УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СИСТЕМА
ULTRASOUND SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к ультразвуковой системе, которая находит определенное и преимущественное применение в области хирургии, в области стоматологии или имплантологии, но которая также применима в промышленной области и в строительстве в соответствии с другими вариантами осуществления изобретения.
Более конкретно, такая система может быть использована в секторах, где необходимо выполнять удаление или сверление материала, например, минерализованного, но не только.
Уровень техники
В соответствии с существующим уровнем техники выполнение отверстий или удаление материала выполняют посредством инструментов, соединенных со шпинделями, приводимыми во вращение, возможно, миниатюрными моторами (микромоторами).
Основные недостатки известных систем сверления или удаления связаны с: i) выделением тепла в материале, с которым они работают, поскольку трение об инструмент и нагрев (микромотора) вызывают нагрев; ii) неэффективным удалением остатков материала, что затрудняет дальнейшее удаление материала в виде осколков; iii) доступным для оператора пространством, который может быть стеснен пространственно.
В настоящее время ультразвуковые колебания, создаваемые пьезоэлектрическим способом или магнитострикцией в твердых, жидких и многофазных средах, находят применение в различных областях промышленности и медицины. Волны давления низкой интенсивности, генерируемые на частотах выше 1 МГц, используют для получения информации о конструкциях (промышленных, гражданских и военных) и внутренних органах человеческого тела (медицинская диагностика). В то время как волны высокой интенсивности на частотах от 20 кГц до 100 кГц возбуждают в резонансных устройствах, вызывая постоянные изменения в различных средствах применения. Этот последний тип волны, широко известный как мощный ультразвук, используют в обрабатывающей промышленности, например, для создания межсоединений в интегральных схемах или сварки термопластичных материалов, а также в пищевой промышленности для резки сладостей и других продуктов питания.
В области медицины, и особенно в области хирургии, мощный ультразвук применяют для рассечения твердых тканей (костей) и мягких тканей, прижигания кровеносных сосудов, а также в стоматологии для удаления зубного камня.
Применительно к области имплантологии исключительно в качестве примера, места для введения винтов или других фиксирующих систем в кость подготавливают с использованием вращающихся инструментов вышеупомянутого типа, которые, однако, имеют серьезные ограничения: во время операции для оператора, а в послеоперационном периоде – для пациента.
Если упомянуть лишь несколько, обычные инструменты являются проблематичными в случае вмешательства на операционных участках при наличии сложных анатомических структур с затрудненным или ограниченным хирургическим доступом или в непосредственной близости от тонких анатомических структур, таких как нервы и кровеносные сосуды.
Большое количество механической энергии, производимой вращением, и значительное давление, которое оператор должен приложить к инструменту, ответственны за возможное повреждение неминерализованных структур, выделение значительного количества тепла, потери вследствие трения, с последующим перегревом минерализованных тканей, утомлением оператора в ущерб точности и необходимому контролю во время операции.
Повышение температуры на месте также вызвано возможным недостаточным удалением минерализованных осколков с места вмешательства, результатом сверления, как на уровне режущих элементов упомянутых инструментов, так и на уровне стенок операционного поля, с последующим образованием слоя осколков, который блокирует каналы нормальной васкуляризации области, ответственной за процесс остеорегенерации.
Настоящее изобретение относится к ультразвуковым силовым системам, предназначенным для использования в медицине и стоматологии, например, в челюстно-лицевой имплантологии, на которую мы, главным образом, ссылаемся для иллюстрации преимуществ и изобретательских аспектов предлагаемых конфигураций. Однако это изобретение в равной степени применимо в других областях медицины и промышленности.
Работа большинства ультразвуковых силовых систем основана на передаче продольных волн в применяемые средства. Эти волны генерируются пьезоэлектрическими преобразователями и передаются в среде через концентраторы или волноводы, называемые ультразвуковыми рупорами.
Однако есть приложения, в которых используют изгибные, крутильные или сложные колебания. В стоматологии, например, продольные колебания, возбуждаемые в ультразвуковых преобразователях, преобразуют в изгибные колебания через соединение со вставками или насадками асимметричной формы. Включение одного или нескольких изгибов в профиль вставки преследует двойную цель: обеспечить хороший доступ внутрь полости рта и преобразовать продольное движение преобразователя в линейную вибрацию изгиба вблизи рабочей части вставки.
В ультразвуковых инструментах для удаления зубного камня сгибание вставок с крючками обычно используют для удаления кальцинированных отложений (зубного камня) с зубов. В ультразвуковых скальпелях (таких как "Пьезохирургическое устройство" от Mectron spa) поперечное движение, создаваемое серповидными вставками, используют для точного рассечения костей челюсти и других минерализованных тканей.
Существуют также ультразвуковые инструменты для удаления зубного камня, которые удаляют зубной камень посредством как линейных, так и эллиптических колебаний, как описано, например, в DE102005044074A1 или EP2057960B1. В этих системах колебательные движения, имеющие двунаправленные компоненты, создаются во вставках посредством изгибных колебаний преобразователя в ортогональных плоскостях, см., в частности, EP2057960B1. Конфигурации этих изгибаемых преобразователей основаны на ранее раскрытой концепции, в которой поперечные колебания вызываются соседними пьезоэлектрическими объемами, вставленными в радиальном и осевом направлении с противоположными поляризациями [см. Mori, Е. et al., New Bolt Clamped Flexural Mode Ultrasonic High Power Transducer with One-Dimensional Construction”, Ultrasonics International 89 Conference Proceedings”; Watanabe, Y. et al., “A Study on a New Flexural-mode Transducer-solid Horn System and its Application to Ultrasonic Plastic Welding”, Ultrasonics Vol. 34, 1996, pp. 235-238; Yun, C-H. et al., “A High Power Ultrasonic Linear Motor using a Longitudinal and Bending Hybrid Bolt-Clamped Langevin Type Transducer”, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 40, 2001, pp. 3773-3776].
В процедурах челюстно-лицевой хирургии ультразвуковые колебания вставок обычно используют для разрезания костной ткани. На сегодняшний день не существует ультразвукового устройства, способного проткнуть челюсть с такой же эффективностью, с которой можно резать челюсть. По этой причине такие процедуры, как подготовка ложа имплантата, по-прежнему выполняют почти исключительно с использованием фрез с приводом от микромоторов.
В соответствии с протоколом зубной имплантации, после того, как сделано первое отверстие уменьшенных размеров, его постепенно расширяют с помощью вращающихся буров с увеличивающимся сечением, пока оно не достигнет диаметра, соответствующего имплантату.
Вставки, обычно используемые в ультразвуковых системах для операций, проводимых в полости рта, имеют недостаточную амплитуду колебаний для выполнения всех этапов подготовки ложа имплантата. Это ограничение заложено в конструкции этих устройств, в которых для одной и той же насадки чем больше поперечное сечение насадок, тем меньше амплитуда создаваемых колебаний. Эта обратная зависимость между сечением и колебанием вставок представляет собой предел применимости технологии, особенно в оральной имплантологии, где необходимо получить отверстия диаметром в несколько миллиметров.
Существует еще одна проблема, связанная с линейной вибрацией вставок, которая не позволяет проколоть ткань челюсти, если не используют применение дополнительно с этим ручного наклона наконечника. Это вспомогательное движение, безусловно, трудно выполнить оператору внутри рта, и в любом случае оно не очень совместимо с требованиями точности, которые сегодня предъявляют в имплантологической практике.
Ультразвуковые устройства, способные рассекать биологические ткани путем возбуждения ультразвуковых крутильных или комбинированных крутильных и продольных колебаний, известны из US7374552B2, US6402769B1, US2009/236938A1, US2011/0278988A1. Общей чертой этих устройств является то, что все они имеют единую геометрическую ось, будучи по существу осесимметричными системами. В челюстно-лицевых применениях, таких как зубная имплантология, колеблющиеся вставки, используемые в полости рта, имеют заметно асимметричную конструкцию относительно оси преобразователя. Следовательно, в этих областях невозможно создать крутильные или продольные и крутильные колебания в рабочих частях вставок в соответствии с требованиями упомянутых изобретений (справедливо только для систем, в которых преобразователи и рабочие части коаксиальны).
