CN101883529B - 工作长度增加的折叠超声端部执行器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于超声外科器械的端部执行器。主体沿着纵向轴线延伸。所述主体包括近端和远端。所述主体的近端能够与超声换能器连接，所述超声换能器能够以预定频率产生振动。折叠元件包括在波节和波腹之间的预定区域与所述主体的远端连接的第一末端。所述折叠元件沿着所述纵向轴线从所述主体的远端延伸至所述主体的近端。所述折叠元件包括第二自由声学末端。所述主体的远侧部分和折叠元件限定平行声学路径。

Description

工作长度增加的折叠超声端部执行器
背景技术
包括空芯器械和实芯器械在内的超声器械用于安全有效地治疗许多医疗病症。超声器械(尤其是包括接触超声元件的超声器械)是有利的，因为它们可以用于以在超声频率下传输到外科端部执行器的机械振动形式的能量切割和/或凝结组织。利用接触超声元件的超声器械尤其有利，因为超声能量可以从超声换能器通过超声传输部件或波导传输到外科端部执行器。此类器械可用于开放性或微创外科手术操作，例如内窥镜外科手术或腹腔镜外科手术，其中端部操纵装置穿过套管针到达外科手术部位。
超声频率下激活或激发此类器械的单元件或多元件端部操纵装置相对于传输部件产生纵向、横向或扭转振动运动，所述运动在相邻组织内产生局部热量，既有助于切割又有助于凝结。由于超声器械的该特性，因此特定的超声致动的端部执行器可以被设计用于执行许多功能。当使用合适的端部执行器将超声振动以合适的能级传输到有机组织时，超声振动可用于切割、解剖、分离、抬起、横切、升高、凝结或烧灼组织，或者在夹紧组件的帮助下或者在没有夹紧组件的帮助下将肌肉组织与骨头分离或者从骨头上刮掉肌肉组织。
例如，通过电激励换能器在外科端部执行器中引发超声振动。换能器可由位于器械手柄内的一个或多个压电元件或磁致伸缩元件构成。换能器部分产生的振动经由从换能器部分延伸至外科端部执行器的诸如波导的超声传输部件传输至外科端部执行器。波导和端部执行器最优选地被设计为与换能器以相同的频率共振。因此，当端部执行器连接到换能器时，整个系统的频率与换能器自身的频率相同。
端部执行器在顶端处的纵向超声振动的零至峰振幅d表现为共振频率的简单正弦曲线，用以下公式表示：
d＝A(x)sin(ωt)        (1)
其中：
ω为2п乘以循环频率f的角频率；并且
A(x)为零至峰幅值，是沿着超声刀的位置x的函数。
将纵向偏移定义为峰到峰(p-t-p)幅值，其恰好为正弦波幅值的两倍或为2A。A(x)随着驻波图形而变化，被称为位移曲线。在位移波节处，A(x)等于零，没有超声偏移。在波腹处，A(x)为局部极值，要么是极大值，要么是极小值(极小值称为负极大值)。
声学组件可包括射声器，该射声器几何上形成为放大、衰减或传输由压电或磁致伸缩致动器产生的振动的振幅。传统的射声器一般具有两个不同的横截面积，这两个横截面积之间通常呈锥形，其中较大区域或输入区域面对致动层叠件。传统的射声器能够在输入区域和输出区域之间直接过渡。放大射声器(如前罩(fore-bell))被构造为锥体，其较大直径端(如输入区域)适于与换能器直接连接，其顶端处的较小直径端(如输出区域)适于与端部执行器连接。射声器的锥形横截面积放大换能器所产生的有限位移。在声频至超声频率下工作的振动致动器一般包括三个主要的部件。这些部件包括射声器、压电或磁致伸缩元件的层叠件(如换能器、致动器层叠件)和背衬材料(如端罩(end-bell))。压电元件的层叠件被将背衬材料与射声器连接的应力螺栓压紧固定。面积变化用于放大由层叠件引起的有限位移。
实芯超声器械可分为两类：单元件端部执行器装置和多元件端部执行器装置。单元件端部执行器装置包括诸如超声刀、解剖刀、钩或球形凝结器的器械。多元件端部执行器包括单元件端部执行器，该单元件端部执行器与紧靠其按压或夹紧组织的机构结合。多元件端部执行器包括夹紧解剖刀、夹紧凝结器或夹紧组件与单元件端部执行器的任意组合，这些组合通常被称为夹具凝结器。当可能需要大量压力来有效地将超声能量耦合到组织时，可利用多元件端部执行器。这种端部执行器将压缩力或偏置力施加于组织，以促使组织(尤其是松弛且无支撑的组织)更快的切割和凝结。
在“Novel Horn Designs for Ultrasonic/Sonic CleaningWelding，Soldering，Cutting and Drilling”(Proc.SPIE SmartStructures Conference，Vol.4701，Paper No.34，San Diego，CA，2002.3)中论述了振动放大器(如，射声器)的各种设计实例。在标题为“Folded Horns for Vibration Actuator”的美国专利申请公布US20040047485A1中论述了另外的射声器设计实例。第一篇文献论述了一种折叠射声器，该折叠射声器与超声换能器或致动器连接，另一端与工件(如超声刀或者与超声刀连接的超声传输部件或波导)接触。然而，该文献中所述的折叠射声器的“远端”与工件不接触。
