超声波换能器系统的制作方法

专利名称：超声波换能器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及适于通过利用超声波振动刀片或外科手术工具的其它末端执行器 (end-effector)切割组织的外科手术工具。更特别地但非专门地，涉及产生用于这种工具 的超声波振动的换能器系统。
背景技术：
在过去几十年里，人们对用于软组织解剖、切割和结合(welding)的超声波致动 的刀片和剪刀投入极大的关注。已知通过超声波振动的刀具或手术刀切割组织。当手术刀切割组织时，其效果由 切割力来表现。这源于分离结构的压力和刀片在切割部段之间拔出的摩擦阻力。振动刀片 可减少摩擦力并且也可降低组织的粘合强度。通过以纵向模式或扭振模式对切割刀片施加 振动可实现这两个目标。 美国专利US3636943和3862630教导了各个血管和健康血管组织的止血切割。在 ‘943和‘630专利中，通过工具部件传递机械振动形式的超声波能量从而通过在其端部形 成密封来封闭例如人身上细细切割的血管，并且阻止了所谓的“渗出”，其需要在手术期间 不断地擦拭或清洗技术。这种工具部件可为超声波振动的刀具，在进行外科步骤时同时切 割和封闭切割血管的各个端部。适宜构造的工具部件也可将各个组织层包括未切割血管的 壁接合在一起，并且预见后者将取代当前手术中必要的动脉和静脉的“试图关闭”。因此，这 些专利利用纵向模式系统致动刀片，其具有粗糙表面从而提高血管组织切割期间的摩擦能 量转换。此外，美国专利US5322055和6283981公开了带有额外铰接被动元件的振荡系统， 所述元件被构造为将目标组织挤压在通电刀片上从而提高刀片上组织的摩擦阻力并且由 此提高在切割过程期间确保凝结所必需的加热效果。‘055专利涉及包括外科器械的超声波外科仪器，所述器械具有带有将电子信号转 化为连接于机头的刀片的纵向振动的换能器以及可释放地连接于机头以使组织固定在振 动刀片上从而提供更好的组织凝结和切割的附件。剪刀状的把手沿超声波振动刀片的一侧 致动转动夹头从而以垂直于纵向振动的方向将组织挤压和偏压在刀片上。该夹头和刀片相 对彼此可旋转，从而将多边刀片的选定刀锋与用于切割和凝结的夹头对齐同时夹紧选定的 刀锋或不夹紧而是将选定的刀锋与用于切割和凝结的夹头周向地隔开。‘981专利涉及一种设计包括超声波传播杆和连接于超声波传播杆远端的不对称 超声波致动刀片的平衡超声波外科器械的方法。该超声波致动刀片包括处理部。该处理部 具有功能性特征例如使得处理部不对称的曲形刀片。在这种方法中，包括至少一个第一不 对称平衡特征的平衡部被设计和设置在超声波致动刀片与超声波传播杆之间从而抵消处 理部产生的任何不适宜的力矩。上述所有系统都使用摩擦生热这个相同的原理，涉及摩擦界面处的循环向量反 转，以确保组织分离的同时形成凝结。在这些系统中，按照切割刀片的纵向激励描述了摩擦生热原理。但是，纯纵向激励并非将振动能量传递至软组织的最有效方式。此外，在美国专利US6425906和英国专利GB2371492中，注意到Young and Young首先公开了特定选择的不同振动模式的使用，运用直接压缩波传播进入目标组织，以其独 特的能力产生空化作用作为能量消耗的主要形式。特别地，这种专利是最先公开使用扭振 激励将振动能量传至软组织的系统和方法的。例如，‘906专利涉及用于切割和/或凝结组织的外科手术工具，包括压电驱动器 以产生包括扭振模式振动的超声波能量。该‘906专利还涉及远端扭振模式末端执行器，其 产生进入被铰接夹头元件捕获抵靠在活化波导上的目标组织内的聚焦能量传播。在GB2333709专利中，公开了涉及最低侵略性普通外科手术的多波长扭振模式波 导的使用。在‘709专利中，能量转换的机构被描述为特别地涉及剪切模式扭振系统和常规 压缩波纵向等价物。该‘709专利还公开了具有大于用于剪切模式传播的半波长7或8倍 长度的波导的激励产生流出物，其比那些在类似压缩波系统中经历的大很多。因此，已知使用扭振激励来将振动能量传递至软组织，仍然需要制造有效地利用 扭振模式激励的其它外科手术工具。

发明内容
因此本发明的目的在于提供一种可避免上述问题的运用扭振模式超声波振动的 外科手术工具，特别是能够更加可控地和有效地应用扭振模式振动的优点。根据本发明的一个方面，提供了一种适于产生超声波振动的换能器叠层，包括在 邻近于叠层第一末端的背板装置与邻近于远离其第一末端的第二末端的间隔元件装置之 间以交替顺序被固定在一起的多个片状压电元件和多个片状电极装置，该叠层通过所述第 二末端被安装于或可安装于超声波振动工具装置。优选地，该换能器叠层包括从背板装置延伸出的、穿过每个所述压电元件和每个 所述电极装置的细长轴装置，所述间隔元件装置在邻近于其远端处被如此安装于轴装置上 以使压电元件和电极装置在间隔元件装置与背板装置之间保持压紧。换能器叠层可被安装或可安装于工具装置以使间隔元件装置的各个表面与工具 装置的相应表面直接接触。所述轴装置可基本沿叠层轴向延伸。优选地，所述轴装置配备有螺纹装置。所述间隔元件能接合于所述螺纹装置。所述背板装置包括能接合于所述轴装置的螺纹装置的第二螺纹元件。所述换能器叠层通过所述轴装置的远端、可选地通过其螺纹装置安装于或可安装 于超声波振动工具装置。所述压电元件均可包括轴向极化的PZT陶瓷材料环体。所述电极装置均可包括可选地镀金或镀银的金属环体，优选黄铜环体。优选地，所述换能器叠层可选择地可操作为产生多种超声波频率振动模式。优选地，所述换能器叠层可操作为在至少两个基本垂直的平面内产生弯曲振动模 式。优选地，通过选择性地调节间隔元件装置的长度、质量和/或纵向布局可调谐所述换能器叠层的振动模式。额外地或 优选地，通过选择性地调节背板装置的长度、质量和/或纵向布局，可选 为其第二螺纹元件的长度、质量和/或纵向布局，可调谐所述换能器叠层的振动模式。