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附录A 译文
椭圆形超声刀用于软骨切除
关键词:超声手术装置;朗之万传感器;软骨切除;超声手术刀。
摘要.设计了一种端面具有椭圆振动的超声刀，其超声振动依赖于经过特殊设计的朗之万换能器。其换能器端面固定有切削工具，具有增加振幅的作用，需要共振来提供足够的振动振幅来切割软骨或其他生物组织(主要目标是软骨)。与传统的轴向振动超声刀不同的是，该设计基于相互垂直的弯曲振动耦合，实现了刀具端面的椭圆超声振动。这种设计大大提高了手术刀的机械效果，并通过专门设计的切割工具实现了软骨组织的去除。设计了一种工作在20KHz，位移幅值为150mu;m，位移幅值为400V的原型装置。对振动和阻抗响应的测量进行了机械和电气方面的阐述。
引言
20世纪90年代以来，超声手术在生物医学领域得到了广泛的应用。开发高效、灵活的超声手术刀已成为相关领域研究的热点。目前超声刀主要用于白内障乳化[2]、肝胆肿瘤切除[3]、吸脂[4]、切骨[5]、凝血等。由于其准确度高、出血少、无烧伤、术后恢复快等优点，有取代高频电刀和机械钳的趋势[6]。超声手术刀通常由轴向振动的朗之万传感器组成，其前端为刀头，在18- 60khz范围内，传感器和刀头通常以纵向模式共振。朗之万换能器包含了一组压电陶瓷环(PZT-8)，这些压电陶瓷环被堆叠在一个堆栈中，朗之万换能器必须在工具头部达到足够的超声振幅，通常为数十微米的顺序。对于软骨，传统的纵向振动超声刀不能实现有效的切割，因为软骨会发生滞后。
目前传统的关节软骨手术器械是一种细长的棒状微刨，使用旋转刀片切割和分离软骨组织，但这种旋转动作会撕裂或以其他方式损害周围组织[7]。相反，当在手术中使用超声刀时，由于尖端旋转而造成组织损伤的可能性几乎被消除。该方法将两个相互垂直的弯曲振动耦合在一个电势换能器上，在其端面实现了不同于轴向振动的椭圆振动轨迹设计了朗之万换能器在超声手术器械的设计及软骨摘除的性能表征。
设计与研制
基于改进的朗之万换能器，开发了一种适用于功率超声的新型换能器结构。这个换能器包括一个喇叭，后盖。预紧螺栓和压电陶瓷片。如图1所示，换能器中使用了特殊设计的压电陶瓷片。实验证明，它能激发z轴和y轴上的弯曲振动。利用两组相位差的超声信号，将椭圆振动耦合在yoz平面上，即端面椭圆振动，换能器椭圆振动的原理如图1(c)所示。将具有放大功能的工具安装在变送器的喇叭上，可在刀尖处以200 V的速度驱动变送器，位移幅值约为100 mu;m。超声手术刀设计为20KHz，在商业超声手术设备的谐振频率范围内(通常为18-35KHz)。由于设备的小型化，可以在手术过程中进行精细的手术，减少组织损伤，即微创手术。
压电陶瓷片
后盖 电极 喇叭
预加载螺栓
y
o x
z
L1 Lp L2
螺纹孔
垂直方向
D1
D2
振动轨迹
水平方向
(a) (b) (c)
图1换能器结构。(a)三维模型;(b)结构参数;(c)换能器椭圆振动原理。
#1 正电极
输入 A
输入 B
－
＋
＋
＋
－
负电极
#2 正电极
＋
－
＋
－
(a) (b)
图2 。(a)压电陶瓷堆叠接线图;(b)压电陶瓷圆盘的一半分布
特别设计的朗之万换能器原理图如图1(a)所示，通过预紧螺栓将铝合金喇叭(Al-6061)和钛合金后盖(Ti-6Al-4V)与PZT叠层组合在一起。喇叭有用于安装工具的螺纹孔，图1(b)，压电陶瓷和铜电极通过环氧树脂粘合剂粘合，其搭接剪切强度为15Mpa。
在该换能器的配置中，应特别注意压电陶瓷堆的设计。压电陶瓷圆盘对称地分为两部分。如图2(b)所示，所述半环形压电陶瓷叠层的铜电极位置，其中正电极分为电不连通的两个部分，1号和2号，另一半恰好相反，负极被分隔。压电陶瓷堆叠的结构和接线图如图2(a)所示。所述双面半环形压电陶瓷堆的极性相对，用于激发换能器的弯曲振动。电极1连接输入信号A，电极2连接输入信号B，输入信号A和B的负电极连接到负电极压电陶瓷的堆栈,相同的激励信号频率和不同阶段分别应用于A和B。换能器在两个相互垂直的方向上同时处于弯曲共振状态。通过两种弯曲模态的叠加来实现刀具在yoz平面内的高频椭圆振动轨迹，通过改变两种激励信号[8]的相位差来控制椭圆振动轨迹的形状。
利用有限元分析软件(Abaqus)和声学仿真软件(PZFlex)对换能器进行设计，将其调整到期望的谐振频率，并预测超声幅值。在喇叭上设计了一个螺纹孔，用于安装手术工具。后盖和喇叭采用数控加工，并保证表面粗糙度Ra0.8，用绝缘环氧树脂胶粘剂粘接零件，在200左右的环境下固化2-3小时，保证强度这是为了消除气隙，保证超声波在换能器内部的传播。环氧粘合剂也被用来防止短路和电绝缘压电陶瓷堆栈从其他。预紧力用预紧螺栓将牛角、后盖、压电陶瓷堆连接在一起。应注意适当的预紧力，以获得稳定的超声振动，以防止压电陶瓷堆被破坏。所述预紧螺栓和前盖均为空心结构，目的是利用蠕动泵实现抽吸功能，有利于清除手术区域，保证手术视野。该换能器的目标是附加工具后的谐振频率为20 kHz，超声振幅为70 mu;m，在300-350 V下用于去除软骨等生物组织。
