一种超声手术刀刀杆纵向振动频率的校准方法及系统与流程

本发明涉及超声手术刀领域，特别是涉及一种超声手术刀刀杆纵向振动频率的校准方法及系统。

背景技术：

超声手术刀通过高频、大振幅的振动快速切开生物组织，具有无烟操作、切割效率高、微创、副作用小、术后康复快等特点，这对减少患者的痛楚具有重要的意义。超声手术刀已被广泛应用于普通外科、心脏外科、胸腔外科、头颈外科等几乎所有手术领域，大量的医疗实例表明超声手术刀具有重要的应用价值。

在超声手术刀加工制造的过程中，由于材料性能的差异、加工装配误差等原因，会使超声手术刀刀杆的纵向振动频率发生改变，其纵向振动频率会偏离设计值，这样超声手术刀刀杆的纵向振动频率就不能满足设计要求，无法与动力系统的振动频率相匹配，从而使超声手术刀无法在规定的频率下振动，使得超声手术刀切削性能降低甚至不能实现切割止血功能。超声手术刀的材料为医用钛合金，价格昂贵，对于无法满足设计要求的超声手术刀刀杆，若没有精确校准其纵向振动频率的有效方法，就只能报废，这样就会造成制造成本的增加和材料的浪费。因此，探寻有效的超声手术刀刀杆纵向振动频率的精确校准方法具有重要的现实意义和应用价值。

现有的调整超声手术刀刀杆纵向振动频率的方式包括在超声手术刀刀杆的纵向振动波节附近设置频率调整结构，该方式频率调整的方式单一，调整范围有限。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种超声手术刀刀杆纵向振动频率的校准方法及系统，扩大频率调整范围。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种超声手术刀刀杆纵向振动频率的校准方法，包括：

创建待校准超声手术刀刀杆的有限元仿真模型；

对所述有限元仿真模型进行模态分析，得到多阶纵向振动模态；

从所述多阶纵向振动模态选取振动频率与目标频率范围最接近的纵向振动模态作为目标模态；

获取所述有限元仿真模型在所述目标模态下轴向各位置处的径向振动位移；

确定所述径向振动位移的多个波腹位置；

从多个所述波腹位置中选取待校准位置，并改变所述待校准位置处的轴段尺寸直到所述有限元仿真模型的固有频率在所述目标频率范围内；所述轴段尺寸包括轴段长度和轴段直径。

可选的，所述从多个所述波腹位置中选取待校准位置，并改变所述待校准位置处的轴段尺寸直到所述有限元仿真模型的固有频率在所述目标频率范围内，具体包括：

从多个所述波腹位置中初始化待校准位置，并确定所述目标波腹处的待校准轴段的轴段长度以及所述待校准轴段的轴段直径；所述待校准轴段的中心为所述目标波腹位置；

在所述待校准位置处，按照所述轴段长度和所述轴段直径调整所述待校准超声手术刀刀杆，得到校准后的超声手术刀刀杆；

提取所述校准后的超声手术刀刀杆的有限元仿真模型的固有频率；

判断所述固有频率是否在所述目标频率范围内，得到判断结果；

若所述判断结果表示否，则更新所述待校准位置、所述轴段长度和所述轴段直径，返回步骤“在所述待校准位置处，按照所述轴段长度和所述轴段直径调整所述待校准超声手术刀刀杆，得到校准后的超声手术刀刀杆”；

若所述判断结果表示是，则完成校准。

可选的，所述获取所述有限元仿真模型在所述目标模态下轴向各位置处的径向振动位移，具体包括：

沿所述有限元仿真模型的轴向建立一条网格节点路径；

获取所述有限元仿真模型在所述目标模态下各网格节点处的径向振动位移。

可选的，所述创建待校准超声手术刀刀杆的有限元仿真模型，具体包括：

在三维造型软件中建立所述待校准超声手术刀刀杆的三维模型；

将所述三维模型导入有限元仿真软件中得到所述有限元仿真模型。

本发明还公开一种超声手术刀刀杆纵向振动频率的校准系统，包括：

有限元仿真模型创建模块，用于创建待校准超声手术刀刀杆的有限元仿真模型；

模态分析模块，用于对所述有限元仿真模型进行模态分析，得到多阶纵向振动模态；

模态选取模块，用于从所述多阶纵向振动模态选取振动频率与目标频率范围最接近的纵向振动模态作为目标模态；

径向振动位移获取模块，用于获取所述有限元仿真模型在所述目标模态下轴向各位置处的径向振动位移；

波腹位置确定模块，用于确定所述径向振动位移的多个波腹位置；

校准模块，用于从多个所述波腹位置中选取待校准位置，并改变所述待校准位置处的轴段尺寸直到所述有限元仿真模型的固有频率在所述目标频率范围内；所述轴段尺寸包括轴段长度和轴段直径。