优选地，所述间隔元件装置、可选地为背板装置的第二螺纹元件被可选择地可置 换为具有不同尺寸和/或质量的对应元件。所述第二螺纹元件可被如此置换同时换能器叠层被保持压紧在背板装置与间隔 元件装置之间。所述第二螺纹元件可被如此置换同时换能器叠层仍然安装于工具装置。根据本发明的第二方面，提供了一种可超声振动工具装置，包括具有从其延伸出 的细长波导装置的超声变幅器装置并且包括安装于与波导装置的纵轴偏心的变幅器装置 的换能器叠层装置，其中换能器叠层装置包括上述第一方面所述的换能器叠层。所述波导装置位于远离带有末端执行器装置的变幅器装置的末端处。所述可超声振动工具装置包括外科手术工具，可选地为适用于腹腔外科手术方法 中的外科手术工具。根据本发明的第三方面，提供了一种可超声振动工具装置，包括具有从其延伸出 的细长波导装置的超声变幅器装置并且包括安装于与波导装置的纵轴偏心的变幅器装置 的单个换能器叠层装置，其中换能器叠层装置被如此操作从而可选择地在变幅器装置和波 导装置中产生具有可选振动模式的超声波振动。优选地，所述可选振动模式包括扭振模式超声波振动和纵向模式超声波振动。优选地，所述换能器叠层装置包括上述第一方面所述的换能器叠层。所述波导装置可位于远离带有末端执行器装置的变幅器装置的末端处。所述可超声振动工具装置可包括外科手术工具，可选地为适用于腹腔外科手术方 法中的外科手术工具。所述换能器叠层装置可操作为在基本平行于波导装置的平面内以弯曲模式振动， 从而在变幅器装置和波导装置中产生纵向模式振动。所述换能器叠层装置可操作为在基本垂直于波导装置的平面内以弯曲模式振动， 从而在变幅器装置和波导装置中产生扭振模式振动。所述换能器叠层装置优选地可调谐为在变幅器装置和波导装置中产生具有期望 振动频率的所选振动模式。所述换能器叠层装置可调谐为在波导装置中产生具有预选波长的共振扭振模式 振动。所述波导装置接着配备有位于所述共振扭振模式振动的节面处的径向凸起的隔 环。所述换能器叠层装置可调谐为在波导装置中产生共振纵向模式振动，其具有的节 面与所述共振扭振模式振动的节面重合并且与所述隔环重合。所述隔环适于支撑与其振动隔离的围绕波导装置的护罩装置。在优选实施例中，所述变幅器装置配备有两个或多个运动传感器装置，第一个所 述传感器装置被设置为邻近于波导装置限定的纵轴并且第二个所述传感器装置邻近于远 离所述轴的变幅器装置的周缘。
所述运动传感器被如此调适从而在工具装置的扭振模式振动下来自周缘第二传 感器装置的信号与来自轴向第一传感器装置的信号具有相位差，同时在纵向模式振动下来 自每个所述传感器装置的信号是同相的。所述工具装置接着配备有适于基于所述信号的差异来区别扭振模式和纵向模式 振动的控制电路装置。所述控制电路装置将施加于换能器叠层装置的电压、电流和/或功率与来自第一 和第二传感器的信号之间的相位差进行比较，二者的最大值基本一致时表示扭振模式共 振。所述传感器装置并且可选地所述控制电路装置可应用于其它可超声振动工具装置。 根据本发明的第四方面，提供了 一种制造适于产生超声波振动和可安装于可超声 振动工具装置的换能器叠层的方法，包括以下步骤提供多个片状压电元件、多个片状电极 装置、背板装置和间隔元件装置的步骤，并且在所述背板装置与所述间隔元件装置之间以 交替顺序将所述压电元件和电极装置固定在一起的步骤。优选地，所述方法包括如下步骤提供从所述背板装置延伸出的细长轴装置，提供 环形的所述压电元件和环形的所述电极装置，将所述压电元件和电极装置交替地设置在轴 装置周围，并且将间隔元件装置如此安装于轴装置以使压电元件和电极装置被压紧保持在 背板装置与间隔元件装置之间。优选地，所述轴装置配备有螺纹装置，并且间隔元件装置能与其接合。所述背板装置包括能接合于轴装置的螺纹装置的第二螺纹元件装置。所述方法可包括提供所述轴装置的远端将换能器叠层安装于工具装置的步骤。优选地，所述方法包括通过调节间隔元件装置的长度和/或质量如从其削去材料 薄层来调谐换能器叠层以产生期望频率的振动的步骤。额外地或优选地，所述方法可包括通过调节背板装置的长度和/或质量如从其削 去材料薄层来调谐换能器叠层以产生期望频率的振动的步骤。所述方法接着包括调节背板装置的第二螺纹元件的长度和/或质量。所述方法包括卸除第二螺纹元件从而调节其长度和/或质量，并且再连接上它。可选地，所述方法可包括调节第二螺纹元件的长度和/或质量而不首先卸除它。在本发明公开内容的一个实施例中，提供了包括具有第一直径的变幅器的换能 器；具有第三直径并且包括多个环的换能器叠层；以及被设置为邻近于换能器叠层的背 板；其中螺纹元件被设置在变幅器与换能器叠层之间从而能够选择性地进行换能器的扭振 调谐调节。在本发明公开内容的另一实施例中，提供了一种调谐换能器的方法，包括将螺纹 元件设置在变幅器与换能器叠层之间；并且选择性地基于螺纹元件的定位对换能器进行扭 振调谐调节；其中变幅器具有第一直径，螺纹元件具有第二直径，换能器叠层具有第三直 径，其包括多个环且被设置为邻近于背板。在本发明公开内容的另一实施例中，提供了一种制造换能器的方法，包括将螺纹 元件设置在变幅器与换能器叠层之间；并且选择性地基于螺纹元件的定位对换能器进行扭 振调谐调节；其中变幅器具有第一直径，螺纹元件具有第二直径，换能器叠层具有第三直径，其包括多个环且被设置为邻近于背板。


