【摘要】：超聲手術刀是一種通過高速振動以實現(xiàn)生物體切割、分離的外科手術器械,它具有精度高、刀口整齊、止血快、熱損傷區(qū)域小、產生煙霧少等優(yōu)點,在現(xiàn)代外科手術中受到廣泛應用,已有取代高頻電刀、機械夾鉗等外科手術器械的趨勢。同時,超聲刀在實踐應用中存在輸出效率較低,穩(wěn)定性也有待提高等問題,且超聲刀與生物組織作用機理尚不完善。深入研究超聲外科手術技術和理論,開發(fā)新型超聲手術刀系統(tǒng),適應微創(chuàng)和單孔微創(chuàng)的手術要求,具有較高的社會價值和經濟效益。因此,本文研究了超聲手術刀與生物組織作用機理,用聲子晶體的理論設計了單孔微創(chuàng)手術的超聲手術刀,并進行了相關實驗,主要內容有:1.以赫茲接觸理論模型為基礎,建立超聲手術刀與生物組織相互作用模型,利用Hankel積分變換,分別對超聲刀在法向靜力載荷和簡諧力載荷下,生物組織內的應變場進行了求解,建立了靜力載荷-壓痕深度的力曲線與生物組織等效楊氏模量E*之間理論關系,探討了壓頭和組織彈性對超聲刀工作頻率的影響,為進行超聲刀與生物組織相互作用的實驗研究提供理論依據(jù)。同時,對超聲刀的疲勞特性進行了初步探索,預估疲勞損傷發(fā)生位置及損傷程度,為進一步優(yōu)化超聲手術刀結構,延長其使用壽命,提供參考依據(jù)。2.根據(jù)聲子晶體理論,利用集中質量法和傳遞矩陣法分別計算了無限周期變截面長桿的縱波和彎曲波的帶隙結構,確定了超聲手術刀刀桿的幾何參數(shù)。利用有限元法,模擬計算了有限周期的細長桿的帶隙特性,通過調節(jié)刀桿幾何結構控制刀桿振動模態(tài),使55KHz的縱波振動處于聲子晶體的通帶,而彎曲振動處于聲子晶體的阻帶,即具有“通縱振、阻彎曲”的傳輸特性。同時,設計并優(yōu)化了縱—彎耦合結構的超聲手術刀刀頭。3.根據(jù)超聲手術刀的工作特點和需求,研制了推挽激勵超聲換能器和具有實時頻率跟蹤和適應負載動態(tài)變化的“恒”振幅輸出的超聲手術刀激勵電源。研制了超聲手術刀測量系統(tǒng),對超聲手術刀的振動模態(tài)和刀頭振幅進行了測量。結果表明55kHz頻率附件工作時,刀頭振幅輸出可以控制在50-100μm范圍內,滿足切割止血要求。并參照通用行業(yè)標準YYT0644-2008,對超聲手術刀激勵系統(tǒng)樣機的技術指標和安規(guī)特性進行驗證。4.研制生物組織彈性模量測量系統(tǒng)和超聲刀切割速率和試樣溫度分布測試系統(tǒng)。開展豬肉,牛肉,豬肝和豬腎等生物組織等效楊氏模量測量,以及超聲手術刀肌肉切割速率和溫度分布實驗,評估超聲手術刀切割止血性能以及超聲手術刀對生物組織損傷程度。
【學位授予單位】：長春理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH777
【圖文】：

一步克服自身的不足，以滿足外科手術術需求的挑戰(zhàn)，不僅需要開展新穎超聲頭與組織的相互作用和損傷機理探索。決超聲手術系統(tǒng)的各項關鍵技術問題，創(chuàng)的外科手術需求，具有較高的社會價通過高速振動以實現(xiàn)生物體切割、分離成部分：超聲激勵電源、超聲換能器和生高頻及可控的電功率，并在組織切割量調節(jié)。超聲換能器的作用是把高頻電電換能器實現(xiàn)電能到機械能的轉換。超頭可以為薄片，弧形，球形或剪刀形等可以設計成在切割的同時，能夠將切斷能的集成。圖 1.1 是強生豪韻切割止血

超聲手術刀的工作機理主要是與生物組織直接接觸的金屬刀頭產生的一系列生效應，主要表現(xiàn)為機械效應、熱效應和空化效應。生物組織在聲強較小的超聲波作用下產生彈性振動，當聲強增大到組織的機械動超過其彈性極限，組織就會斷裂或粉碎，這種效應稱為超聲的機械效應。超聲鋸軟組織切割主要是基于機械效應。不同的生物組織具有不同的彈性極限，因此切割要的刀頭振幅不同。進行軟組織切割時，手術刀頭所需最小振幅為 40μm，截骨時需輸出 100μm 以上的振幅。超聲刀作用于生物組織表面，其超聲能量被組織吸收。同時，由于刀頭的高頻動，刀頭與組織之間互相摩擦而發(fā)熱，使局部以接觸界面為中心溫度升高，熱效應超聲刀切割時的止血具有重要作用。此外，超聲空化效應是空化泡在極短時間內產生高溫和高壓，并伴隨強烈的沖波和射流，從而對組織產生乳化、碎裂的作用。圖 1.2 為超聲手術刀的切割止血技術原理示意圖，圖 1.3 為超聲手術刀作用下織反應。它適用于對需要控制出血和最小程度熱損傷的軟組織進行切開。因此，超手術刀具有更廣泛的應用前景，它已成功地應用于許多外科領域。

超聲手術刀的工作機理主要是與生物組織直接接觸的金屬刀頭產生的一系列生效應，主要表現(xiàn)為機械效應、熱效應和空化效應。生物組織在聲強較小的超聲波作用下產生彈性振動，當聲強增大到組織的機械動超過其彈性極限，組織就會斷裂或粉碎，這種效應稱為超聲的機械效應。超聲鋸軟組織切割主要是基于機械效應。不同的生物組織具有不同的彈性極限，因此切割要的刀頭振幅不同。進行軟組織切割時，手術刀頭所需最小振幅為 40μm，截骨時需輸出 100μm 以上的振幅。超聲刀作用于生物組織表面，其超聲能量被組織吸收。同時，由于刀頭的高頻動，刀頭與組織之間互相摩擦而發(fā)熱，使局部以接觸界面為中心溫度升高，熱效應超聲刀切割時的止血具有重要作用。此外，超聲空化效應是空化泡在極短時間內產生高溫和高壓，并伴隨強烈的沖波和射流，從而對組織產生乳化、碎裂的作用。圖 1.2 為超聲手術刀的切割止血技術原理示意圖，圖 1.3 為超聲手術刀作用下織反應。它適用于對需要控制出血和最小程度熱損傷的軟組織進行切開。因此，超手術刀具有更廣泛的應用前景，它已成功地應用于許多外科領域。

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本文編號：2779296