然而，需要这样一种端部执行器，其包括一个或多个折叠元件以在保持与目标组织接触的同时缩短端部执行器的总长度。还需要一种包括活动的折叠元件的端部执行器。还需要一种包括位于远端的折叠元件的端部执行器，该折叠元件既不位于波节处，也不位于波腹处，并以中间位移振幅工作。
发明内容
在一个实施例中，用于超声外科器械的端部执行器包括沿着纵向轴线延伸的主体。主体包括近端和远端。主体近端能够与超声换能器连接，超声换能器能够以预定频率产生振动。折叠元件包括在波节和波腹之间的预定区域与主体的远端连接的第一末端。折叠元件沿着纵向轴线从主体的远端延伸至主体的近端。折叠元件包括第二自由声学末端。主体的远侧部分和折叠元件限定平行声学路径。
附图说明
多个实施例的新特征在所附权利要求书中进行了详细描述。然而，结合以下描述和如下附图能最好地理解多个实施例(有关手术组织和方法)及其优点。
图1示出包括单元件端部执行器的超声系统的一个实施例。
图2A-D示出包括多元件端部执行器的超声系统的一个实施例。
图3示出用于超声器械的连接件/接头的一个实施例。
图4是中空管状端部执行器的一个实施例的示意图。
图4A是图4所示端部执行器的纵向剖面图。
图4B是图4所示端部执行器沿着线4B-4B截取的剖视图。
图5是包括限定平行声学路径的折叠元件的端部执行器的一个实施例的示意图。
图5A是图5所示端部执行器的纵向剖面图。
图5B是图5所示端部执行器沿着线5B-5B截取的剖视图。
图6示出包括限定平行声学路径的折叠元件的端部执行器的一个实施例的示意图。
图6A是图6所示端部执行器的纵向剖面图。
图6B是图6所示端部执行器沿着线6B-6B截取的剖视图。
图7用曲线图示出图4、图4A和图4B所示端部执行器的特性超声位移曲线。
图8用曲线图示出图5、图5A和图5B、图6、图6A和图6B所示端部执行器的特性超声位移曲线。
图9示出包括限定平行声学路径的折叠元件的多元件端部执行器的一个实施例的示意图。
图10示出包括限定平行声学路径的折叠元件的多元件端部执行器的一个实施例的示意图。
图11示出可延伸管状端部执行器的一个实施例的纵向剖面图。
图12示出可旋转端部执行器的一个实施例的示意图。
图13是笔直细长的端部执行器的示意图。
图14是包括限定平行声学路径的折叠元件的执行器的一个实施例的示意图。
图15是包括限定平行声学路径的折叠元件的端部执行器的一个实施例的示意图。
图16用曲线图示出图13所示的笔直细长的端部执行器的特性超声位移曲线。
图17用曲线图示出图14所示的包括限定平行声学路径的折叠元件的端部执行器的一个实施例的特性超声位移曲线。
图18是包括限定平行声学路径的折叠元件的端部执行器的一个实施例的示意图。
图18A是图18所示的端部执行器沿着线18A-18A截取的剖视图。
图19用曲线图示出包括限定平行声学路径的折叠元件的图18和图18A所示端部执行器的一个实施例的特性超声位移曲线。
图20示出包括限定平行声学路径的折叠元件的开槽端部执行器的一个实施例。
图20A示出图20所示开槽端部执行器沿着线20A-20A截取的剖视图。
图21A-D示出包括限定平行声学路径的折叠元件的多元件开槽端部执行器的一个实施例。
具体实施方式
在详细说明多个实施例之前，应该指出的是，实施例的应用或使用并不局限于附图和具体实施方式的背景中详细示出的部件的构型和布置。示例性实施例可以单独实施，也可以与其他实施例、变更形式和修改形式结合在一起实施，并可以通过多种方式实施或执行。例如，以下公开的外科器械和端部执行器构型仅为示例性的，而无意限制它们的范围或应用。此外，除非另外指明，否则本文所用的术语和公式是为了方便读者而对示例性实施例进行描述目的所选取的，并非限制其范围。
总地来讲，各种实施例涉及用在外科器械中的超声外科端部执行器，更具体地讲，涉及具有改进的抬高、切割和/或凝结特征的超声外科端部执行器，所述改进特征包括(例如)改进的骨和组织切除、抽吸和凝结。端部执行器可以是笔直的、弯曲的、中空的或实心的，并且对于开放性或腹腔镜式外科手术操作会是有用的。根据本文所述的各种实施例的端部执行器在期望切割和凝结软组织以及在切割组织的同时控制出血的操作中会特别有用。根据各种实施例的端部执行器在外科手术脊椎操作中会是有用的，尤其是在从骨头切除肌肉时帮助从背部进入。根据本文所述的各种实施例的端部执行器可减小用户切割组织或者从骨头分离肌肉所需的力的大小，并且在各种实施例中，可用于同时止血密封或者烧灼组织。本发明公开和描述了各种不同的端部执行器构型。
超声外科器械的例子在美国专利No.5,322,055和5,954,736中有所公开，结合超声超声刀和外科器械的例子在(例如)美国专利No.6,309,400B2、6,278,218B1、6,283,981B1和6,325,811B1中有所公开，所述专利全文以引用方式并入本文中。这些参考文献公开了超声外科器械设计件和超声刀设计件，其中令人感兴趣的是超声刀的纵向模式。现在将描述某些实施例，从而得到对本文公开的装置和方法的结构、功能、制造和使用原理的综合理解。这些实施例的一个或多个实施例在附图中示出。本领域的普通技术人员将会理解，本文特别描述和在附图中示出的器械和方法为非限制性的实施例，并且各种实施例的范围仅受权利要求书限定。结合一个实施例示出或描述的特征可以与一个或多个其他实施例的特征组合。图示实施例的修改形式和变化形式旨在被包括在权利要求的范围内。
