超声手术刀及其刀头的制作方法

1.本发明涉及手术器械技术领域，具体地涉及一种超声手术刀及其刀头。


背景技术：

2.随着现代医学的迅猛发展，超声手术仪器已越来越多地应用于临床外科手术治疗中，它将超声能量应用于外科手术，具有切割精细、安全、组织选择性和低温止血等特点，极大地丰富了外科手术的手段，提升了外科手术的质量，一定程度上减轻了患者的病痛。其中，超声手术刀就是一种具有特定应用功能的超声手术仪器。
3.目前的超声手术刀一般分为两种形式，如美国专利us8343178所揭示的一种超声手术刀，位于远端的工作头为光滑的刀刃结构，即该专利中揭示的附图标记20、22、24揭示的部分，该刀刃结构包括远端刀刃和位于其两侧的侧面刀刃，远端刀刃与侧面刀刃圆滑过渡。这种形式的刀刃结构的切割效率不高。
4.因此，美国专利usd667117揭示了另一种超声手术刀的刀刃结构，远端的刀刃采用刀片形式，刀刃的两侧采用正三角形锯齿形式。这样就可以增加超声手术刀的手术使用场景，正三角形锯齿可以切割相对较硬的骨头或其他组织。但是由于存在超声高频振荡产生的高内应力的存在，无法在锯齿造型上做的如传统行业那般形状激进，齿形深且锋利。为了协调锯齿内应力和切割效率，欧洲专利ep3586774揭示了另一种超声手术刀的切割刀刃。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种高效切割的超声手术刀及其刀头。
6.本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种超声手术刀，包括圆柱形的主体，所述主体的近端为一连接结构，远端设置有刀头，所述刀头包括位于最远端的刀刃和至少位于其一侧沿主体轴线延伸设置的锯齿排，所述锯齿排为并排的两列，每列锯齿排均由一列锯齿排列而成，两列所述锯齿排的齿尖的朝向相反。
7.优选的，所述锯齿的前角γ为正前角。
8.优选的，所述锯齿的前角γ为15
°±5°
。
9.优选的，所述锯齿的后角α为20
°±
10
°
。
10.优选的，所述锯齿的齿尖角β不小于45
°
。
11.优选的，所述锯齿排的锯齿齿间距为1.3mm至1.7mm之间。
12.优选的，两列所述锯齿排中相应的锯齿的齿根在超声手术刀厚度方向为相互重叠的共齿底结构。
13.优选的，所述超声手术刀在厚度方向分别具有两个端面，至少一个所述端面上开设有凹槽。
14.优选的，所述刀刃为刃口刀刃，钝口刀刃，及锯齿刀刃的至少一种。
15.优选的，所述刀头包括位于最远端的刀刃和分别对称设于其两侧沿主体轴线延伸设置的两条锯齿排。
16.优选的，所述刀头包括位于最远端的刀刃和位于其一侧沿主体轴线延伸设置的锯齿排，以及位于其对称的另一侧的切割刃。
17.本发明还揭示了一种超声手术刀的刀头，所述刀头包括位于最远端的刀刃和至少位于其一侧沿主体轴线延伸设置的锯齿排，所述锯齿排包括锯齿，所述锯齿为龟背齿，其前角γ为15
°±5°
，后角α为20
°±
10
°
。
18.优选的，所述锯齿排为并排的两列，每列锯齿排均由一列所述锯齿排列而成，两列所述锯齿排的齿尖的朝向相反。
19.优选的，所述锯齿的齿尖角β不小于45
°
。
20.优选的，所述锯齿排的锯齿齿间距为1.3mm至1.7mm之间。
21.优选的，两列所述锯齿排中相应的锯齿的齿根在超声手术刀厚度方向为相互重叠的共齿底结构。
22.优选的，所述超声手术刀在厚度方向分别具有两个端面，至少一个所述端面上开设有凹槽。
23.优选的，所述刀刃为刃口刀刃，钝口刀刃，及锯齿刀刃的至少一种。
24.优选的，所述刀头包括位于最远端的刀刃和分别对称设于其两侧沿主体轴线延伸设置的两条锯齿排。
25.优选的，所述刀头包括位于最远端的刀刃和位于其一侧沿主体轴线延伸设置的锯齿排，以及位于其对称的另一侧的切割刃。
26.本发明的有益效果主要体现在：双排反向布局的勾齿结构设计，保证在整个周期都有足够的切削力，可以在不增加应力值的前提下成倍的提高切割效率，降低对主机的功率输出需求；切削过程中刀头可以很好地与负载进行耦合，操作者仅需扶住刀具进行切割即可，提高了使用过程的舒适程度；刀头的一侧设置有锯齿排，其对称的另一侧设置有切割刃，操作者可以有选择地选用锯齿排或者切割刃进行切割，扩大了本发明的使用场景。
附图说明
27.下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：图1：本发明超声手术刀优选实施例的示意图；图2：图1中a部分的放大图；图3：图2的正视图；图4：图2的俯视图；图5：超声波的特性示意图；图6：三种齿形的切削力的对比示意图；图7：前角与切削力的对比示意图；图8：两种齿背形状的对比示意图；图9：本发明优选实施例的龟背齿的排列示意图；
