单孔微创超声手术刀的设计方法及实验研究

发布时间：2020-08-03 07:19

【摘要】：超声手术刀是一种通过高速振动以实现生物体切割、分离的外科手术器械,它具有精度高、刀口整齐、止血快、热损伤区域小、产生烟雾少等优点,在现代外科手术中受到广泛应用,已有取代高频电刀、机械夹钳等外科手术器械的趋势。同时,超声刀在实践应用中存在输出效率较低,稳定性也有待提高等问题,且超声刀与生物组织作用机理尚不完善。深入研究超声外科手术技术和理论,开发新型超声手术刀系统,适应微创和单孔微创的手术要求,具有较高的社会价值和经济效益。因此,本文研究了超声手术刀与生物组织作用机理,用声子晶体的理论设计了单孔微创手术的超声手术刀,并进行了相关实验,主要内容有:1.以赫兹接触理论模型为基础,建立超声手术刀与生物组织相互作用模型,利用Hankel积分变换,分别对超声刀在法向静力载荷和简谐力载荷下,生物组织内的应变场进行了求解,建立了静力载荷-压痕深度的力曲线与生物组织等效杨氏模量E*之间理论关系,探讨了压头和组织弹性对超声刀工作频率的影响,为进行超声刀与生物组织相互作用的实验研究提供理论依据。同时,对超声刀的疲劳特性进行了初步探索,预估疲劳损伤发生位置及损伤程度,为进一步优化超声手术刀结构,延长其使用寿命,提供参考依据。2.根据声子晶体理论,利用集中质量法和传递矩阵法分别计算了无限周期变截面长杆的纵波和弯曲波的带隙结构,确定了超声手术刀刀杆的几何参数。利用有限元法,模拟计算了有限周期的细长杆的带隙特性,通过调节刀杆几何结构控制刀杆振动模态,使55KHz的纵波振动处于声子晶体的通带,而弯曲振动处于声子晶体的阻带,即具有“通纵振、阻弯曲”的传输特性。同时,设计并优化了纵—弯耦合结构的超声手术刀刀头。3.根据超声手术刀的工作特点和需求,研制了推挽激励超声换能器和具有实时频率跟踪和适应负载动态变化的“恒”振幅输出的超声手术刀激励电源。研制了超声手术刀测量系统,对超声手术刀的振动模态和刀头振幅进行了测量。结果表明55kHz频率附件工作时,刀头振幅输出可以控制在50-100μm范围内,满足切割止血要求。并参照通用行业标准YYT0644-2008,对超声手术刀激励系统样机的技术指标和安规特性进行验证。4.研制生物组织弹性模量测量系统和超声刀切割速率和试样温度分布测试系统。开展猪肉,牛肉,猪肝和猪肾等生物组织等效杨氏模量测量,以及超声手术刀肌肉切割速率和温度分布实验,评估超声手术刀切割止血性能以及超声手术刀对生物组织损伤程度。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH777
【图文】：

外科手术,超声换能器,高速振动,电换能器

一步克服自身的不足，以满足外科手术术需求的挑战，不仅需要开展新颖超声头与组织的相互作用和损伤机理探索。决超声手术系统的各项关键技术问题，创的外科手术需求，具有较高的社会价通过高速振动以实现生物体切割、分离成部分：超声激励电源、超声换能器和生高频及可控的电功率，并在组织切割量调节。超声换能器的作用是把高频电电换能器实现电能到机械能的转换。超头可以为薄片，弧形，球形或剪刀形等可以设计成在切割的同时，能够将切断能的集成。图 1.1 是强生豪韵切割止血

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超声手术刀的工作机理主要是与生物组织直接接触的金属刀头产生的一系列生效应，主要表现为机械效应、热效应和空化效应。生物组织在声强较小的超声波作用下产生弹性振动，当声强增大到组织的机械动超过其弹性极限，组织就会断裂或粉碎，这种效应称为超声的机械效应。超声锯软组织切割主要是基于机械效应。不同的生物组织具有不同的弹性极限，因此切割要的刀头振幅不同。进行软组织切割时，手术刀头所需最小振幅为 40μm，截骨时需输出 100μm 以上的振幅。超声刀作用于生物组织表面，其超声能量被组织吸收。同时，由于刀头的高频动，刀头与组织之间互相摩擦而发热，使局部以接触界面为中心温度升高，热效应超声刀切割时的止血具有重要作用。此外，超声空化效应是空化泡在极短时间内产生高温和高压，并伴随强烈的冲波和射流，从而对组织产生乳化、碎裂的作用。图 1.2 为超声手术刀的切割止血技术原理示意图，图 1.3 为超声手术刀作用下织反应。它适用于对需要控制出血和最小程度热损伤的软组织进行切开。因此，超手术刀具有更广泛的应用前景，它已成功地应用于许多外科领域。

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