以下述方式设计和制造超声器械，即，纵向超声振动的最大振幅出现在波腹处，波腹位于或靠近端部执行器的远端，以使远端的纵向偏移最大。纵向超声振动的最小振幅出现在波节处。超声器械的工作长度可被定义为从端部执行器的远端(如超声位移最大的波腹的位置)到沿着端部执行器在相邻波节之前的近侧位置的距离，在所述近侧位置处，超声位移降至低于(例如)50％的预定水平。波节间隙为波节周围的端部执行器部分的长度，其中，超声位移低于预定50％的水平。在波节间隙内，超声位移不足以产生有效率地和/或有效地切割和/或凝结组织所需的热量。
波节附近相对低的位移导致传递到波节间隙区域中与端部执行器接触的组织的热量低。在波节间隙区域中，与端部执行器接触的组织没有被直接加热，没有被有效地切割和/或凝结。因此，组织可能会粘住端部执行器，或者可能会在没有被横切的情况下脱水。因此，在超声外科器械中，消除波节间隙和/或增加端部执行器的工作长度会是有利的。
在传统的超声器械中，端部执行器的工作长度通常小于四分之一波长(λ/4)。四分之一波长主要由端部执行器材料中声音的频率和速度来确定。适用于超声部件的大多数金属中声音的速度大约为每秒5,000米。在55.5kHz时，波长大约为3.58英寸，四分之一波约为0.886英寸(在Ti6Al4V中，四分之一波长为0.866英寸)。钛(Ti)中的工作长度标称为0.6英寸(≈15mm)。尽管存在提供更长工作波长的更快的材料，但是这些材料通常不适合用于外科器械。
本文所述的端部执行器的各种实施例包括比四分之一波长长并且可以是四分之一波长的整数倍的工作长度。波节(如最小位移或没有位移的位置)可位于端部执行器呈现给患者的远端。在这样的实施例中，波腹(如最大位移的位置)出现在沿着端部执行器在波节和波腹之间的纵向长度的某个位置，但是该位置不在远端。随着远离波腹运动，当靠近相邻波节时，位移向任一侧减小。工作长度可以是标称工作长度的倍数。
如前所述，传统的超声器械的标称工作长度限于约15mm。在传统设计中，从端部执行器的远端(如波腹和最大位移的位置)到位移振幅降至最大值的50％的位置测量工作长度。由于该位置通常在到达第一远侧波节之前出现，所以传统的端部执行器的工作长度通常小于四分之一波长(λ/4)。
在一个实施例中，超声器械可包括与声波导或射声器元件连接的单元件端部执行器(如超声刀)。端部执行器可包括以下更详细描述的一个或多个“折叠元件”。折叠元件的折叠部分可位于波节、波腹处或靠近波节、波腹，或者可位于波节和波腹之间的任何位置。折叠元件能够具有位于折叠元件的折叠部分和远端和/或它们之间的工作区域的切割和/或凝结端部执行器。包括根据本文所述的各种实施例的折叠元件的端部执行器的工作长度可以比传统的没有折叠元件的端部执行器的工作长度长。折叠元件还可包括非切割“迟钝(dull)”区域，这些区域可位于靠近器械远端的折叠部分处。在一个实施例中，折叠部分可位于波节处或靠近波节。位于波节处的折叠部分保持波节位于(比如)超声位移为零的位置，并在端部执行器的远端提供非切割“自由端”。即使端部执行器被超声致动，迟钝区域也保持迟钝。这在端部执行器的远端不必用于切割组织的某些医疗操作中可能是所期望的。在一个实施例中，折叠部分可位于波腹处或靠近波腹。位于波腹处或靠近波腹的折叠部分保持波腹位于(比如)超声位移最大的位置，并提供用于切割和/或凝结与其接触的组织的工作端。在一个实施例中，折叠部分可位于波节和波腹之间。位于波节和波腹之间的折叠部分的位移取决于折叠部分是离波节近还是离波腹近。因此，可通过将折叠部分适当地定位在波节和波腹之间，实现将所期望的位移安排在零和最大值之间。
在另一个实施例中，超声器械可包括与声波导或射声器元件连接的多元件端部执行器(如超声刀和夹紧机构)。端部执行器可包括一个或多个“折叠元件”。如以下更详细所述的，夹具组件在远端与端部执行器连接。夹具组件包括夹臂和单元件端部执行器(如超声刀)，用于在它们之间夹紧组织。如前所述，折叠部分可位于或靠近波节、波腹，或者可被安排在波节和波腹之间的任何位置。折叠元件可被构造用于切割和/或凝结。工作区域可位于折叠部分和端部执行器的远端之间的任何位置处，并可提供比传统的没有折叠元件的端部执行器长的工作长度。组织可被容纳和挤入在端部执行器和夹臂之间。压力可施加于位于它们之间的组织。在一个实施例中，夹臂能够在其纵向中心施加最小力并向该中心的任一侧施加增大的力以补偿该中心的任一侧沿着工作长度的降低的位移振幅，在所述纵向中心处，端部执行器的位移振幅最大。例如，夹臂能够在位于或靠近夹臂组件的中心与端部执行器的波腹重合的点处施加最小法向力。夹臂所施加的力向着夹臂的任一端增大。以这种方式，夹臂在端部执行器的工作长度上施加力分布，该力分布理想上与端部执行器的速率位移振幅成反比。因此，在端部执行器的工作长度上，端部执行器速率和夹臂对端部执行器施加的力的组合基本恒定。
