无绳超声刀的制作方法

1.本发明涉及医疗器械技术领域，更加具体来说，本发明涉及一种无绳超声刀。


背景技术：

2.超声刀的原理是利用超声波换能器产生振动，发出的超声波沿着刀杆的纵向轴线传播，然后在刀杆上沿轴线产生振幅放大的振动，最后在刀头端部产生高速纵向机械运动，刀头末端的机械振动在切割软组织时非常有效，并且由超声高频振动产生的热可以凝结组织，闭合血管。这种器械由于刀杆通过套管可以易于到达手术部位，特别适用于微创手术，如内窥镜或腹腔镜手术。超声刀控制的关键是沿着刀杆长度产生共振的同时控制刀头的振动幅度，从而在手术过程中获得最佳性能。但是，生成有效的驱动信号颇具挑战性，例如施加在换能器上的频率，电流和电压必须全部动态控制，因为这些参数随着刀头上负载的变化以及刀杆产生的温差而变化。这些因素导致超声刀的控制系统是一个相对复杂的带处理器的模拟数字混合的电路，并且在处理器上运行有实时控制软件和人机交互软件。由于对控制系统的要求较高，目前市场上大部分超声刀产品均为有绳产品，例如强生公司的harmonic系列，类似美国专利us78243公开的设计，即使用时需要将超声刀连接到一个台式发生器。这种设计在应用上的缺点是连接导线导致手术中有所牵扯，使用不便。现有的有绳换能器长度为92.8mm，重量为40.96g，长度长、重量大，使用较笨重。
3.因此，无绳超声刀应运而生，使得整个超声刀不需要连接台式发生器就可独立工作，医生使用中不再受后面的导线困扰。无绳超声刀由于其便捷、高效而受到青睐。正因为便携，重量、体积以及工作效率成为无绳超声刀的重要指标。
4.无绳超声刀主要由换能器、刀头组件、手柄外壳、电路板以及电池构成，这些主要组成部分也决定了无绳超声刀的重量、体积以及效率。但现有的无绳超声刀笨重，声结构复杂，影响无绳超声刀的携带、手术过程中的操作手感以及工作效率。


技术实现要素：

5.为解决现有无绳超声刀的笨重、声结构复杂进而影响工作效率等问题，本发明创新地提供了一种无绳超声刀，该无绳超声刀的半波长换能器与手柄外壳始终保持滚动接触，减小刀头组件旋转时产生的阻力，使得旋转时阻力最小化，提高效率；正负极导电环与电路板弹性接触，始终保持接触，保证工作的稳定性，提高工作效率。
6.为实现上述的技术目的，本发明公开了一种无绳超声刀，包括刀头组件、半波长换能器、手柄外壳、电路板和电池，所述半波长换能器的前端与所述刀头组件螺纹连接，所述半波长换能器的后端安装在所述手柄外壳内，所述半波长换能器与所述手柄外壳滚动接触，所述电路板和所述电池固定在所述手柄外壳内，所述电池与所述电路板电连接，所述半波长换能器上同轴套设有正极导电环和负极导电环，所述正极导电环和所述负极导电环分别与所述电路板弹性电接触。
7.进一步地，所述正极导电环和所述负极导电环的外周面均为弧形面，所述电路板
上设有与所述正极导电环和所述导电环位置对应的接触球面，所述电路板的两个接触球面分别与所述正极导电环和所述负极导电环的外周面弹性接触。
8.进一步地，所述电路板上的两个接触球面均为弹性面，所述接触球面的刚性小于所述正极导电环和所述负极导电环的刚性。
9.进一步地，所述半波长换能器包括前金属块、压电晶堆、后金属块和预紧螺钉，所述前金属块为多级变阶结构或阶梯状结构，所述前金属块内部沿轴线设有螺纹孔，所述后金属块、所述压电晶堆和所述前金属块依次同轴套设在所述预紧螺钉的钉杆上，所述预紧螺钉的钉杆与所述前金属块的螺纹孔螺纹连接，所述后金属块、所述压电晶堆被压紧在所述预紧螺钉的钉头和所述前金属块之间，所述前金属块与所述压电晶堆接触的端部为法兰部，所述前金属块的最前端的平直段外周面上设有螺纹。
10.进一步地，所述法兰部的外部包裹有固定件，所述固定件的外周面为弧形面，所述固定件的外周面与所述手柄外壳滚动接触。
11.进一步地，所述固定件和所述法兰部之间填充有隔振圈，所述固定件包括前固定环和后固定环，所述前固定环和所述后固定环过盈配合连接。