Слипженко (Slipszenko) (US2013/0253559A1) разработал конфигурации ультразвуковых систем, в которых попеременно создают крутильные, изгибные или продольные колебания в ультразвуковых скальпелях для обработки мягких тканей с осью, перпендикулярной оси преобразователя. В соответствии с этим решением поперечная вибрация пьезоэлектрического преобразователя может быть преобразована в крутильные, изгибные или продольные колебания путем включения ультразвукового или волноводного рупора, установленного эксцентрично относительно оси преобразователя. Для правильной передачи вибрации диаметр задней части рупора должен быть больше, чем у преобразователя. Хотя возможно создание чередующихся вибрационных семейств на ортогональных плоскостях, требования к компактности, эргономичности и удельному весу стоматологических и челюстно-лицевых устройств не могут быть достигнуты с помощью решения Слипженко. Большие размеры и эксцентричная установка ультразвукового рупора существенно ограничивают видимость внутри ротовой полости. Кроме того, в решении Слипженко один или несколько волноводов вставляют между скальпелем и вибрационным передающим/преобразующим рупором для передачи соответствующих вибраций. Даже сокращая количество этих компонентов до минимума, общая длина устройства все равно будет непригодна для применения внутри ротовой полости.
Миширо (Mishiro) (JPH0373207A) предложил ультразвуковую систему для удаления материала, которая теоретически может найти применение в стоматологии. Предлагаемое решение основано на принципе действия, типичном для ультразвуковых двигателей, в котором эллиптическая вибрация, создаваемая в соединении, образованном ультразвуковым преобразователем, соединенным с волноводом, вызывает вращение рабочего элемента (инструмента), находящегося в контакте с концом волновода. В конфигурациях, показанных в JPH0373207A, рабочий элемент, ось симметрии которого может быть перпендикулярна или параллельна оси симметрии преобразователя, помимо вращения, совершает ультразвуковые колебания, тем самым позволяя удалять материал. Точка контакта между рабочим элементом и волноводом, через которую передают колебательное движение, создаваемое вращением, соответствует пучности продольных и поперечных колебаний, возникающих в месте соединения преобразователь-волновод. В соответствии с конфигурациями, описанными в этом решении, рабочий элемент поддерживают двумя подшипниками, расположенными на одинаковом количестве неподвижных узлов, расположенных вдоль колебательного элемента. Это решение выглядит сложным по своей конструкции и не подходит для применений, в которых рабочие элементы (вставки) необходимо последовательно использовать и заменять, как в зубной имплантологии.
Решение
Настоящее изобретение предлагает альтернативные конфигурации соединения преобразователя/вставки, которые позволяют создавать изгибные, крутильные или комбинированные продольные и крутильные колебания подходящей амплитуды для подготовки ложа имплантата и выполнения других приложений.
Изобретение относится к внедрению новых конфигураций систем преобразователь/вставка, пригодных для выполнения операций в полости рта. С помощью описанных ниже решений можно создать изгибные, крутильные или комбинированные крутильные и продольные ультразвуковые колебания в рабочей части вставок с достаточно высокими амплитудами для подготовки ложа имплантата. Оси вставок и сопряженного изгибного преобразователя могут быть наклонными, ортогональными и копланарными.
В частности, комбинированные изгибные или крутильные и продольные колебания могут быть использованы для создания первого отверстия в ходе процедуры имплантации; в то время как крутильные или крутильные и продольные колебания, генерируемые во вставках соответствующей конфигурации, позволяют выполнить последующие этапы по расширению начального отверстия.
В каждой конфигурации, описанной и проиллюстрированной ниже, соединение между вставками и преобразователем происходит через изгибающий узел.
Ультразвуковая система содержит: средство генерации ультразвуковых микроколебаний; волноводное средство, соединенное со средством генерации и проходящее от него так, чтобы по меньшей мере частично изгибаться; рабочий элемент, соединенный со стационарным узлом изгиба волноводного средства так, чтобы изгибные микроколебания передавались волноводным средством на рабочий элемент в виде знакопеременных крутильных или изгибных микроколебаний; указанное средство генерации содержит по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь, расположенный соосно с преобладающим направлением волноводного средства, при этом дистальный участок указанного волноводного средства вытянут вдоль направления волноводного средства, определяющего ось волноводного средства; указанный рабочий элемент, присоединенный к стационарному узлу изгиба волноводного средства, вытянут вдоль направления, определяющего вторичную или третичную ось; указанная ось волноводного средства и указанная вторичная или третичная ось по существу являются перпендикулярными и пересекающимися и определяют единственную плоскость; указанная ось волноводного средства и указанная вторичная или третичная ось пересекаются друг с другом и образуют угол от 85 градусов до 125 градусов, предпочтительно 90 градусов; и указанные оси рабочего элемента, средства генерации и волноводного средства находятся в одной плоскости.
В одном из вариантов системы, средство генерации выполнено с возможностью изгибать волноводное средство в единственной плоскости колебаний посредством стационарных ультразвуковых микроколебаний; и/или указанная ось волноводного средства и указанная вторичная или третичная ось являются перпендикулярными друг к другу и пересекающимися в указанном стационарном узле изгиба волноводного средства.
Рабочий элемент может быть сформирован за пределами плоскости колебаний, так что изгибные микроколебания передаются в указанный элемент в виде крутильных микроколебаний; и/или указанное волноводное средство по меньшей мере частично изгибается в плоскости колебаний; и указанная ось волноводного средства и указанная вторичная ось по существу являются перпендикулярными и пересекающимися друг с другом и определяют единственную плоскость, перпендикулярную указанной плоскости колебаний.
Рабочий элемент также может быть сформирован в плоскости, которая по существу параллельна плоскости колебаний или совпадает с плоскостью колебаний, так что изгибные микроколебания передаются в указанный рабочий элемент в виде изгибных микроколебаний; и/или указанное волноводное средство по меньшей мере частично изгибается в плоскости колебаний; и указанная ось волноводного средства и указанная третичная ось по существу являются перпендикулярными и пересекающимися друг с другом и определяют единственную плоскость, совпадающую с указанной плоскостью колебаний.
В одном из вариантов системы средство генерации и волноводное средство лежат по существу полностью в плоскости колебаний и выровнены вдоль преобладающего направления волноводного средства; и/или указанное волноводное средство или его волноводный корпус содержит наклонную секцию, которая вытянута вдоль наклонного направления, с предварительно заданным углом наклона относительно преобладающего направления; и/или указанный угол наклона составляет от 5 градусов до 45 градусов, предпочтительно 30 градусов; и/или в указанном волноводном средстве или волноводном корпусе указанная наклонная секция соединена в точке, соответствующей стационарному узлу изгиба волноводного средства или волноводного корпуса.
В одном из вариантов средство генерации выполнено с возможностью генерировать продольные микроколебания, передаваемые вдоль волноводного средства в преобладающем направлении; или средство генерации содержит по меньшей мере два пьезоэлектрических элемента, которые повернуты на 90° друг относительно друга вокруг преобладающего направления/оси, при этом рабочий элемент соединен с волноводом в стационарном узле изгиба, причем ось средства генерации или волновода перпендикулярна оси рабочего элемента.
В частном варианте волноводное средство дистально содержит корпус-несущий элемент, соединенный с рабочим элементом, и по меньшей мере одну направляющую петлю, которая разворачивается радиально относительно указанного преобладающего направления, выполненное с возможностью преобразовывать продольные микроколебания в крутильные микроколебания рабочего элемента.
Предпочтительно, рабочий элемент жестко соединен с корпусом волноводного средства в стационарном узле изгиба.
Рабочий элемент (6) может представлять собой деталь, отделенную от корпуса волноводного средства; и/или рабочий элемент соединен с корпусом волноводного средства с возможностью отсоединения в указанном стационарном узле изгиба волноводного средства.
В вариантах системы рабочий элемент может быть вытянут вдоль вторичного направления, пересекающего или по существу перпендикулярного плоскости колебаний, причем указанное вторичное направление образует ось симметрии указанного рабочего элемента; или
рабочий элемент проходит по меньшей мере частично в третичном направлении, которое по существу параллельно плоскости колебаний, в частности, лежит в плоскости колебаний, причем указанное третичное направление образует ось симметрии указанного рабочего элемента.
В вариантах системы рабочий элемент соединен с волноводным средством или корпусом указанного средства через по меньшей мере один передающий корпус, интегрированный в рабочий элемент или прикрепленный к рабочему элементу, причем указанный передающий корпус выполнен с возможностью усиления или гашения микроколебаний и/или настроен для усиления или гашения микроколебаний, получаемых от средства генерации.
В предпочтительных вариантах, рабочий элемент проходит от волноводного средства, или рабочий элемент и передающий корпус проходят от волноводного средства, на длину, находящуюся в окрестности четверти длины волны λ крутильных или изгибных микроколебаний, создаваемых в рабочем элементе, или ее кратного целого числа (n), причем указанная окрестность меньше или равна λ/10; и/или
рабочий элемент проходит от волноводного средства, или рабочий элемент и передающий корпус проходят от волноводного средства, на длину, находящуюся в окрестности четверти длины волны λ крутильных или изгибных микроколебаний, создаваемых в рабочем элементе, или ее кратного целого числа (n), причем указанная окрестность меньше или равна λ/40.