在另一个实施例中，包括端部执行器的超声器械可包括一个或多个活动的“折叠元件”。所述折叠元件可以是可滑动的、可折叠的、可延伸的、可扣合的和/或可旋转的。例如，可延伸的折叠元件可延伸以提供远端，可选择该远端处于工作切割和/或凝结模式(射声器元件完全延伸)、迟钝模式(射声器元件完全收缩)或者这两种模式之间的任何模式(射声器元件位于完全延伸和完全收缩之间的中间位置)。完全收缩的折叠元件提供不对与其接触的组织施加影响的迟钝或最小工作远端。完全延伸的折叠元件提供对与其接触的组织施加影响的最大工作远端。部分延伸的折叠元件对与其接触的组织提供部分工作远端。
在另一个实施例中，超声器械包括与声波导或射声器元件连接的端部执行器。端部执行器可包括一个或多个“折叠元件”。折叠元件可在端部执行器的远端形成为钩。可在波节、波腹处或者波节、波腹附近或者它们之间形成折叠元件。在一个实施例中，可通过在位移波节处折叠端部执行器的远侧部分来形成钩。在这种构型中，远端自由，并保持波节，比如，超声位移最小或者接近于零。然而，折叠部分的顶端保持超声位移最大的波腹。位于钩内的组织可被连续切割和/或凝结。以下对钩形折叠元件的操作进行更详细的描述。
可通过传统的换能器来驱动上述超声器械的各种实施例，传统的换能器能够以预定频率沿着超声传输波导的纵向轴线产生振动。包括多个折叠元件(一个折叠元件)的端部执行器可以以任何合适的方式通过波导与换能器连接或者直接接触。端部执行器可包括折叠元件，并可连接至沿着纵向轴线延伸的波导与换能器连接的一部分或者形成该部分。端部执行器包括具有折叠元件的主体，该主体具有近端和远端。可通过换能器所产生的振动使折叠元件能沿着纵向轴线运动。
图1示出包括单元件端部执行器的超声系统10的一个实施例。超声系统10的一个实施例包括与超声换能器14连接的超声信号发生器12、包括手柄壳体16的手柄组件60和可超声致动的单元件端部执行器50，示出的单元件端部执行器50为包括折叠元件53的可超声致动的超声刀。超声换能器14(被称为“Langevin叠堆件”)通常包括换能部分18、第一共振器部或即端罩20、第二共振器部分或前罩22以及辅助部件。这些元件的总体构型为共振器。如本文将更详细描述的，超声换能器14的长度优选地为一半系统波长(nλ/2，其中，“n”为任何正整数，比如，n＝1，2，3...)的整数。声波组件24包括超声换能器14、前端锥体26、速率变换器28和表面30。
应当理解，本文使用的术语“近”和“远”是相对于握住手柄组件60的外科医生而言的。因此，端部执行器相对于较近的手柄组件60而言处于远端。还应该理解，为方便和清晰起见，本文根据临床医生握住手柄组件60来使用诸如“顶部”和“底部”的空间术语。然而，手术器械可以在许多方向和位置使用，并且这些术语并非限制性和绝对化的。
端罩20的远端连接至换能部分18的近端，前罩22的近端连接至换能部分18的远端。前罩22和端罩20的物理长度由多个变量来确定，这多个变量包括换能部分18的厚度、用于制造端罩20和前罩22的材料的密度和弹性模量以及超声换能器14的共振频率。可使前罩22从其近端到其远端向内成锥形，用于随着速率变换器28放大超声振动振幅，或者前罩22可不进行放大。合适的振动频率范围可以为约20Hz至120Hz，最合适的振动频率范围可以为约30Hz至100kHz。合适的工作振动频率可以为(例如)大约55.5kHz。第二共振器部分或前罩22可被折叠，以在保持或者增加声学长度的同时减小前罩22的总物理长度。
压电元件32可由任何合适的材料制成，例如锆钛酸铅、偏铌酸铅、钛酸铅、钛酸钡或其他压电陶瓷材料。每一个正电极34、负电极36和压电元件32都有从中心延伸的腔体。正电极34和负电极36分别与导线38和40电连接。导线38和40封闭在缆线42中，与超声系统10的超声信号发生器12电连接。
声波组件24的超声换能器14将来自超声信号发生器12的电信号转化为机械能，该机械能主要致使超声换能器14和端部执行器50出现以超声频率纵向振动运动的声学驻波。在另一个实施例中，超声换能器的振动运动可以在不同的方向起作用。例如，振动运动可包括超声系统10的顶端更复杂的运动的局部纵向分量。合适的发生器为得自Ethicon Endo-Surgery，Inc.(Cincinnati，Ohio)的GEN04型发生器。当声学组件24通电时，振动运动驻波通过声学组件24产生。超声系统10被设计为在共振时工作，从而产生预定振幅的声学驻波图案。沿着声波组件24的任何点处的振动运动振幅取决于沿着声波组件24测量振动运动的位置。振动运动驻波的零交点通常被称为波节(即运动为零的位置)，驻波的局部最大绝对值或峰值通常被称为波腹(即局部运动最大的位置)。波腹与距其最近的波节之间的距离为四分之一波长(λ/4)。
导线38和40将电信号从超声信号发生器12发送到正电极34和负电极36。通过响应于致动器44(例如脚踏开关)通过超声信号发生器12供应的电信号给压电元件32供电，从而在声学组件24中产生声学驻波。交替的电信号会使压电元件32以连续方式沿着电压梯度的轴线膨胀和收缩，从而产生超声能量的纵向波。膨胀和收缩产生按方向交替的小位移，导致材料内产生大的交替压力和张力。超声传输组件102包括与超声传输波导104连接的单元件端部执行器50。超声能量通过声波组件24经传输部件(例如超声传输波导104)传输到端部执行器50。超声传输波导104可优选地由使用例如钛合金(即Ti6Al4V)或铝合金等适合高效传输超声能量的材料制造的空芯轴加工而成。在其他实施例中，超声传输波导104可形成为实芯传输波导。
