Brevet FR2906165A1 — publié le 20080328

La présente invention concerne un système d'émission d'ultrasons. Un tel système peut être intégré dans une machine de traitement par ultrasons ou autre, pour traiter une surface, en détruisant et évacuant des matériaux fragiles aux ultrasons, notamment certains tissus biologiques. Une application connue consiste à intégrer un tel système dans une machine de phacoémulsification. Cette machine permet de réaliser l'opération de la cataracte. Cette opération consiste à intervenir sur le cristallin de l'oeil, qui s'est opacifié et doit pour cette raison être détruit afin d'être remplacé par un cristallin artificiel transparent. La machine de phacoémulsification permet de réaliser la destruction du cristallin par ultrasons et l'évacuation de ses débris, au cours d'une unique opération minimisant le traumatisme pour l'oeil et le patient. Pour pouvoir réaliser ses fonctions, le système d'émission d'ultrasons est réalisé de la manière suivante : Le système comporte un circuit permettant de diriger un flux de fluide de transport, en général une solution aqueuse, jusqu'à la surface à traiter. Par ailleurs, il génère des ultrasons visant à détruire les matériaux à éliminer. Ces ultrasons à travers le fluide, frappent la surface à traiter. Les matériaux fragiles aux ultrasons sont alors émulsifiés (détruits et fragmentés). Leurs débris se détachent de la surface et sont incorporés au fluide. Le fluide chargé de ces débris est alors aspiré et évacué. Pour la réalisation d'un tel système d'émission d'ultrasons, il est connu d'utiliser un corps sensiblement cylindrique, présentant un axe longitudinal et à l'intérieur dudit corps : • un ensemble piézo-électrique pour produire des vibrations selon ladite direction axiale ; • un ensemble sonotrode ou sonotrode, pour amplifier les vibrations produites par ledit ensemble piézo-électrique, montée mobile dans ledit corps ; et • une bague de mise en précontrainte, ledit ensemble piézo-électrique étant monté selon la direction axiale entre ladite sonotrode et ladite bague de mise en précontrainte. Le système comporte en outre un moyen d'alimentation électrique et de contrôle pour appliquer une tension alternative audit ensemble piézo-35 électrique. 2906165 2 De plus, sur une extrémité avant il comporte une canule qui le prolonge et permet d'agir sur une surface en avant de son corps cylindrique. Il est connu, pour la réalisation de l'ensemble piézo-électrique, d'utiliser comme ensemble piézo-électrique une céramique dite `massive', parce qu'elle 5 est constituée en une seule couche. Pour générer des vibrations par effet piézo-électrique à l'aide d'une telle céramique massive, il est nécessaire habituellement d'appliquer une tension d'alimentation élevée c'est-à-dire de l'ordre de 500 V rms soit 1000 V crête à crête. Une telle tension est nécessaire notamment pour obtenir une amplitude 10 de débattement voisine de 100 pm à l'extrémité de la canule précitée. Du fait de cette tension électrique élevée, le système d'émission d'ultrasons est classé en basse tension et à la limite de la haute tension, selon les appellations retenues par le code du travail. Les distances de sécurité applicables sont donc comprises entre 30 cm 15 et 2m dans l'air. Un tel système présente donc un danger potentiel en cas de dysfonctionnement ou de dégradation de l'isolant et doit être manipulé avec précautions. Le but de l'invention est de remédier à l'inconvénient précité en permettant de réduire la tension d'alimentation du système d'émission 20 d'ultrasons. Ce but est atteint grâce au fait que ledit ensemble piézo-électrique est constitué par un empilage de couches en matériau piézo-électrique, chaque couche étant munie d'électrodes d'excitation et ayant une épaisseur comprise entre 20 et 100 pm. Par effet piézo-électrique, ces différentes couches 25 génèrent des ultrasons et sont de ce fait dites couches d'émission. L'utilisation d'un tel