超声换能器

本发明涉及超声换能器和超声换能器的操作方法。这种超声换能器特别适用于外科应用，但不一定是唯一的应用。

背景技术：

1、用于硬组织或软组织的现代超声手术装置的设计几乎都类似于paul langevin和chilowsky于1922年发明的用于水下应用的配置[1]。一般来说，这些装置采用超声振动来增强切割性能，并采用换能器安装在手持装置中。在软组织切割的情况下，可以识别一些共同特征。图1示出了+shears(endosurgery，强生公司，美国俄亥俄州辛辛那提市)，其中标记出波导10、手持件12和朗之万型换能器14。图1中的插图还示出了振动方向“vib”，在本例中是纵向的(平行于换能器和波导的纵轴)，以及包括可枢转钳口16和振动刀片18的钳口刀片机构。

2、+shears与senhancetmultrasonic(medical，bowa电子公司，德国戈马林根)代表了在撰写本文时仅有的两种与机器人手术平台兼容的超声切割装置，这些平台分别是da手术系统(surgical inc.，美国加利福尼亚州桑尼维尔)和senhancetm手术系统(medical，德国戈马林根)。

3、(外科公司)是da能量装置的最新发明之一。这种铰接关节使末端执行器能够进行类似于人类手腕的一系列运动，从而复制了开放手术的体验。图2显示了采用技术的通用da末端执行器。末端执行器20附接在轴22的端部处，并且具有允许屈曲和伸展(围绕第一轴线旋转)的第一枢转接头24和允许内收和外展(围绕第二轴线旋转，(在本例中)与第一轴线正交)的第二枢转接头26。抓握工具28设置在末端执行器的远端处。

4、截至撰写本文时，已有多种采用技术的能量装置可供使用，直径为5-10mm，可通过腹腔镜端口插入并在人体内操作。迄今为止，尚不存在采用技术的超声切割装置。图2显示了通用末端执行器可用的运动范围[2]。

5、目前的超声切割装置仅允许轴向和旋转运动，因为换能器太大而无法穿过5-10mm的套管针。换能器轴向约束在机械臂上，而将超声振动从人体外部传递到内部末端执行器的波导不能弯曲。这对于外科超声装置来说是一个显着的缺点。事实上，尽管超声切割已被证明比其他能量装置更精确和有效，并且具有出色的凝固速度，但后者由于其灵巧性仍然是首选。

6、us 9,408,622 b2公开了一种可弯曲的波导，其解决了上面指出的一些问题，但灵巧性依然有限。

7、超声驱动的手术工具是电灼工具的替代品，有可能避免电灼工具的一些缺点，同时实现类似的结果。

8、ace+shears是唯一与da手术系统兼容的超声装置。其主要缺点之一是缺乏灵活性，因为它与不兼容。其主要原因是超声换能器的尺寸太长太大，无法夹在末端执行器腕关节的末端以穿过钻孔或腹腔镜端口。

9、优选长的刚性波导将超声频率的振动能量从人体外部传递到人体内部。这就不可避免地限制了超声波能量装置的应用，使其只能用于少数不需要进入困难部位的应用。

10、表1概述了超声切割装置与单极和双极手术工具在微创手术中的优缺点。尽管该装置具有表5.1所列的诸多优点，但在可操作性方面缺乏灵活性，从而限制了其在一些手术中的应用，这是因为波导长且直，刀片尖端没有铰接接头，因此只能达到轴向目标。

11、表1：与单极和双极电灼手术工具相比超声能量装置在微创手术中的优缺点[6]，[7]。

12、

13、机器人腹部腹腔镜手术采用超声技术进行实质(功能组织)横切，将器官的实质与结缔组织和支持组织分离。超声能量也用于肺叶切除术以切除器官的一部分。其他常见腹腔镜手术包括胃切除术、肾上腺切除术、脾切除术和肝切除术，尽管这些手术使用非铰接装置，但仍首选超声能量[6]。