可选的，所述校准模块包括：

参数确定单元，用于从多个所述波腹位置中初始化待校准位置，并确定所述目标波腹处的待校准轴段的轴段长度以及所述待校准轴段的轴段直径；所述待校准轴段的中心为所述目标波腹位置；；

尺寸调整单元，用于在所述待校准位置处，按照所述轴段长度和所述轴段直径调整所述待校准超声手术刀刀杆，得到校准后的超声手术刀刀杆；

固有频率提取单元，用于提取所述校准后的超声手术刀刀杆的有限元仿真模型的固有频率；

判断单元，用于判断所述固有频率是否在所述目标频率范围内，得到判断结果；

更新返回单元，用于若所述判断结果表示否，则更新所述待校准位置、所述轴段长度和所述轴段直径，返回步骤“在所述待校准位置处，按照所述轴段长度和所述轴段直径调整所述待校准超声手术刀刀杆，得到校准后的超声手术刀刀杆”；

完成终止单元，用于若所述判断结果表示是，则完成校准。

可选的，所述径向振动位移获取模块包括：

网格节点路径建立单元，用于沿所述有限元仿真模型的轴向建立一条网格节点路径；

各节点径向位移获取单元，用于获取所述有限元仿真模型在所述目标模态下各网格节点处的径向振动位移。

可选的，所述有限元仿真模型创建模块包括：

三维模型建立单元，用于在三维造型软件中建立所述待校准超声手术刀刀杆的三维模型；

导入单元，用于将所述三维模型导入有限元仿真软件中得到所述有限元仿真模型。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所公开的超声手术刀刀杆纵向振动频率的校准方法及系统，通过从波腹位置中选取待校准位置，并通过改变待校准位置处的轴段直径和轴段直径的轴向长度实现对纵向振动频率的校准，从而实现了待校准位置、轴段直径和轴段长度三个参数的调整，使频率调整方式多样化，扩大了频率调整范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1超声手术刀刀杆纵向振动频率的校准方法的方法流程图；

图2为本发明实施例2的细长杆模型图；

图3为本发明实施例2细长杆轴向各位置的径向振动位移曲线图；

图4为本发明实施例2细长杆各轴段的位置和长度调整曲线图；

图5为本发明实施例2细长杆的轴段直径的调整示意图；

图6为本发明实施例2轴段直径对纵向振动频率的影响曲线图；

图7为本发明改变待校准位置的数量后的细长杆的结构图；

图8为本发明实施例2待校准位置的数量对纵向振动频率的影响曲线图；

图9为本发明实施例2细长杆的轴段长度的调整示意图；

图10为本发明实施例2轴段长度对纵向振动频率的影响曲线图；

图11为本发明实施例3超声手术刀刀杆纵向振动频率的校准系统的系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提出了一种超声手术刀刀杆纵向振动频率的校准方法及系统，通过改变波腹处的轴段直径、轴段长度和待校准位置的数量来校准超声手术刀刀杆纵向振动频率，从而使调整的频率范围大、调整精度高、便于操作。本发明综合运用上述的三个调整变量(轴段直径、轴段长度和待校准位置的数量)来精确的校准超声手术刀的纵向振动频率，从而使超声手术刀刀杆的纵向振动频率达到设计标准，满足使用要求。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

图1为本发明实施例1超声手术刀刀杆纵向振动频率的校准方法的方法流程图。

一种超声手术刀刀杆纵向振动频率的校准方法，包括：

步骤101：创建待校准超声手术刀刀杆的有限元仿真模型。该步骤101具体为：

在三维造型软件中建立所述待校准超声手术刀刀杆的三维模型；

将所述三维模型导入有限元仿真软件中得到所述有限元仿真模型。

步骤102：对所述有限元仿真模型进行模态分析，得到多阶纵向振动模态。

对待校准超声手术刀刀杆的有限元仿真模型进行固有频率的提取，获得超声手术刀刀杆的模态振型和固有频率。根据有限元仿真结果获得待校准超声手术刀刀杆的多阶纵向振动模态。

步骤103：从所述多阶纵向振动模态选取振动频率与目标频率范围最接近的纵向振动模态作为目标模态；

步骤104：获取所述有限元仿真模型在所述目标模态下轴向各位置处的径向振动位移；

步骤105：确定所述径向振动位移的多个波腹位置；

步骤106：从多个所述波腹位置中选取待校准位置，并改变所述待校准位置处的轴段尺寸直到所述有限元仿真模型的固有频率在所述目标频率范围内；所述轴段尺寸包括轴段长度和轴段直径。