现在通过示例参照附图更特定地描述本发明的实施例，其中图IA为体现本发明的、具有便于与变幅器频率匹配的扩展叠层的扭振模式换能 器的示意图；图IB为体现本发明的、具有扩展叠层的扭振模式换能器的示意图，其中扩展叠层 带有位于锥形孔内的螺纹套筒(threaded spigot)；图IC为示出换能器的临界尺寸的扭振模式换能器的示意图，其中换能器带有主 部件从其加工的外接圆柱；图2为体现本发明的扭振模式换能器的轴向示意图；图3为体现本发明的、弯曲叠层位移与扭振变幅器位移之间几何关系的示意图；图4为体现本发明的、连接于波导的扭振模式换能器的示意图，示出了位移幅度 分布；图4A为体现本发明的、图4中扭振模式换能器的末端执行器的细节示意图；图5为体现本发明的、连接于波导的纵向模式换能器的示意图，示出了位移幅度 分布；图6为体现本发明的、处于扭振模式波导构型中的曲形末端执行器的轴向示意 图；图7为体现本发明的、图6中扭振模式波导构型中的曲形末端执行器的轴测示意 图；图8A为体现本发明的、扭振模式波导构型中的焊机末端执行器的轴测示意图；图8B为体现本发明的另一末端执行器的远端的前视图；图9为体现本发明的、扭振模式波导构型的波导、护罩和铰接夹头的示意图；图10AU0B和IOC为体现本发明的图9的夹头构型的示意图；图11为体现本发明的、用于扭振模式超声波发生器的控制和电源电路的第一实 施例的方框图；图12为体现本发明的、用于扭振模式超声波发生器的控制和电源电路的第二实 施例的方框图；图13为根据本发明公开内容的带有扩展叠层的扭振模式换能器的另一实施例， 其中扩展叠层带有两个螺纹套筒，一个位于螺纹轴近端处，另一个位于螺纹轴远端处。
具体实施例方式现在参照附图详述根据本发明公开内容通过使用扭振模式激励用于切割组织的 系统和方法。尽管容易对本发明公开的实施例进行各种改进和可选构造，附图中已经示出了某 些实施例并且下面将详述。但是应当了解，并非意图用公开的特定形式限制本发明的公开 内容，相反，实施例意图涵盖所有改进、可选构造和等价物，都在权利要求限定的本发明公 开内容的精神和范围内。
通过下面结合形成公开内容一部分的附图对公开内容的详述将更容易理解本发 明的公开内容。要了解，此处的公开内容并非对此处描述和/或示出的特定设备、方法、条 件或参数的限定，并且此处使用的术语是为了仅通过示例描述特定实施例，而非对所称主 题名称的限定。本发明提出利用扭振超声来有效地将振动能量传至软组织。不像其它超声波工 具，示例性实施例的外科手术工具将强大的压缩能量导入目标组织，实现可靠的血凝结和 快速切割。远离这些压缩沟槽仅存在相对较少的有效摩擦能量。通过精细抛光工艺进一步 最小化了该能量，所述工艺降低了把多余的能量传至要害结构中的危险并且显著地减少了 低增益的疲劳致损的可能性。示例性实施例的外科手术工具将压缩能量导入目标组织。能 量传递的很快，使组织蛋白变性并迅速形成血凝结。同时当外科手术工具的夹头闭合时中 心刀片切穿组织。结果就是快速和有效的止血切割。本发明的公开内容还提出了强调扭振模式系统胜于常规纵向扩展设备的主要优 点。本发明的公开内容还指出引入特定开流(opening issues)的扭振解剖系统的特征。例如，扭振模式传输跟纵向模式传输相比具有若干优点。这些优点包括但不局限 于以下在横波传输(shear wave transmission)中与横截面变化相关的运动增益大于在 等效的压缩波传输中与横截面变化相关的运动增益。扭振模式聚能器(concentrators)的 分析揭示了取决于与沿变换元件的截面变化有关的惯性力矩的增量。相反，压缩波传输与 随着截面积变化的线性力改变有关。这种考虑导致用于纵向模式分级变换器的运动增益公 式被限定为输入与输出截面之间直径比的平方，并且用于横波等效物的公式被限定为该直 径比的立方。该特征与横波系统相对于压缩波等效物(compression wave equivalents) 的增大的Q和阻抗变换率是一致的。因此，调至共振就需要更精密的发生器电路和能够辨 别各个严格限定的共振特征的调谐算法。纵向模式与扭振模式系统之间的另一区别特征涉及换能器设计。换能器设计针 对特定的模式。经典的朗之万夹心换能器通常用于在纵向模式系统中产生和维持压缩波。 相反，切向地连接于换能器叠层的模式转换变幅器被构造为从变幅器的窄端产生扭振输 出。换能器叠层以选定的弯曲模式被驱动从而在变幅器内产生扭振模式。可选的弯曲叠层 导致来自模式转换器的基本纵向输出。因此，在任何情形下纯扭振模式或纵向模式取决于 连接在变幅器输出处的波导的设计。运行频率通常导致波导扫描若干个波长的谐波模式 (overtone modes)。变幅器与换能器叠层之间的关系导致振荡系统易于使得变幅器和波导 组件中发生的横模(transverse modes)复杂化。需要谨慎和精确地控制驱动频率从而通 过发生器频率/模式控制电路来激发正确模式和锁定正确模式。下面模式的示例性实施例 示出了如何控制驱动频率以微调共振特征以及如何激发用于外科手术工具的优选模式。下面将参照附图描述实施例。附图仅为示例而非对本发明公开内容范围的限定。参照图1A，呈现根据本发明公开内容的具有便于频率与变幅器匹配的扩展叠层的 扭振模式换能器的示意图。图IA的扭振模式换能器10包括变幅器12、螺纹元件14、陶瓷环16、电极18、背板 20、第一传感器22和第二传感器M。背板20的长度X被指定为沈，并且螺纹元件14的长 度Y被指定为观。在本发明公开内容的示例性实施例中，换能器10能够产生纵向振动或纯扭振波。换能器10包括换能器叠层，其具有被镀银或镀金的黄铜电极(brass electrodes) 18分隔 开的多个轴向极化的PZT陶瓷环16并且通过带套筒背板20连接于换能器10的切面，带套 筒背板20具有位于锥形孔34内的螺纹套筒32(如图IB所示)。此外，图IA示出至少两个压电传感器，位于变幅器12上的第一传感器22和第二 传感器M。传感器22和M被如此设置以使它们选择性地响应于扭振和纵向变幅器模式。 在前者中，来自每个压电传感器22、24的波形将根据扭振位移变化产生相移，从处于最小 值的变幅器传感器移至处于最大值的周缘。在存在纵向模式的情形下，两个传感器都经历 变幅器端面的相同扩展位移，从所述压电传感器产生同相(in-phase)输出。