В частном варианте системы рабочий элемент содержит винтовой шток, который проходит по спирали вдоль вторичного направления, пересекающего плоскость колебаний или по существу перпендикулярного плоскости колебаний, так что дистальный участок рабочего элемента чувствителен к колебаниям при соударениях, с продольной компонентой движения, в дополнение к крутильным колебаниям, возвратно-поступательной вдоль указанного вторичного направления.
Предпочтительно, средство генерации содержит по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь, содержащий пьезоэлектрические элементы, расположенные в электрическом контакте по меньшей мере с одной парой контактных электродов, причем каждый пьезоэлектрический элемент содержит пару полуэлементов с взаимно противоположными направлениями поляризации, расположенных бок о бок в плоскости колебаний, так что при подаче переменного электрического напряжения на контактные электроды, попеременно один полуэлемент расширяется, а другой полуэлемент пары сжимается, чтобы генерировать изгибные микроколебания в средстве генерации и в волноводном средстве.
В предпочтительном варианте системы дистальный конец волноводного средства ограничивает одно или более радиальных соединительных гнезд для присоединения рабочего элемента; или волноводное средство ограничивает два радиальных соединительных гнезда, ориентированных таким образом, что третичное направление рабочего элемента в гнезде является наклонным или по существу ортогональным относительно вторичного направления рабочего элемента, установленного в другом гнезде; и/или каждое соединительное гнездо выполнено с возможностью разъемного присоединения независимого рабочего элемента к ультразвуковой системе.
В частных вариантах одно или более соединительных гнезд содержат полость гнезда, которая проходит внутрь волноводного корпуса, в которой расположено сопряженное резьбовое соединение.
Рабочий элемент содержит буровую головку, резак для удаления материала, (полу)сферический элемент, расширитель или режущий элемент.
Предпочтительно, средство управления средством генерации выполнено с возможностью управления частотой ультразвуковых микроколебаний указанного средства, устанавливая такие значения, чтобы микроколебания рабочего элемента находились в диапазоне частот от 20 до 60 кГц, например, от 20 до 36 кГц, чтобы выборочно удалять по меньшей мере часть минерализованных структур, например, зубов или костей, сохраняя целостность тканей, имеющих более низкую плотность, например, мягких тканей.
Вторым объектом изобретения является устройство для челюстно-лицевой, и/или стоматологической, и/или костной хирургии, содержащее вышеуказанную ультразвуковую систему, являющуюся первым объектом изобретения.
Некоторые из основных преимуществ этого изобретения следующие:
i) достижение высоких вибраций рабочих частей вставок, необходимых для проведения операций в ограниченных пространствах доступа;
ii) уменьшенные размеры (небольшие вставки);
iii) большая универсальность конструкции вставок;
iv) модальные параметры и электромеханическая эффективность преобразователя практически не изменились, несмотря на соединение с различными вставками;
v) возможность проведения подготовки ложа имплантата с использованием одного преобразователя в сочетании с набором вставок с определенными геометрическими и колебательными характеристиками.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает универсальное решение, применимое как в челюстно-лицевой хирургии, так и в других секторах медицины и промышленности.
Настоящее изобретение подпадает под вышеупомянутый контекст, предлагая ультразвуковую систему, которая работает в соответствии с динамикой, отличной от обычного вращения в одном направлении, и которая благодаря описанному инновационному переменному движению позволяет получать результаты, выгодные в отношении уменьшенного перегрева, выгодные с точки зрения лучшего удаления осколков с места использования, выгодные с точки зрения уменьшенных габаритных размеров.
Эту цель достигают с помощью ультразвуковой системы по п.1 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения описывают предпочтительные или выгодные варианты осуществления изобретения.
Описание чертежей
Теперь будет подробно описан объект настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- на фиг. 1A, 1B приведены виды в перспективе ультразвуковой системы в соответствии с настоящим изобретением в соответствии с первым возможным вариантом, в нерабочей конфигурации и в рабочей (или резонансной) конфигурации, соответственно, причем последняя рассчитана с помощью анализа методом конечных элементов;
- на фиг. 2A, 2B, 2C приведены увеличенные виды дистальной области, то есть рабочего элемента ультразвуковой системы, показанной соответственно на фиг. 1A, 1B, тогда как на фиг. 2B, 2C показано два последовательных рабочих момента в цикле резонансных колебаний, эти моменты, в частности, сдвинуты по фазе примерно на 180°;
- на фиг. 3 показан вид в перспективе в нерабочей конфигурации ультразвуковой системы в соответствии с настоящим изобретением в соответствии со вторым возможным вариантом;
- на фиг. 4, 6 показаны два продольных вида в разрезе ультразвуковой системы в соответствии с другим вариантом в два последовательных рабочих момента в цикле резонансных колебаний, причем эти моменты, в частности, сдвинуты по фазе примерно на 180°;
- на фиг. 5, 7 показаны две схемы модальных форм, относящихся к волноводному средству и к рабочему элементу в момент, показанный на фиг. 4 и на фиг. 6, соответственно, при наличии рабочего элемента;
- на фиг. 8 в увеличенном масштабе показан возможный вариант генераторного средства в области пьезоэлементов, в которых генерируют колебания;
- на фиг. 9, 10 показаны виды в перспективе ультразвуковых систем, являющихся предметом настоящего изобретения, в соответствии с другими возможными вариантами;
- на фиг. 11 показан вид в продольном разрезе возможной конфигурации рабочего элемента;
- на фиг. 12, 13 представлены два вида в перспективе, с разнесенными деталями, возможных конфигураций дистальной части волноводного средства, соответственно выполненных с возможностью присоединения одного рабочего элемента или для присоединения рабочего элемента в двух различных положениях;
- на фиг. 14, 16 показаны два продольных вида в разрезе ультразвуковой системы в соответствии с вариантом, показанным на фиг. 9, в два последовательных рабочих момента в цикле резонансных колебаний, причем эти моменты, в частности, сдвинуты по фазе примерно на 180°;
- на фиг. 15, 17 показаны две схемы модальных форм, относящихся к волноводному средству и к рабочему элементу в момент, показанный на фиг. 14 и на фиг. 16, соответственно;
- на фиг. 18, 20 показаны два продольных вида в разрезе ультразвуковой системы в соответствии с вариантом, показанным на фиг. 10, в два последовательных рабочих момента в цикле резонансных колебаний, причем эти моменты, в частности, сдвинуты по фазе примерно на 180°;
- на фиг. 19, 21 показаны две схемы модальных форм, относящихся к волноводному средству и к рабочему элементу в момент, показанный на фиг. 18 и на фиг. 20, соответственно;
- на фиг. 22, 23, 24 показан вид в перспективе ультразвуковой системы, являющейся предметом настоящего изобретения, в соответствии с другим возможным вариантом, и два увеличенных вида дистальной области, то есть на рабочем элементе ультразвуковой системы, показанной на фиг. 22, тогда как на фиг. 23, 24 показаны два последовательных рабочих момента в резонансном колебательном цикле, причем эти моменты, в частности, сдвинуты по фазе примерно на 180° вдоль взаимно различных осей;
- на фиг. 25 приведен вид в перспективе ультразвуковой системы в соответствии с настоящим изобретением в соответствии с первым возможным вариантом, в котором выделены плоскости P колебаний направляющего корпуса и плоскость S элемента, в которой колеблется рабочий элемент, где выделена колебательная деформация изгибного ультразвукового преобразователя и волноводных средств, а также крутильная деформация, индуцированная в рабочем элементе, в момент максимальных колебаний;
- на фиг. 26 приведен вид в перспективе детали решения, представленного на фиг. 25, на котором выделена деформация ультразвуковой системы в момент работы в колебательном резонансном цикле;
- на фиг. 27 представлен вид в перспективе ультразвуковой системы, являющейся предметом настоящего изобретения, в соответствии с дополнительным вариантом, в котором рабочий элемент находится в плоскости P колебаний изгибного ультразвукового преобразователя, и в котором колебательная деформация изгибного ультразвукового преобразователя и волноводного средства и деформация изгиба, вызванная в рабочем элементе, выделены в момент максимальных колебаний;
- на фиг. 28 приведен вид в перспективе детали решения, представленного на фиг. 27, на котором выделена деформация ультразвуковой системы в момент работы в колебательном резонансном цикле.