图10：本发明超声手术刀第二实施例的刀头的示意图；图11：本发明超声手术刀第三实施例的刀头的示意图；图12：本发明超声手术刀第三实施例的刀头的另一方向的示意图；图13：本发明超声手术刀第四实施例的刀头的示意图；图14：本发明超声手术刀第五实施例的刀头的示意图；图15：本发明超声手术刀第六实施例的刀头的示意图。
具体实施方式
28.以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限于本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
29.在方案的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。并且，在方案的描述中，以操作人员为参照，靠近操作者的方向为近端，远离操作者的方向为远端。
30.如图1所示，本发明揭示了一种超声手术刀，包括圆柱形的主体111。主体111可以是同一直径的圆柱体，也可以是适应超声能量传输的多节式不同直径的圆柱体。
31.所述主体111的近端为一连接结构112，所述连接结构112可以是内螺纹，外螺纹，粘接或者超声焊接等方式，与超声发生器连接。
32.所述主体111的远端设置有刀头113。具体如图2至图4所示，所述刀头113包括位于最远端的刀刃101和至少位于其一侧沿主体轴线延伸设置的锯齿排102。本领域的技术人员所熟知的，锯齿排102可以设置在刀头113的任意一侧，当然也可以是图2中揭示的分别对称设于刀刃101的两侧的两条锯齿排102。
33.所述刀头113为本发明的设计要点，如图1至图4所示的优选实施例中，所述刀头113的刀刃101为薄片式渐变的刃口刀刃，具体为：沿超声手术刀厚度方向为圆弧形投影，沿超声手术刀宽度方向为三角形投影110。沿厚度方向为半圆的结构设计，该结构较为圆滑，当刀刃101接触到血管、神经等脆弱组织时，不会对其产生刮伤，且超声的作用会将其推远，再配合足够的冷却水降低热效应，可以对这些组织产生很好的保护效果。沿宽度方向为三角形设计，尖部可以设置有一小平面或者圆弧面，在接触到松质骨及较薄的皮质骨时，锐角角度的尖顶也能对这些组织实现较有效的切割。
34.所述刀刃101的半圆弧状顶部结束的两侧末梢各有一个齿尖，该齿尖由两个圆弧段相交成形，形成第一齿尖114。该第一齿尖114由尖端外圆r3mm和内圆r1.5mm组合而成，沿齿尖做切线，可以看出该齿属于-15
°±5°
的负前角，保证整个刀刃101属于以切为辅，以安全为主的尖端面，减少术中对医生操作精度的要求，更好的保护重要组织。
35.所述锯齿排102为并排的两列，每列锯齿排102均由一列锯齿103排列而成，本优选实施例中两列所述锯齿排102的锯齿103完全相同。
36.对于锯齿103来讲，它的运动轨迹为理想简谐振动，如图5所示，从平衡位置零点开
始启动，对于正半周，齿尖朝刀头远端行进；对于负半周，朝刀头近端行进。为了保证刀头在正半周和负半周都有相近的切割效果，本发明两列所述锯齿排102的齿尖104、105的朝向相反。
37.对于锯齿形状来说，有三个重要参数，分别是：γ：前角122，切削前刀面与垂直平面的夹角；α：后角120，切削面与水平面的夹角；β：齿尖角121，前刀面与后刀面所形成的夹角。
38.如图6所示的三种齿形，分别为标准齿117（前角为0
°
），钝齿118（前角为-15
°±5°
），勾齿119（前角为 15
°±5°
）。传统的锯齿为等腰三角形齿形，前角γ为负值，属于钝齿118。虽然在运动的正负半周都有相同的效果；但缺点也同样明显，切割效率不足。
39.具体参照图6，对切削行进过程中的刀具受到的切削力进行分析。可以看到，钝齿118的切削力最大，勾齿119的切削力最小，但钝齿有较大的偏离切削面的力fz，而勾齿的偏离切削面的力fz为负值。说明传统的等腰三角形锯齿在使用过程中，产生较大的行进切削力，但切削过程中刀头容易被弹开，需要足够大的按压力来稳定刀头。本发明中采用的是勾齿119，即所述锯齿103的前角γ122为正前角。虽然行进切削力仅为钝齿的68%左右，对于相同难度的负载，明显切削效果会更好；且偏离切削面的力fz为负值，说明切削过程中刀头可以很好地与负载进行耦合，操作者仅需扶住刀具进行切割即可，提高了使用过程的舒适程度。
40.为了确定正前角的角度，如图7所示，本发明分别从0度开始至30度均匀设置7种正前角的角度，发现随着正前角角度的加大，行进切削力逐渐下降，在10
°
开始出现负值的按压力fz。且随着前角角度的增加，切削力下降的幅度也逐渐放缓。再对这7组齿形的刀头进行模态分析，在设计的工作频率，分析统计最大应力stress的数值，整体应力变化比较小，但也可以看出随着前角角度的增加，应力值先下降后上升，在10
°
至20
°±
10
