ХИРУРГИЧЕСКИЙ ИНСТРУМЕНТ НА ОСНОВЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЛНОВОДА

Предложенная полезная модель представляет собой базовую конструкцию ультразвукового хирургического инструмента и может быть использована при проведении малоинвазивных хирургических операций.
1
Известно устройство «Ультразвуковой волновод инструмент для хирургии» (Патент на изобретение RU 2547793, МПК A61B 17/3205, опубл. 10.04.2015), представляет собой конструкцию из полуволновых цилиндрического и экспоненциальных элементов, у которого экспоненциальные элементы с диаметром основания d расположены на рабочем торце цилиндрического элемента с диаметром D, выполненного с центральным глухим отверстием глубиной в четверть длины волны и диаметром D=D-2d, причем центры оснований экспоненциальных элементов расположены на окружности, диаметр которой меньше диаметра цилиндрического элемента на два радиуса экспоненциального элемента, а сами элементы закреплены винтовыми соединениями через 120 град. Предлагаемое изобретение относится к медицине и в частности может быть использовано как хирургический инструмент для удаления компонентов эндопротеза при ревизионном эндопротезировании крупных суставов.
Недостатком известного устройства является наличие глухого отверстия в материале ультразвукового волновода, что увеличивает габариты устройства.
Известно устройство «Хирургический ультразвуковой инструмент для удаления патологического образования из биологической ткани, устройство для удаления патологического образования из биологической ткани и способ с их использованием» (Патент на изобретение RU 2535404, МПК: A61B 17/32, A61B 18/04, A61M 31/00, A61F 9/007, A61B 18/18, опубл. 10.12.2014), содержащий согласующий и проводниковый элементы для передачи ультразвукового сигнала и соединенное с проводниковым элементом рабочее окончание, обеспечивающее ультразвуковое механическое воздействие на патологическое образование в биологической ткани, причем проводниковый элемент и/или рабочее окончание имеют по меньшей мере один участок с отличающимися физическими и/или механическими свойствами, выполненный из материала, имеющего более высокое акустическое сопротивление, чем смежные с ним участки. Устройство для удаления патологического образования дополнительно содержит генератор ультразвуковых колебаний и акустический узел. Техническим результатом изобретения является улучшение передачи ультразвуковых колебаний, обеспечение достаточной динамической устойчивости ультразвукового инструмента и управление кривизной траектории упругой деформации проводникового элемента и рабочего окончания ультразвукового инструмента.
Недостаток известного устройства состоит в том, что его конструкция не исключает возможности появления поперечных колебаний в проводниковой части волновода. Поперечные колебания ведут к разрушению волновода, уменьшению амплитуды продольных колебаний и снижением коэффициента полезного действия устройства в целом.
Наиболее близким является известное устройство «Ультразвуковая колебательная система» (Патент на изобретение RU 2284228, МПК: B06B 1/06, B06B 3/02, опубл. 27.09.2006), которое относится к ультразвуковой технике, а именно к конструкциям ультразвуковых колебательных систем. Техническим результатом изобретения является увеличение амплитуды колебаний при одновременном снижении потребляемой энергии, уменьшение габаритных размеров и массы. Колебательная система основана на расположенном на формирующей колебания поверхности пьезоэлектрическом излучателе. На пакетах пьезоэлементов расположены отражающие накладки, поверхность которых, противоположная к пьезоэлементам, выполнена плоской или ступенчато переменной по диаметру. Концентратор имеет узел крепления и оканчивается поверхностью с рабочим инструментом. Формирующая и излучающая поверхности концентратора имеют в сечении прямоугольную форму одинаковой длины, а отношение их поперечных размеров выбирается из условия обеспечения заданного коэффициента усиления концентратора. Суммарная длина отражающей накладки, пакета пьезоэлементов и участка концентратора до узла крепления равна шестой части длины волны ультразвуковых колебаний. Длина участка концентратора, на котором осуществляется плавный радиальный переход, и участка с поперечным размером, соответствующим излучающей поверхности, равны шестой части длины волны ультразвуковых колебаний.
Недостатком устройства является то, что точка крепления и контакта съемной части расположены в минимуме механического сдвига, что ухудшает согласование, поскольку минимумы механического напряжения и сдвига не совпадают. Наличие выступа в соединительном переходе увеличивает массу и габариты устройства.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание конструкции с повышенным КПД, обеспечивающей наиболее эффективную передачу энергии от генератора к обрабатываемой ткани при уменьшении габаритных размеров устройства.
Задача решается за счет оптимального сопряжения частей ультразвукового волновода, максимизации механических колебаний на рабочем конце с минимизацией поперечных колебаний. Для этого конструкция включает обязательные элементы: несъемную часть волновода, съемную часть волновода и пьезокерамический излучатель.