14、鉴于上述考虑而设计了本发明。

技术实现思路

1、目前最先进的朗之万型换能器设计技术无法在保留装置功能和性能的同时实现超声手术工具(例如解剖器)的微型化。

2、因此，本发明人通过详细考虑换能器的部件沿换能器的振动能量传递路径的机械顺应性的影响，解决了上述问题。

3、在本公开中，我们提出了本发明的不同“开发方案”(development)，每个开发方案包括不同的可选方面和进一步的可选特征。下面分别介绍开发方案a和开发方案b。

4、开发方案a

5、在开发方案a的第一方面，本发明提供了一种用于外科手术应用的超声换能器，该超声换能器包括：

6、后质量块；

7、前质量块；

8、保持在后质量块和前质量块之间的超声致动器装置；

9、位于前质量块之前的超声变幅杆装置，

10、其中由超声致动器装置产生的振动沿着振动能量传递路径被传导到前质量块和超声变幅杆装置中，并且由超声变幅杆装置放大振幅，并且

11、其中后质量块、前质量块和超声变幅杆装置中的一个或多个包括多个开口，这些开口与振动能量传递路径相交，并且被配置为在沿着振动能量传递路径的方向上提高机械顺应性。

12、在开发方案a的第二方面，本发明提供了一种包括根据第一方面的超声换能器的手术工具。

13、在开发方案a的第三方面，本发明提供了一种超声换能器的操作方法，该超声换能器包括：

14、后质量块；

15、前质量块；

16、保持在后质量块和前质量块之间的超声致动器装置；

17、位于前质量块之前的超声变幅杆装置，

18、该方法包括将电信号施加到超声致动器装置以产生振动，该振动沿着振动能量传递路径被传导到前质量块和超声变幅杆装置中，并且由超声变幅杆装置放大振幅，

19、其中后质量块、前质量块和超声变幅杆装置中的一个或多个包括与振动能量传递路径相交的多个开口，从而在沿着振动能量传递路径的方向上提高机械顺应性。

20、在开发方案a的第四方面，本发明提供了一种使用超声刀通过超声切割来切割组织的方法，包括操作如第三方面所述的超声换能器并将振动能量传导至超声刀的方法。

21、换能器可以是朗之万型换能器，例如螺栓连接的朗之万型换能器。由于其低频和高功率操作特性，此类换能器在外科应用中受到关注。

22、超声致动器装置可以包括压电材料元件，例如压电陶瓷元件。可以设置多个这样的元件。可以设置一个或多个相关联的电极，以便将驱动信号传导至压电材料元件。在前质量块和/或后质量块由导电材料(例如金属)形成的情况下，前质量块和/或后质量块可以为压电材料元件提供接地电接触。

23、后质量块、前质量块和/或超声变幅杆中的振动能量传递路径可以包括环形部分。环形部分可以采用例如空心圆筒的形式，其中圆筒的壁沿着振动能量传递路径延伸，并且在操作中，振动能量沿着圆筒的壁传递。因此，可以穿过环形部分的壁来提供与振动能量传递路径相交的多个开口。开口通常是通孔。尽管原则上可以使用盲孔，但预计不太适合换能器的后续操作。

24、每个开口可以沿着其深度具有基本上均匀的横截面。将开口的深度方向视为平行于开口的壁的方向，深度方向可以基本上垂直于振动能量传递路径(例如，在局部换能器中)。

25、开口可以各自具有相同的尺寸(例如，如果开口具有圆形横截面形状，则具有相同的直径，或者对于其他形状具有其他特征线性尺寸)。开口可以具有相同的横截面积。此外，开口可以具有彼此相同的形状，或者可以选自有限数量的形状(例如，两个、三个或四个)。

26、开口可以根据重复图案来布置。例如，开口可以根据规则的网格布置，例如正方形网格、矩形网格、三角形网格、六边形网格。

27、或者，开口可以基本上随机地布置，或者从假设的规则重复图案随机偏移。

28、可以存在3个或更多个开口。例如，可以存在5个或更多个、10个或更多个、15个或更多个、20个或更多个、25个或更多个、30个或更多个、35个或更多个、40个或更多个、45个或更多个、或者50个或更多个开口。通常存在少于500个开口，但在一些实施例中可能存在更多开口。