为了使声学组件24将能量传递到单元件端部执行器50，声学组件24中的所有部件与端部执行器50声学连接。超声换能器14的远端可以在表面30处通过螺纹连接(例如螺柱48)与超声传输波导104的近端声学连接。
声学组件24的部件最好经声学调整，使得任何部件的长度均为二分之一波长(nλ/2)的整数倍，其中波长λ为声学组件24在预先选择的纵向振动驱动频率或工作纵向振动驱动频率fd下的波长。还构思声波组件24可以结合声波元件的任何合适布置。
端部执行器50的长度可以大致等于一半系统波长(nλ/2)的整数倍。超声刀包括与折叠元件53的物理远端重合的远端52。折叠元件53包括就位移而言位于波腹的声学远端55。声学远端55位于纵向超声振动的最大振幅那一点处，超声位移最大。在一个实施例中，端部执行器50的远端52与折叠元件53的远端重合，并可置于波腹附近以提供远端52的最大纵向偏移。折叠元件53的相应近端55可置于波节附近。在另一个实施例中，端部执行器50的远端52与折叠元件53的远端重合，并可置于波节附近以提供远端52的最小纵向偏移。折叠元件53的相应近端55可置于波腹附近，以提供折叠元件53的近端55的最大纵向偏移。在其它实施例中，端部执行器50的远端52与折叠元件53的远端重合，并可置于波节和波腹之间以相应地安排远端52的纵向偏移。在图示实施例中，超声刀50的远端52与折叠元件53的远端重合，并置于波节附近以提供远端52的最小纵向偏移。折叠元件53的相应近端55置于波腹附近，以提供折叠元件53的近端55的最大纵向偏移。当换能器组件通电时，折叠元件53的近端55可成形为以(例如)55kHz的预定振动频率在(例如)大约10至500微米的峰到峰的范围内运动，并且优选地在约30至150微米的范围内运动。
端部执行器50可与超声传输波导104连接。示出的超声刀50和超声传输波导104由适于超声能量传输的材料形成为一体式构型。此类材料的实例包括Ti6Al4V(含有铝和钒的钛合金)、铝、不锈钢或其他合适的材料。作为另外一种选择，端部执行器50可与超声传输波导104分离(以及具有不同的组成)，并通过(例如)螺柱、焊接、胶水、快速接头或其他合适的已知方法连接。超声传输波导104的长度可以基本上等于(例如)二分之一波长的整数倍(nλ/2)。超声传输波导104也可以优选地由实芯轴制成，而实芯轴由有效传播超声能的材料(例如，上述钛合金(即Ti6Al4V)或任何合适的铝合金或其他合金)构成。
超声传输波导104包括近端的纵向突起附柱54，用于通过例如螺柱48的螺纹连接与超声传输波导104的表面30连接。在图1所示的实施例中，超声传输波导管104包括设置在多个节点处的多个起稳定作用的硅树脂环或适形支撑件56。硅树脂环56抑制不需要的振动并将超声能量与外护套58隔离，以确保纵向的超声能量流以最大效率到达端部执行器50的远端52。
如图1所示，外护套58保护超声外科器械10的使用者以及患者不受超声传输波导104超声振动的影响。护套58通常包括毂62和细长管状构件64。管状构件64附连到毂62上，并具有纵向穿过其中的开口。护套58被螺纹连接到速率变换器28的远端上。超声传输波导104贯穿管状构件64的开口，而硅树脂环56将超声传输波导104与外护套58隔离。外护套58可使用绝缘销轴114附连到波导104。波导104中的孔116可标称地出现在位移波节。波导104可通过螺柱48拧到或者扣到手柄组件60上。毂62上的平坦部分可以允许组件扭转至所需程度。
护套58的套节62优选地使用塑料制造，而管状构件64使用不锈钢制成。作为另外一种选择，超声传输波导管104可包括环绕在其周围的聚合材料，以避免其与外部接触。
超声传输波导104的远端可通过内部螺纹连接而连接到单元件端部执行器50的近端，最好位于波腹处或靠近波腹。可构思超声端部执行器50通过诸如焊接接头或类似方法等任何合适的手段连接到超声传输波导104上。虽然超声端部执行器50可以从超声传输波导104上拆下，但还可构思端部执行器50与超声传输波导104形成为一体式组件。在图示的实施例中，超声波导管104被实现为细长的传输部件，端部执行器被实现为适于切割和/或凝结组织的单元件端部执行器或端部执行器50。端部执行器50可以是对称的或者不对称的。
图2A示出包括多元件端部执行器的超声系统1000的一个实施例。超声系统1000的一个实施例包括与之前参照图1描述的超声换能器14连接的超声发生器12。超声换能器14与包括器械壳体1004的夹紧凝结刀头1002连接。声学组件18将能量传递到多元件端部组件1008，该多元件端部组件1008包括被显示为可超声致动的超声刀形式的超声端部执行器1016。为了使声学组件18将能量传递到多元件端部组件1008的端部执行器1016部分，声学组件18的所有部件与夹紧凝结刀头1002的超声工作部分声学连接。因此，超声换能器14的远端可通过螺纹连接螺柱48的方式经由表面30与超声传输波导104的近端声学连接。
正如之前参照图1所示的超声系统10所讨论的那样，声学组件18中的部件最好经过调节，使得任何组件的长度是二分之一波长(nλ/2)的整数倍，其中波长λ是声学组件18的预先选定的或工作的纵向振动驱动频率fd的波长。声学组件18可以结合声学元件的任何合适布置。