empilage de couches piézo-électriques permet de limiter la tension d'alimentation à une tension alternative comprise entre 1 et 50V efficaces. Ainsi, le système présente un risque électrique faible et peut être classé en catégorie 'Très basse tension' suivant les appellations 30 précitées. Par ailleurs, ce système fonctionne fréquemment à fréquence élevée, par exemple de 40 à 50 kHz. A ces fréquences, le seuil de perception d'un éventuel courant électrique s'élève approximativement à 100 mA, contre 10 mA à basse fréquence. Pour cette raison, le système d'émission d'ultrasons est plus sûr que d'autres systèmes de même voltage mais fonctionnant à 2906165 basse fréquence, tout en conservant ses performances de génération d'ultrasons. Un autre point de cette innovation porte sur l'intégration en outre à l'intérieur dudit corps d'un élément piézo-électrique de détection couplé à 5 l'ensemble piézo-électrique pour délivrer un signal électrique représentatif des vibrations délivrées par ce dernier, qui peut être représentatif par exemple de l'amplitude et/ou de la périodicité de ces vibrations. Un tel capteur est constitué simplement par une (ou plusieurs) couche de matériau piézo-électrique similaire aux autres ; cependant, au lieu d'être excitée et polarisée io par les électrodes d'excitation et ainsi de contribuer à l'émission d'ondes ultrasonores par effet piézo-électrique, cette couche est connectée à une partie de contrôle du moyen d'alimentation et de contrôle ; à l'inverse des autres couches, elle agit donc comme capteur et délivre un signal fonction des vibrations qui lui sont appliquées. 15 Le capteur ainsi constitué permet d'évaluer en temps réel les vibrations générées au sein du système, par exemple leur débattement en amplitude et leur périodicité, et cela quelle que soit la charge ou l'action en extrémité du système. En modulant la fréquence d'excitation de l'ensemble piézo-électrique, il 20 est possible suivant l'effet visé, soit d'augmenter l'amplitude du débattement en se rapprochant de la fréquence de résonnance des éléments couplés en vibration à l'intérieur du système, soit de la réduire en s'en éloignant. Naturellement, la tension d'alimentation peut également être modulée pour intervenir également sur l'intensité de l'émission d'ultrasons. Ce moyen 25 de régulation de l'émission d'ultrasons utilisant ledit capteur apporte une efficacité accrue par rapport aux procédés traditionnels, qui utilisent comme informations décisionnelles la tension et l'intensité d'alimentation de l'ensemble piézo-électrique ainsi que le déphasage entre celles-ci. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la 30 lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : 2906165 4 - la figure 1 est une vue schématique d'une pièce à main de phacoémulsification intégrant un système d'émission d'ultrasons conforme à l'invention ; - la figure 2 présente une coupe du système d'émission d'ultrasons 5 suivant l'invention ; - la figure 3 présente un schéma simplifié du moyen d'alimentation et de contrôle du système d'émission d'ultrasons selon l'invention ; et - la figure 4 représente quelques couches de matériau piézo-électrique afin de faire comprendre la conformation de l'ensemble piézo-électrique 1, 10 l'une des couches étant représentée avec un crevé partiel. La description qui suit d'un mode préféré de réalisation de l'invention sera faite dans le cadre d'une pièce à main de phacoémulsification intégrant un système d'émission d'ultrasons selon l'invention. Cependant, il va de soi qu'un tel système d'émission d'ultrasons peut être utilisé pour d'autres 15 applications et dans d'autres types de machines. En se référant à la figure 1, on va décrire une machine de traitement par ultrasons suivant l'invention. Celle-ci comporte une canule 20, un système d'émission d'ultrasons 100 ; et pour l'alimentation en fluide : un réservoir 30, une pompe 40, et une canalisation 50 ; pour l'évacuation du fluide : un 20 réservoir 70, une pompe 80, et une canalisation 90 ; un moyen d'alimentation électrique et de contrôle 60 ; un dispositif 110 de contrôle de la pompe 40 utilisant un manomètre 120. La canule 20 est fixée sur l'extrémité avant du système d'émissions d'ultrasons 100. Elle comporte une gaine cylindrique externe pour l'injection 25 du fluide vers la surface à nettoyer, et une aiguille cylindrique interne pour l'aspiration du fluide depuis cette surface. Le fluide est pompé dans le réservoir 30 par la pompe 40. Passant dans la canalisation 50, il est injecté dans le système d'émission d'ultrasons 100. Traversant celle-ci, il est déversé par la canule 20 sur la surface à nettoyer. Il 30 se charge des débris générés par les ultrasons sur ladite surface. Il est alors aspiré par la canule 20 et revient dans le système d'émission d'ultrasons 100. Il y est pompé par la pompe 80, à travers les canalisations 90, jusqu'au réservoir 70. 2906165 5 Les pompes utilisées peuvent être de fonctionnements différents, par exemple venturi, péristaltiques à circuit ouvert, péristaltiques à circuit fermé, excentriques, ou autre. Pendant le trajet du fluide, sa circulation est régulée par le dispositif de 5 régulation 110. Le débit de la pompe 40 est réglé en fonction du débit de la pompe 80 de manière à garantir une alimentation suffisante, mais non excessive, de la zone à nettoyer. Pour cela, le débit de la pompe 40 est déterminé grâce au manomètre 120 disposé sur la canalisation 90 d'évacuation du fluide. Enfin sur le plan électrique, le système 100 est relié au moyen d'alimentation et de contrôle par des câbles d'alimentation 14 et des câbles de contrôle 10. En se référant à la figure 2 on va maintenant décrire plus en détail la structure du système d'émission d'ultrasons. 15 La partie principale du système est logée dans un corps cylindrique 6 et comporte les pièces suivantes : un ensemble piézo-électrique 1, une sonotrode 2, une bague de précontrainte 3, la pièce d'aspiration arrière 4, ainsi que des pièces secondaires. La sonotrode 2 présente une partie centrale s'étendant dans la partie 20 centrale du système d'émission d'ultrasons, et des parties arrière et avant sensiblement tubulaires, de diamètres nettement plus petits que celui de la partie centrale, et s'étendant de part et d'autre de cette dernière respectivement vers l'arrière et vers l'avant du système suivant son axe (celui du corps 6). 25 De plus, le système d'émission d'ultrasons comporte une conduite 8 d'alimentation en fluide. Celle-ci pénètre par une ouverture située en partie avant du corps 6 de manière à permettre l'arrivée du fluide dans une chambre 5, qui entoure la partie tubulaire avant de la sonotrode 2. Sur l'avant, la chambre 5 du corps 6 est bouchée par un bouchon 7. Celui- 30 comporte des canaux 9 qui permettent le passage de fluide de la chambre 5 vers la gaine externe de la canule 20. Le bouchon 7 comporte également une ouverture axiale permettant le passage et le raccordement étanche entre la sonotrode 2 et la canule 20. Le retour du fluide se fait à l'intérieur de la canule, dans une aiguille interne contenue dans la gaine externe. Venant de 35 la canule, le fluide pénètre dans le canal interne 13 qui s'étend d'une 2906165 6 extrémité à l'autre du corps 6 suivant son axe et est percé à travers la sonotrode 2 et la pièce arrière 4. Le fluide est de là aspiré via la canalisation 90 par la pompe d'aspiration 80 jusqu'au réservoir 70. La pièce d'aspiration arrière 4 est solidaire du corps cylindrique 6. Elle 5 est collée à son extrémité arrière qu'elle ferme. Elle comporte un embout cylindrique 12 s'étendant vers l'arrière, sur lequel est connectée la canalisation d'aspiration de fluide 90. La pièce d'aspiration arrière est de plus traversée dans toute sa longueur par le canal interne 13 précité. La pièce d'aspiration arrière est également le point de fixation de la 10 sonotrode 2. Pour permettre cette fixation, la partie