Описание некоторых предпочтительных вариантов
На вышеуказанных чертежах ссылочная позиция 1 обозначает ультразвуковую систему 1 в целом, содержащую средство 2 генерации ультразвуковых микроколебаний, волноводное средство 4, соединенное со средством 2 генерации, и по меньшей мере один рабочий элемент 6.
Термин "волновод" означает корпус или часть корпуса, который, благодаря своей геометрии и расположению, то есть также его соединению с упомянутым средством 2 генерации, концентрирует и/или усиливает колебания изгиба средства 2 генерации. Такой компонент или часть ультразвуковой системы 1 также называют "концентратором", потому что он концентрирует (и предпочтительно, но не обязательно усиливает) изгибные колебания средства 2 генерации, например, за счет меньшего поперечного сечения по крайней мере в одной своей дистальной части. Этот компонент или часть ультразвуковой системы 1 также называют ультразвуковым рупором.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения упомянутый волновод 4 находится на одной оси или коаксиален с упомянутым средством 2 генерации.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения упомянутое средство 2 генерации содержит несколько пьезоэлектрических элементов 18, отделенных друг от друга массивным корпусом 42 и связанных проксимально с массивным корпусом 40 или тюнером, а дистально – с дополнительным массивным корпусом 44. Эти массивные корпуса 40, 42 и 44 за счет их предварительно заданной массы позволяют откалибровать рабочую частоту или частоты средства 2 генерации.
Например, эта ультразвуковая система 1 представляет собой хирургический инструмент, например костную дрель или стоматологический инструмент. В соответствии с другими вариантами настоящая система 1 представляет собой промышленный инструмент или может использоваться в области строительства, например, как фреза, сверло или режущий инструмент.
В соответствии с различными вариантами рабочий элемент 6 содержит буровую головку 34, резак 36 для удаления материала, (полусферический) элемент, расширитель или режущий элемент (варианты не показаны).
В соответствии с вариантом (например, см. вариант на фиг. 10) средство 2 генерации содержит по меньшей мере один продольный ультразвуковой преобразователь 74 (как определено ниже), в частности типа Langevin.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения средство 2 генерации содержит по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь 16, 74, содержащий один или несколько пьезоэлектрических элементов 18, находящихся в электрическом контакте по меньшей мере с одной парой контактных электродов 20, 22.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения ультразвуковой преобразователь 16, например, также типа Langevin, является изгибным.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения ультразвуковой преобразователь 16, 74 содержит несколько пьезоэлектрических элементов 18, размещенных рядом друг с другом, например, вдоль направления Z' сборки.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения ультразвуковой преобразователь 16, 74 расположен или установлен коаксиально по отношению к преобладающему направлению Z волноводного средства 4.
Следует отметить, что в этом описании выражения "осевой", "радиальный", "поперечный", "продольный" всегда относятся к преобладающему направлению Z, если не указано иное.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения вышеупомянутое направление Z' сборки по существу параллельно или совпадает с преобладающим направлением Z.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения по меньшей мере один пьезоэлектрический элемент 18 расположен в пучности 58 изгибного микроколебания, в частности в ультразвуковом преобразователе 16 изгибного типа.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения ультразвуковой преобразователь 16 содержит по меньшей мере одну пару массивных корпусов 40, 42, 44, которые в осевом направлении окружают по меньшей мере один пьезоэлектрический элемент 18.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения один или несколько массивных корпусов 40, 42, 44 (например, все) изготовлены из металлического материала.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения пьезоэлектрический элемент 18, контактные электроды 20, 22 и необязательные массивные корпуса 40, 42, 44 имеют независимо кольцевую или трубчатую форму и установлены коаксиально друг другу относительно направления Z' сборки.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения пьезоэлектрический элемент 18, контактные электроды 20, 22 и необязательные массивные корпуса 40, 42, 44 могут иметь поперечное сечение – относительно преобладающего направления Z или относительно оси сборки Z' – круглой или многоугольной формы (например, квадратной или прямоугольной).
В соответствии с вариантом осуществления изобретения пьезоэлектрический элемент 18, контактные электроды 20, 22 и необязательные массивные корпуса 40, 42, 44 установлены на соединительном стержне 46 (или внутреннем стержне), который проходит через них в осевом направлении (в частности: относительно направления Z' сборки).
В соответствии с вариантом осуществления изобретения массивные корпуса 40, 42, 44 ультразвукового преобразователя 16 обеспечивают элементы осевого сжатия пьезоэлектрического элемента 18 и контактных электродов 20, 22 или нескольких пьезоэлектрических элементов 18 и контактных электродов 20, 22.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения массивные корпуса 40, 44 ультразвукового преобразователя 16, 74, расположенные на концах в осевом направлении, могут содержать первую резьбу 48, 50, выполненную с возможностью соединения со второй резьбой 52, 54, ограниченной соединительным стержнем 46, например одна из которых находится на конце, а другая – в промежуточном или центральном положении.
- В соответствии с вариантом осуществления изобретения один или несколько пьезоэлектрических элементов 18 ультразвукового преобразователя 16, каждый, содержит пару полуэлементов 24, 26 (или частей 24, 26 элемента) с взаимно противоположными направлениями поляризации и бок о бок в плоскости P колебаний. Таким образом, при подаче переменного электрического напряжения к контактным электродам 20, 22, полуэлемент (24 или 26) попеременно расширяется, в то время как другой полуэлемент (26 или 24) пары сжимается, создавая изгибные микроколебания в средстве 2 генерации и в волноводном средстве 4.
Это явление сжатия/расширения хорошо видно, например, в вариантах на фиг. 4, 6 или 8.
Взяв в качестве примера момент на фиг. 4, можно отметить, что в первой паре левых полуэлементов – в соответствии с ориентацией этой фигуры – верхний полуэлемент 24 (который находится в расширенном состоянии) имеет осевую толщину немного больше, чем у другого полуэлемента 26 пары, расположенного ниже, который находится в сжатом состоянии и поэтому имеет меньшую толщину, чем противоположный элемент. Тем не менее, в то же время другая пара полуэлементов 24', 26', расположенных справа, имеет противоположное состояние из-за электрического напряжения, подаваемого на другую пару.
Более конкретно, пары полуэлементов имеют такое положение и способ колебаний при изгибе, которые преимущественно позволяют ультразвуковой системе 1 резонировать.
Что касается момента до или после показанного на фиг. 4, на фиг. 6 показана противоположная конфигурация, в которой расширенное или сжатое состояния обсуждаемых полуэлементов поменялись местами, создавая периодические колебания волноводного средства 4.
В соответствии с вариантом осуществления настоящая система содержит средство 90 управления электрическим напряжением, подаваемым на средство 2 генерации.
В соответствии с вариантом осуществления средство 90 управления выполнено так, что электрическое напряжение, подаваемое на пару пьезоэлектрических элементов (например, пару соседних элементов), имеет один и то же модуль и одну и ту же фазу.
В соответствии с вариантом осуществления ультразвуковой преобразователь 16, 74 содержит по меньшей мере одну пару пьезоэлектрических элементов 18, размещенных рядом друг с другом вдоль оси, например, вдоль направления Z' сборки.
В соответствии с вариантом осуществления в этой паре пьезоэлектрических элементов 18 (например, содержащихся в ультразвуковом преобразователе 16) полуэлемент 24, 26 с определенным направлением поляризации расположен бок о бок в радиальном направлении и в осевом направлении с полуэлементами, обладающими противоположным направлением поляризации.
Более конкретно, в паре соседних пьезоэлектрических элементов направления поляризации между соседними в радиальном направлении полуэлементами (в частности, расположенными симметрично относительно направления Z' сборки) являются противоположными, и направления поляризации между соседними полуэлементами в направлении Z' сборки также являются противоположными (более конкретно, расположенными на одной стороне вдоль такого направления Z' сборки).
В соответствии с вариантом осуществления полуэлементы 24, 26 разделены промежуточными пространством 56, которое проходит в по существу перпендикулярной плоскости относительно плоскости P колебаний.
В соответствии с вариантом осуществления полуэлементы 24, 26 выполнены в виде круглого или (полу-) кольцевого сектора, например, в виде полумесяца.
В соответствии с другим вариантом осуществления пьезоэлектрический элемент 18 (например, ультразвукового преобразователя 16) или несколько таких элементов выполнены в виде кольца, содержащего два участка элемента, имеющих взаимно противоположные направления поляризации (в частности, расположенные симметрично относительно направления Z' сборки) и промежуточный участок без поляризации.
Что касается признаков продольного ультразвукового преобразователя 74, такой преобразователь не выполнен с возможностью вибрировать в одной плоскости, как в только что обсуждавшемся варианте. Наоборот, такой преобразователь 74 выполнен с возможностью генерировать продольные микроколебания (т.е. вдоль направления Z' сборки и/или вдоль преобладающего направления Z; например, см. направление стрелок на фиг. 19 или 21, на которых имеется основной продольный компонент в преобладающем направлении Z) и чередовать, так что их передают на волноводное средство 4.