下面将进一步 参照图11描述传感器22、24的特定操作。此外，螺纹元件14可被指定为任何长度观。螺纹元件14的长度观可基于多个因 素变化，例如但不局限于变幅器12的材料和换能器10的一个或多个部件(如变幅器12，叠 层组件和/或波导56)的自然共振频率。螺纹元件14可根据期望的应用在数毫米至20mm 之间变化。螺纹元件14的长度观影响变幅器12的输出。换句话说，通过改变螺纹元件14 的长度观，本领域技术人员可制作期望的振动或波(如扭振波，纯扭振波，纵波，弯曲模式 波或这些波的组合)。此外，背板20的长度沈可根据期望的应用在数毫米至20mm之间变 化并且还可影响由变幅器12产生的波的类型。优选地，螺纹元件14的长度观越小，期望 激励或模式实现得越好。例如，螺纹元件14的长度观可在2-10mm的范围内。再者，螺纹元件14的插入使得能够实现纯扭振模式最优化为变幅器12的输出并 且实现将外科手术工具/设备微调为使用者所需规格的精确方法。此外，螺纹元件14可在 换能器10组装之前或之后(随后)被调节为外部设备(例如诸如下面参照图4和5模式 的波导56)。此外，螺纹元件14可具有多种不同的统一或不统一的形状。附图中的圆柱形 仅为示例性的。因此，根据图1A，驱动频率可被控制为微调共振特征并且通过在换能器10的变幅 器12与换能器叠层之间添加螺纹元件14来激发用于外科手术工具的期望模式。此外，图 IA限定了用于改变叠层组件特性的装置，叠层组件特性又限定了变幅器12的模态性能。通 过在叠层组件的每个末端处提供或实现该调谐装置来增强优化来自换能器10的扭振输出 的能力。参照图1B，呈现根据本发明公开内容的具有扩展叠层的扭振模式换能器的示意 图，其中叠层带有位于锥形孔内的螺纹套筒。扭振模式换能器11基本类似于扭振模式换能器10，因此此处仅在需要区别构造 和/或使用差异的程度上讨论。图IB的扭振模式换能器11包括变幅器12、螺纹元件14、 陶瓷环16、电极18、背板20、第一传感器22和第二传感器24。此外，换能器11包括位于锥 形孔34内的螺纹套筒32。如图IA所示，换能器叠层/组件包括插入换能器叠层与变幅器12之间的螺纹元 件14。如图IB所示，为利于螺纹元件14连接于变幅器12，将套筒32延长以配合螺纹元件 14的连接。该特征使得能够通过在连接于变幅器12之前通过调节换能器叠层的整体长度 来调谐包括螺纹元件14的完整叠层的共振性能。螺纹元件14的截面可朝其远端平行或渐 窄。优选变幅器12为锥形变幅器。参照图1C，呈现了示出换能器的临界尺寸的扭振模式换能器的示意图，其中换能器带有主部件从其加工的外接圆柱。扭振模式换能器13包括位于背板20与柱面31之间的叠层组件21。该叠层组件 21通过安装于一个切面上的邻接部件37与柱面31相接，所述切面通过加工图IC的外接柱 面31的阴影区域形成。图IC和图2(如下所述)示出尺寸界定的换能器13、15。图IC限 定了外接表面31，外接表面31设定了叠层组件21的切向安装平面。叠层组件21经过角度 θ (图3中称为44)的弯曲旋转产生了围绕变幅器轴0的力矩，因而驱动变幅器12进入扭 振模式。参照图2，呈现了扭振模式换能器的轴向示意图。扭振模式换能器15包括用于波导连接的螺孔34。此外，换能器15包括指数曲线 型变细表面(exponential tapering surface) 36、圆柱形极端38、邻近于变幅器12的圆柱 形隔离法兰33、阴影区域35和邻接部件37。变幅器12加工有指数曲线型变细表面36并且被圆柱形隔离法兰33所中断，其中 指数曲线型变细表面36被切向地切割为外切柱面31 (参见图1C)。此外，叠层组件21 (参 见图1C)位于变幅器12附近，这样其圆柱体极端38与变幅器12的切面的外极端重合并且 与阴影区域35所示的内极端重叠。参照图3，呈现根据本发明公开内容的弯曲叠层位移与扭振变幅器位移之间几何 关系的示意图；图3的几何关系40示出叠层位移42和被指定为44的角度θ。具有叠层组件的换能器10位于变幅器12上，这样其圆柱形极端与变幅器12切面 的外极端重合。精密地选择叠层直径d’、近端变幅器有效直径d和外接直径D之间的关系 从而产生期望振动模式和共振频率。如图3所示，叠层组件内弯曲模式位移引起近端变幅器体(proximal horn mass) 的旋转运动。当d’ > d/2时该模式是可能的，这样比使用d’ << d/2的常规轴向模式叠 层的换能器设计更为紧凑。图3示出的几何形状控制叠层位移42传至变幅器12。限定了 将弯曲位移Ft以角度θ 44分解到安装平面的分解分量的等式为
T=FxCOS θ ./·=%Ρτ008(&π^η((<1-(1’)Μ)).((12+((υ’)2)1/2ο用于最优紧凑型换能器操作的d’/D比值的临界选择(Critical selection)被限 定为0. 45 < d，/D < 0. 55 ；优选0. 482 ；并且用于普通(轴向模式叠层)操作，0. 3 < d，/D < 0. 4 ；优选0. 333。通过临界选择变幅器12的长度、连接部件52的直径(如图4和5所 示)以及波导56的尺寸(如图4和5所示)，在任一种情形下都可建立扭振共振。参照图4，呈现根据本发明公开内容的连接于波导的扭振模式换能器的示意图，示 出了位移幅度分布。换能器/波导构造50包括参照图IA描述的上述扭振模式换能器10。换能器/波 导构造50还包括连接部件52、第一节面M、波导56、第二节面58、套管60、第三节面62、第 三节面64和末端执行器66。末端执行器66描绘了波导68的一部分和远梢端70。箭头80 示出波导56的扭振运动。图4还描绘了示出换能器/波导构造50被致动时产生的透射波的曲线71。在变 幅器12与连接部件52之间产生半波长72。