tubulaire arrière de la sonotrode 2 est filetée extérieurement, et la pièce d'aspiration arrière 4 comporte vers l'avant une ouverture filetée intérieurement. La partie arrière de la sonotrode 2 est vissée dans la pièce d'aspiration arrière 4. La bague de précontrainte 3 et l'ensemble piézo-électrique sont fixés 15 sur la sonotrode et la pièce d'aspiration arrière 4. Ils comportent des perçages (ou ouvertures) intérieurs cylindriques qui correspondent à la forme extérieure de la partie tubulaire arrière de la sonotrode. Ainsi, la bague de précontrainte 3 (placée du côté de la pièce d'aspiration arrière) et l'ensemble piézo-électrique 1 peuvent être enfilés sur la partie tubulaire arrière de la 20 sonotrode ; ils sont intercalés entre la partie centrale de la sonotrode 2 et la pièce d'aspiration arrière 4 lors du vissage de la sonotrode sur cette dernière. Le vissage de la sonotrode 2 permet de mettre l'ensemble piézo-électrique 1 dans un état de compression axiale légère suivant l'axe du corps 6, nécessaire à son fonctionnement. La bague de précontrainte 3 joue de plus le 25 rôle d'une rondelle et répartit les efforts de cisaillement générés par le vissage. De plus, son matériau est étudié de manière à optimiser le fonctionnement de l'ensemble piézo-électrique, en permettant en particulier que l'énergie dégagée par l'ensemble piézo-électrique 1 soit transmise vers l'avant du système et non vers l'arrière. 30 L'ensemble piézo-électrique 1, la sonotrode 2, la bague de précontrainte 3 et la partie avant de la pièce d'aspiration arrière 4 sont montés mobiles dans le corps 6 pour faciliter l'émission d'ultrasons. Les câbles 14 permettent l'alimentation électrique de l'ensemble piézo-électrique. Sous l'effet de cette sollicitation, l'ensemble piézo-électrique 1 35 réagit par effet piézo-électrique et génère des vibrations ultrasonores. Celles- 2906165 7 ci sont communiquées à la sonotrode 2 et se propagent essentiellement vers l'avant du système. La sonotrode a notamment pour fonction d'amplifier ces vibrations. A cette fin, elle présente une partie centrale présentant une large surface de s contact avec l'ensemble piézo-électrique, afin de recueillir au mieux les vibrations émises par ce dernier. Cette partie centrale peut être de forme sensiblement cylindrique et de même diamètre que l'ensemble piézo-électrique. La sonotrode comporte de plus une partie de jonction sensiblement conique, qui raccorde sa partie centrale à sa partie tubulaire avant. La forte réduction de diamètre entre la partie centrale et la partie avant de la sonotrode a pour conséquence avantageusement d'amplifier fortement l'amplitude des vibrations ultrasonores transmises vers l'avant du corps cylindrique et la canule. 15 Par ailleurs, un joint torique 15 ceinture la sonotrode à l'intérieur du corps cylindrique 6. Assurant l'étanchéité, il empêche le fluide de s'écouler de la chambre 5 autour de la partie centrale de la sonotrode et d'atteindre la partie arrière du corps 6, dans laquelle se trouvent les câbles électriques. Enfin, comme il a été dit plus haut, un élément piézo-électrique de 20 détection 11 peut être couplé à l'ensemble piézo-électrique et remplir une fonction de capteur piézo-électrique. Cet élément de détection peut ou non comporter les mêmes caractéristiques et les mêmes électrodes que les autres couches. Il peut comporter plusieurs couches de matériau piézo-électrique ou être constitué en une seule couche de matériau piézo-électrique (type 25 'massif ; par ailleurs son épaisseur peut être importante et aller jusqu'à plus d'un millimètre. Avantageusement, cet élément piézo-électrique de détection 11 est placé entre la bague de précontrainte 3 et l'ensemble piézo-électrique 1. En se référant à la figure 3, on va maintenant décrire le moyen 30 d'alimentation électrique et de contrôle du système selon l'invention. Ce moyen alimente l'ensemble piézo-électrique 1 par les câbles 14 ; il reçoit les informations du capteur piézo-électrique par l'intermédiaire des câbles 10. Les câbles 10 comme les câbles 14 se prolongent à l'intérieur du corps cylindrique 6 jusqu'aux électrodes comme le présente la figure 2. 