29、适合的开口横截面形状包括圆形、卵形、椭圆形、球形、三角形、四边形、长方形、正方形、菱形、五边形、六边形、五边形、八边形等。两个或更多个这样的形状的组合可以用于开口。开口可以具有随机生成的形状。开口通常具有封闭的周边。

30、开口的横截面积可以为例如至少0.01mm2、至少0.05mm2、至少0.1mm2、至少0.2mm2、至少0.4mm2、至少0.6mm2、至少0.8mm2、至少1mm2、至少1.5mm2或至少2mm2。开口的横截面积没有具体的上限，除了需要将合适数量的开口安装到换能器的总体尺寸上以便对相关部件的顺应性产生影响之外。

31、开口可以通过任何合适的制造技术形成，例如，机加工、切割(例如激光切割)或蚀刻，或通过净成形或近净成形技术(例如铸造、增材制造等)制造部件。

32、开口可以填充有填充材料。填充材料的杨氏模量可以比形成开口的材料的杨氏模量低(例如低至少5倍、低至少10倍、低至少20倍或低至少50倍)。合适的材料包括环氧树脂材料或其他树脂基材料。

33、开口可以形成在后质量块、前质量块和超声变幅杆装置中的两个或更多个中。

34、换能器的操作频率可以是例如至少1khz、至少5khz、至少10khz、至少20khz、或至少30khz或至少40khz。换能器的操作频率可以是例如至多200khz、至多150khz、至多100khz、或至多90khz、至多80khz或至多70khz。例如，合适的操作频率约为55khz。

35、在操作频率下，变幅杆远端处的位移幅度可以在1-200微米峰-峰值范围内。

36、在操作方法中，超声换能器可以在例如10-1000wcm-2范围内的功率密度下操作。超声换能器可以在例如1-1000w范围内的功率下操作。

37、如上所述，开口形成在后质量块、前质量块和超声变幅杆装置中的一个或多个中。这些在这里被称为换能器的振动能量传递路径组件。每个所述部件可以具有整体结构，即由没有异质界面(当然允许晶界)的单片材料形成。因此，对于本发明的实施例装置来说，多个开口在沿着振动能量传递路径的方向上提高机械顺应性的要求旨在与参考装置进行比较，在参考装置中超声换能器在其他方面是相同的，但是其中开口替换为相关部件的材料。本发明实施例装置的换能器的操作频率与参考装置的换能器的操作频率相比，本发明实施例装置的操作频率可以是至少1khz(或至少2khz、或至少3khz、或至少4khz、或至少5khz、或至少6khz、或至少7khz、或至少8khz、或至少9khz、或至少10khz)，与参考装置的操作频率不同(例如小于)。进而，这允许本发明的实施例装置具有比相同操作频率的其他参考装置更小的规格。这意味着在手术期间定位此类换能器以插入体内比将换能器定位在体外并使用细长波导更为现实。反过来，这意味着换能器可以位于手术装置柔性接头的远端，从而更方便地定位换能器。

38、换能器的长度(沿着振动能量传递路径从后质量块的近端到变幅杆的远端来测量)可以不超过40mm。换能器的最大直径(垂直于长度的方向测量)可以不超过15mm。

39、更进一步地，本发明的实施例装置与如上所述的参考装置相比，本发明的实施例装置可以表现出与参考装置相同或更好的一个或多个品质因数。例如，本发明的实施例装置的keff可以与参考装置的keff相同或更好。另外或替代地，本发明的实施例装置的qm可以与参考装置的qm相同或更好。

40、开发方案b

41、继开发方案a的工作之后，发明人进行了进一步的研究，并认为他们在该技术领域的创新还可以表示为进一步的开发方案，这里称为开发方案b。以下的各方面和/或进一步的可选特征可以单独地或以任何组合的方式与关于开发方案a提及的任何方面或可选特征进行组合。

