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為了防止手持件在手術(shù)過(guò)程中過(guò)熱，高機(jī)械等級(jí)的低損耗壓電材料登上了手術(shù)臺(tái)。

 

超聲波手持件包括超聲波手術(shù)刀、超聲乳化手術(shù)刀和波刮器，它們利用聲波協(xié)助切割軟/硬組織。（圖片來(lái)源：Physik Instrumente）

 

超聲波手術(shù)刀在醫(yī)療方面的應(yīng)用頻率越來(lái)越高，比如會(huì)用在微創(chuàng)外科手術(shù)和牙科手術(shù)中。超聲波手術(shù)刀、超聲乳化手術(shù)刀和波刮器等儀器均利用聲波協(xié)助切割軟/硬組織。本文的第一部分著眼于綜述超聲醫(yī)療手持件的一般結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)變體和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。之后的第二部分將對(duì)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)、特殊應(yīng)用、驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備和故障機(jī)制進(jìn)行探尋。

 

1、定向發(fā)熱

 

骨頭或牙齒之類的硬組織可以用鉆頭或牙鉆來(lái)處理，比如在口腔手術(shù)時(shí)。這種情況下，超聲波可輔助沖擊或空化，協(xié)助機(jī)械工作。選定合適的工作頻率后，可以更快、更針對(duì)性地處理組織，比如可以在保護(hù)好周邊血管后進(jìn)行。作用于肌肉等軟組織時(shí)，靶向超聲波能使得手術(shù)刀的刀片以非常高的頻率，按特定的方式振蕩。

 

手術(shù)器械摩擦組織時(shí)會(huì)生成熱量，靶向發(fā)熱則有助于快速切割組織并凝血（見(jiàn)圖1），從而防止大出血并促進(jìn)止血。對(duì)手術(shù)器械的接觸點(diǎn)施加高密度能量后，由于所需的機(jī)械力和壓力較低，手術(shù)或活檢時(shí)的切割也會(huì)更加容易。手術(shù)切口更小，對(duì)周圍組織的創(chuàng)傷也更少，從而可減少術(shù)后疼痛，并縮短傷口的愈合時(shí)間，改善患者的愈后恢復(fù)。

 

此外，超聲波器械可借助空化作用和聲波的力量，將牙垢或腎結(jié)石等堅(jiān)硬的結(jié)塊輕輕敲碎。軟組織結(jié)構(gòu)也可以通過(guò)靶向和微創(chuàng)的方式進(jìn)行液化和抽吸，比如在白內(nèi)障手術(shù)（超聲乳化術(shù)）或傷口清創(chuàng)術(shù)中。

用于軟組織解剖和凝結(jié)的超聲波手持件（圖片來(lái)源：Physik Instrumente）

 

這種基于壓電陶瓷的超聲波手持件通常稱作波刮器?，F(xiàn)代波刮器通常包含一個(gè)工具和若干附加功能組件，如燈、冷卻用水、供氣和抽吸組件，這些功能可以集成到手持件中，并根據(jù)需要選擇打開(kāi)和關(guān)閉。超聲波刮器的典型應(yīng)用包括：

 

· 超聲波手術(shù)刀和組織封閉工具，例如用于血管手術(shù)中的凝血；

 

· 腹腔鏡超聲解剖；

 

· 骨鉆和骨鋸，用于骨科和頜面外科；

 

· 去除牙垢；

 

· 體內(nèi)碎石；

 

· 眼科超聲乳化術(shù)；

 

· 超聲輔助傷口清創(chuàng)術(shù)；

 

對(duì)于大規(guī)模的硬組織醫(yī)療手術(shù)，可以用旋轉(zhuǎn)工具（如螺旋鉆）作為替代方案。為了更快地移除組織，并減少對(duì)周圍組織的創(chuàng)傷，可以添加超聲系統(tǒng)來(lái)提供協(xié)助。

 

2、一般結(jié)構(gòu)

圖1：波刮器的結(jié)構(gòu)包含三個(gè)組件：壓電驅(qū)動(dòng)器、增幅器和超聲波發(fā)生器。

 

波刮器是手持式、模塊化的超聲波傳感器，通常包含驅(qū)動(dòng)器、增幅器和超聲波發(fā)生器（見(jiàn)圖1）。驅(qū)動(dòng)器也被稱為轉(zhuǎn)換器，負(fù)責(zé)產(chǎn)生超聲波，通常由兩個(gè)或四個(gè)擰在一起的壓電陶瓷環(huán)組成。為了防止機(jī)頭在操作期間過(guò)熱，產(chǎn)品選用高機(jī)械等級(jí)的低損耗壓電材料，如PIC144、PIC184或PIC181，組成特別適合高功率超聲波應(yīng)用的“硬”壓電陶瓷組。

 

增幅器既可用作機(jī)械放大器，也可用作懸掛裝置。增幅由懸架兩側(cè)增幅器的體積比決定。懸架安裝位置由增幅器振動(dòng)的中性水平所決定。

 