В соответствии с вариантом осуществления пьезоэлектрические элементы 18 (например, ультразвукового преобразователя 74 продольного типа) выполнены в виде кольца или трубки.
В соответствии с вариантом осуществления ультразвуковой преобразователь 74 содержит по меньшей мере одну пару пьезоэлектрических элементов 18 с взаимно противоположными направлениями поляризации и параллельных направлению Z' сборки.
Волноводное средство 4 соединено со средством 2 генерации и проходит от него так, чтобы по меньшей мере частично изгибаться (и преимущественно резонировать).
Следует отметить, что выражение "по меньшей мере частично" означает такое изгибание, которое относится по существу ко всему волноводному средству 4 (как, например, схематично показано на фиг. 4-7 или 14-17), или изгибание, касающееся только части такого средства (см., например, ссылочную позицию 28 на фиг. 19 или 21).
В соответствии с вариантом осуществления средство 2 генерации выполнено с возможностью изгибать волноводное средство 4 в одной плоскости P колебаний посредством стационарных ультразвуковых микроколебаний.
Другими словами, в соответствии с этим вариантом осуществления волноводное средство 4 может изгибаться под действием микроколебаний, генерируемых средством 2 генерации (и преимущественно резонировать под действием этих микроколебаний), так что колебания волноводного средства 4 являются стационарными по меньшей мере с одним стационарным узлом 8 изгиба.
Следует отметить, что в данном описании выражение "стационарный узел" означает, по меньшей мере, один ортогональный сегмент (относительно преобладающего направления Z) волноводного средства 4, характеризующийся отсутствием микроколебаний или микровибрации.
В частности, изгибная вибрация, описанная выше, имеет место на частоте, соответствующей изгибной частоте средства генерации, например, на частоте изгибного резонанса, причем такую частоту можно, например, установить с помощью средства 90 управления (например, электронного) средства 2 генерации.
Рабочий элемент 6 соединен со стационарным узлом 8 изгиба, так что изгибные микроколебания передаются волноводным средством 4 на рабочий элемент 6 в виде попеременных крутильных или изгибных микроколебаний.
Другими словами, изгибы, вызванные средством 2 генерации, передают на рабочий элемент 6, так что последний колеблется попеременно/возвратно-поступательно, крутильным или изгибным образом.
В соответствии с вариантом осуществления, см., например, фиг. 2A, фиг. 3 или фиг. 10, рабочий элемент 6 проходит за пределами плоскости P колебаний, так что изгибные микроколебаний передаются в виде чередующихся крутильных микроколебаний элемента 6.
В соответствии с вариантом осуществления, см., например, фиг. 9, рабочий элемент 6 проходит в по существу параллельной, как вариант, совпадающей плоскости относительно плоскости P колебаний, так что изгибные микроколебаний передаются в виде чередующихся изгибных микроколебаний элемента 6.
В соответствии с вариантом осуществления средство 2 генерации выполнено с возможностью генерировать продольные микроколебания, передаваемые вдоль волноводного средства 4 в преобладающем направлении Z.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения волноводное средство 4 дистально содержит корпус-несущий элемент 72, соединенный с рабочим элементом 6 (например с его основанием 62), и по меньшей мере, одну направляющую петлю 28, которая проходит радиально относительно упомянутого преобладающего направления Z. Таким образом, корпус-несущий элемент 72 и направляющая петля 28 выполнены с возможностью преобразования продольных микроколебаний в крутильные микроколебания рабочего элемента 6.
Другими словами, направляющая петля 28 приводит к преобразованию продольных микроколебаний средства 2 генерации в изгибные микроколебания, которые соответствующим образом преобразуются в чередующиеся крутильные микроколебания корпуса-несущего элемента 72.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения корпус-несущий элемент 72 определяет стационарный узел 8 изгиба.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения направляющая петля 28 соединена (например, жестко) на первом конце 76 с направляющим корпусом 10, в дальнейшем также называемым волноводным корпусом 10, волноводного средства 4, а на противоположном втором конце 78 – с корпусом-несущим элементом 72.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения направляющий корпус 10 содержит проксимальную часть 82 и дистальную часть 84, соединенные друг с другом с возможностью отсоединения.
Следует отметить, что в настоящем описании термин "дистальный" означает компоненты, расположенные на рабочем элементе 6 или обращенные к нему; с другой стороны, термин "проксимальный" означает компоненты, расположенные на противоположной стороне по отношению к элементу 6, в частности в направлении к массивному корпусу 40, расположенному на осевом конце преобразователя 16, 74.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения разъемное соединение между проксимальной частью 82 и дистальной частью 84 реализовано с помощью байонетного соединения или, например, как схематично показано на фиг. 18 или 20, с помощью резьбового соединения 86.
В соответствии с вариантом осуществления проксимальная часть 82 и дистальная часть 84 геометрически связаны, например, с помощью муфты "папа-мама".
В соответствии с вариантом осуществления дистальная часть 84 ограничивает охватывающую часть, в которую по меньшей мере частично вставлена проксимальная охватываемая часть 82.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения дистальная часть 84, направляющая петля 28 и, как вариант, корпус-несущий элемент 72 выполнены в виде единой детали.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения (не показан) стационарный узел изгиба находится в преобладающем направлении Z (в частности, когда средство 2 генерации находится в нерабочем состоянии).
В соответствии с вариантом осуществления изобретения стационарный узел 8 изгиба смещен в радиальном направлении по отношению к преобладающему направлению Z (в частности, когда средство 2 генерации находится в нерабочем состоянии).
В соответствии с вариантом осуществления изобретения средство 2 генерации и волноводное средство 4 по существу полностью размещены в плоскости P колебаний.
В соответствии с вариантом осуществления средство 2 генерации и волноводное средство 4 выровнены вдоль преобладающего направления Z прохождения волноводного средства 4.
В соответствии с вариантом осуществления направляющее корпус 10 представляет собой продолжение (в частности, осевое продолжение) соединительного стержня 46.
В соответствии с вариантом осуществления волноводное средство 4 способно по меньшей мере частично изгибаться или резонировать вместе со средством 2 генерации.
Рабочий элемент 6 соединен со стационарным узлом 8 изгиба, так что изгибные микроколебания передаются волноводным средством 4 на рабочий элемент 6 в виде переменных крутильных или изгибных микроколебаний.
В частности, передача изгибных микроколебаний от волноводного средства 4 к рабочему элементу 6 происходит посредством динамического крутящего момента, параллельного плоскости P колебаний (как вариант, принимаемого в этой плоскости P) и с точкой опоры в стационарном узле изгиба, воздействуя на основание 62 рабочего элемента 6, чтобы создавать крутильные или изгибные микроколебания.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения такая передача происходит без влияния микроколебаний рабочего элемента 6 на микроколебания средства 2 генерации и/или волноводного средства 4, и наоборот, путем изменения формы или амплитуды.
Отсюда следует, что изгибные микроколебания волноводного средства 4 могут быть трансформированы в чередующиеся крутильные микроколебания или в чередующиеся изгибные микроколебания. Например, различное крутильное/изгибное преобразование может зависеть от различных посадочных мест 30, 32, 80 соединения, определяемых волноводным средством 4, сцепленным с рабочим элементом 6.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения волноводное средство 4 содержит по меньшей мере один направляющий корпус 10, например, по существу, трубчатой или цилиндрической формы.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения направляющий корпус 10 имеет по существу постоянное поперечное сечение по всей своей длине.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения направляющий корпус 10 имеет по меньшей мере одно сужающееся поперечное сечение в дистальном направлении. Например, дистальная часть 84 может быть сужена дистально.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения направляющий корпус 10 имеет переменное поперечное сечение, например, увеличивающееся или уменьшающееся от средства 2 генерации, например, для усиления или гашения микроколебаний, проходящих через корпус 10, в зависимости от потребностей.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения направляющий корпус 10 имеет по существу круглое поперечное сечение.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения рабочий элемент 6 жестко соединен с корпусом 10, 72 волноводного средства 4 в стационарном узле 8 изгиба.