在第一节面M与第二节面58之间也产生半波长74。在最后两个节面64与62之间也产生半波长74。在第四节面64与末端执行器66 的远梢端70之间产生四分之一波长76。注意到，波导的中部被省略以避免重复，但典型地 可为7或8个波长。图4还描绘了示出叠层弯曲效应的曲线51 (下面将描述)。此外，波导56由在共振频率下用于横波传播的整数个半波长构成。通过局部增加 与节面M、58、62、64相合的直径来实现波导隔离，这将在塑料衬里的套管60与波导56的 放射区域(active regions)之间产生间隙。此外，波导可以是具有近端和远端的细长轴。此外，远端可被分为一个或多个部 段。例如，参照图6-8B，远端可被分为三个部段。第一部段可具有第一宽度和第一长度，第 二部段可具有第二宽度和第二长度，并且第三部段可具有第三宽度和第三长度，其中第一、 第二和第三宽度可彼此相同或各异。第一部段可作为末端执行器，第二部段可作为连接部 段，并且第三部段可作为细长轴的远端的梢端部/刀片部。末端执行器可为图4所示的具 有双槽的曲形刀片的元件70。参照图4A，呈现根据本发明公开内容的图4中扭振模式换能器的末端执行器的细 节示意图。该细节示意图示出远梢端70的形状，被描绘为双槽构造。当然，本领域技术人 员可设计多种不同的远梢端构造来实现纵向和/或扭振激励。参照图5，呈现了本发明公开内容的连接于波导的纵向模式换能器的示意图，示出 位移幅度分布。换能器90基本类似于扭振模式换能器50，因此此处仅在需要区别构造和/或使用 差异的程度上讨论。换能器90具有的传输波曲线与图4中所示的相同。曲线91示出在致 动换能器/波导构造90时产生的传输波。在变幅器12内产生半波长92。在第一节面M 与第二节面58之间产生半波长94。在第三节面62与第四节面64之间也产生半波长94。 在第四节面64与末端执行器66的远梢端70之间产生四分之一波长96。图5还描绘了示 出叠层弯曲效应的曲线95 (如下所述)。在如图5所示的可选示例性实施例中，换能器叠层组件以变化弯曲模式被致动， 使得背板20的端面82如箭头84所示沿纵向偏转。该叠层运动以与变幅器12和相连接的 波导56内的压缩波传播一致的频率在变幅器12内产生纵向模式。纵向共振的频率与设计 的扭振模式频率的关系如以公式所示Ft。yF1()ng = G/E，其中G为剪切模量，并且E为用于变 幅器12和波导材料的杨氏模量。这些特征(即螺纹元件14结合入换能器10和节面M、58、62、64)使得外科手 术工具可选地以纵向模式或扭振模式被驱动，这就可能产生有效位移增大的远端长度，优 点就是不需要额外的换能器叠层连接于变幅器的近端面以形成纵向位移，如同^ung and ^ung在关于双模式应用的英国专利GB 2438679中教导的那样。此外，加工在波导56上的 节突或节面M、58、62、64提供了将波导56与安装管160声隔离的简单装置，这使得能够以 协作的铰接夹头182展开扭振/纵向共振(参见图9)。在图4和图5中，换能器构造50、90能够在连接于变幅器12窄端的调谐的多个半 波杆系统中产生纵向或扭振共振。图4和5示出在垂直平面内两个弯曲叠加模式的相对效 果，如曲线51、71、91、95所示。特别地，曲线51和95示出在TL平面内叠层弯曲的效果，其 在变幅器12和波导56内产生扭振模式。当在不同频率下在图5的XY平面内激励弯曲时， 输出为纵向的。图4和5还示出在不同频率下交替地产生两个不同模式的潜在可能，所述频
13率被选择为以多个一致的节面M、58、62、64产生扭振和纵向波长。调谐叠层组件的能力使 得本领域技术人员能够优化纵向或扭振输出并且将其与适当转换的双频发电机结合(参 照图11和12如下所述)。基本上，叠层组件和变幅器12确定振动模式，并且通过将波导长度调节为包括在 一个或多个指定频率下的多个半波长来将波导56调谐为以特定模式共振。此外，曲线51 示出在变幅器12内产生旋转模式的叠加模式，在波导56内形成扭振共振，如箭头71和80 所示。变幅器12通常体现为在两个末端处带有波腹的半波长。此外，节面54、58、62、64被构建为共振位移图案的一部分并且用于通过在波导56 上结合局部节突来提供机械隔离。这就在波导56与塑料套管衬垫之间产生间隙(参见图 9)。图4和5都用于示出叠加弯曲模式(平面XY纵向和扭振)与波导模式之间的关系。 图4示出扭振系统，同时图5示出纵向系统。波导56中仅有的区别在于压缩半波长大于扭 振半波长，因为给定材料的压缩波速度大于横波速度。Young and Young的现有技术GBM23931教导了扭振模式解剖器的使用，其带有从 远梢端直接变窄的曲形远端执行器并且带有朝近刀片端仅相对较短的聚焦槽。缺少远端聚 焦槽减少了曲形刀片梢端的凝结效率，尽管能够具有某些侧向组织粘结能力。图6和7所述的示例性实施例的目的之一是形成带有全部远端聚焦特征的扭振模 式曲形端部执行器100、130。将同时描述图6和7。图6示出根据本发明公开内容的曲形端部执行器100，其包括三个远端波导区域； 部段Wo的近端第一部分102，其可连接于图4限定的扭振波导和换能器；从隔离节突122穿 过四分之一波长波腹/反节阶梯(quarter wave anti-nodal st印)1 延伸至部段Ws的 第一远端节点阶梯126的半波长第二远端部段；以及从远端阶梯1 延伸至部段W1的扭振 刀片梢端1 的第三远端四分之一波长区域。该第三部段体现为双槽聚焦区域114，类似于 图4A所示并且限定了远端刀片的长度(extent)。末端执行器波形如图6中101所示，其中第二执行器区域的长度Z被示为半波长， 带有在波腹/反节阶梯1 处终止的初始长度X，116。波腹阶梯具有增幅为零的特性，其与增节阶梯(nodal gain st印)1 结合就能够 控制曲形刀片区域114内的临界扭振位移振幅。