12.进一步地，所述前金属块包括沿远离所述压电晶堆方向依次连接的法兰部、第一过渡段、第一平直段、第二过渡段和第二平直段，所述第一过渡段的外径和所述第二过渡段的外径沿远离所述压电晶堆方向逐渐减小，所述法兰部的外径大于所述第一过渡段的最大外径，所述第一平直段的外径与所述第一过渡段的最小外径相同，所述第二过渡段的最大外径等于或小于所述第一平直段的外径，所述第二平直段的外径与所述第二过渡段的最小外径相同，所述螺纹设置在所述第二平直段的外周面上。
13.进一步地，所述第一过渡段和所述第二过渡段的外周面均为弧形面，所述第一过渡段的弧形面的弧度与人体大拇指弧度匹配。
14.进一步地，所述前金属块包括沿远离所述压电晶堆方向依次连接的法兰部、第一过渡段、第一平直段、第二过渡段、第二平直段、第三过渡段、第三平直段、第四过渡段和第四平直段，所述法兰部的外径大于所述第一过渡段的最大外径，所述第一过渡段的外径和所述第二过渡段的外径沿远离所述压电晶堆方向逐渐减小，所述第三过渡段的外径和所述第四过渡段的外径沿远离所述压电晶堆方向逐渐增大，所述第一平直段的外径与所述第一过渡段的最小外径相同，所述第二平直段的外径、所述第二过渡段的最小外径和所述第三过渡段的最小外径相同，所述第三平直段的外径与所述第四过渡段的最小外径相同，所述第四平直段的外径与所述第四过渡段的最大外径相同，所述第四平直段的外径小于所述第二平直段的外径，所述螺纹设置在所述第四平直段的外周面上。
15.进一步地，所述第一过渡段和所述第二过渡段的外周面为弧形面，所述第一过渡段的弧形面的弧度与人体大拇指的弧度匹配，所述第三过渡段和所述第四过渡段的外周面为锥面。
16.本发明的有益效果为：
17.本发明的无绳超声刀的半波长换能器与手柄外壳始终保持滚动接触，减小刀头组件旋转时产生的阻力，使得旋转时阻力最小化，提高效率；正负极导电环与电路板弹性接触，始终保持接触，保证工作的稳定性，提高工作效率。
附图说明
18.图1是本发明实施例的无绳超声刀的结构示意图；
19.图2是本发明实施例的半波长换能器、正负极导电环和固定件的连接关系示意图；
20.图3是本发明实施例的正负极导电环与电路板的接触示意图；
21.图4是本发明实施例的前固定环的侧视图；
22.图5是本发明实施例的前固定环的内端面视图；
23.图6是本发明实施例的后固定环的侧视图；
24.图7是本发明实施例的后固定环的内端面视图；
25.图8是本发明实施例的固定件与手柄外壳的接触示意图；
26.图9是本发明实施例的半波长换能器的结构示意图；
27.图10是本发明另一实施例的半波长换能器的结构示意图。
28.图中，
29.1、刀头组件；2、半波长换能器；21、前金属块；211、法兰部；212、第一过渡段；213、第一平直段；214、第二过渡段；215、第二平直段；216、第三过渡段；217、第三平直段；218、第四过渡段；219、第四平直段；22、压电晶堆；23、后金属块；24、预紧螺钉；25、固定件；251、前固定环；252、后固定环；26、隔振圈；3、手柄外壳；4、电路板；41、接触球面；5、电池；6、正极导电环；7、负极导电环。
具体实施方式
30.下面结合说明书附图对本发明提供的无绳超声刀进行详细的解释和说明。
31.本实施例具体公开了一种无绳超声刀，如图1所示，包括刀头组件1、半波长换能器2、手柄外壳3、电路板4和电池5，半波长换能器2的前端与刀头组件1螺纹连接，使得刀头组件1可以360
°
旋转，进而使得刀头组件1能相对于手柄外壳轴向转动。半波长换能器2的后端安装在手柄外壳3内，半波长换能器2与手柄外壳3滚动接触，电路板4和电池5固定在手柄外壳3内，电池5与电路板4电连接。如图2所示，半波长换能器2上同轴套设有正极导电环6和负极导电环7，正极导电环6和负极导电环7的圆心与半波长换能器2的轴线重合，正极导电环6和负极导电环7分别与电路板4弹性电接触，正极导电环6和负极导电环7接收电路板4输入的电信号，再将电信号传导给半波长换能器2，从而驱动换能器产生超声波机械能。正极导电环6和负极导电环7之间保持一定的距离以免短路。半波长换能器2与手柄外壳3始终保持滚动接触，减小刀头组件1旋转时产生的阻力，使得旋转时阻力最小化，提高效率。正负极导电环7与电路板4弹性接触，始终保持接触，保证工作的稳定性，提高工作效率。