该步骤106具体包括：

从多个所述波腹位置中初始化待校准位置，并确定所述目标波腹处的待校准轴段的轴段长度以及所述待校准轴段的轴段直径；所述待校准轴段的中心为所述目标波腹位置；

在所述待校准位置处，按照所述轴段长度和所述轴段直径调整所述待校准超声手术刀刀杆，得到校准后的超声手术刀刀杆；

提取所述校准后的超声手术刀刀杆的有限元仿真模型的固有频率；

判断所述固有频率是否在所述目标频率范围内，得到判断结果；

若所述判断结果表示否，则更新所述待校准位置、所述轴段长度和所述轴段直径，返回步骤“在所述待校准位置处，按照所述轴段长度和所述轴段直径调整所述待校准超声手术刀刀杆，得到校准后的超声手术刀刀杆”；

若所述判断结果表示是，则完成校准。

步骤104包括：

沿所述有限元仿真模型的轴向建立一条网格节点路径；

获取所述有限元仿真模型在所述目标模态下各网格节点处的径向振动位移。

实施例2：

该实施例2以细长杆作为超声手术刀刀杆对实施例1进行具体说明。

该细长杆的材料为医用钛合金tc4，其材料参数为密度ρ＝4500kg/m³，杨氏模量e＝1.1×10¹¹pa，泊松比μ＝0.3。当然由于材料的性能差异，tc4的材料参数会有所变化，本实施例采用以上的材料参数来说明本发明所阐述的方法。

图2为本发明实施例2的细长杆模型图。

参见图2，按照1/2波长原理理论确定纵向振动频率为55.5khz，长度为178mm，直径为3mm的等截面细长杆模型。以细长杆的一端作为坐标原点，轴向设定为x轴，建立坐标系。

建立有限元仿真模型进行模态分析，获得细长杆在目标频率范围附近的纵向振动模态。沿细长杆的轴向建立一条网格节点路径，提取细长杆在该模态下的各网格节点的径向振动位移，确定径向振动位移波腹位置。

图3为本发明实施例2细长杆轴向各位置的径向振动位移曲线图。

参见图3，根据仿真结果，可以看出细长杆在l1＝23.5mm(波腹位置对应的横坐标)、l2＝67.7mm、l3＝112mm、l4＝157mm处是径向振动位移的波腹位置。

在细长杆径向振动位移的波腹位置改变细长杆的直径尺寸，即在l1、l2、l3和l4处改变直径尺寸。本例以波腹位移的0.7倍所对应的长度为改变直径的轴段长度。即各轴段长度为l1＝24.78mm、l2＝22.17mm、l3＝24.78mm、l4＝21.32mm。

图4为本发明实施例2细长杆各轴段的位置和长度调整曲线图。

参见图4，该调整方式具体为：以l1＝23.5mm处的位置为中心，向两端扩展长度为l1＝24.78mm的轴段；以l2＝67.7mm处的位置为中心，向两端扩展长度为l2＝22.17mm的轴段；以l3＝67.7mm处的位置为中心，向两端扩展长度为l3＝24.78mm的轴段；以l4＝67.7mm处的位置为中心，向两端扩展长度为l4＝21.32mm的轴段。

改变各个轴段长度范围内的直径大小，每次的改变量视情况而定。比如轴段直径的变化量为0.1mm、，即轴段直径每次增大或减少0.1mm，本实施例以每次减小0.1mm为例。另外，也可以更改待校准位置的数量，即对轴段数量进行调整，如只改变l1处的轴段直径大小或同时改变l1、l2两处位置的轴段直径大小或同时l1、l2、l3、l4四处位置的轴段直径大小，具体变动位置的数量应根据需要调整的频率范围作相应的变动。

关于具体的待校准位置的数量、轴段直径和轴段的轴向长度的变动，下面给出两个具体的例子进行说明。

轴段直径对纵向振动频率的影响例：

根据细长杆轴向各位置的径向振动位移情况，确定细长杆轴段直径变动的位置，在l1＝23.5mm处改变细长杆的径向尺寸。改变的轴段长度为l1＝24.78mm。

图5为本发明实施例2细长杆的轴段直径的调整示意图。

参见图5，在位置l1＝23.5mm处，长度l1＝24.78mm的范围内，刀杆的直径依次减小0.1mm。即d1＝2.9mm、d2＝2.8mm、d3＝2.7mm、d4＝2.6mm、d5＝2.5mm。

对校准后的细长杆的有限元仿真模型进行分析，计算细长杆纵向振动频率的变化情况。

图6为本发明实施例2轴段直径对纵向振动频率的影响曲线图。

待校准位置的数量对纵向振动频率的影响例：

改变l1位置、改变l1、l2两处位置、改变l1、l2、l3三处位置、改变l1、l2、l3、l4四处位置为例说明轴段数量对细长杆纵向振动频率的影响。

图7为本发明改变待校准位置的数量后的细长杆的结构图。

在图7中，该细长杆的直径为d1＝2.9mm。

图8为本发明实施例2待校准位置的数量对纵向振动频率的影响曲线图。

轴段长度对纵向振动频率的影响例：

以波腹振动位移的0.95、0.9、0.85、0.8、0.75、0.7倍所对应的长度为轴段长度，其所对应的轴段长度分别为：s1＝11.09mm、s2＝13.23mm、s3＝17.51mm、s4＝21.4mm、s5＝21.77mm、s6＝24.8mm。