夹紧凝结刀头1002可优选地一体地附连到声学组件18上并可从声学组件18上拆下。夹紧凝结刀头1002的近端优选地与声学组件18的远侧表面30声学连接。夹紧凝结刀头1002可通过任何合适的手段与声学组件18连接。
夹紧凝结刀头1002优选地包括器械壳体1004和细长构件1006。可通过旋钮1010使细长构件1006相对于器械壳体1004选择性地旋转。器械壳体1004包括枢转柄部1028和固定柄部1029。
牵引机构(未示出)置于器械壳体1004的腔体内，优选地与内管1014连接或附在内管1014上，以将枢转柄部1028的运动转化为内管1014的线性运动，从而打开和关闭多元件端部组件1008。枢转柄部1028包括拇指环1030。枢轴销被设置为穿过枢转柄部1028的第一孔以使得可枢轴旋转。当枢转柄部1028的拇指环1030沿箭头1034的方向远离器械壳体1004运动时，内管1014远离近端向远侧滑动，以使多元件端部组件1008的夹臂1018沿箭头1020所示的方向枢转到打开位置。如图所示，当枢转柄部1028的拇指环1030沿箭头1035所示的方向向着固定柄部1029沿相反方向运动时，牵引机构使内管1014远离远端向近侧滑动，以使多元件端部组件1008的夹臂1018枢转到关闭位置。
夹紧凝结刀头1002的细长构件1006从器械壳体1004延伸。细长构件1006优选地包括外部构件或外管1012、内部构件或内管1014以及传输部件或超声传输波导104。
多元件端部组件1008包括夹臂1018(或夹臂组件)和超声端部执行器1016。超声端部执行器1016包括如以下在图4-21中更详细描述的折叠元件。超声刀1016可以是对称的或者不对称的。在一个实施例中，夹臂1018可包括组织垫。因此，夹臂1018可被称为(例如)夹臂组件。夹臂1018能够将压缩力或偏置力施加于组织以实现更快地凝结和切割组织。夹臂1018以可枢转的方式绕枢轴销安装，以沿箭头1020所示的方向旋转。夹臂1018能够沿着夹臂1018的长度(优选地沿着工作长度)创建预定的力分布。在图示实施例中，夹臂1018在端部执行器1016的基本整个工作长度上施加预定的力分布。在中心区域，夹臂1018可在与端部执行器1016的波腹重合的点处施加最小力。位于或靠近夹臂1018中心的往复式外部压缩管1019对端部执行器1016施加法向力。从夹臂1018的中心(如夹臂1018所施加的最小力的点)开始，夹臂1018所施加的力从中心向着近端和远端向外直到夹臂1018的中心向着夹臂1018的端部的任一侧增大。以这种方式，夹臂1018在端部执行器1016的工作长度上施加力分布图，该力分布图与端部执行器1016的速率振幅位移成反比。端部执行器1016的速率和夹臂1018所施加的力的组合确定沿着端部执行器1016的工作长度的力分布图。
超声外科器械10和夹紧凝结刀头1000可以按本领域已知的方法消毒，例如伽玛射线消毒、环氧乙烷处理、高压灭菌法、在消毒液中浸泡或者其他已知方法。如前所述，在图1所示实施例中，端部执行器50和超声传输波导104示为由适用于传输超声能量的材料(如Ti6Al4V、铝、不锈钢或其它已知材料)形成的一体式构型。作为另外一种选择，端部执行器50可与超声传输波导104分离(以及具有不同的组成)，并通过(例如)螺柱、焊接、胶水、快速接头或其他合适的已知方法连接。在图2所示实施例中，夹紧凝结刀头1002的超声传输组件1024包括与超声传输波导104连接的多元件端部组件1008。超声传输波导管104的长度可基本上等同于例如二分之一系统波长(nλ/2)的整数倍。
图2B示出多元件端部组件1008的一个实施例。如所示，多元件端部组件1008包括弓形夹臂1018(或夹臂组件)和超声端部执行器1016。超声端部执行器1016包括如以下更详细描述的折叠元件。超声端部执行器1016可以是对称的或不对称的。在一个实施例中，夹臂组件包括具有组织垫1021的夹臂1018。夹臂1018能够将压缩力或偏置力施加于位于组织垫1021和超声端部执行器1016之间的组织1025(图2C、图2D)以实现更快地凝结和切割组织1025。可通过在夹臂1018上方滑动往复式外压缩管1019来施加压缩力。夹臂1018以可转动的方式绕枢轴1023安装以沿着箭头1020所示的方向旋转打开和沿着箭头1027所示的方向旋转关闭。夹臂1018能够沿着夹臂1018的长度和超声端部执行器1016的工作长度创建预定的力分布。
图2C和2D示出各个阶段的夹臂。图2C示出夹臂1018处于打开位置准备在组织垫1021和端部执行器1016之间容纳组织1025。往复式外部压缩管1019处于回缩位置，使得夹臂1018能够绕枢轴1023沿方向1020旋转到打开位置。图2D示出夹臂1018绕枢轴1023旋转以沿着方向1027旋转到关闭位置，此时，往复式外部压缩管1019在夹臂1018上方沿方向1029部分滑动，以对夹臂1018施加部分压缩力。如图2A所示，往复式外部压缩管1019位于完全延伸的位置以对夹臂1018施加全部压缩力。因此，夹臂1018沿着夹臂1018的长度和端部执行器1016的工作长度施加预定的力分布。
