Ультразвуковой хирургический инструмент

 

Изобретение относится к области медицины и в частности может использоваться как хирургический инструмент для сверления и фрезерования костных и хрящевых тканей, а также для проведения спиц при фиксации костных переломов в травматологии. Новым в изобретении является то, что ультразвуковой преобразователь и концентратор выполнен в виде единого четвертьволнового колебательного вала, а привод вращения выполнен из основания, соединенного через пружинящий элемент с дисковым фланцем и упругими толкателями, которые одной стороной установлены на дисковом фланце под углом α₁,, a их свободный конец прижат к торцу концентратора с возможностью их фрикционного взаимодействия. 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к области медицины и в частности может использоваться как хирургический инструмент для сверления и фрезерования костных и хрящевых тканей, а также для проведения спиц и стержней при фиксации костных переломов в травматологии.

Общеизвестны и широко применяются на практике электрические дрели для сверления и фрезерования костных и хрящевых тканей.

При применении такого типа инструмента для сверления плотных биологических тканей требуются значительные усилия, что не позволяет засверливать мелкие осколки костей при проведении спиц, причем в процессе сверления на поверхности рабочего наконечника возникают температуры до 80^oC, что приводит к некрозу ткани.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению ультразвуковой хирургический инструмент относится дрель ультразвуковая хирургическая, содержащая ультразвуковой преобразователь, привод вращения, соединенный с концентратором, на рабочей части которого закреплен сменный рабочий наконечник [1] Описанный прототип из-за значительного объема и веса вызывает быструю утомляемость оператора, ограничивает его подвижность в процессе работы, создает неудобства и ограничивает возможность доступа к отдельным местам тела пациента при его ограниченной подвижности.

Достигаемым техническим результатом заявляемого изобретения является расширение диапазона его применения и улучшение качества выполняемых работ.

Технический результат достигается применением предлагаемого ультразвукового хирургического инструмента, содержащего ультразвуковой преобразователь и привод вращения, соединенные с концентратором, на рабочей части которого закреплен сменный рабочий наконечник, в котором ультразвуковой преобразователь и концентратор выполнены в виде единого четвертьволнового колебательного вала, а привод вращения выполнен из основания, соединенного через пружинящий элемент с дисковым фланцем и упругими толкателями, причем основание имеет возвратно-поступательное продольное перемещение, пружинящий элемент жестко соединена с основанием и дисковым фланцем, а упругие толкатели одной стороной жестко установлены под углом α₁ к торцевой поверхности дискового фланца, а их свободные концы прижаты к торцу концентратора с возможностью их фрикционного взаимодействия, при этом длину толкателей L выбирают из условия 0,1 λ≅ L≅ 10 λ, , где λ длина волны изгибных колебаний в материале толкателей, угол a₁ выбирают по отношению к углу α₂ максимального наклона толкателей в пределах 1,01≅ α₁/α₂≅ 2,0 с таким расчетом, что радиус r наружных частей толкателей от оси вращения вала по отношению к радиусу R торча концентратора выбирают в пределах 0,4≅r/R≅1,0, а торцевая рабочая площадь S₁ всех толкателей по отношению к площади S₂ кольца, имеющего ширину рабочей части толкателей, на торце концентратора выбирают в пределах 0,01≅S₁/S₂≅0,95.

Для лучшего понимания технической сущности изобретения ультразвукового хирургического инструмента к описанию прилагается схема устройства на трех фигурах. На фиг.1 принципиальная схема ультразвукового хирургического инструмента согласно изобретения: на фиг.2 схема взаимодействия дискового фланца, упругого толкателя и концентратора; на фиг.3 сечение А-А1 фиг.1, показывающее размещение упругих толкателей по площади торца концентратора.

Ультразвуковой хирургический инструмент включает (см. фиг.1) преобразователь звуковых колебаний 1, концентратор 2 в виде волновода, жестко связанных между собой соединительным узлом 3, а также сменным рабочим наконечником 4, например, фрезы, долота, сверла и т.п. устанавливаемого на рабочей части концентратора 2, привод вращения, состоящий из основания 5, дискового фланца 6, упругих толкателей 7 и пружинящего элемента 8, в качестве которого может использоваться пружина, имеющая низкую осевую и высокую крутильную жесткость.

Основание 5 зафиксировано от осевого поворота и может перемещаться только в осевом направлении, дисковый фланец 6 связан одной стороной с пружинящим элементом 8, а другой стороной с упругими толкателями 7, установленными на фланце под углом α₁,, другой конец которых прижат через пружинящий элемент 8 к торцу 9 фрикционного концентратора 2. Пружинящий элемент 8 соединен с основанием 5 и дисковым фланцем 6. Вращение инструмента осуществляется в подшипниках 10 и 11, установленных в корпусе 12 ультразвукового хирургического инструмента. Регулировка оборотов инструмента выполняется рычагом 13.