圖2：波刮器中的節(jié)點(diǎn)位置和超聲波振幅。

 

手持件的超聲波發(fā)生器（揚(yáng)聲器）將超聲波傳輸?shù)焦ぞ叩募舛?，因此工具接觸面的振幅肯定是最大的。超聲波發(fā)生器還用作振幅的機(jī)械放大器（見(jiàn)圖2）。增幅是根據(jù)超聲波發(fā)生器兩端的橫截面積比來(lái)計(jì)算的。臨床中需要的工作頻率范圍是20-100kHz，整個(gè)波刮器的幾何形狀也會(huì)相應(yīng)地設(shè)計(jì)成半波長(zhǎng)的倍數(shù)。

 

用于超聲波手持件的硬質(zhì)PZT多層環(huán)形芯片。（圖片來(lái)源：PI）

 

這種設(shè)計(jì)能讓工具達(dá)到最大振幅。不同的組織需要的頻率不同：例如，骨骼組織最佳的手術(shù)振幅是20-25kHz，而軟組織的最佳手術(shù)振幅是60kHz左右。

 

金屬部件方面，我們采用極高等級(jí)的合金，將機(jī)械損耗降到最低，通常會(huì)采用鈦、鋁合金或鋼合金。實(shí)際選擇的材料取決于應(yīng)用的要求，比如波刮器所需的重量和預(yù)算成本。此外，各種涂層（如TiN）也將用于防止腐蝕或過(guò)敏反應(yīng)。

 

3、設(shè)計(jì)變體

 

對(duì)于無(wú)需改變波刮器增幅或改變工作頻率的應(yīng)用案例，可以將驅(qū)動(dòng)器和增幅器單獨(dú)組合成一個(gè)組件。商用的波刮器支持按需更換工具——一臺(tái)波刮器可以用于多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合。應(yīng)當(dāng)注意的是，這些工具必須與各自標(biāo)度的工作頻率精確匹配，以呈現(xiàn)最佳手術(shù)效果。

圖3：帶有角度的超聲波發(fā)生器以及螺旋超聲波發(fā)生器波刮

 

在特殊應(yīng)用中，可能還需要非軸向的振動(dòng)。為了鉆入致密的骨骼組織，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)更有效；在鋸切軟骨組織時(shí)，則需要橫向振動(dòng)（見(jiàn)圖3）。因此，只需對(duì)設(shè)計(jì)稍作調(diào)整，就可以優(yōu)化波刮器的功能，最大限度避免其他組織受損。

 

4、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 

有限元法（FEM）模型可用于預(yù)先對(duì)高功率超聲波傳感器進(jìn)行整體的設(shè)計(jì)模擬。在設(shè)計(jì)新的波刮器時(shí)，必須考慮幾個(gè)關(guān)鍵的屬性：

 

· 最佳工作頻率；

 

· 振幅；

 

· 工作溫度/冷卻；

 

· 振動(dòng)模式。

 

工作頻率主要由組織的機(jī)械特性以及手術(shù)類型決定（見(jiàn)表1）。

表1：用于組織手術(shù)的典型超聲頻率。

 

最大的輸入可用功率、工具材料的強(qiáng)度和治療組織的極限、機(jī)頭的最大振幅。機(jī)頭的主動(dòng)冷卻程度也很重要，通常情況下，不間斷手術(shù)要求必須具備此性能。

圖4：波刮器的超聲增幅器

 

在模塊化的波刮器中，工具的振幅首先根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的諧振振幅，以及增幅器和超聲波發(fā)生器的倍增因子進(jìn)行估算（見(jiàn)圖4）。然而，這種做法過(guò)于簡(jiǎn)單，在醫(yī)療應(yīng)用中，我們應(yīng)當(dāng)始終通過(guò)FEM模擬的方式進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)應(yīng)用情況對(duì)刀尖的振動(dòng)模式進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整，可以改善治療過(guò)程。例如：通過(guò)使用扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，可以更快地進(jìn)行骨骼活檢，并減少對(duì)周圍組織的損傷。

 

表2：針對(duì)不同組織治療時(shí)的超聲振動(dòng)模式。

 

振動(dòng)模式的調(diào)整（見(jiàn)表2）：在最簡(jiǎn)單的情況下，通過(guò)修改刀頭（如彎曲角度）就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)模式的調(diào)整；最復(fù)雜的情況下，可通過(guò)調(diào)整傳感器、增幅器和超聲波發(fā)生器的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。核心設(shè)計(jì)因素包括最大應(yīng)變區(qū)域、溫度控制以及精確定位波刮器的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)。

 

從微創(chuàng)外科手術(shù)到牙科手術(shù)，超聲波手持件廣泛用于各種應(yīng)用。

 

之后在第二部分，我們將探究驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)、特殊應(yīng)用、驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備和故障機(jī)制。本文對(duì)超聲醫(yī)療手持件的一般結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。在第二部分，我們將探究驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)、特殊應(yīng)用、驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備和故障機(jī)制。

 

來(lái)源:MDDI