2906165 8 Afin de permettre une régulation efficace de l'ensemble piézo-électrique et de ce fait, d'assurer l'efficacité du système d'émission d'ultrasons, le moyen d'alimentation électrique et de contrôle 60 comprend : - un moyen d'alimentation électrique 61 ; s - des moyens 62 pour comparer le signal délivré par l'élément piézo-électrique de détection 11 à des valeurs de référence V ; et - des moyens 63 (un circuit de commande dans l'exemple présenté) pour déterminer la fréquence et/ou la tension du signal électrique à appliquer à l'ensemble piézo-électrique en fonction des résultats de cette comparaison 10 et transmettre les consignes de commande correspondantes au moyen d'alimentation 61 précité. En se référant à la figure 4, on va maintenant décrire la constitution de l'ensemble piézo-électrique 1. Comme il a été dit, cet ensemble est constitué par un empilage de 15 couches en matériau piézo-électrique, chaque couche étant munie d'électrodes d'excitation 18. Avantageusement, ces couches sont minces et peuvent présenter une épaisseur de 20 à 100 dam. Pour faciliter la compréhension, seules trois couches 16 de matériau piézo-électrique et leurs électrodes 17a, 17b, 18 sont représentées, la couche supérieure étant 20 représentée avec un crevé partiel. Les couches peuvent être fabriquées à partir de différentes céramiques, et notamment d'un matériau fritté à base de TitanoZiconate de Plomb. Naturellement, dans le mode de réalisation présenté, la section du corps 6 est circulaire et les couches de matériau piézo-électriques sont en forme de 25 disques, avec une ouverture centrale circulaire. On comprendra que la section du corps du système d'émission d'ultrasons peut prendre une forme quelconque, cette forme étant reprise par les couches de matériau piézo-électrique. L'alimentation électrique des couches est assurée par deux électrodes 30 externes 17a, 17b ou électrodes de tranche, une positive et une négative. Ces électrodes de tranche servent à conduire le courant depuis les câbles électriques 14 jusqu'à des électrodes internes 18. Dans le cylindre constitué par l'ensemble piézo-électrique, les électrodes de tranche occupent en général des secteurs angulaires disjoints de manière à ne pas entrer en 35 contact. 2906165 9 Chaque électrode interne 18 est sensiblement en forme de disque relativement mince par rapport à l'épaisseur des couches de matériau piézo-électrique, et de diamètre légèrement inférieur à celui des couches 16. Chacune comporte en outre une extension radiale en direction d'une 5 électrode de tranche, qui la relie à celle-ci. Inversement, chaque électrode interne reste isolée de l'autre électrode de tranche, du fait qu'elle présente un diamètre inférieur à celui des couches piézo-électriques et ne peut donc être en contact avec l'autre électrode de tranche. Les électrodes internes sont disposées entre les couches de matériau piézo-électrique ainsi qu'aux extrémités de l'empilement de couches de matériau piézo-électrique. Elles sont alternativement connectées à l'électrode de tranche positive et à l'électrode de tranche négative. Ainsi, chaque couche de matériau piézo-électrique est polarisée par les deux électrodes internes aux potentiels opposés qui l'entourent et contribue à 15 générer des vibrations par effet piézo-électrique, au rythme et en fonction des oscillations électriques transmises par les électrodes. Le mode de réalisation décrit ici concerne une machine de traitement par ultrasons servant à décaper des tissus biologiques, comme par exemple un système de phacoémulsification en chirurgie ophtalmique. On comprend 20 toutefois que le système objet de l'invention peut être utilisé dans toute machine de traitement par ultrasons, notamment pour tous types d'opérations