32.在本实施例中，如图3所示，正极导电环6和负极导电环7的外周面均为弧形面，正极导电环和负极导电环的弧形面均向外凸起，电路板4上设有与正极导电环6和导电环位置对应的接触球面41，如图3所示，电路板4的两个接触球面41分别与正极导电环6和负极导电环7的外周面弹性接触。接触球面41表面镀金，保证电信号传输性能。电路板4上的两个接触球面41均为弹性面，接触球面41的刚性小于正极导电环6和负极导电环7的刚性。在半波长换能器2、正极导电环6和负极导电环7安装到手柄外壳3内后，电路板4的两个接触球面41受到正极导电环6和负极导电环7的挤压发生微变形，而正极导电环6和负极导电环7不会发生变形和弯折，电路板4的接触球面41向正极导电环6和负极导电环7施加弹力，从而实现了正
极导电环6和负极导电环7分别与电路板4的紧密接触，保证接触的稳定性，稳定传输电信号。
33.如图2所示，半波长换能器2包括前金属块21、压电晶堆22、后金属块23和预紧螺钉24，在本实施例中，前金属块21和后金属块23均为铝合金块，预紧螺钉24为钛合金螺钉，能保证力学性能的同时减轻换能器的重量。前金属块21为多级变阶结构或阶梯状结构，多级变阶结构或阶梯状结构的前金属块21结构减轻换能器重量的同时减小换能器的体积，提高声学性能，获取更大的增益，同时满足力学强度。前金属块21内部沿轴线设有螺纹孔，后金属块23、压电晶堆22和前金属块21依次同轴套设在预紧螺钉24的钉杆上，预紧螺钉24的钉杆与前金属块21的螺纹孔螺纹连接，后金属块23、压电晶堆22被压紧在预紧螺钉24的钉头和前金属块21之间，前金属块21与压电晶堆22接触的端部为法兰部211，法兰部211的法兰面更好地将压力均匀地传递给压电晶堆22。前金属块21的最前端的平直段外周面上设有螺纹，前金属块21最前端的螺纹直接与刀头组件1的螺纹连接，组装简单。预紧螺钉24的钉头外径大于钉杆的外径，钉头的前端面与后金属块23的后端面贴合，后金属块23的前端面与压电晶堆22的后端面贴合，压电晶堆22的前端面与前金属块21的后端面贴合，即与前金属块21的法兰面贴合。通过预紧螺钉24的钉头和前金属块21产生均匀的夹持力，压力均匀传递给后金属块23和压电晶堆22，使超声换能器的压电晶堆22能够获得均匀的压力分布，从而有效提高换能器的机电转换效率，实现超声换能器的低阻抗、高输出的性能。
34.法兰部211的外部包裹有固定件25，固定件25的外周面为弧形面，固定件25的外周面与手柄外壳3滚动接触。固定件25将法兰部211包裹在内部，固定件整体呈外周面为弧形的圆柱形，弧形的圆心朝向法兰部211的轴线，即固定件25的弧形面向外凸起。
35.在本实施例中，如图2所示，固定件25和法兰部211之间填充有隔振圈26，法兰部211的前端和后端均安装一隔振圈26，隔振圈26的面积大于或等于法兰部211的端面面积，隔振圈26采用弹性材质，优选为硅橡胶。固定件25包括前固定环251和后固定环252，前固定环251固定在法兰部211前侧的隔振圈26前，后固定环252固定在法兰部211后侧的隔振圈26后，如图4-7所示，前固定环251和后固定环252呈盖帽形，后固定环252扣合在前固定环251内，前固定环251的外周面为弧形面，前固定环251和后固定环252过盈配合连接，牢固的包裹在法兰部211外部，避免在超声刀工作时因振动导致的分离。在其他实施例中，也可设置为前固定环固定在后固定环内，此时，后固定环的外周面为弧形面。
36.为进一步满足重量最轻化，前固定环251和后固定环252均采用非金属耐高温材质，可以采用peek(聚醚醚酮)、ppsu(聚亚苯基砜树脂)等。
37.如图4和5所示，前固定环251内端面设有环形凸起，如图6和7所示，后固定环252的内端面设有多个周向均匀分布的凸起，环形凸起和凸起压紧在隔振圈26上，将隔振圈26压向法兰部211。
38.如图8所示，在半波长换能器安装在手柄外壳3内时，固定件的外周面与手柄外壳3之间存在一定的间隙，相对于平面与平面之间的接触，其接触面积更小，因而阻力也更小。
