器24发出的横向振动。超声波导器24随后与压电晶体14 一起振动。应理解的是，可以使用任 何能够通过超声波导器24从超声波换能器10产生横向振动的元件，如磁致伸缩组件。
[0069]外壳18被设置为将致动器12装入其中。通常，由于防水特性，外壳18由各种塑料材 料制成。然而，应理解的是，外壳18可以由任何防水材料制成，例如、但不限于金属材料。
[0070] 中空的管状变幅杆20在其近端部处通过附接件22被连接至致动器12,这有助于放 大致动器12的振动。在变幅杆20的远端部26处，超声波导器24通过波导配件28被连接至变 幅杆20。波导配件28的附接端部38将超声波导器26螺纹固定于变幅杆20。波导配件28具有 带撞击表面29的波导管耦合器30,其适于接收和牢固地固定于有时被称为细长的探头管构 件的波导管32的近端部34,波导配件28产生附接点，以允许波导管32内的管腔36穿过并且 与变幅杆20的中空中心部连接。波导管32的远端部40是超声波换能器10的工作端部，其与 血块、结石、骨等相接触。超声波导器24接收产生自致动器12的超声波振动，并且通过波导 管32传导超声波振动，以接合血块并且帮助融化血块、打碎结石、钻骨等。
[0071] 止挡件42位于波导管32上并且连接至波导管32，其接合弹簧46和冲击脉冲体48， 弹簧46和冲击脉冲体48均插入止挡件42与波导配件28的撞击表面29之间。止挡件42邻接鼻 锥体50,鼻锥体50将超声波导器24的部件装入其中，但是不装入延伸穿过位于鼻锥体50顶 端的开口 44的、波导管32的部分。止挡件42被保持在抵接鼻锥体50的内表面51的位置，使得 止挡件42压缩弹簧46,弹簧46继而提供用于冲击脉冲体48振动抵接的阻力（如下文中所 述）。鼻锥体50连接至超声波换能器10上的外壳。
[0072]冲击脉冲体48被设置为响应超声波振动而在波导配件28的撞击表面29与弹簧46 之间振荡。弹簧46继而提供在弹簧46推动止挡件42时产生的物理阻力，其继而还使冲击脉 冲体48回到其靠在波导配件28的撞击表面29上的原始位置。
[0073]当每次冲击脉冲体48回到其静止位置时，冲击脉冲体48撞击波导配件28的撞击表 面29,以产生纵向地(轴向地)传导至波导管32的远端部40的冲击脉冲（未示出）。应该注意 的是，变幅杆20也促进和诱导了这些冲击脉冲。这些冲击脉冲的传导促进了波导管32的远 端部40处的杰克锤式轴向运动的力（在下文中更详细地描述），通过使用超声波换能器10， 可以有效地融化血块、将大结石破碎为小块、钻取坚硬物体等等。在使用中产生的细小颗粒 被波导管32的管腔40抽吸并且随后穿过变幅杆20，变幅杆20与吸气口 52相连通，吸气口 52 与真空源(未示出）相互连接。
[0074]应该注意的是，超声波换能器10通常通过伸出外壳18的电源线54来被外部电源 (未示出）供电。然而，还应理解的是，超声波换能器10可以由内部电源(未示出)供电，例如， 电池工作电源等等。
[0075]效率损失是现有技术超声波换能器10面对的问题。从致动器12通过波导管32传导 的能量并不是最大化的，并且在超声波导器24的两端之间均产生能量损失。当在手术过程 中使用超声波换能器10时，这种能量损失对于使用者产生了问题，因为超声波换能器10的 性能不能达到这些手术的标准。最终，由于潜在的使用者会购买他们认为接近于他们的手 术需求的标准的竞争器械，因此性能问题对于超声波换能器10的销售产生了负面的经济影 响。
[0076] 如图4所示，超声波振动沿着超声波导器24纵向地传导，产生了一系列的混响位置 和停滞位置。这些混响位置和停滞位置产生了正弦状波形曲线56,其与中心轴线58共线，且 沿着超声波导器24纵向地延伸。在波形曲线56每次跨过中心轴线58的平面时都产生节点60 位置(高应力），这表示停滞，其中波导管32不轴向移动。在波形曲线56每次到达其峰值振幅 位置时都产生反节点62位置(低应力），其位于对应的峰值振幅的正下方，这表示混响，其中 产生了波导管32的轴向位移峰值以及最大轴向运动。波形曲线56的每个全波长由λ表示，该 全波长均在节点60位置处开始和结束。由于波形曲线的物理特性，超声波换能器配件28的 撞击表面29是沿着超声波导器24的中心轴线58的多个节点60位置和反节点62位置中首先 建立的反节点62位置。
[0077] 本领域的技术人员会发现，可以使用本领域公知的方程式和系统来确定固定的自 由杆的半波长。在超声波换能器10的日常使用中，在21kHz的频率和3.76mm的管直径下，沿 着波导管32,在距离波导配件28的撞击表面29约为1.5英寸处产生了第一节点60位置。沿着 波导管32,在距离波导配件28的撞击表面29约为3.6英寸处产生了第一反节点62,并且之后 每隔4.5英寸产生一个。应该理解的是，基于致动器所发出的超声波振动的频率或冲击脉冲 的频率，可以在沿着超声波导器24的中心轴线58的不同位置处产生这些节点60位置和反节 点62位置。
[0078] 通过产生冲击脉冲，冲击脉冲体48产生了"杰克锤"效果，以提升超声波换能器10 的效率。可以数学地描述冲击脉冲的函数。通过如下等式描述变幅杆20的远端部40的轴向 位移：