de nettoyage que ce soit sur des tissus biologiques ou autres, les tissus à éliminer pouvant être entre autres des tissus adipeux ou des graisses, des calculs, ou autres. REVENDICATIONS 1. Système (100) d'émission d'ultrasons comprenant : • un corps (6) sensiblement cylindrique présentant un axe longitudinal et à l'intérieur dudit corps : o un ensemble piézo-électrique (1) pour produire des vibrations selon ladite direction axiale ; o un ensemble sonotrode (2), pour amplifier les vibrations produites par ledit ensemble piézo-électrique, montée mobile dans ledit 10 corps ; et o une bague (3) de mise en précontrainte, ledit ensemble piézo-électrique étant monté selon la direction axiale entre ledit ensemble sonotrode et ladite bague de mise en précontrainte ; et • un moyen d'alimentation électrique et de contrôle (60) pour 15 appliquer une tension alternative audit ensemble piézo-électrique ; ledit système se caractérisant en ce que ledit ensemble piézo-électrique est constitué par un empilage de couches en matériau piézo-électrique, chaque couche étant munie d'électrodes d'excitation et ayant une épaisseur comprise entre 20 et 100 dam. 20 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen d'alimentation électrique et de contrôle (60) délivre une tension alternative comprise entre 1 et 50 Volts efficaces. 25 3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre à l'intérieur dudit corps un élément piézo-électrique de détection (11) couplé audit ensemble piézo-électrique (1) pour délivrer un signal électrique représentatif des vibrations délivrées par ce dernier. 30 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre à l'intérieur dudit corps un élément piézo-électrique de détection (11) couplé audit ensemble piézo-électrique (1) pour délivrer un signal électrique représentatif de l'amplitude et/ou de la périodicité des vibrations délivrées par ce dernier. 35 2906165 11 5. Système selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit élément piézo-électrique de détection est monté entre ledit ensemble piézo-électrique et ladite bague de mise en précontrainte. 5 6. Système selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que ledit élément piézo-électrique de détection a une épaisseur selon la direction axiale au moins égale à 1 mm. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, 10 caractérisé en ce que ledit élément piézo-électrique de détection comporte une seule couche de matériau piézo-électrique. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que ledit élément piézo-électrique de détection comporte 15 plusieurs couches de matériau piézo-électrique. 9. Système selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que le moyen d'alimentation électrique et de contrôle (60) comprend : 20 - un moyen d'alimentation électrique (61) ; - des moyens (62) pour comparer le signal délivré par l'élément piézo- électrique de détection (11) à des valeurs de référence (V) ; et - des moyens (63) pour déterminer la fréquence et/ou la tension du signal électrique à appliquer à l'ensemble piézo-électrique en fonction des 25 résultats de cette comparaison et transmettre les consignes de commande correspondantes au moyen d'alimentation (61) précité. 10. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit ensemble piézo-électrique contient un matériau 30 fritté à base de TitanoZiconate de Plomb. 11. Machine de traitement par ultrasons, caractérisée en ce qu'elle comprend un système (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 ; une canule (20) montée sur celui-ci ; et pour l'alimentation en fluide : 35 un réservoir (30), une pompe (40), et une canalisation (50); pour l'évacuation 2906165 12 du fluide : un réservoir (70), une pompe (80), et une canalisation (90) ; et un dispositif (110) de régulation de la pompe (40). 12. Application de la machine de traitement par ultrasons selon la 5 revendication ii à la réalisation d'un ensemble de phacoémulsification.