图3示出了超声器械的连接件/接头70的一个实施例。连接件/接头70位于声学组件24和超声传输部件(例如，超声传输波导104)之间。连接件/接头70可形成在超声传输波导104的附柱54和位于声学组件24远端的速率变换器28的表面30之间。附柱54的近端包括带内螺纹的大体圆柱形的凹槽66，用于在其中容纳带螺纹的螺柱48的一部分。速率变换器28的远端也可以包括带内螺纹的大体圆柱形的凹槽68，用于容纳带螺纹的螺柱48的一部分。凹槽66、68基本上周向和纵向对齐。在另一个实施例(未示出)中，螺柱可形成为图1所示超声换能器14的端部的整体部件。例如，带螺纹的螺栓和速率变换器可以为一体式构型，其中螺栓在声波组件的远端自速率变换器的远端表面上伸出。在此实施例中，螺栓不是单独的部件，并且不需要在换能器末端具有凹槽。
在不脱离本发明范围的情况下，本领域的普通技术人员将会理解，能够想到本文公开的超声外科器械的多个实施例及其任何等效结构与其他已知的超声外科器械有效地联用。因此，赋予本文所公开的多个超声外科端部执行器实施例的保护范围应不限于仅结合上述的示例性超声外科器械一起使用。
在后续的说明中，字母“A”表示位移波腹的位置，字母“N”表示位移波节的位置。波腹“A”及其最近的波节“N”之间的距离为四分之一波长(λ/4)。四分之一波长(λ/4)主要由材料中声音的频率和速度来确定。适用于超声部件的大多数材料中声音的速度标称为每秒5,000米。除非另外指出，否则在本文所述的实施例中，在激发频率为55.5kHz下确定波长，其中，波长大约为3.58英寸，四分之一波长(λ/4)大约为0.886英寸。对于由波速为每秒16,011英尺(每秒4880米)的Ti6Al4V形成的波导，四分之一波长大约为0.866英寸。可利用会导致更长或更短波长的其它材料。Ti6Al4V中的工作长度标称大约为0.6英寸(≈15mm)。
图4是中空管状端部执行器400的一个实施例的示意图。图4A是端部执行器400的纵向剖面图。图4B是端部执行器400沿着线4B-4B截取的剖视图。在图7中用曲线图示出端部执行器400的特性超声位移曲线420，并且以下对此进行更详细的描述。参照图4、图4A和图4B，端部执行器400包括主体406，主体406具有近端402、远端404和圆柱形外表面。将端部执行器400作为参照进行描述，以便于理解图5和图6所示实施例中的具有折叠元件的端部执行器的操作。在图4所示实施例中，端部执行器400的物理长度“L”为四分之三波长(3λ/4)。端部执行器400可由以55.5kHz频率激发的Ti6Al4V形成。因此，四分之一波长(λ/4)大约为0.866英寸。可利用可提供更长或更短波长的其它材料。Ti6Al4V中的工作长度标称大约为0.6英寸(≈15mm)。
在图示实施例中，端部执行器400的近端402位于左侧，端部执行器400的远端404位于端部执行器400的右侧。从左到右，第一个四分之一波长在第一波节N1和第一波腹A1之间延伸；第二个四分之之一波长在第一波腹A1和第二波节N2之间延伸；并且第三个四分之一波长在第二波节N2和第二波腹A2之间延伸。第一波节N1位于近端402，第二波腹A2位于远端404。应当理解，在其它实施例中，端部执行器400的物理长度可以是四分之一波长的整数倍(nλ/4，其中，“n”为任意正整数，如n＝1、2、3...)。端部执行器400的近端402能够如图1和图2A所示在表面30与速率变换器28连接。近端402可连接至沿近侧方向进一步延伸的另外的传输波导的一部分，或者可以成为该部分。对于与速率变换器28的直接连接，端部执行器400可向近侧延伸四分之一波长(λ/4)，以使近端402与波腹重合。因此，速率变换器28和端部执行器400可在它们各自的波腹处连接在一起，系统频率保持接近所需的标称值。在一个实施例中，标称频率为(例如)55.5kHz。添加的近侧四分之一波长可具有与外部的平行路径相同的面积(即，向近侧延伸四分之一波长)。在这种情况下，没有增益。如果近侧部分的面积增大，则由于这表示面积相对于端部执行器400减小，因此将存在振幅增益。端部执行器400作为以(例如)55.5kHz工作的超声外科器械可包括增益、衰减和其它特征，用于实现所需的性能。如图4所示，远端404与第二波腹A2重合，因此，远端404为纵向超声振动的最大振幅的点，超声位移最大。相反，近端402与第一波节N1重合，因此，近端402为纵向超声振动的最小振幅的点，超声位移最小。