Следует отметить, что в настоящем описании выражение "корпус 10, 72" означает "направляющий корпус 10" или "корпус-несущий элемент 72" в соответствии с вариантами осуществления изобретения, которые требуют использования одного или другого из упомянутых корпусов.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения рабочий элемент 6 соединен с возможностью отсоединения с корпусом 10, 72 волноводного средства 4.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения разъемное соединение между рабочим элементом 6 и направляющим корпусом 10 осуществляют с использованием сопряженной соединительной резьбы 12, расположенной на элементе 6 и на корпусе 10.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения разъемное соединение между рабочим элементом 6 и направляющим корпусом 10 может содержать вышеупомянутое разъемное соединение между проксимальной частью 82 и дистальной частью 84.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения разъемное соединение между рабочим элементом 6 и направляющим корпусом 10 осуществляют с помощью фиксирующего элемента 60, например, штифта, соединенного с направляющим корпусом 10 (возможно, посредством сопряженной соединительной резьбы 68, 70).
В соответствии с вариантом осуществления изобретения направляющий корпус 10 может ограничивать по меньшей мере одно гнездо 66 для элемента, чтобы по меньшей мере частично вмещать (например, полностью) фиксирующий элемент 60.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения фиксирующий элемент 60 или штифт действует, прижимаясь к опорной поверхности 64, ограниченной рабочим элементом 6, в частности, ограниченной его основанием 62.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения опорная поверхность 64 является по существу плоской или вогнутой.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения рабочий элемент 6 проходит вдоль вторичного направления Y, наклонного или по существу перпендикулярного относительно плоскости P колебаний.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения вторичное направление Y представляет собой ось симметрии рабочего элемента 6.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения вторичное направление Y пересекает плоскость P колебаний в неподвижном узле 8 изгиба.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения вторичное направление Y лежит в плоскости S элемента, ортогональной плоскости P колебаний.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения рабочий элемент 6 проходит по меньшей мере частично в третичном направлении X, по существу, параллельно, как вариант - в плоскости P колебаний.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения третичное направление X представляет собой ось симметрии рабочего элемента 6.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения рабочий элемент 6 соединен с волноводным средством 4 или с корпусом 10, 72 упомянутого средства 4 по меньшей мере через один передающий корпус 14, например, интегрированный в рабочий элемент 6 или прикрепленный к нему.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения передающий корпус 14 может быть выполнен как одно целое с рабочим элементом 6.
В соответствии с вариантом осуществления передающий корпус 14 может быть установлен на рабочий элемент 6, например, с возможностью отсоединения.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения передающий корпус 14 спроектирован так, чтобы просто передавать микроколебания от средства 2 генерации к рабочему элементу 6, не изменяя при этом каким-либо образом частоты таких микроколебаний.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения передающий корпус 14 сконфигурирован и/или настроен так, чтобы усиливать или, наоборот, гасить микроколебания, принимаемые от средства 2 генерации.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения рабочий элемент 6 проходит, или рабочий элемент 6 и передающий корпус 14 проходят от волноводного средства 4 на длину L (см., например, фиг. 11), содержащуюся в окрестности I четверти, или кратного целого числа n от λ крутильных или изгибных микроколебаний, создаваемых в рабочем элементе 6 (упомянутая окрестность I меньше или равна n*λ/10, предпочтительно λ/10 и даже более предпочтительно λ/40).
В соответствии с вариантом осуществления изобретения длину L измеряют вдоль вторичного направления Y или вдоль третичного направления X.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения волноводное средство 4 (или его направляющий корпус 10) содержит дистально асимметричный участок 92 (например, загнутый или наклонный участок) относительно преобладающего направления Z, при этом стационарный узел 8 изгиба расположен в таком асимметричном участке 92.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, волноводное средство 4 (или его направляющий корпус 10) содержит наклонную секцию 94, которая проходит вдоль наклонного направления D относительно преобладающего направления Z с предварительно заданным углом α наклона.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения угол α наклона представляет собой острый угол.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения дистальный конец 4' волноводного средства 4 ограничивает одно или несколько радиальных соединительных гнезд 30, 32 для присоединения рабочего элемента 6.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, волноводное средство 4 ограничивает два радиальных соединительных гнезда 30, 32, ориентированных так, что третичное направление рабочего элемента 6 в гнезде 30 наклонно или по существу ортогонально относительно вторичного направления Y рабочего элемента 6, установленного в другом гнезде 32.
Точнее, каждое соединительное гнездо 30, 32 выполнено с возможностью присоединения (например, разъемного присоединения) независимого рабочего элемента 6 к ультразвуковой системе 1.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения дополнительные соединительные резьбы 12 могут быть расположены на радиальном соединительном гнезде 30, 32.
Например, одно или несколько соединительных гнезд могут содержать полость 88 гнезда, которая проходит внутрь направляющего корпуса 10 (то есть, по меньшей мере, частично на толщину такого корпуса 10), в которой расположены упомянутые сопряженные резьбовые соединения 12.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения рабочий элемент 6 содержит винтовой шток 38, который проходит по спирали вдоль вторичного направления Y, так что дистальная часть 6' рабочего элемента 6 чувствительна к колебаниям при соударениях с продольной и переменной компонентой вдоль вторичного направления Y.
Другими словами, этот вариант предусматривает, что крутильные микроколебаний, приложенные к асимметрии винтового штока 38, создают микроколебаний вдоль вторичного направления Y.
Другими словами, дистальная часть 6' рабочего элемента 6 в соответствии с этим вариантом способна в дополнение к крутильным колебаниям получать дополнительные ударные колебания с продольной и переменной компонентой вдоль вторичного направления Y.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения ультразвуковая система 1 содержит средство 90 управления средством 2 генерации, выполненное с возможностью управлять частотой ультразвуковых микроколебаний средства 2 при таких значениях, чтобы микроколебания рабочего элемента 6 находились в диапазоне частот от 20 до 60 кГц, например 20-36 кГц. Таким образом, часть минерализованных структур (например, зубы или кости) может быть выборочно удалена (или проколота) при сохранении целостности тканей с более низкой плотностью (например, мягких тканей).
Инновационно, ультразвуковая система, являющаяся объектом настоящего изобретения, позволяет блестяще преодолеть недостатки, связанные с предшествующим уровнем техники.
Точнее, настоящее изобретение позволяет обеспечить рабочее действие, например сверление, посредством возвратно-поступательного крутильного или изгибного движения рабочего элемента, отказавшись от простого вращательного действия, типичного для инструментов, используемых в предшествующем уровне техники, с очевидным рабочим и, возможно, клиническим преимуществом.
Преимущественно, в отличие от обычных устройств, настоящая ультразвуковая система не использует микродвигатели, которые связаны с макроскопическими колебаниями.
Преимущественно настоящая ультразвуковая система обеспечивает высокую универсальность использования, поскольку рабочий элемент может независимо выполнять операции сверления или удаления в зависимости от ориентации гнезда, соединяемого с этим элементом.
Преимущественно настоящая ультразвуковая система обеспечивает высокую гибкость использования благодаря геометрии и особенностям выбранной рабочей части.
Преимущественно настоящая ультразвуковая система позволяет получить большую тактильную чувствительность и большую точность во время работы, поскольку прилагаемые усилия, требуемые оператором, существенно ниже.
Преимущественно настоящая ультразвуковая система использует ультразвуковые микроколебаний рабочего элемента, которые создают отверстия или удаляют материал в процессе очень тонкого измельчения удаляемого материала или ткани, которые затем немедленно удаляются механическим действием возможной присутствующей ирригационной жидкости.
В любом случае, описанное возвратно-поступательное движение благоприятно способствует удалению или естественному высвобождению осколков материала.
Преимущественно, в настоящей ультразвуковой системе эффекты центробежного перегрева менее значительны, чем (или даже минимизированы по отношению к ним) эффекты, создаваемым макровибрациями, генерируемыми вращением обычных насадок/фрез.
Преимущественно настоящая ультразвуковая система позволяет достичь повышенной стабильности рабочего элемента в начале сверления или удаления материала.
Преимущественно настоящая ультразвуковая система позволяет получить заметно более высокую рабочую точность, чем обычные вращающиеся инструменты (например, в отношении буровых насадок); последние фактически нестабильны в начале сверления из-за центробежного компонента, который заставляет инструмент отклоняться от требуемой оси сверления. Фактически, в соответствии с предшествующим уровнем техники и, в частности, в области имплантационной хирургии, вначале используют наконечник специальной формы для зацепления с просверливаемой поверхностью кости (наиболее распространенный вариант, известный как наконечник с розеткой и ланцетный резак).
Напротив, в сочетании с его микровибрационным действием конкретная конфигурация рабочего элемента в соответствии с изобретением позволяет придать большую стабильность не только из-за существенного исключения какого-либо центробежного компонента для запуска инструмента.
