超声手术刀的工作机理及力负载特性

Ｃａｏ Ｇｕａｎｇｋａｉ，Ｊｉａｎｇ Ｘｉｎｇｇａｎｇ，Ｂｉ Ｐｅｉｘｉｎ，Ｑｉｎ Ｗｅｉ，Ｚｈａｎｇ Ｄｅｙｕａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９ １，Ｃｈｉｎａ）
ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｐｌａｙｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ． Ｍ ｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｈｓ ｒｅｖｅａｌ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｆｏｒｃｅ，ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｃａｌｐｅｌ ｗｉｔｈ ｌｏａｄ ａｌｍｏｓｔ ｄｏｅｓ ｎｏｔ
．
ｓｈｉｆ ｔ，ｈｏｗｅｖｅｒ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｒａｄｉｕｓ ｏｆ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｃｉｒｃｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｖａｌｕｅ ｏｆ ａｄｍｉｔｔａｎｃｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｔｏ ｋｅｅｐ ｓｔａｂｌｅ，ｉｎ ｏｔｈｅｒ ｗｏｒｄｓ，ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｃａｌｐｅｌ ｗｅａｋｅｎｓ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｔｏ
ｃｏｎｓｔａｎｔ．
，
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｃａｌｐｅｌ；ｗｏｒｋ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ；ｆｏｒｃｅ ｌｏａｄ ｐｒｏｐｅｒ ｔｙ
近 年来 ，高 能 低 频 超 声 （２０～６０ ｋＨｚ）在 医学 上 取 得 了广 泛 的 临床应 用 ，超 声 手术 刀 就是 其 中最 常 见 的一 种 ，主 要 用 于生 物组 织 的切 割 与血 管 闭 合 等 操作 ＿ｌ－２］。根 据用 途 不 同 ，超声 手术 刀 可 分 为超 声 切 割 止血 刀 、超 声 吸 引器 、超 声 骨刀 等 ，一般 所 说 超声 刀是 指超 声切 割止 血 刀 。自 １９６７年 Ｋｅｌｍａｎ将 超声 应 用 于 白 内障手 术 以来 ，超声 手术 刀 已历 经 ５０年 的 发展 ，如 今 已广泛 应用 于各类 病 变 组织 的切 除 与 血 管 闭合 等手 术 中 ，尤其 是 腹 腔镜 手 术 。相 较 于普
Ａ ｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｃａｌｐｅｌ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｓ ａ ｎｅｗ ｔｏｏ１．Ｂｕｔ，ａｓ ｔｈｅ
ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｉｓ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｔｉｓｓｕｅ，ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｓ ｓｔｉｌｌ ｎｏｔ ｃｌｅａｒ ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ｉｓ
ｌｉｔｔｌｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｃａｌｐｅｌ ａｐｐｌｉｅｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｏｒｃｅ ｌｏａｄ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｏｒｃｅ ｌｏａｄ ｏｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｃａｌｐｅｌ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅ
《电加工与模具）２０１６年第 １期
设 计 ·研 究
超声手术 刀的工作机理及 力负载特性
曹广 凯 ，姜 兴 刚 ，毕 培 信 ，秦 威 ，张 德 远
（北 京航 空航 天 大学机 械 工程及 自动化学 院 ，北京 １００１９１）
摘 要 ：超 声手 术 刀作 为 一 种新 型 的载 能 刀具 在 医学 临床 应 用 上取 得 了广 泛应 用 ，但 因其超 声 刀的 工作 对 象是 复 杂 的 生物组 织 ，人 们 对 于超 声 刀的 工作 机 理 尚 不是 很 明 确 ，对 其 负载 特 性 的研 究也有 限 。基 于此 ，从 超 声手术 刀 的工作 机理 和 力 负载特性 两 方面进 行 了研 究 ，发现 空化 效应 在超 声刀切 割 组 织时具 有 重要作 用 ；同时研 究 了负载 力对超 声 刀 工作状 态的影 响 ，表 明在 有载 情 况 下 ， 负载 力对 超 声刀 的 工作 频 率影 响 不 大 ，但 随 着 负载 力 增 大 ，阻抗 圆半 径 和 最 大导 纳 均逐 渐 变小 并 趋 于恒 定 ，即表 现 为超 声 刀的振 动效 果逐 渐 受到抑 制并 趋 于稳 定 。
关键 词 ：超 声 手术 刀 ；工 作机 理 ；空化效 应 ；力负 载特 性 中图分类 号 ：ＴＧ６６３ 文 献标识 码 ：Ａ 文章 编号 ：１００９—２７９Ｘ（２０１ｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ Ｉｎｆ ｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｆｏｒｃｅ Ｌｏａｄ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｓｃａｌｐｅｌ
收 稿 日期 ：２０１５—１０—３０ 基 金 项 目 ： 国 家 自然 科 学 基 金 资助 项 目（５１３０５０１８、５１４７５０３１、５１４７
５０２９） 第 一 作 者 简 介 ：曹 广 凯 ，男 ，１９８９年 生 ，硕 士 研 究 生 。
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通 手 术 刀和 其 他能 量 手术 设 备 ，超声 手 术刀 具 备 多 种 优 点 『】＿３］：手 术 精 度 高 、操 作 简 便 、手 术 创 伤 区 域 小 、无 烟 雾 、出血 量 少 、手 术 时 间短 、术 后恢 复 速 度 快 。 与 电刀 和气 体 激 光 手 术 刀 等 能 量 手 术 器 械 相 比，超声 手 术刀 工 作 时 的刀 头温 度一 般 低 于 ８０℃ ， 这 大 大低 于 其 他能 量 手术 器 械 的工 作 面温度 ，能 极 大地 减 少 手 术 中对 切 口周 边 组 织 所 造 成 的 热 损 伤 范 围和程 度 。此外 ，由于 超声 刀 工作 时 不产 生 电火 花 ，因此 不会 对 神 经 组 织 产 生 电信 号 干 扰 ，特 别 是 在 进 行 肌 肉切 割 时 ，超 声 刀 不 会 导 致 肌 肉异 常 痉 挛 。由于超 声 刀刀头 工作 时 的侧 向组织 损伤 深度 一 般 小 于 １ ｍｍ，因此 对 刀头 作用 区域 附 近组 织 的 连 带 损伤 面积 较小 ，且普 遍预 后 良好 。