°
的前角角度附近为最小值。随后，正前角角度增加，最大应力逐渐增加。而且正前角角度的增加，势必会造成齿尖角变小，切削齿尖的强度下降，更容易发生切削疲劳导致齿尖破裂。综上所述，在10
°
至20
°±
10
°
之间的正前角角度设计是合适的，本发明采用的是最优的为15
°±5°
的正前角γ122。
41.如图8所示，按照齿背的形状来分，常见的有直背齿123和龟背齿124，本发明采用的是龟背齿124。因为相同前后角的前提下，龟背齿可以有更窄的齿宽，对于齿尖的强度和齿间距的设计有明显的优势。采用如前文相同的方法进行建模分析，我们对后角的大小进行了分析，分别从0
°
至30
°
均匀设置7种后角参数（忽略后背与负载的摩擦影响），对切削力进行分析，我们发现随着后角角度的增加，行进切削力有微弱增加的趋势。仅从切削力的角度上来看，后角角度越小越好。但后角角度越小，齿背更容易与剩余的负载组织进行接触，从而增加阻力和摩擦生热；从形态上看，后角角度越小，齿间距就会越大，单位距离内可以放置的齿数会越少，反而切削效果会下降。综合考虑，所以本发明中优选的后角角度为20
°±
10
°
。所述锯齿103的齿尖角β121的角度不小于45
°
。本发明优选齿尖角β121的角度为55
°
。
42.如图9所示，按照正前角15
°±5°
，后角20
°±
10
°
设计的龟背齿，齿根圆角r0.25，齿高0.6mm，最短的齿间距为1.05mm。在尽量保证总切割长度相当的前提下，分别按照齿间距125
×
齿数126：1.1mm
×
13，1.3mm
×
11，1.5mm
×
10，1.7mm
×
8设计四种不同的齿间距。在本
发明设计的谐振频率点分析最大高频内应力，最大应力总是位于最近端齿的根部，随着间距的增加，最大应力逐渐减小，在间距增加到1.5mm后应力减小的值就比较微弱，这时候最大应力主要受最近端齿的位置决定，齿离第一节点距离越近，应力值越高。在总长不变的前提下，取1.3mm至1.7mm是比较合理的选择区间，其中1.5mm齿间距是一个比较优的值。
43.本发明提出的双排反向布局（即两列所述锯齿排102的齿尖104、105的朝向相反）的勾齿结构设计，保证在对硬组织127切削的整个周期都有足够的切削力，经模拟分析，本发明的结构可以在不增加应力值的前提下成倍的提高切割效率。
44.本发明中为避免因位置交错而产生的应力集中而导致的失效断裂风险，本发明采用共齿底结构设计，如图3所示，即两列所述锯齿排102中相应的锯齿103的齿根109在超声手术刀厚度方向为相互重叠在接近一半齿高以下是完全公用的结构，从龟背的圆弧转角开始，齿尖朝前后分成两侧。
45.在术中切割的过程中会遇到另一问题，当对一截面较大，组织较厚的骨质进行离断时，超声手术刀刀头会不可避免地长时间埋入骨质内。现如今主流的超声手术刀皆为片状结构，在厚度方向分别具有两个大面积的端面106。在刀片埋入组织内部时，平面结构会对已切除平面进行长时间的接触，在超声的作用下，会产生大量的热，容易造成切割创面的二次升温而影响骨头愈合。且需要超声发生器输出更多的能量，作用在这个无效输出上，对硬件的输出功率也提出了更高的需求。为解决这一问题，如图10所示的本发明的第二实施例，在每个所述端面106上均开设有凹槽107。该实施例中，所示凹槽107呈跑道形，单侧凹槽的深度不大于总厚度的25%，中间留下的实质大于总厚度的50%，保留足够的机械强度。凹槽的总长度大于切割锯齿的总长度。当然，其他形状的凹槽107也是允许的。
46.如图11和图12揭示的本发明的第三实施例，与优选实施例的区别在于，所述刀头113的一侧沿主体轴线延伸设置有锯齿排102，其对称的另一侧设置有切割刃108。这样，操作者可以有选择地选用锯齿排102或者切割刃108进行切割，扩大了本发明的使用场景。
47.如图13揭示的本发明的第四实施例，与第三实施例相比，增加了端面106上的凹槽107。该效果与第二实施例类似，在此不再赘述。
48.如图14、15所示的第五、第六实施例中，与图1、图10所示的优选实施例、第二实施例相比，所述刀头113的刀刃101为半圆形钝口刀刃。这样，当超声发生器产生的超声波传递至刀刃时，产生更强的驱离的效果，保护血管、神经等脆弱组织，且不易对其产生刮伤，可以对这些组织产生很好的保护效果。如图15所示的第六实施例中，增加了端面106上的凹槽107，该效果与第二实施例类似，在此不再赘述。当然，本领域的技术人员应该熟知，所述刀头113的刀刃101还可以是其他形式，例如锯齿刀刃等。
49.应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
50.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。