超声手术刀设计与性能研究.docx

摘要

超声手术刀是一种通过高速振动以实现生物体切割、分离的外科手术器械，

它具有精度高、刀口整齐、止血快、热损伤区域小、产生烟雾少等优点，在现代外科手术中受到广泛应用，已有取代高频电刀、机械夹钳等外科手术器械的趋势。

同时，超声刀在实践应用中存在输出效率较低，稳定性也有待提高等问题，且超声刀与生物组织作用机理尚不完善。深入研究超声外科手术技术和理论，开发新型超声手术刀系统，适应微创和单孔微创的手术要求，具有较高的社会价值和经济效益。因此，本文研究了超声手术刀与生物组织作用机理，用声子晶体的理论设计了单孔微创手术的超声手术刀。

关键词：超声手术刀，理论分析，结构设计；

目录

TOC\o1-3\h\z\u第一章绪论 3

1.1引言 3

1.2超声手术刀的优点 4

1.3超声手术刀工作原理 5

1.4超声手术刀分类 5

1.5超声手术刀研究发展现状 6

1.5.1国外研究现状 6

1.5.2国内研究现状 7

1.5.3单孔微创手术的发展现状 7

1.5.4本设计拟解决的超声手术刀技术问题 9

第二章超声手术刀的优化设计和特性 11

2.1现有普遍使用的超声手术刀概述 11

2.2设计背景 11

2.3设计方案 12

2.4具体实施方式 12

第三章总结与展望 21

参考文献 22

致谢 23

第一章绪论

1.1引言

医学超声是声学学科中的重要分支学科，它主要包括超声诊断和超声治疗两大研究领域。随着超声诊断和成像技术的广泛应用，超声治疗也迅速发展成医学超声的研究热点。而在超声治疗中，低频、大振幅振动的超声刀，具有精度高、刀口整齐、止血快、热损伤区域小、产生烟雾少等优点，已有取代高频电刀、机械夹钳等外科手术器械的趋势。同时，超声刀在实践应用中也存在输出效率低，稳定性较差等问题，且超声刀与生物组织作用机理尚不完善。

现代外科手术技术的不断发展为超声刀的应用开拓了广阔空间，同时也对超声刀的性能提出了新的挑战：如何充分发挥自身的特长，将超声手术刀应用于潜在的、更具挑战性的领域；如何进一步克服自身的不足，以满足外科手术高速发展的需求。面对现在的和潜在的微创手术需求的挑战，不仅需要开展新颖超声手术刀系统本身的研发，还需要深入开展超声刀头与组织的相互作用和损伤机理探索。因此，深入研究超声外科手术技术和理论，解决超声手术系统的各项关键技术问题，开发新型超声手术刀系统，适应微创和单孔微创的外科手术需求，具有较高的社会价值和经济效益[1]。

超声手术刀是一种通过高速振动以实现生物体切割、分离的外科手术器械。超声手术刀包括三个主要组成部分：超声激励电源、超声换能器和刀身(固体声波导)。超声激励电源主要作用是产生高频及可控的电功率，并在组织切割过程中，可以根据凝血速度和切割速度进行能量调节。超声换能器的作用是把高频电能转成超声机械(振动)能。通常采用夹心式压电换能器实现电能到机械能的转换。

超声手术刀的主要组成包括：主机、换能器手柄、超声刀头、脚踏板。

主机是一个高频电流发生器，负责提供稳定的超声频率电信号。

换能器手柄是超声手术刀的关键部件，超声刀中的超声换能器是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波信号，高于20kHz）的能量转换器件，其好坏直接关系到切割止血及血管凝闭的效果。超声换能器的种类很多。按照能量转换的原理和所用换能材料的不同，可分为压电换能器、磁致伸缩换能器、电容型换能器、电磁声换能器、机械型超声换能器等。超声刀手持部件的工作原理是利用电致伸缩效应或磁致伸缩效应，将超声电能转换为机械能，通过变幅杆的放大和耦合作用，推动刀头工作并向人体局部组织传播能量，从而达到手术治疗目的[2]。

图1.1超声手术刀结构示意图

1.2超声手术刀的优点

超声手术刀具有出血少、对周围组织伤害少、术后恢复快等特点，其作用于人体组织以蛋白质凝固为效果终点，不会引起组织干燥、灼伤等副作用，刀头工作时也没有电流通过人体，在手术室中有着广泛的应用。作为高频电外科设备的一种，超声手术刀与高频电刀的作用类似，直接作用于组织起到切割与凝闭的作用，同属于高风险设备。对高频电刀，有GB9706.4-2009、JJF1217-2209等规范对高频手术设备安全、维护维修后的检测作了专用要求；在《医疗设备质量安全与风险管理手册》等专著或文献中对风险评估及性能测试有详细的指导。超声刀作用于生物组织表面，其超声能量被组织吸收。同时，由于刀头的高频振动，刀头与组织之间互相摩擦而发热，使局部以接触界面为中心温度升高，热效应对超声刀切割时的止血具有重要作用。

图1.2-1和1.2-2是利用高频电刀和强生超声手术刀在猪肝上切割的实验结果。

图1