本发明公开内容的示例性实施例的另一目的在于最小化由与曲形执行器刀片相 关的轴向偏移量的惯性效应产生的横向模式，该偏移量在图6中从波导轴偏移了距离112。 明显地，通过减小远端刀片部段114相对输入部段Wo 102的直径，可减少产生不期望的横 向模式的惯性矩。满足该标准的限制由以下不等式表示1. 5 < WoZW1 < 3. 0。包括零增益波腹阶梯 124使得本领域技术人员能够通过依靠1 处的振幅增益将峰值远端刀片振幅限制为200 微米。节点扭振增益由如下公式表示增益，K= (Ws/W^3。上述条件使得刀片曲率和峰值 位移振幅能够满足合格的止血组织解剖的操作标准。刀片曲率被控制为使得远梢端被限制 为位于被部段Wo在106处限定的圆柱形封套内。波导部段阶梯在124、126处的尺寸和图6中沿Y的部段118中的任何非线性变化 明显地能独立地变化从而控制波导的输出特性，允许在最小的有害横向模式下实现高的旋 转振幅。要注意，上述公式仅为示例性限定而非对本发明公开内容的更广泛应用限定范围。
图8A和8B本发明公开内容的其它方面的示意图，意图在涉及作为端点目标的组 织粘结的特定外科步骤中最优化贯穿本发明公开内容所称的扭振模式换能器、波导和末端 执行器系统的使用和效率。在该功能中，强调将能量集中于目标组织如特定的大血管的端 部执行器结构的元件，同时改变那些促进组织分离从而延长或阻止该步骤的特征的细节。图8A示出在节阶梯平面134处连接于波导142的焊机末端执行器140。根据前述 的原理，在所述节阶梯处的部段变化产生了充分的扭振振幅增益，以使组织接触面136能 够将能量导入目标血管组织。图8B示出端部执行器刀片136的适宜轮廓，其基本为平面的 但如图所示可在中央脊，形成在脊部145会合的倾斜面148a和148b。表面36可接近由图 8B中波导轴146限定的端部执行器的径面。扭振模式激励在面148a和148b中的位移振幅在周缘处最大并且沿中央脊145较 小。该特性产生传播入接触组织的聚焦超声波，所述脊的每侧都产生强力粘结。与脊145 有关的低能量仅产生缓慢的组织分离效果，延迟了切割并且确保在邻近面148a和148b的 目标血管中的完全止血组织粘合。通过对扭振换能器使用脉冲模式电驱动来进一步放慢切割。下面参照图11和12 描述发电机。通过提供连接于保护罩(还罩住夹头铰接系统)的协作铰接夹头，极大地增 强了超声致动的解剖器和例如上述的粘结器的操作。下面参照图9和10更全面地示出。参照图9，呈现体现本发明的扭振模式波导构型的波导、护罩和铰接夹头的示意 图。扭振模式波导构造150包括一个或多个衬垫152，隔离部件154，波导轴线156，波 导158，同心管160、锁定部件162，轴向示出的套筒164，窝球166，外表面168，管边缘170， 间隙172，夹头182的顶部174，夹紧结构176，夹头182的第一内部178以及夹头182的第 二内部180。在如图9、10A、10B和IOC所示的本发明公开内容的另一示例性实施例中，描述了 含有波导、协作夹头、保护性外壳和声隔离系统的扭振模式解剖器头。图9示出超声波组织解剖器的远端部。夹头182永久性地连接于窝球166和夹紧 结构176，从而使得夹头182在平行于波导轴156的平面内旋转。本发明的公开内容可使夹 头182可卸除地安装于被支撑在套筒164上的接合于锁定部件162内的窝球166上。通过 扩张间隙172直至套筒164的分离足以使它们接合于具有窝球166的锁定部件162内来实 现夹头182的连接。因此，扭振模式波导构造150与常规技术相比的另一优点在于将波导158与系统 的被动元件(passive elements)声隔离的方法，其由同心管160以及一个或多个衬垫152 来实现。参照图10AU0B和10C，呈现根据本发明公开内容的夹头构造的示意图。夹头构造200基本类似于图9的夹头部184并且因此此处仅在需要区别构造和/ 或使用差异的程度上讨论。夹头构造200还包括一对枢轴部件202和一对容纳部件204。图IOA仅示出枢轴部件202是如何固定于图IOB的容纳部件204的。图IOC仅示 出间隙172是如何分离夹头构造200的末端从而在套筒164、窝球166与锁定部件162之间 提供链接机构。参照图11，呈现根据本发明公开内容用于扭振模式超声波发生器的控制和电源电路的第一实施例的方框图。方框图220包括第一隔离模块222，信号调节模块224，数字化模块226，软件算法 模块2 ，DDS信号发生器模块230，功率放大器模块232，第二隔离模块234，电流传感器模 块250，功率传感器模块260和振幅传感器模块270。电流传感器模块250、功率传感器模块 260和振幅传感器模块270可被统称为输出换能器M0。一般地，发电机具有驱动如图1-8所示的扭振模式系统的能力。例如，处理器控制 的DDS (direct digital synthesis，直接数字合成)芯片230可驱动通过转换器和阻抗匹 配感应器250，沈0，270耦合于扭振模式换能器MO的开关模式功率放大器232。匹配电路 含有电流和电压监控部件并且包括适宜的隔离电路222、234，如图11所示。为确保正确的模式选择，在宽频扫描期间对比来自电流和位移监控电路250 J60、 270的输出信号。使用安装在变幅器12上的压电陶瓷传感器5和6监控换能器位移幅值 270，如图1和2所示。当换能器为扭振共振时，来自位于变幅器轴上的传感器22的信号独 特地产生最小输出。在扭振共振时来自传感器M的输出最大。相比而言，当变幅器12处 于纵向共振时，来自每个传感器22、24的输出最大。参照图12，呈现根据本发明公开内容的用于扭振模式超声波发生器的控制和电源 电路的第二实施例的方框图。