了当前位置的应力大小。而在颈线位置的波腹处进行加粗是通过在径向位移的位移最高处进行加粗处理，从物理上削弱了当前位置的应力大。两处结构的结合作用同时对细杆的应力最大值处起到了削弱作用，圆滑过渡区43由于截面横截面积的变化，造成了截面的突变，这样的变化会引起应力集中，简单易行的方法就是在变截面处增加过渡圆角，减小此处应力的大小并且使得超声能量更加平稳的传播。

削弱刀杆径向位移区41位置在细杆径向位移的波节处。他的作用原理是：

超声手术刀的增益结构原理同于阶梯式变幅杆对简谐信号的放大作用，通过改变在轴向位移的波节位置，形成阶梯状的结构。通过对阶梯杆左右两端的位移表达式进行解析，

大端面位移：ξ

小端面位移：ξ

式(7)和式(8)中，

C/D/G/H为随着边界条件变化代入不同的边界条件的代替字母，阶梯结构共有四个端面，故可代入四个边界条件，e

代入简谐力作用在大端截面，小端面自由振动的边界条件并对其进行解析，可以得到：当简谐力作用在阶梯杆的大端，且各段长度是1/4波长的奇数倍时候，小端面和大端面的位移比为两者的横截面积之比，意味着对刀杆有着位移增益的作用。所以当调换大小端面位置，让简谐力从小端面传入大端面，这样就对刀杆的位移有着减益作用。因为修正结构的位置处于径向位移的波节位置，所以本修正结构的位移减益效果是针对这径向位移的，同时也就是针对着应力大小的。

削弱应力区42是在径向位移的波幅位置增加一定长度的竹节结构，这个结构使细杆径向位移的振幅有一定程度的减小，这两个结构同时作用就达到了对此位置包括后续径向位移的一个削弱。

具体的，根据声传输理论以及选用医用钛合金参数，确定在长度400.5mm的超声刀杆上，轴向位移波节附近位置，44.56mm位置进行加粗处理，该削弱刀杆径向位移区41直径1.6mm，长度11.14mm。在55.70mm处继续进行加粗处理，削弱应力区42直径为1.8mm，长度为27.28mm。后续结构为一个长度为2.57mm的圆滑过渡区43。超声手术刀的整体长度一般都为半波长的整数倍，因为长度为半波长的整数倍时，在刀头3的位置的轴向位移会是最大值，所以刀杆的结构改变，例如加粗部分的长度也一般选择半波长的或者四分之一波长的整数倍。修正部分的粗细对当前位置的应力大小影响较大，同时对整个刀杆的特征频率有一定的影响，添加此结构会使特征频率提高，选用此粗细的原因是因为这个尺寸对应力削减效果达到了设计目的，同时也给特征频率的修改留下了一定的修改空间，后续其他设计也会对细杆的特征频率起到影响，目的是为了最后特征频率能稳定在55500Hz附近。

其中刀杆应力大小因刀杆修正结构4的不同长度和直径大小控制，最终使刀杆的应力处于一个较低的大小，实现对刀身的保护和对手术难度的降低作用。该刀杆修正结构4的加入使得特征频率，对比图3所示未加入削弱结构刀杆，特征频率从54721Hz提高到了55112Hz，更加接近工作频率，使得在实际使用过程中更加稳定。并且后续可通过对刀杆加粗位置、宽度以及长度进一步优化来优化到55500Hz，实现在静态下，主机输出频率，超声换能器工作频率以及超且在声刀杆频率三个频率一致，更有利于追频以及频率保持，使得实际使用结果更加稳定。

如图4和图5所示，并添加刀杆修正结构4后，对比无刀杆修正结构4刀杆应力图图4，以及添加刀杆修正结构4刀杆应力图5。可以发现，增加刀杆修正结构4可以使得添加结构处刀杆应力从123Mpa下降到91Mpa，使得刀身寿命得到提升。

工作原理：

在近刀尾处刀杆修正结构两次不同位置的加粗处理及一处圆滑过渡处理，通过控制加粗的位置，长度和加粗直径可以达到控制该位置径向位移大小的目的，超声手术刀总位移是径向位移和轴向位移的结合，削弱径向位移会对总位移产生削弱的效果，但对整个超声刀杆的应力削弱作用更加明显，在施加对径向位移有削弱作用的结构的同时会对刀杆的输入位移有一个削弱的作用，同时也可以调节整个超声手术刀的特征频率，使其更接近驱动换能器的输出频率，圆滑过渡区使得超声能量更加平稳的传播。可以使超声刀杆的使用寿命增加，手术安全性提升。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。