图9为本发明实施例2细长杆的轴段长度的调整示意图。在该图9中，轴段的直径均为d1＝2.9mm。

图10为本发明实施例2轴段长度对纵向振动频率的影响曲线图。

本发明实施例以等截面细长杆作为超声手术刀刀杆，详细说明了超声手术刀刀杆纵向振动频率的校准方法，这种校准方法和校准过程完全可以应用到实际超声手术刀刀杆纵向振动频率的精确校准上。

通过有限元仿真模型计算得到细长杆在目标频率范围附近的纵向振动模态，确定细长杆径向振动位移的波腹位置，改变这些波腹位置的轴段直径、轴段长度和轴段数量(待校准位置的数量)就可以达到调整细长杆纵向振动频率的目的。

通过该实施例中的图6和图8可以看出，轴段直径以及待校准位置的数量和纵向频率之间有很好的线性关系，并且轴段直径和待校准位置的数量之间有多种组合方式，故该方法可以精确控制超声手术刀的纵向振动频率。另外，从图10中可以看出，当轴段长度达到波腹位移的0.7倍所对应的长度时，轴段长度对细杆纵向振动频率的影响就很小了，故轴段长度的选取应小于波腹位移的0.7倍所对应的长度。综上，通过灵活的调整轴段直径、待校准位置的数量、轴段长度及这三个调整变量的组合方式，该方法可以精准调控超声手术刀的纵向振动频率，从而使超声手术刀的纵向振动频率满足设计要求，使超声手术刀的振动特性更优。

实施例3：

图11为本发明实施例3超声手术刀刀杆纵向振动频率的校准系统的系统结构图。

参见图11，该超声手术刀刀杆纵向振动频率的校准系统，包括：

有限元仿真模型创建模块301，用于创建待校准超声手术刀刀杆的有限元仿真模型；

模态分析模块302，用于对所述有限元仿真模型进行模态分析，得到多阶纵向振动模态；

模态选取模块303，用于从所述多阶纵向振动模态选取振动频率与目标频率范围最接近的纵向振动模态作为目标模态；

径向振动位移获取模块304，用于获取所述有限元仿真模型在所述目标模态下轴向各位置处的径向振动位移；

波腹位置确定模块305，用于确定所述径向振动位移的多个波腹位置；

校准模块306，用于从多个所述波腹位置中选取待校准位置，并改变所述待校准位置处的轴段尺寸直到所述有限元仿真模型的固有频率在所述目标频率范围内；所述轴段尺寸包括轴段长度和轴段直径。

所述校准模块306包括：

参数确定单元，用于从多个所述波腹位置中初始化待校准位置，并确定所述目标波腹处的待校准轴段的轴段长度以及所述待校准轴段的轴段直径；所述待校准轴段的中心为所述目标波腹位置；；

尺寸调整单元，用于在所述待校准位置处，按照所述轴段长度和所述轴段直径调整所述待校准超声手术刀刀杆，得到校准后的超声手术刀刀杆；

固有频率提取单元，用于提取所述校准后的超声手术刀刀杆的有限元仿真模型的固有频率；

判断单元，用于判断所述固有频率是否在所述目标频率范围内，得到判断结果；

更新返回单元，用于若所述判断结果表示否，则更新所述待校准位置、所述轴段长度和所述轴段直径，返回步骤“在所述待校准位置处，按照所述轴段长度和所述轴段直径调整所述待校准超声手术刀刀杆，得到校准后的超声手术刀刀杆”；

完成终止单元，用于若所述判断结果表示是，则完成校准。

所述径向振动位移获取模块304包括：

网格节点路径建立单元，用于沿所述有限元仿真模型的轴向建立一条网格节点路径；

各节点径向位移获取单元，用于获取所述有限元仿真模型在所述目标模态下各网格节点处的径向振动位移。

所述有限元仿真模型创建模块301包括：

三维模型建立单元，用于在三维造型软件中建立所述待校准超声手术刀刀杆的三维模型；

导入单元，用于将所述三维模型导入有限元仿真软件中得到所述有限元仿真模型。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所公开的超声手术刀刀杆纵向振动频率的校准方法及系统，通过从波腹位置中选取待校准位置，并通过改变待校准位置处的轴段直径和轴段直径的轴向长度实现对纵向振动频率的校准，从而实现了待校准位置、轴段直径和轴段长度三个参数的调整，使频率调整方式多样化，扩大了频率调整范围。

对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。