设计了一种具有可变振幅函数的手术工具，其直径可大可小。根据动力学方程，该结构可以增大换能器产生的超声振动的振幅。工具材料为医用钛合金，平口设计用于工具的拆卸和交换，医务人员可以根据不同的需要更换不同的工具。该工具也是中空结构，实现吸力功能。工具结构如图3(a)所示。刀尖直径为2毫米，为三点结构。超声刀如图3(b)所示。
（a） (b)
图3 (a)超声刀工具结构;(b)超声波手术刀
超声手术刀的表征
通过模态分析和谐波响应分析预测了超声刀的性能特性。为了真实地描述和分析超声刀的性能特性，使用了频率响应分析仪(FRA5087，日本)或电阻抗分析和二维激光多普勒振动仪(LV-1610, ONO SOKKI CO.， LTD.)。日本)被用于电力谐波特性。在这些实验中，手术工具被安装在换能器上并作为一个整体进行测试。为确保将超声刀制作成在所需的工作频率下工作,超声手术刀的模式,减少插入连接,必须在设计阶段预测准确的有限元分析,与客观,一旦制造,设备操作频率和模式与从有限元分析计算。由于设计的椭圆振动是两种弯曲振动的叠加，在仿真过程中，只需要预测超声刀在设计频率处存在弯曲振动模式。利用Abaqus软件分析超声刀的理论谐振频率和谐振模式。利用声学仿真软件PZFlex进行了谐波响应分析。为了简化计算，仿真模型是超声刀模型的一半。在电极片上施加10V的谐波电压，其频率为模态分析得到的理论谐振频率。仿真了该条件下超声刀的振动形式，结果如图4所示。
ydsp
5.33mu;m
2.96mu;m 0
-2.84mu;m
-5.12mu;m
图4所示。有限元分析显示超声刀在20KHz时的振动
测量超声刀的阻抗和相位频谱，如图5所示。超声刀的真实共振频率为19.92KHz，这是阻抗频谱的最低点，因为超声振动系统在达到共振时阻抗最低。
图5所示。超声刀阻抗和相位的频谱
对于所设计的换能器和共振激励方法是否能产生超声刀刀尖的椭圆振动，由激光多普勒振动仪、超声刀和数字示波器组成的测量系统如图6(a)所示。用于超声刀刀尖振动模式的检测。具体来说，来自激光源的两束激光聚焦在工具尖端的同一点上，如图所示。6(b)。然后将振动计的信号输入数字示波器(Iwatsu Co.Ltd. LT364L)进行合成和记录。为了激发PZT驱动器，将由日本NF W1946B波函数发生器产生的两个频率相同的交流信号通过两个高速放大器(日本NF HSA 4052)放大到PZT电极上。应用于PZT振动器的两个输入之间的相位差变化将导致工具振动的变化(图7)
(a) (b)
图6 (a)超声振动测量系统;(b)激光光斑的测量位置
(a) 0° (b) 60° (c) 180°
图7振动的代表模式(Vp-p=20V, f=20kHz)。调整相位差将导致振动器轨迹的改变
将两台相互垂直的激光多普勒振动仪放置在yoz平面上，测量超声刀刀尖的振动轨迹，如图6(b)所示。在f=20kHz, Vp-p=20V，相位差= 60两种输入电压激励下，得到超声刀刀头的振动轨迹，如图7(b)所示。手术刀的最大振幅是???? = radic;??2 ??2 . 理论上讲，当两个输入的相位差为0和180时，振子的运动轨迹呈现为一条直线。然而，在实际应用中，由于刀尖圆弧的测量误差，轨迹可能不是一条完美的直线。图7(a)和(c)显示了刀尖轨迹，两个输入的相位差分别为0和180。分别。轨迹近似为直线，但有一定的角度。图7 (c)作为一个例子,Z方向的振动会稍微影响到测量激光点的位置在Y方向上测量工具提示,使激光点也流离失所在Y方向上,所以耦合振动轨迹有一定的角度。
图8位移幅值与输入电压的关系。
在谐振频率下，随着激励水平的增加，将超声刀Z方向弯曲振动的振幅Az与有限元仿真得到的预测值进行比较。在有限元仿真中，对超声刀在不同电压激励下的稳态动态特性进行了分析，得出了超声刀振动幅值与激励幅值线性相关的结论。但在实际测量中，幅值级和激励级之间存在一定的非线性。这是因为实际换能器的机电转换效率与仿真不同，表现为装配压力分布不均匀以及振动过程中产生的热量等因素。质量因子和介电常数在压电陶瓷个体之间的差异也有影响。结果如图8所示，实验值与仿真值基本一致，相关性较大。
未切割区域
切割区域
软骨纤维撕裂
图9活体切割实验结果
本研究对大鼠肋软骨进行体外切割，结果如图9所示。椭圆超声刀能有效撕裂胶原纤维，去除软骨组织，切割区与未切割区分界线明显，说明周围组织损伤小，有利于患者术后恢复等。
结论和前景
利用专门设计的朗之万换能器，实现了端面椭圆振动的超声刀。研究结果表明:
(1)超声刀的端面可以实现稳定的椭圆振动。
(2)调整相位差会导致振动器轨迹的改变。
(3)随着输入电压的增加，超声刀的幅值也随之增大，基本呈线性关系。
(4)椭圆超声刀能有效切除软骨组织，对周围组织损伤较小。
下一步的前景是对小鼠肋软骨进行切割实验，通过对实验结果的组织切片分析，确定超
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