[發(fā)明專(zhuān)利]用于超聲手術(shù)器械的高功率密度壓電換能器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210306518.9
• 申請(qǐng)日: 2012-08-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102813549A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-12-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 余厲陽(yáng)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): A61B18/00
• 分類(lèi)號(hào): A61B18/00
• 代理公司: 杭州求是專(zhuān)利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及應(yīng)用于超聲手術(shù)刀系統(tǒng)的高功率密度壓電換能器，是超聲手術(shù)刀系統(tǒng)的配套部件。

背景技術(shù)

20世紀(jì)70年代，微創(chuàng)技術(shù)迅猛發(fā)展，目前包括微創(chuàng)手術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到普外科、婦產(chǎn)科、心胸外科、泌尿外科、小兒外科、骨科、腦外科及眼科等近10個(gè)手術(shù)中。微創(chuàng)手術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了手術(shù)器械的發(fā)展，如內(nèi)鏡超聲、超聲刀、微型手術(shù)器械、各類(lèi)腔內(nèi)切割吻合器等。隨之涌現(xiàn)的手術(shù)器械反過(guò)來(lái)又推動(dòng)了微創(chuàng)外科的發(fā)展，逐步發(fā)展成為了醫(yī)療器械行業(yè)中的一個(gè)分支行業(yè)。

超聲手術(shù)刀是一種利用超聲波能量引起的空化效應(yīng)導(dǎo)致組織脫水，凝固，進(jìn)而裂解的一種手術(shù)器械。此器械由強(qiáng)生公司最先提出，目前為強(qiáng)生公司等少數(shù)外國(guó)公司所把持。相對(duì)于傳統(tǒng)的電刀都手術(shù)器械來(lái)說(shuō)，超聲手術(shù)刀最大的優(yōu)勢(shì)在于切割組織不是采用電灼燒引起的熱效應(yīng)，而是采用超聲波引起的空化效應(yīng)，來(lái)達(dá)到類(lèi)似于水沸騰的效果，起到組織切割和凝結(jié)的效應(yīng)。因此其傷口焦痂更少，術(shù)后愈合效果更好。

但目前此種手術(shù)方式還存在超聲功率小等問(wèn)題，對(duì)于大的血管，尤其是脂肪豐富的組織切割下降厲害。在器械結(jié)構(gòu)和材質(zhì)無(wú)法突破的情況下，提高超聲換能器的轉(zhuǎn)換效率，是提高超聲有效能量輸出的途徑。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種用于超聲手術(shù)器械的高功率密度壓電換能器。

本發(fā)明包括多組壓電換能單元，相鄰兩個(gè)壓電換能單元之間設(shè)置有形變變換塊，壓電換能單元與形變變換塊之間設(shè)置有厚度為a的絕緣層。

所述的壓電換能單元采用壓電堆結(jié)構(gòu)，整體為圓柱形，包括多個(gè)同軸設(shè)置的圓片形狀的壓電片，壓電片的表面設(shè)置有金屬電極；所述的金屬電極為金屬薄片或金屬膜，覆蓋在壓電片的表面，金屬電極上連接有引線(xiàn)；相鄰的兩個(gè)壓電片之間設(shè)置有兩個(gè)金屬帽，所述的金屬帽為空心的圓臺(tái)形，圓臺(tái)的頂面封閉成端面，圓臺(tái)的底面開(kāi)放，兩個(gè)金屬帽的頂面固定連接，側(cè)壁位于底面的邊沿與壓電片表面的金屬電極連接。

所述壓電片的材料為摻雜鋯鈦酸鉛陶瓷、或ZnO、或AlN、或PVDF。

所有構(gòu)成壓電換能器的圓柱形的壓電換能單元的高度b相同，多個(gè)壓電換能單元的壓電片的直徑依次減小。所有壓電換能單元中的相同極引線(xiàn)相互連接。

形變變換塊為實(shí)心喇叭形塊體，兩個(gè)圓形的端面分別于連接的兩個(gè)壓電換能單元的壓電片直徑相等，其縱截面的腰線(xiàn)為函數(shù)y=x/e曲線(xiàn)，e為數(shù)學(xué)常數(shù)；形變變換塊的高度c符合以下公式：

a+b+2c=L=?v?/ω

其中，ω是電激勵(lì)信號(hào)的頻率、V是聲波傳播的速度、L是相鄰兩個(gè)壓電換能單元的中心距離。

從喇叭形的形變變換塊的大頭到小頭，由于橫截面積逐級(jí)減小，在遵循能量守恒定理的基礎(chǔ)上，小頭的伸縮幅度增加，起到了聲波振幅放大的作用。

每個(gè)壓電換能單元的高度相同，每個(gè)形變變換塊的高度相同，每個(gè)絕緣層的厚度相同，因此壓電換能單元沿軸向周期分布，滿(mǎn)足色散方程1/L=ω/v，頻率為ω的電信號(hào)激勵(lì)的壓電換能器發(fā)出的聲波在空間正好波峰和波峰相疊，波谷和波谷相疊，也就是說(shuō)，不同壓電換能器在軸向某一個(gè)點(diǎn)上產(chǎn)生的形變都是伸長(zhǎng)或者都是縮短，強(qiáng)化了疊加效果。

本發(fā)明有效地提高了電聲轉(zhuǎn)換效率，提高超聲波輻射的指向性，在有限的空間中，提高局部區(qū)域超聲能量。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中壓電換能單元的截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2中金屬帽的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，用于超聲手術(shù)器械的高功率密度壓電換能器包括三組壓電換能單元1和兩個(gè)形變變換塊2，每個(gè)形變變換塊2設(shè)置在相鄰兩個(gè)壓電換能單元1之間，壓電換能單1與形變變換塊2之間設(shè)置有厚度為a的絕緣層3。第一組壓電換能單元與第二組壓電換能單元的中心距離L1等于第二組壓電換能單元與第三組壓電換能單元的中心距離L2。

如圖2所示，壓電換能單元1采用壓電堆結(jié)構(gòu)，整體為圓柱形，包括三個(gè)同軸設(shè)置的圓片形狀的壓電片1-1，壓電片1-1的表面設(shè)置有金屬電極1-3。金屬電極為金屬薄片或金屬膜，覆蓋在壓電片1-1的表面，金屬電極1-1上連接有引線(xiàn)，相鄰的兩個(gè)壓電片之間設(shè)置有兩個(gè)金屬帽1-2。壓電片的材料為摻雜鋯鈦酸鉛陶瓷、或ZnO、或AlN、或PVDF。

如圖2和3所示，金屬帽為空心的圓臺(tái)形，圓臺(tái)的頂面封閉成端面，圓臺(tái)的底面開(kāi)放，兩個(gè)金屬帽的頂面固定連接，側(cè)壁位于底面的邊沿與壓電片表面的金屬電極1-3連接。