39.在本实施例中，如图9所示，前金属块21包括沿远离压电晶堆22方向依次连接的法兰部211、第一过渡段212、第一平直段213、第二过渡段214和第二平直段215，第一过渡段212的外径和第二过渡段214的外径沿远离压电晶堆22方向逐渐减小，法兰部211的外径大于第一过渡段212的最大外径，第一平直段213的外径与第一过渡段212的最小外径相同，第
二过渡段214的最大外径等于或小于第一平直段213的外径，第二平直段215的外径与第二过渡段214的最小外径相同，螺纹设置在第二平直段215的外周面上。法兰部211、第一平直段213和第二平直段215的外周面均为直圆柱面，第一过渡段212和第二过渡段214实现平滑过渡，使得前金属块21的直径得到二次逐渐减小，减小体积和重量的同时，保证前金属块21的力学强度，同时受到压电晶堆22传递过来的振动时的振动幅度更大。
40.第一过渡段212和第二过渡段214的外周面均为弧形面，第一过渡段212的弧形面的弧度与人体大拇指弧度匹配。半波长换能器2和刀头组件1连接时，手握换能器的法兰部211，大拇指握在第一过渡段212的弧形面上，扭力扳手从刀头组件1端进行紧固，第一过渡段212的弧形面弧度匹配大拇指弧度，支撑适应大拇指，便于很好的抓持和施加力。
41.在本实施例中，法兰部的外径与第一过渡段的最大外径的比例为7：6，法兰部5与第一平直段的外径比为2:1，第一平直段与第二平直段的外径比为3:2，该外径比能充分保证换能器的力学强度和声学性能。
42.将本实施例的半波长换能器2与现有的有绳换能器的声学特性进行对比，如表1所示。现有的有绳换能器的长度为92.8mm，本实施例的压电晶堆的外径、后金属块的外径和预紧螺钉钉头的外径与现有有绳超声换能器的均相同，现有有绳超声换能器的前金属块材质为铝合金、后金属块材质为不锈钢、预紧螺钉材质为钛合金，现有有绳超声换能器前金属块的外径与本实施例的第一过渡段的最大外径相同。本实施例中，法兰部的外径为18mm，第一过渡段的最大外径为15.4mm，第一平直段的外径为9mm，第二平直段的外径为6mm。法兰部的长度为2mm，第一过渡段的长度为2.5mm，第一平直段的长度为10mm，第二过渡段的长度为2mm，第二平直段的长度为14mm，压电晶堆的长度为10.2mm，后金属块的长度为6mm，预紧螺钉的钉头长度为4.7mm。
43.表1
[0044][0045]
对比表1数据可以看出，本实施例的换能器的声学特性得到提升，相位容限几乎增加了一倍。换能器在谐振点附近相位容限的增加将更利于换能器与主机的匹配，提高换能器的工作效率。
[0046]
在另一实施例中，如图10所示，前金属块21包括沿远离压电晶堆22方向依次连接的法兰部211、第一过渡段212、第一平直段213、第二过渡段214、第二平直段215、第三过渡段216、第三平直段217、第四过渡段218和第四平直段219，法兰部211的外径大于第一过渡段212的最大外径，第一过渡段212的外径和第二过渡段214的外径沿远离压电晶堆22方向逐渐减小，第三过渡段216的外径和第四过渡段218的外径沿远离压电晶堆22方向逐渐增大，第一平直段213的外径与第一过渡段212的最小外径相同，第二平直段215的外径、第二过渡段214的最小外径和第三过渡段216的最小外径相同，第三平直段217的外径与第四过渡段218的最小外径相同，第四平直段219的外径与第四过渡段218的最大外径相同，第四平
直段219的外径小于第二平直段215的外径，螺纹设置在第四平直段219的外周面上。第一平直段213、第二平直段215、第三平直段217和第四平直段219的外周面均为直圆柱面，第一过渡段212、第二过渡段214、第三过渡段216和第四过渡段218实现平滑过渡，第一过渡段212和第二过渡段214外径逐渐减小，减小体积和重量的同时振动幅度逐渐增大，第三过渡段216和第四过渡段218的外径虽逐渐增大，但是增大的比例较小，整体上前金属块21的外径从后向前变阶减小，提高声学性能，获取更大的增益，同时满足力学强度。优选的，第三过渡段216的最大外径小于第二过渡段214的最大外径。变阶结构的前金属块21使得直径多次减小，保证前金属块21的力学强度，同时受到压电晶堆22传递过来的振动时的振动幅度更大。