Работает ультразвуковой хирургический инструмент следующим образом. Ультразвуковой хирургический инструмент подключается к электросети и в преобразователе ультразвуковых колебаний 1 возникает переменное электрическое поле, которое за счет пьезоэффекта переменных механических деформаций смещается вдоль преобразователя 1, причем амплитуда продольных смещений усиливается концентратором 2. При этом фрикционный торец 9 концентратора 2, из положения В (см. фиг.2) начинает совершать колебания вдоль продольной оси инструмента, и двигаясь по направлению к дисковому фланцу 6 начинает сгибать прижимающиеся к нему толкатели 7, увеличивая их упругость, уменьшая угол α₂ за счет максимального наклона в положении В₁ толкателей 7. При обратном движении концентратора 2 упругие усилия, накопившиеся в толкателях 7 при наличии первоначального значительного трения с фрикционной поверхностью торца 9 концентратора 2 создают резкий импульс вращательного движения концентратору 2. Но по мере того как торец 9 концентратора 2 приближается к крайнему удаленному положению В₂ от основания 5 трение между толкателями 7 и торцом 9 концентратора 2 достигает минимальной величины, что способствует удержанию концентратором 2 полученного импульса вращения. В момент максимального сжатия упругих толкателей 7 основание 5 находится в крайнем правом положении, а пружинящий элемент 8 в сжатом состоянии. При движении концентратора 2 в максимально удаленное положение от основания 5 пружинящий элемент 8 разжимается и вводит основание 5 в крайнее левое положение, а дисковый фланец 6 в крайнее правое положение. Упругие толкатели 7 располагаются на дисковом фланге 6 равномерно (см.фиг.3). Далее таким образом процесс повторяется и происходит вращение концентратора 2 вместе с рабочими наконечниками 4, которые кроме возвратно-поступательных движений совершают вращательное движение. Регулировка скоростью вращения осуществляется с помощью рычага 13 с перемещением основания 5 и сжатия или расжатия пружинящего элемента 8.

Расчеты показывают, что длина 1 шага поворота концентратора за одно его колебание, количество N колебаний в секунду и количество n за один оборот концентратора 2, а также коэффициент трения К_тр фрикционных материалов толкателей 7 и концентратора 2 и усилие сжатия пружинящего элемента - определяют в совокупности скорость вращения рабочего наконечника.

Как показали проведенные исследования указанный технический результат достигается только при взаимосвязанном использовании всей совокупности существенных признаков заявленного объекта. Это подтверждается, в частности, примерами их практической реализации, при описании которых нецелесообразно повторять в каждом примере общую для них информацию, отраженную в формуле и описании изобретения. Целесообразно привести при описании примеров практического выполнения заявленного объекта только количественную информацию, отличающую один пример от другого, которую целесообразно для удобства сопоставления изложить в виде таблицы. Для сопоставления возможностей достижения указанного технического результата в каждом из примеров оказалось целесообразным использовать параметр ζ,, характеризующий расширение диапазона применения хирургического инструмента и улучшение качества выполняемых им работ в процессе сверления, долбления и фрезерования костных и хрящевых тканей, а также для проведения спиц и стержней при фиксации костных переломов в процессе экспериментального осуществления заявляемого технического решения и прототипа.

Рассмотрим примеры проведенных исследований, отраженных в таблице. Нижние и верхние значения заявляемых пределов были получены на основании статистической обработки экспериментальных данных преимущественно исходя из условия приближения параметра ζ к единице (ζ₁=1,01, ζ₂=1,03),, а также с учетом других известных обстоятельств, накладывающих ограничения на заявляемые пределы. В оптимальном примере 3 практической реализации заявляемого объекта было достигнуто наиболее высокое значение параметра (ζ₃=4,2)..

При выходе за нижние (пример 5) и верхние (пример 6) значения заявляемых пределов указанный технический результат, как следует из таблицы, не достигается (ζ₅=0,99, ζ₆=0,97). В произвольном примере 4 при использовании значений существенных параметров внутри заявляемых пределов было получено промежуточное значение технического результата (ζ₄=3,5)..

Формула изобретения

Ультразвуковой хирургический инструмент, содержащий ультразвуковой преобразователь и привод вращения, соединенные с концентратором, на рабочей части которого закреплен сменный рабочий наконечник, отличающийся тем, что ультразвуковой преобразователь и концентратор выполнены в виде единого четвертьволнового колебательного вала, а привод вращения выполнен из основания, соединенного через пружинящий элемент с дисковым фланцем и упругими толкателями, причем основание имеет возвратно-поступательное продольное перемещение, пружинящий элемент жестко соединен с основанием и дисковым фланцем, а упругие толкатели одной стороной жестко установлены под углом α₁ к торцевой поверхности дискового фланца, а их свободные концы прижаты к торцу концентратора с возможностью их фрикционного взаимодействия, при этом длину толкателей L выбирают из условия 0,1λ≅L≅10λ, где λ длина волны изгибных колебаний в материале толкателей, угол l₁ выбирают по отношению к углу α₂ максимального наклона толкателей в пределах 1,01≅ α₁/α₂≅ 2,0 с таким расчетом, что радиус r наружных частей толкателей от оси вращения вала по отношению к радиусу R торца концентратора выбирают в пределах 0,4 ≅ r / R ≅ 1,0, а торцевую рабочую площадь S₁ всех толкателей по отношению к площади S₂ кольца, имеющего ширину рабочей части толкателей, на торце концентратора выбирают в пределах 0,01 ≅ S₁ / S₂ ≅ 0,95.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4