Преимущественно в настоящей ультразвуковой системе можно добиться большей очистки поверхности раздела между рабочим элементом и подложкой и возможного улучшения остеорегенеративных процессов (для вариантов, которые предусматривают хирургическое, имплантационное или стоматологическое использование системы, описанной в этом документе).
Преимущественно ультразвуковые микроколебаний, воздействующие на рабочий элемент, вызывают кавитацию любых жидкостей, которые могут присутствовать (например, ирригационной жидкости), позволяют удалять костные осколки с боковых стенок отверстия, выполненного этим элементом, оставляя вышеупомянутую поверхность раздела чистой за счет промывки стенок отверстия ультразвуковой системой. Таким образом, не образуется традиционный смазанный слой кости, создаваемый спиралевидными наконечниками и обычными сверлами, что способствует остеорегенеративным процессам.
Преимущественно, в настоящей ультразвуковой системе выборочное сверление костных тканей достигается за счет использования низкочастотных колебаний. Фактически, вибрации с выбранной частотой оказываются чрезвычайно полезными для сверления или удаления минерализованных структур, например костей или зубов, но они неэффективны при воздействии на мягкие ткани.
Следовательно, предпочтительно, случайный контакт с мягкими тканями, имеющими более низкую плотность, не вызывает никаких повреждений или разрывов, а только кратковременное и ограниченное выделение тепла.
Преимущественно динамические характеристики средства генерации и волноводного средства лишь незначительно зависят от характера рабочего элемента (например, массы, геометрии и/или его продольной и/или поперечной нагрузки), поскольку такой элемент закреплен на стационарном узле, и поэтому такое основное свойство по существу не связано с созданием и поддержанием микровибрационного движения.
Кроме того, характер и динамические характеристики средства генерации и волноводного средства (например, масса, геометрия и/или продольная и/или поперечная нагрузка на волноводное средство и/или средство генерации) не влияют, или лишь незначительно влияют на колебания рабочего элемента, за исключением передачи требуемых микроколебаний.
Это обстоятельство, следовательно, делает настоящую ультразвуковую систему особенно универсальной в конструкции и использовании рабочих элементов, которые могут быть связаны с настоящей системой.
Преимущественно настоящая система была разработана для работы на фиксированной частоте, чтобы генерировать заранее определенные стационарные узлы изгиба, всегда расположенные в одном и том же осевом положении средства генерации и волноводного средства.
В соответствии с дополнительным предпочтительным аспектом, хотя частота фиксированного средства генерации остается, конфигурация рабочего элемента (например, длина L, сечение, материал или тому подобное) может быть отрегулирована в соответствии с потребностями, в частности путем регулировки на этапе проектирования признаков этого элемента, настраивая его на соответствующую гармонику микроколебаний.
В качестве примера, если бы было необходимо или выгодно разработать рабочий элемент очень малых размеров, то можно было бы получить очень большие амплитуды его микроколебаний, задавая длину L рабочего элемента, равной примерно четверти длины волны возбуждаемых микроколебаний.
Преимущественно часть рабочего элемента может выступать в качестве усилителя или гасителя микроколебаний.
Преимущественно вибрационные или резонансные характеристики рабочего элемента могут быть изменены даже после реализации самого элемента, например, для усиления или гашения микроколебаний.
Преимущественно настоящее средство генерации было разработано для генерации и передачи колебаний, способных изгибать волноводное средство в одной плоскости колебаний, надежным, непрерывным образом и с техническими устройствами, которые просты в реализации.
Преимущественно настоящее средство генерации было спроектировано так, чтобы легко вмещать все необходимые компоненты с усилием (предварительного) сжатия, которое может быть определено в соответствии с потребностями.
Преимущественно настоящая система была разработана для обеспечения возможности вибрации рабочих элементов различной формы, поскольку стационарный узел представляет собой место, характеризующееся отсутствием движения в направлении генерации изгибных колебаний.
Это последнее обстоятельство делает настоящую систему особенно инновационной в том смысле, что, в отличие от чрезвычайно широко распространенного технического предубеждения, рабочий элемент размещают возле того места (стационарного узла), в котором не происходит никакого движения.
Другими словами, хотя стационарный узел имеет неподвижную точку или линию, его окружение имеет минимальное движение, но все же достаточное, чтобы обеспечить требуемое возбуждение микроколебаний.
Преимущественно рабочие элементы, которые можно использовать в настоящем изобретении, чрезвычайно малы, в основном из-за длин волн, обсуждаемых выше.
Преимущественно система, являющаяся объектом настоящего изобретения, позволяет оказывать микроперкуссионное действие, которое облегчает проникновение рабочего элемента в просверливаемую ткань.
Для удовлетворения конкретных потребностей в вариантах осуществления вышеупомянутой системы специалист в данной области техники может внести несколько изменений или замен элементов на другие функционально эквивалентные элементы.
Также такие варианты входят в объем защиты, заданный приведенной ниже формулой изобретения.
Более того, каждый вариант, описанный как относящийся к возможному варианту осуществления изобретения, может быть реализован независимо от других описанных вариантов.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, начиная с варианта, в котором преобразование изгибных колебаний в крутильные колебания происходит за счет соединения в неподвижном узле изгиба, можно предложить варианты пьезоэлектрического преобразователя. В соответствии с вариантом осуществления изобретения преобразователь полностью представлен на фиг. 1 и 9, который по форме, размеру и расположению пьезокерамики представляет собой преобразователь, способный создавать колебания изгиба в волноводном средстве 4 (или волноводном корпусе 10). В качестве альтернативы, изгибная вибрация может быть получена путем "вырождения" продольной вибрации посредством волновода 4, обладающего асимметрией относительно продольной оси Z самого преобразователя. В соответствии с вариантом осуществления, на фиг. 10 представлен продольный преобразователь (ланжевеновского типа, 74), состоящий из пьезоэлектрических полуэлементов 24, 26, массивного корпуса или опорной массы или тюнера, 40, волновода или рупора или концентратора 4, с направляющим корпусом 10, с которым соединен преобразователь колебаний (в данном случае петля 28) с помощью резьбы (резьбового соединения 86), в котором находится корпус-несущий элемент 72, и совпадающее со стационарным узлом 8, посадочное гнездо 80 для рабочего элемента 6.
Также в этом варианте осуществления изобретения стационарный узел изгиба находится на преобладающей оси Z средства генерации, обеспечивая соединение со стационарным узлом рабочего элемента 6 и ортогональность между плоскостью узла (плоскостью P колебаний) и осью Y симметрии самого рабочего элемента.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения преобладающее направление Z и ось рабочего элемента 6 являются наклонными, по существу, ортогональными, то есть расположены под углом от 85 до 125 градусов, предпочтительно 90 градусов, и принадлежат одной плоскости (т.е. без эксцентриситета).
В соответствии с вариантом осуществления изобретения улучшенные характеристики (амплитуда вибрации) в дистальной части рабочего элемента 6 достигают, когда диаметр d' волновода 4 больше диаметра d штока рабочего элемента 6, и предпочтительно, если диаметр d' волновода 4 больше или равен половине d/2 диаметра штока рабочего элемента 6.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, со ссылкой на фиг. 24 и 25, диаметр штока d соответствует диаметру цилиндрического рабочего элемента 6, тогда как на фиг. 9, 10, 11, 12, 13 диаметр d соответствует диаметру передающего корпуса 14. Основание рабочего элемента 62 служит, например, даже если не только для этого, для присоединения, например привинчивания, рабочего элемента 6 к дистальной части волновода 4.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения предложено решение для увеличения интраоперационной видимости в области ротовой полости, которая включает в себя первый и второй коренной зуб (как на уровне нижней челюсти, так и на уровне верхней челюсти), видимость которой ограничена из-за размера рта и различий между каждым пациентом в отношении открывания рта.
Для преодоления этой проблемы в настоящее время используют микродвигатели, снабженные противоположной частью (то есть частью спирального сверла, к которой подсоединен рабочий элемент), при этом дистальная часть отклонена относительно основной продольной оси самой противоположной части. Угол наклона дистальной части обычно составляет 120° (30°, если рассматривать острый угол по отношению к преобладающему направлению).
В соответствии с вариантом осуществления изобретения дистальная часть волноводного средства 4 (или волноводного корпуса 10) наклонена по отношению к преобладающему направлению Z, при этом этот вариант не влияет на передачу и преобразование колебаний на уровне рабочего элемента 6 (т.е. таким образом, что чисто изгибную вибрацию средства 2 генерации и волноводного средства 4 преобразуют или передают в рабочем элементе 6, соединенном со стационарным узлом, в крутильные колебания или в изгибные колебания, полностью лежащие в плоскости P, соответственно).