[0080] 其中X为变幅杆20的远端部40的顶端位移，Α/ ω是位移的振幅，t是时间，并且ω是 角部频率，23Tf中的f是频率。
[0081] 通过轴向位移的时间导数来得出振动期间变幅杆20的远端部40的位移速度，并且 通过如下等式描述：
[0082] v=Asin( ω t)
[0083] 其中v是位移速度。当撞击的能量损失和持续时间可忽略不计并且变幅杆20的质 量比冲击脉冲体48大得多时，使用动量和能量守丨旦，变幅杆20与冲击脉冲体48之间的相互 作用通过如下等式描述：
[0084] Vmf = Vmi+2v
[0085] 其中vmi是冲击脉冲体48在与变幅杆20相互作用之前的速度，并且vmf是冲击脉冲 体48在与变幅杆20相互作用之后的速度。
[0086] 通过弹簧的长度、圈数、用于构成弹簧的钢丝直径来改变弹簧的弹簧常数。通过在 弹簧46中改变这些变量，弹簧常数会增加或减少弹簧46的特性。也可以控制冲击脉冲体48 和止挡件42,以增强或减弱沿着超声波导器24的中心轴线58传导的每次冲击脉冲的撞击能 量。对于超声波换能器10的不同应用，撞击能量控制是有效的，例如，融化血块对比钻通骨。 特别地，冲击脉冲体48的质量越大，在止挡件42与冲击脉冲体48之间产生的每次撞击时的 撞击能量越大。实质上，增加冲击脉冲体48的质量增大了波导管32的远端部40处的轴向位 移振幅。然而，存在对于会妨碍超声波导器24的作用的过大质量的限制。
[0087]如图5、6A和6B所示，现有技术超声波导器24使用冲击脉冲体48，其具有圆形截面 66,并且围绕中心轴线58具有圆环形状68。这种冲击脉冲体48的形状和设计的问题是这种 冲击脉冲体在几何上被很大地限制。当改变冲击脉冲体48的高度时，卵形的冲击脉冲体极 大地限制了振荡时的运动自由度。当改变圆形截面66的直径时，冲击脉冲体48迅速地变得 不成比例地过重，并且极大地限制了运动的适当的自由度。通过在止挡件42与冲击脉冲体 48之间的每次撞击期间的横向力，冲击脉冲体48的平坦侧面也会导致撞击能量损失，尤其 是在止挡件42或波导配件28的角部撞击冲击脉冲体48时。由于这些横向力，因此难以引导 每次撞击的能量直接前进，以便沿着超声波导器24传导能量。过多的撞击能量被误导并且 损失。因此，通过现有技术冲击脉冲体48的形状，难以实现使传导至波导管32的远端部40的 每次撞击的能量最大化的目的。与这种冲击脉冲体48形状和设计相关的其他问题是冲击脉 冲体48会通过像锤一样击打变幅杆20上的撞击表面29的边缘而损坏该边缘，直到边缘变 形。这种变形不仅导致冲击脉冲体48不能正常工作，还在通过扳手拧下变幅杆20时难以夹 持变幅杆20。
[0088]对于现有技术超声波换能器10的所有限制，存在很大的改进空间。本文中提供和 讨论了多种改进。如图7所示，使超声波换能器的性能最大化的一种方式是控制不同部件的 位置，以利用超声波导器24a的振动的优势。实线波形曲线64a表示波导管32a在轴向方向上 (即，水平地沿着X轴线）的位移。实线波形曲线64a的每个全波长由λ表示，其均在节点60a位 置处开始和结束。轴向位移的第一顶峰表示第一反节点62a位置，其在本实施方式中位于撞 击表面29a处。由于沿着探头的共振增益（即，由反节点62a位置表示的、轴向位移的振幅在 波导管32a处更高），因此所述反节点62a位置比其余反节点62a位置具有更小的轴向位移。 [0089]通过将撞击表面29a直接布置在所述第一反节点62a位置处，在波导管32a的远端 部处发生的位移得到了提升。将撞击表面29a布置在反节点62a位置，使得在波导管32a的远 端部40a处产生了相应的反节点62a位置。还发现，止挡件42a布置为越接近反节点62a位置， 则在波导管32a的远端部处会产生更多轴向位移。当止挡件被布置为距反节点62a位置为至 少V3时，会开始在波导管32a的远端部40a处产生最少量的额外的轴向位移，同时随着止挡 件42a越接近反节点62a位置而产生越多的轴向位移。为了在波导管32a的远端部处的有效 量的轴向位移，止挡件42a应在波导管32a上被布置为距离沿着超声波导器24a的中心轴线 58a产生的反节点62a位置为至少λ/6的范围内。为了确保这种配置的最大效果，止挡件42a 应尽可能的位于反节点56a位置处。然而，如上所述，本领域的技术人员会理解的是，当止挡 件42a靠近反节点62a位置时，也能够得到这种超声波导器24a配置的益处。
[0090] 如图7所示，在到达最近的节点60a位置之前，在每个反节点62a位置两侧有大约20 毫米。随着止挡件42a每远离其中一个反节点62a位置的一侧一毫米，这种布置的性能增强 效果就会减弱。因此，如果止挡件42a被布置为在反节点62a位置的两侧大于约10毫米处，则 会损失这种超声波导器24a配置的大部分增强效果。
[0091] 通过特殊的制造工序来生产包含这种概念的超声波导器24a。如图8所示，超声波 导器24a在其相应位置处被装配在钎焊基部94a上。钎焊基部94a为用于超声波导器24a的制 造中的每个部件提供了稳定的基部。钎焊基部94a通常由陶瓷材料制成，其能够承受在制造 工序中使用的热量。然而，应该