42、在开发方案b的总体方面，本发明提供了一种用于外科手术应用的超声换能器，该超声换能器包括：

43、后质量块；

44、前质量块；

45、保持在后质量块和前质量块之间的超声致动器装置；

46、位于前质量块之前的超声变幅杆装置，

47、其中后质量块、超声致动器装置、前质量块和超声变幅杆装置沿着换能器的纵轴布置，

48、其中由超声致动器装置产生的振动沿着振动能量传递路径被传导到所述前质量块和所述超声变幅杆装置中，并且由所述超声变幅杆装置放大振幅，并且

49、其中后质量块、前质量块和超声变幅杆装置中的一个或多个包括多个开口，这些开口开向纵轴并与振动能量传递路径相交，并且被配置为在沿着所述振动能量传递路径的方向上提高机械顺应性。

50、在开发方案b的第一方面，本发明提供了一种根据总体方面并结合一个或多个以下特征的超声换能器。

51、换能器可以是朗之万型换能器，例如螺栓连接的朗之万型换能器。由于其低频和高功率操作特性，此类换能器在外科应用中受到关注。

52、超声致动器装置可以包括压电材料元件，例如压电陶瓷元件。可以设置多个这样的元件。可以设置一个或多个相关联的电极，以便将驱动信号传导至压电材料元件。在前质量块和/或后质量块由导电材料(例如金属)形成的情况下，前质量块和/或后质量块可以为压电材料元件提供接地电接触。

53、后质量块、前质量块和/或超声变幅杆中的振动能量传递路径可以包括环形部分。环形部分可以采用例如空心圆筒的形式，其中圆筒的壁围绕纵轴并沿着振动能量传递路径延伸，并且在操作中，振动能量沿着圆筒的壁传递。因此，可以穿过环形部分的壁来提供与振动能量传递路径相交的多个开口。开口通常是通孔。尽管原则上可以使用盲孔，但预计不太适合换能器的后续操作。

54、多个开口布置成增加沿着振动能量传递路径的方向上的机械顺应性。具体地，后质量块、前质量块和/或超声变幅杆的纵向轴向刚度可以通过开口的存在而改变。轴向刚度影响纵向模式发生的谐振频率。

55、纵向模式-扭转模式(l-t)转换可能是由于纵向模式退化为扭转模式或通过纵向模式和扭转模式的耦合而发生的(例如，参见ultrasonics 52(2012)950-988)。在操作中，多个开口可以基本上不提供纵向模式到扭转模式的转换。例如，开口可以设置在非手性阵列中。另外或替代地，开口可以设置为非螺旋阵列。如果在阵列中可识别螺旋阵列，则优选地在阵列中也可识别镜面对称螺旋阵列。避免l-t模式转换可以保留纵向模式，这对于软组织切割来说是理想的。

56、阵列的非手性性质可以由开口的相对位置任选地结合每个开口的形状来确定。例如，每个开口的相对位置和每个开口的形状可以布置成使得开口阵列可叠加到其自身的镜像上。镜像可以相对于平行于纵轴的反射平面来限定。

57、在一些实施例中，多个开口不设置在超声变幅杆装置中。因此，本公开提出的开口设置在后质量、前质量和超声变幅杆装置中的一个或多个中可选地包括本文公开的进一步特征，就此而言，应当明确地理解，本公开的一种修改为开口仅形成在后质量块和/或前质量块中，而不形成在超声变幅杆装置中。

58、开口的布置可以相对于每个开口的几何中心或质心来限定。几何中心是沿开口边缘的所有点的平均位置。开口(例如几何中心)可以设置在反射对称阵列中，使得对于该阵列的至少一部分，可以存在至少一个平行于纵轴并与其重合的反射对称平面。替代地或附加地，对于阵列的至少一部分或多个部分，可以存在垂直于纵轴的至少一个反射对称平面。

59、开口可以根据重复图案来布置。例如，开口可以基于映射到前质量块和/或后质量块的表面上的二维的规则网格来布置。规则网格可以包括由其网格参数a、b和β定义的单元格，其中a和b是单元格的相应边缘的长度，β是边缘之间的角度。规则网格可以包括其中β为90度和/或a等于b的单元格。规则网格例如正方形网格、矩形网格、三角形网格、六边形网格可能是合适的。