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, чтобы обеспечить требуемый наклон дистальной части волноводного средства 4 или волноводного корпуса 10 без ущерба для передачи/преобразования колебаний в рабочем элементе 6, предложен волноводный корпус 10, проходящий, например, в двух направлениях, которые определены проксимально и дистально относительно средства 2 генерации. Проксимальное направление коаксиально преобладающему направлению Z, тогда как дистальная часть наклонена по отношению к самому преобладающему направлению Z (направлению D) на угол α от 5 до 45°, предпочтительно 30°. Для сохранения инновационных характеристик предлагаемой ультразвуковой системы 1 два направления (Z и D) также падают в точку, соответствующую стационарному узлу изгиба волноводного средства 4 или волноводного корпуса 10. Ось D дистальной части волноводного средства 4 и ось (Y или X) рабочего элемента 6 продолжают образовывать угол от 85 до 125 градусов, предпочтительно 90 градусов.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, чтобы иметь значительную амплитуду колебаний в дистальной части рабочего элемента 6, рабочий элемент 6 должен иметь диаметр d, меньший, чем диаметр d' волновода 4, и предпочтительно d ≤ 1/2 d'. Со ссылкой, например, на фиг. 11, диаметр d рабочего элемента соответствует диаметру передающего корпуса 14 рабочего элемента, в то время как на фиг. 25-28 эти элементы представлены упрощенно (в виде цилиндрических тел) для облегчения понимания изобретения.
Важно понимать, что использование стационарного узла (изгиба) в качестве точки соединения между двумя вибрирующими элементами для передачи/преобразования колебаний первого элемента во второй (от волновода к рабочему элементу) существенно отличается от передачи колебательного движения путем соединения вибрирующих элементов через точку/участок пучности (как, например, сделано в предшествующем уровне техники). Использование пучности является обычным решением, принятым в ультразвуковых энергетических системах, в котором точку максимального колебания резонансного компонента (фактически пучность) используют в качестве источника возбуждения для второго резонансного компонента, соединенного с ним, который, в свою очередь, будет демонстрировать пучность вибраций в точке/участке соединения. Поскольку стационарный узел представляет собой точку минимальных колебаний, в предшествующем уровне техники (например, в ультразвуковых силовых системах) его используют в качестве точки/участка соединения/закрепления для изоляции вибраций колебательного элемента/устройства по отношению к прикрепленной к нему конструкции (например, наконечника или корпуса любого типа, соединенного с вибрирующей ультразвуковой системой через фланцы, размещенные в узловых частях), которая не должна колебаться. С другой стороны, в ультразвуковых силовых системах использование пучностей, а не узлов, для передачи колебаний от одного колебательного элемента к другому является единственным предлагаемым решением.
С другой стороны, благодаря признакам настоящего изобретения, в котором соответствующим образом выбраны семейства мод, гармоник и граничных условий, стационарный узел может быть использован в качестве точки/участка для преобразования/передачи колебаний значительной амплитуды в дистальную часть рабочего элемента, соединенного с волноводом.
Преимущества, вытекающие из предложенных конфигураций, заключаются в следующем: высокая вибрация рабочих частей, пригодная для проведения операций в ограниченном доступном пространстве; уменьшенные габаритные размеры (длина рабочего элемента пропорциональна λ/4, а не только λ/2, как в известных ультразвуковых системах); практически отсутствует влияние рабочего элемента 6 на частоту и колебательную (модальную) форму сочленения система/генератор колебаний; большая геометрическая универсальность конструкции рабочего элемента; возможность использования единственного соединения средства 2 генерации и волновода 4 для вибрационной активации набора (множества) рабочих элементов 6, каждый из которых имеет определенные геометрические и колебательные характеристики, без соединения с такими рабочими элементами, изменяющими электродинамическую эффективность системы.
Аналогичное пояснение следует сделать в отношении использования вибрирующих рабочих элементов 6 с длиной, близкой к четверти (или кратной ей) длины волны крутильного/изгибного колебания, генерируемого в элементе. Обычно в ультразвуковых силовых системах длина колеблющихся компонентов составляет половину (или кратное) длины волны генерируемой вибрации. В противном случае, благодаря конкретным конфигурациям, предложенным в этом изобретении, а также выбранным семействам мод, гармоник и граничных условий, можно задействовать рабочие элементы 6, длина которых близка к четверти (или ее кратному) длины волны генерируемого крутильного/изгибного колебания (в элементе), обеспечивая вышеупомянутые преимущества, в частности, высокие вибрации и уменьшенные размеры.
Благодаря настоящему изобретению можно получить передачу/преобразование изгибных колебаний, создаваемых средством 2 генерации и передаваемых по волноводу 4, в крутильные (или крутильно-продольные) или изгибные колебания рабочего элемента 6, ось которого проходит под углом и ортогональна или почти ортогональна к оси волновода 4 и/или средства 2 генерации.
Оси рабочего элемента, средства генерации и волновода могут быть копланарными (поэтому нет необходимости выполнять эксцентриковый узел для требуемого преобразования/передачи колебаний).
Кроме того, передача/преобразование колебаний происходит посредством механического присоединения рабочего элемента 6 в изгибающем узле (а не через пучность, как в предшествующем уровне техники) волновода 4.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения волновод 4 отсутствует, а соединение рабочего элемента 6 выполняют в узле изгиба непосредственно со средством 2 генерации.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения оси средства 2 генерации и волновода 4 расположены под углом и не совпадают. Рабочий элемент 6 предлагаемого изобретения функционально позволяет следующее: (i) не устанавливать эксцентрично по отношению к волноводу 4 (или к средству 2 генерации, если волновод 4 отсутствует); (ii) иметь поперечное сечение (диаметр d) меньше диаметра d' волновода 4; (iii) иметь длину, пропорциональную λ/4, а не только λ/2, как у всех компонентов резонансной системы предшествующего уровня техники.
В этом описании упоминаются плоскости колебаний системы, относящиеся к плоскостям, содержащим оси рабочего элемента 6 и средства 2 генерации и/или волновода 4, поясняя, что соединение между колеблющимися элементами не является эксцентричным, как предложено в уровне предшествующем техники.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения средство 2 генерации содержит два пьезоэлектрических элемента, повернутых друг относительно друга на 90° вокруг преобладающего направления/оси Z, и в которых присоединение рабочего элемента 6 происходит в стационарном узле изгиба, и обеспечена ортогональность оси генератора 2 и/или волновода 4 и самого рабочего элемента 6. Благодаря этой конфигурации можно передавать изгибные колебания, генерируемые в преобразователе (или средстве 2 генерации) и в волноводе 4, на рабочий элемент 6 в виде крутильных или изгибных колебаний, в зависимости от возбуждаемого пьезоэлектрического элемента, что позволяет исключить двойное соединительное гнездо для рабочей вставки 6, как показано на фиг. 13.
Список ссылочных позиций
1 ультразвуковая система
2 средство генерации
4 волноводное средство
4' дистальный конец
6 рабочий элемент
6' дистальный участок рабочего элемента
8 стационарный узел изгиба
10 направляющий корпус или волноводный корпус
12 сопряженное резьбовое соединение
14 передающий корпус
16 изгибной ультразвуковой преобразователь
18 пьезоэлектрический элемент
20 контактный электрод
22 контактный электрод
24 полуэлемент или часть элемента
24' полуэлемент или часть элемента
26 полуэлемент или часть элемента
26' полуэлемент или часть элемента
28 направляющая петля
30 радиальное соединительное гнездо
32 радиальное соединительное гнездо
34 буровая головка
36 резак для удаления материала
38 винтовой шток
40 массивный корпус
42 массивный корпус
44 массивный корпус
46 соединительный стержень или внутренний стержень
48 первая резьба
50 первая резьбаϕ
52 вторая резьба
54 вторая резьба
56 промежуточное пространство
58 пучность
60 блокирующий элемент
62 основание рабочего элемента
64 опорная поверхность
66 гнездо элемента
68 соединительная резьба
70 соединительная резьба
72 корпус-несущий элемент
74 продольный ультразвуковой преобразователь
76 первый конец
78 второй конец
80 соединительное гнездо
82 проксимальный участок
84 дистальный участок
86 резьбовое соединение
88 полость гнезда
90 средство управления
92 асимметричный участок
94 наклонная секция
α угол наклона
λ длина волны
D наклонное направление, определяющее наклонную ось
L длина
S плоскость элемента
P плоскость колебаний
X третичное направление, определяющее третичную ось
Y вторичное направление, определяющее вторичную ось
Z преобладающее направление, определяющее преобладающую ось
Z1 направление волноводного средства, определяющее ось волноводного средства
Z' направление сборки
d диаметр штока
d' диаметр волновода.