方框图300包括输出换能器302，传感器304，电流传感器310，功率传感器320，振 幅传感器330，算法340，第一输出342，第二输出344和驱动功率信号346。用于扭振模式超声波发生器300的控制和电源电路的第二实施例的主要意义在 于反映了当发生器频率经过扭振共振时换能器的电流变化。通过对比这些结果，必然可能 检测到扭振共振。明显地，电流振幅信号都可用作实现共振控制的手段。但是，通过使用即 时负载电流和电压以计算即时功率可得到更有用的结果。此外，随后可写下调谐算式以选 择与最大功率相符的共振并且可写下用于粗调和微调特性的控制环算式。参照图13，呈现根据本发明公开内容的带有扩展叠层的扭振模式换能器的另一 实施例，其中扩展叠层带有两个螺纹套筒，一个位于螺纹轴近端处，另一个位于螺纹轴远端 处。扭振模式换能器400基本类似于图2所示的扭振模式换能器11，因此此处仅在需 要区别构造和/或使用差异的程度上讨论。图13的扭振模式换能器400包括变幅器12，螺 纹元件14，陶瓷环16，电极18，背板20，第一传感器22和第二传感器24。换能器400还包 括位于锥形孔34内的螺纹套筒32。此外，与图2相比，换能器400包括位于螺纹轴420远 端上的第二螺纹套筒410。在该示例性可选实施例中，螺纹轴420在其近端和远端处配备有可紧固套筒32、 410(或螺母)。这就使得叠层组件被进一步压紧同时仍然安装于变幅器12。此外，人们可 使用叠层组件自由端处的可置换套筒/螺母32、410，其具有不同尺寸和质量，质量的变化 使得人们能够调谐叠层组件产生的共振频率。在现有叠层中，人们只是创建一个叠层，接着 检查它碰巧能够产生多少频率并且通过更换套筒/螺母32来进行调谐，但这不那么方便， 因为需要将叠层组件与变幅器12分开才能取用螺母32。相反，带有相反套筒32、410的螺 纹轴420使得组装和制造都更方便快捷。总之，微调共振需要更严格精密的发生器电路并且调谐算式能够区分清晰的共振特征。示例性实施例为外科手术工具的一个或多个部件的共振特性提供了有效的微调，从 而选择性地提供了纯扭振振动/波和/或/纵向振动和/或弯曲振动/波。应当了解，所示实施例仅为示例性的，并且存在换能器/波导组件的多个其它构 造。因此，所示和所述实施例并非意图将本发明主题名称的范围限定为这些实施例。应当了解，此处描述的换能器/波导设备可在此处描述的实施方式之外的多种应 用中结合使用。例如，此处描述的换能器/波导可与其他已知的换能器/波导设备协同使 用。此处描述的换能器/波导设备也可用于非人类应用。本发明的公开内容也包括计算机可读介质的其它实施例，该介质存储用于实现本 发明公开内容所述方法的可编程指令，其被构造为被至少一个处理器执行。该计算机可读 介质可包括闪存、CD-ROM、硬盘驱动器等。应当了解，以上公开的变化和其它特征和功能或其可选方式优选地并入其它不同 系统或应用。随后本领域技术人员可作出现在无法预测或预期的多种可选方式、改进、改变 或扩展，这都意图包括在所附权利要求内。权利要求包括硬件、软件或其组合的实施例。虽然已经参照附图描述了本发明公开内容的示例性实施例，应当了解公开内容不 局限于这些精确的实施例，并且本领域技术人员可进行多种其它改变和改进而不脱离公开 内容的范围和精神。本领域技术人员在本发明此处和上述公开内容的教导下可对其进行改进。这些改 进被解释为位于所附权利要求限定的本发明公开内容的范围内。
权利要求
1.一种适于产生超声波振动的换能器叠层，包括在邻近于叠层第一末端的背板装置与 邻近于远离其第一末端的第二末端的间隔元件装置之间以交替顺序被固定在一起的多个 片状压电元件和多个片状电极装置，该叠层通过所述第二末端被安装于或可安装于超声波 振动工具装置。
2.如权利要求1所述的换能器叠层，包括从背板装置延伸出的、穿过每个所述压电元 件和每个所述电极装置的细长轴装置，所述间隔元件装置在邻近于其远端处被如此安装于 轴装置上以使压电元件和电极装置在间隔元件装置与背板装置之间保持压紧。
3.如权利要求2所述的换能器叠层，其中所述轴装置基本沿叠层的轴向延伸。
4.如权利要求2或3所述的换能器叠层，其中所述轴装置配备有螺纹装置。
5.如权利要求4所述的换能器叠层，其中间隔元件装置能与所述螺纹装置相接合。
6.如权利要求2-5任意一项所述的换能器叠层，其中背板装置包括能与所述轴装置的 螺纹装置相接合的第二螺纹元件。
7.如权利要求2-6任意一项所述的换能器叠层，通过所述轴装置的远端、可选地通过 其螺纹装置安装于或可安装于超声波振动工具装置。
8.如前述权利要求任意一项所述的换能器叠层，可选择地可操作为产生多种超声波频 率振动模式。
9.如前述权利要求任意一项所述的换能器叠层，可操作为在至少两个基本垂直的平面 内产生弯曲振动模式。
10.如前述权利要求任意一项所述的换能器叠层，其中通过选择性地调节间隔元件装 置的长度、质量和/或纵向布局能调谐换能器叠层的振动模式。
11.如前述权利要求任意一项所述的换能器叠层，其中，换能器叠层的振动模式能通过 以下方式调谐，即，通过选择性地调节背板装置的长度、质量和/或纵向布局，可选为其第 二螺纹元件的长度、质量和/或纵向布局。
12.如前述权利要求任意一项所述的换能器叠层，其中，间隔元件装置和可选地为背板 装置的第二螺纹元件被可选择地可置换用于具有不同尺寸和/或质量的对应元件。
13.如权利要求12所述的换能器叠层，其中第二螺纹元件可置换用于这样的对应元件 同时换能器叠层被保持压紧在背板装置与间隔元件装置之间。
14.如权利要求12或13所述的换能器叠层，其中第二螺纹元件可置换用于这样的对应 元件同时换能器叠层保持安装于所述工具装置。
15.一种可超声振动工具装置，包括具有从其延伸出的细长波导装置的超声变幅器装 置，并且包括偏心于波导装置的纵轴安装于所述变幅器装置的换能器叠层装置，其中，换能 器叠层装置包括前述权利要求任意一项所述的换能器叠层。