[0047]
第一平直段和二平直段对换能器的谐振频率与振幅增益有着更为重要的意义，因此，第一平直段和第二平直段的长度和直径均大于第三平直段和第四平直段，第一平直段和第二平直段的直径比大约满足：φ1/φ2≈2。为了保持力学性能，第一过渡段、第一平直段、第二过渡段和第二平直段的长度之和与前金属块整体长度的比大于1/2，更优选的大于0.7。
[0048]
第一过渡段212和第二过渡段214的外周面为弧形面，第一过渡段212的弧形面的弧度与人体大拇指的弧度匹配，第三过渡段216和第四过渡段218的外周面为锥面。半波长换能器2和刀头组件1连接时，手握换能器的法兰部211，大拇指握在第一过渡段212的弧形面上，扭力扳手从刀头组件1端进行紧固，第一过渡段212的弧形面弧度匹配大拇指弧度，支撑适应大拇指，便于很好的抓持和施加力。第三过渡段216和第四过渡段218为锥面，增加力学强度。
[0049]
将现有的有绳换能器和本实施例的半波长换能器的声学特性进行对比，如表2所示。现有的有绳换能器的长度为92.8mm，本实施例的后金属块的外径、压电晶堆的外径和预紧螺钉钉头的外径与现有有绳超声换能器的均相同，现有有绳超声换能器的前金属块材质为铝合金、后金属块材质为不锈钢、预紧螺钉材质为钛合金，现有有绳超声换能器前金属块的外径与本实施例的第一过渡段的最大外径相同。在本实施例中，法兰部的长度为2.7mm，第一过渡段的长度为4mm，第一平直段的长度为7mm，第二过渡段的长度为1mm，第二平直段的长度为9.5mm，第三过渡段的长度为1.2mm，第三平直段的长度为1m，第四过渡段的长度为0.4mm，第四平直段的长度为5mm，第一平直段和二平直段对换能器的谐振频率与振幅增益有着更为重要的意义，第一平直段和第二平直段的直径比大约满足：φ1/φ2≈2，更优选地，第一平直段和第二平直段的直径比为2。在本实施例中，法兰部的最大直径为15mm，第一过渡段的最大外径为14mm，第一平直段的直径为8mm，第二平直段的直径为4mm，第三平直段的直径为2mm，第四平直段外表面饰有螺纹，螺纹标准一般为4-40unc。压电晶堆的长度为7mm，后金属块的长度为5mm；预紧螺钉的钉头长度为4mm。
[0050]
表2
[0051][0052]
[0053]
对比表2数据可以看出，本实施例的换能器的声学特性得到提升，相位容限几乎增加了47％。通过前金属块21的结构改进，保证力学强度的同时提高声学特性。
[0054]
后金属块23与预紧螺钉24的钉头接触的端面边缘设置倒角或倒圆角，使得对后金属块23周面的直径做适度的递增结构，近似形成为带一过渡台阶的圆环面，从而使得后金属块23能够更好的接收到预紧螺钉24的钉头的预紧力同时，进一步改善超声换能器的谐振特性。后金属块23的前端面即与压电晶堆22的接触面为平整的圆环面。
[0055]
半波长换能器2的设计模式，进一步缩减超声刀尺寸空间和重量，提升使用的舒适感，更便于携带；且满足力学性能的同时提升了声学特性，换能器在谐振点的相位容限增加，更利于换能器与主机的匹配，提高超声刀的工作效率。
[0056]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。
[0057]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0058]
在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任至少一个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0059]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0060]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。