60、或者，开口可以基本上随机地布置，或者从假设的规则重复图案随机偏移。

61、可以存在3个或更多个开口。例如，开口可以形成在前质量块和/或后质量块中，并且可以存在4个或更多个、6个或更多个、8个或更多个、10个或更多个、12个或更多个、16个或更多个、20个或更多个、24个或更多个、30个或更多个、40个或更多个、或者50个或更多个开口。通常存在少于500个开口，但在一些实施例中可能存在更多开口。

62、开口可以沿着纵轴彼此纵向偏移。这种纵向布置可以包括2个或更多个开口。例如，可以存在3个或更多个、4个或更多个、5个或更多个、8个或更多个、9个或更多个、或者10个或更多个彼此纵向偏移的开口。

63、开口可以布置在平行于纵轴的轴向方向上。开口可以形成在前质量块和/或后质量块中，并且对于平行于纵轴且终止于纵轴的平面，其与与该平面相交的最大总数的开口相重合，与该平面相交的开口的最大总数可以是至少2个开口。例如，可以存在至少3个开口、至少5个开口、至少6个开口或至少8个开口与该平面相交。该平面可以与穿过其几何中心的开口重合。

64、替代地或附加地，开口可以沿周向布置。例如，开口可以形成在前质量块和/或后质量块中，并且对于在沿纵轴的位置处垂直于纵轴截取的平面横截面，其与与该平面相交的最大总数的开口相重合，与该平面横截面相交的开口的最大总数可以是至少2个开口。例如，可以存在4个或更多个、6个或更多个、8个或更多个、10个或更多个、或者12个或更多个开口与平面横截面相交。平面横截面可以与穿过其几何中心的开口重合。

65、替代地或附加地，开口可以形成在前质量块和/或后质量块中，并且对于在沿纵轴的位置处垂直于纵轴截取的平面横截面，其与与该平面相交的最大总数的开口相重合，开口可以分别占前质量块或后质量块的圆周的至少10％。例如，开口可以分别占前质量块或后质量块的圆周的至少20％、至少30％、至少40％、至少50％或至少60％。

66、开口可以形成在后质量块、前质量块和超声变幅杆装置中的两个或更多个中。

67、每个开口可以沿着其深度具有基本上均匀的横截面。将开口的深度方向视为平行于开口的壁的方向，深度方向可以基本上垂直于振动能量传递路径(例如，在局部换能器中)。

68、适合的开口横截面形状包括圆形、卵形、椭圆形、球形、三角形、四边形、长方形、正方形、菱形、五边形、六边形、五边形、八边形等。两个或更多个这样的形状的组合可以用于开口。开口可以具有随机生成的形状。开口通常具有封闭的周边。

69、开口可以各自具有相同的尺寸(例如，如果开口具有圆形横截面形状，则具有相同的直径，或者对于其他形状具有其他特征线性尺寸)。开口可以具有相同的横截面积。此外，开口可以具有彼此相同的形状，或者可以选自有限数量的形状(例如，两个、三个或四个)。

70、开口的横截面积可以为例如至少0.01mm2、至少0.05mm2、至少0.1mm2、至少0.2mm2、至少0.4mm2、至少0.6mm2、至少0.8mm2、至少1mm2、至少1.5mm2或至少2mm2。开口的横截面积没有具体的上限，除了需要将合适数量的开口安装到换能器的总体尺寸上以便对相关部件的顺应性产生影响之外。

71、开口可以形成在前质量块和/或后质量块中，并且每个开口可以包括平行于纵轴的反射对称平面。

72、每个开口可包括在平行于纵轴的方向上的纵向长度和在垂直于纵轴的周向方向上的周向宽度。周向宽度可以大于纵向长度。例如，纵向长度的值可以是小于95％、小于90％、小于80％、小于60％、小于50％或小于40％的周向宽度的百分比。

73、开口可具有被垂直于纵轴的横向平面平分的顶角θ。替代地或附加地，开口可具有被平行于纵轴的平面平分的顶角θ。在一些实施例中，对于给定的横截面积，可以基于顶角θ的大小来确定开口的横向(例如周向)和纵向尺寸。