Поставленная задача решена тем, что пьезоэлектрический излучатель, металлический отражатель и ультразвуковой волновод стянуты по оси волновода стягивающим болтом, имеющим внутренний канал для подачи жидкости в рабочую часть хирургического инструмента. Болт проходит через отражатель, внутреннее отверстие пьезокерамический излучатель, несъемную часть волновода и съемную часть волновода, причем обе точки крепления болта расположены в узлах стоячих волн смещения и не смещаются относительно друг друга. Одна из точек крепления болта совмещена с шляпкой болта и находится на внешней границе металлического отражателя, а вторая находится в резьбовом соединении съемной части ультразвукового волновода, при этом длина L металлического отражателя составляет L=λ/4, где λ - длина волны, несъемная часть
1
1
2
1
2
3
4
3
2
3
3
3
2
4
волновода выполнена из двух частей, имеющих разный диаметр, одна из частей имеет больший диаметр D и четвертьволновую длину Н=λ/4 для лучшего согласования между пьезокерамическим излучателем и съемной частью волновода, вторая часть имеет меньший диаметр D<D и длину Н. Съемная часть волновода, в свою очередь, имеет два участка длиной Н и Н. Участок длиной Н выполнен с плавным переходом диаметра от D до D в  соответствии с зависимостью, где D - текущий диаметр участка перехода, х - текущая координата участка, D - диаметр цилиндрического рабочего участка, при этом D<D, а длина цилиндрического рабочего участка Н равна λ/2.
Рабочий участок съемной части волновода имеет наименьший диаметр во всей конструкции, его размеры обеспечивают наибольшие отклонения конца рабочего участка вдоль оси, что повышает КПД устройства, а нелинейный косинус-переход диаметра минимизирует габариты устройства и уменьшает поперечные колебания рабочей части.
На чертеже фиг. 1 изображена конструкция хирургического инструмента на основе ультразвукового волновода. Цифрами обозначены: 1 - Пьезокерамический излучатель, 2 - Металлический отражатель, 3 - Металлический волновод, 4 - Несъемная часть волновода, 5 - Съемная часть волновода, 6 - Цилиндрическая рабочая часть волновода, 7 - Участок с плавным изменением диаметра, 8 - Стягивающий болт с каналом, 9 - Шляпка болта, 10 - Резьбовое соединение (область минимума стоячей волны смещения), 11 - Контакт съемной и несъемной частей (область минимума стоячей волны напряжения деформации), 12 - Канал для подачи жидкости.
1
1
1
1
2
2
3
4
3
3
4
3
2
Инструмент состоит из 4-х основных элементов: излучатель, отражатель, несъемная часть волновода, съемная часть волновода с цилиндрической рабочей частью. В конструкцию входят (фиг. 1) металлический отражатель 2 длиной L и диаметром D; пьезокерамический излучатель 1 длиной U и диаметром D; четвертьволновой участок несъемной части волновода длиной H и диаметром D; участок несъемной части 4 волновода длиной Н и диаметром D, съемная часть 5 волновода длиной Н+Н с переменным диаметром на участке длиной Н (поз. 7), сужающимся к цилиндрической рабочей части 6 волновода диаметром D и длиной Н. Переход описывается формулой , где x - текущая координата участка от 0 до Н. Вся конструкция стянута с помощью стягивающего болта 8. Длина Н подбирается так, чтобы в области резьбовой части болта был минимум стоячей волны, что обеспечивает наименьший износ точки крепления.
Устройство работает следующим образом.
На пьезокерамический излучатель или сборку пьезоэлементов подается гармонический сигнал с частотой равной резонансной частоте системы. Под действием внешнего напряжения излучатель начинает расширяться и сокращаться, передавая механические колебания в систему металлического волновода и отражателя. Если частота сигнала совпадает с резонансной частотой механических колебаний, то происходит резкое усиление колебаний рабочей части волновода. Стягивающий болт шляпкой неподвижно удерживает край отражателя, а резьбовым соединением удерживает съемную часть с рабочим участком.
3
Четвертьволновой отражатель направляет энергию колебаний в рабочую часть волновода. При этом область резьбового соединения находится в узле стоячих волн сдвига в рабочей части волновода. Благодаря такому соединению стягивающий болт испытывает минимум деформаций при работе, а точка контакта съемной и несъемной частей испытывает минимальные нагрузки от деформации материала. Плавный переход косинусной формы на участке Н позволяет избежать появления острых углов в волноводе, что минимизирует отражение волн от перехода и обеспечивает дополнительное усиление продольных колебаний.
Технический результат: заявленная конструкция обеспечивает повышение КПД передачи механической энергии в волноводе. Устройство имеет устойчивую к разрушению конструкцию, обеспечивающего наиболее эффективную передачу энергии от генератора к обрабатываемой ткани с минимизацией перегрева инструмента.