16.如权利要求15所述的可超声振动工具装置，包括外科手术工具，可选地为适用于 腹腔外科手术方法中的外科手术工具。
17.—种可超声振动工具装置，包括具有从其延伸出的细长波导装置的超声变幅器装 置，并且包括偏心于波导装置的纵轴安装于变幅器装置的单个换能器叠层装置，其中，换能 器叠层装置被如此操作从而可选择地在变幅器装置和波导装置中产生具有可选振动模式 的超声波振动。
18.如权利要求17所述的可超声振动工具装置，其中所述可选振动模式包括扭振模式超声波振动和纵向模式超声波振动。
19.如权利要求17或18所述的可超声振动工具装置，其中换能器叠层装置包括权利要 求1-16中任意一项所述的换能器叠层。
20.如权利要求17-19中任意一项所述的可超声振动工具装置，包括外科手术工具，可 选地为适用于腹腔外科手术方法中的外科手术工具。
21.如权利要求17-20中任意一项所述的可超声振动工具装置，其中换能器叠层装置 可操作为在基本平行于波导装置的平面内以弯曲模式振动，从而在变幅器装置和波导装置 中产生纵向模式振动。
22.如权利要求17-21中任意一项所述的可超声振动工具装置，其中换能器叠层装置 可操作为在基本垂直于波导装置的平面内以弯曲模式振动，从而在变幅器装置和波导装置 中产生扭振模式振动。
23.如权利要求17-22中任意一项所述的可超声振动工具装置，其中换能器叠层装置 可调谐为在变幅器装置和波导装置中产生具有期望振动频率的所选振动模式。
24.如权利要求17-23中任意一项所述的可超声振动工具装置，其中换能器叠层装置 可如此调谐为在波导装置中产生具有预选波长的共振扭振模式振动。
25.如权利要求24所述的可超声振动工具装置，其中波导装置配备有位于所述共振扭 振模式振动的节面处的径向凸起的隔环。
26.如权利要求25所述的可超声振动工具装置，其中换能器叠层装置可调谐为在波导 装置中产生共振纵向模式振动，其具有的节面与所述共振扭振模式振动的节面一致并且与 所述隔环一致。
27.如权利要求25或26所述的可超声振动工具装置，其中所述隔环适于支撑围绕波导 装置的护罩装置，其与其中的振动基本隔离。
28.如权利要求17-27中任意一项所述的可超声振动工具装置，其中变幅器装置配备 有两个或更多个运动传感器装置，第一个所述传感器装置被设置为邻近于波导装置所限定 的纵轴，并且第二个所述传感器装置邻近于远离所述轴线的变幅器装置周缘。
29.如权利要求28所述的可超声振动工具装置，其中所述运动传感器适合于使得在所 述工具装置的扭振模式振动下来自第二周缘传感器装置的信号与来自第一轴向传感器装 置的信号具有相位差，同时在纵向模式振动下来自每个所述传感器装置的信号是同相的。
30.如权利要求29所述的可超声振动工具装置，配备有控制电路装置，所述控制电路 装置适于基于所述信号之间的差异来区别扭振模式和纵向模式振动。
31.如权利要求30所述的可超声振动工具装置，其中控制电路装置将施加于换能器叠 层装置的电压、电流和/或功率与来自第一和第二传感器的信号之间的相位差进行比较， 二者的最大值基本一致时表示扭振模式共振。
32.—种制造换能器叠层的方法，所述换能器叠层适于产生超声波振动并可安装于可 超声振动工具装置上，所述方法包括以下步骤提供多个片状压电元件、多个片状电极装 置、背板装置和间隔元件装置的步骤，并且在所述背板装置与所述间隔元件装置之间以交 替顺序将所述压电元件和电极装置固定在一起的步骤。
33.如权利要求32所述的制造换能器叠层的方法，包括如下步骤提供从所述背板装 置延伸出的细长轴装置，提供环形的所述压电元件和环形的所述电极装置，将所述压电元件和电极装置交替地设置在所述轴装置周围，并且将间隔元件装置如此安装于所述轴装置 以使压电元件和电极装置被保持压紧在背板装置与间隔元件装置之间。
34.如权利要求33所述的制造换能器叠层的方法，其中所述轴装置配备有螺纹装置， 并且间隔元件装置能与其接合。
35.如权利要求34所述的制造换能器叠层的方法，其中背板装置包括与所述轴装置的 螺纹装置能接合的第二螺纹元件装置。
36.如权利要求32-35任意一项所述的制造换能器叠层的方法，包括通过调节间隔元 件装置的长度和/或质量如从其削去材料薄层来调谐换能器叠层以产生期望频率的振动 的步骤。
37.如权利要求32-36任意一项所述的制造换能器叠层的方法，包括通过调节背板装 置的长度和/或质量如从其削去材料薄层来调谐换能器叠层以产生期望频率的振动的步骤。
38.如权利要求37所述的制造换能器叠层的方法，包括调节背板装置的第二螺纹元件 的长度和/或质量。
39.如权利要求38所述的制造换能器叠层的方法，包括卸除第二螺纹元件从而调节其 长度和/或质量，并且再连接上它。
40.如权利要求38所述的制造换能器叠层的方法，包括调节第二螺纹元件的长度和/ 或质量而不首先卸除它。
全文摘要
一种换能器叠层(10)，包括沿从钛背板(20)延伸出的螺纹中轴(32)交替排列的压电陶瓷环(16)和金属电极(18)。旋紧在轴(32)上的间隔元件(14)将陶瓷环(16)和电极(18)压紧地支撑在背板(20)上。换能器叠层(10)偏心地可安装于可超声振动工具的变幅器(12)，偏离从变幅器(12)延伸出的细长波导(56)的轴。换能器叠层(10)可以垂直于波导(56)、在变幅器(12)和波导(56)中超声扭振模式超声波振动的弯曲模式下振动，或在平行于波导(56)、在变幅器(12)和波导(56)中超声纵向模式超声波振动的弯曲模式下振动。
文档编号B06B1/06GK102105111SQ200980128721
公开日2011年6月22日 申请日期2009年5月21日 优先权日2008年5月21日
发明者J·A·斯利普斯岑科, M·J·伊德, S·M·R·扬 申请人:Sra发展公司