74、开口可以通过任何合适的制造技术形成，例如，机加工、切割(例如激光切割)或蚀刻，或通过净成形或近净成形技术(例如铸造、增材制造等)制造部件。

75、开口可以填充有填充材料。填充材料的杨氏模量可以比形成开口的材料的杨氏模量低(例如低至少5倍、低至少10倍、低至少20倍或低至少50倍)。合适的材料包括环氧树脂材料或其他树脂基材料。

76、前质量块可以包括与超声致动器装置接触的近端部分、连接到超声变幅杆装置的远端部分以及设置在近端部分和远端部分之间的中间部分。开口可以设置在中间部分中。

77、近端部分和中间部分可具有基本相同的外径。例如，近端部分和中间部分可以彼此一体地形成。中间部分和近端部分可具有基本相同的外径。例如，前质量块可以包括基本均匀的横截面。例如，前质量块和/或后质量块可以是具有基本上恒定的直径的圆筒。均匀的横截面和恒定的直径不考虑仅仅由于开口的存在或形成而导致的变化。

78、中间部分的表观弹性模量可以不大于假设的参考中间部分的表观弹性模量的80％；除了不存在开口之外，假设的参考中间部分与中间部分相同。

79、换能器的长度(沿纵轴从后质量块的近端到变幅杆的远端来测量)可以不超过60mm。例如，换能器的长度可以不超过40mm。换能器的最大直径(垂直于长度的方向测量)可以不超过15mm。

80、换能器的操作频率可以是例如至少1khz、至少5khz、至少10khz、至少20khz、或至少30khz或至少40khz。换能器的操作频率可以是例如至多200khz、至多150khz、至多100khz、或至多90khz、至多80khz或至多70khz。例如，合适的操作频率约为55khz。

81、在操作频率下，变幅杆远端处的位移幅度可以在1-200微米峰-峰值范围内。

82、在操作方法中，超声换能器可以在例如10-1000wcm-2范围内的功率下操作。

83、如上所述，开口形成在后质量块、前质量块和超声变幅杆装置中的一个或多个中。这些在这里被称为换能器的振动能量传递路径组件。每个所述部件可以具有整体结构，即由没有异质界面(当然允许晶界)的单片材料形成。因此，对于本发明的实施例装置来说，多个开口在沿着振动能量传递路径的方向上提高机械顺应性的要求旨在与参考装置进行比较，在参考装置中超声换能器在其他方面是相同的，但是其中开口替换为相关部件的材料。本发明实施例装置的换能器的操作频率与参考装置的换能器的操作频率相比，本发明实施例装置的操作频率可以是至少1khz(或至少2khz、或至少3khz、或至少4khz、或至少5khz、或至少6khz、或至少7khz、或至少8khz、或至少9khz、或至少10khz)，与参考装置的操作频率不同(例如小于)。进而，这允许本发明的实施例装置具有比相同操作频率的其他参考装置更小的规格。这意味着在手术期间定位此类换能器以插入体内比将换能器定位在体外并使用细长波导更为现实。反过来，这意味着换能器可以位于手术装置柔性接头的远端，从而更方便地定位换能器。

84、更进一步地，本发明的实施例装置与如上所述的参考装置相比，本发明的实施例装置可以表现出与参考装置相同或更好的一个或多个品质因数。例如，本发明的实施例装置的keff可以与参考装置的keff相同或更好。另外或替代地，本发明的实施例装置的qm可以与参考装置的qm相同或更好。

85、在开发方案b的第二方面，本发明提供了一种包括根据开发方案b的第一方面的超声换能器的手术工具。

86、在开发方案b的第三方面，本发明提供了一种根据开发方案b的第一方面的超声换能器的操作方法，该方法包括将电信号施加到超声致动器装置以产生振动，该振动沿着振动能量传递路径被传导到前质量块和超声变幅杆装置中，并且由超声变幅杆装置放大振幅。

87、在开发方案b的第四方面，本发明提供了一种使用超声刀通过超声切割来切割组织的方法，包括操作如第三方面所述的超声换能器并将振动能量传导至超声刀的方法。

88、本发明包括本文所描述的各方面和可选特征的任何组合，除非这种组合明显不允许或明确避免。