图5是包括限定平行声学路径的折叠元件418的端部执行器408的一个实施例的示意图。图5A是端部执行器408的纵向剖面图。图5B是端部执行器408沿着线5B-5B截取的剖视图。在一个实施例中，端部执行器408适于用在图1所示的单元件端部执行器超声系统10的实施例中。在另一个实施例中，端部执行器408可适于用在图2A所示的多元件端部执行器系统1000的实施例中。在图8中用曲线图示出端部执行器408的特性超声位移曲线430，并且以下对此进行更详细的描述。现在将参照图5、图5A和图5B对端部执行器408进行描述。端部执行器408为包括具有折叠元件412的主体410的中空管超声传输管路，主体410具有近端414和远端416，折叠元件412与位于第二波节N2的远端416连接(如在第二波节N2的远端416折叠)。折叠元件412从位于远端416的第二波节N2向着近端414向近侧延伸到端部执行器408的中空部分413中直至第一波腹A1。折叠元件412的声学远端418终止于第一波腹A1，其中，第一波腹A1与第二波腹A2重合。当端部执行器在波节N处折叠并且折叠元件的长度为四分之一波长(λ/4)时，第一波腹A1和第二波腹A2重合。如果折叠元件412的长度大于或小于四分之一波长(λ/4)，则第一波腹A1和第二波腹A2将不重合。例如，如果在波节(N)和波腹(A)之间进行折叠，则即使折叠元件412的长度为四分之一波长(λ/4)，第一波腹A1和第二波腹A2也将不重合。以下，本文对这些构型进行描述。在图示实施例中，引用第二波腹A2仅仅是为了便于理解折叠位置和折叠元件412的长度之间的关系。在图示实施例中，折叠元件412与纵向轴线和端部执行器408的主体410的外表面平行地延伸。折叠元件412和端部执行器408的410的外部主体限定跨越折叠元件412长度的平行声学路径417。在图示实施例中，平行声学路径417在第一波腹A1和第二波节N2之间延伸。图示实施例中的端部执行器408的物理长度“L1”为四分之二波长(L1＝2λ/4)。折叠元件412为实心杆。在折叠元件412的整个长度上，折叠元件412的横截面积基本上等于端部执行器408的纵向横截面积。折叠元件412形成端部执行器408的远侧四分之一波长(λ/4)。应当理解，端部执行器408的物理长度可以是四分之一波长的整数倍(nλ/4，其中，“n”为任意正整数，如n＝1、2、3...)。类似地，折叠元件412的物理长度可以是四分之一波长的整数倍(nλ/4，其中，“n”为任意正整数，如n＝1、2、3...)。该实施例不局限于这种情况。
端部执行器408的近端414能够如图1和图2A所示在表面30与速率变换器28连接。近端414可连接至沿近侧方向进一步延伸的超声传输波导的一部分，或者可形成该部分。对于与速率变换器28的直接连接，端部执行器408可向近侧延伸四分之一波长(λ/4)，以使近端414与波腹重合。因此，速率变换器28和端部执行器408可在它们各自的波腹处连接在一起，系统频率保持接近所需的标称值。在一个实施例中，标称频率为(例如)55.5kHz。添加的近侧四分之一波长可具有与外部平行路径相同的面积(即，向近侧延伸四分之一波长)。在这种情况下，没有增益。如果近侧部分的面积增大，则由于这表示面积相对于410减小，因此将存在振幅增益。端部执行器408作为以(例如)55.5kHz工作的超声外科器械可包括增益、衰减和其它特征，用于实现所需的性能。端部执行器408包括与第二波节N2重合的自由远端416。远端416为最小振幅位移的区域。声学远端418位于折叠元件412的近端。在图示实施例中，就位移而言，声学远端418与第一波腹A1和第二波腹A2重合。声学远端418为最大振幅位移的区域。端部执行器408的外部部分在其位于第一波腹A1的中心处具有最大位移。由于振幅在第一波腹A1的任一侧对称下降，因此工作长度为大约1.2英寸(≈30mm)。这是图4所示端部执行器400的大约0.6英寸(≈15mm)的工作长度的两倍。在端部执行器400中，从位于远端404、发生最大振幅位移的第二波腹A2到第二波腹A2和第二波节N2之间振幅降至最大值的50％的点测量工作长度。
在其它实施例中，折叠元件412的物理长度可以大于或小于四分之一波长(λ/4)，或者可小于其整数倍(nλ/4)，以使得可通过适当地选择折叠元件412的长度来将端部执行器408的声学远端418的超声振幅位移安排在最大位移和最小位移之间。在这样的实施例中，端部执行器408的长度可以大于或小于任意数量的四分之一波长(λ/4)。本领域的技术人员应当理解，在本文所述的各种实施例中，端部执行器408的长度L1比折叠元件412的长度长。然而，端部执行器408和折叠元件412的组合长度可以是任何合适数量的四分之一波长(λ/4)。在一个实施例中，用于定位折叠部分的特别有利的位置为第一波腹A1和第二波节N2之间的位移振幅降至最大值的50％的区域中。因此，远端416出现在工作长度的极限处。随着向近端414运动，对于超过第一波腹A1的区域，位移振幅保持高于最小有效振幅(＞最大值的50％)。随着进一步向近端414运动，振幅开始降至低于所需的50％振幅水平。以这种方式，用以55.5kHz工作的钛(Ti)设计的端部执行器的工作长度可延伸至大约1.2英寸(≈30mm)。
在“折叠部分”的位置，端部执行器408的纵向延伸保持没有折叠时该位置的超声位移特性。例如，在图5、图5A和图5B所示实施例中，折叠部分位于处于远端416的第二波节N2，折叠元件412从远端416向近侧延伸四分之一波长(λ/4)直至第一波腹A1和第二波腹A2，第一波腹A1和第二波腹A2与声学远端418重合。第一波节N1和第二波节N2的位移图案和位置沿着端部执行器408的纵向长度保持相同。即使第二波节N2“提供”自由端，它也保持波节，如最小位移振幅或没有位移振幅。因此，端部执行器408的远端416的位移基本为零，即使当端部执行器408被超声致动时，远端416也保持迟钝。在某些操作中这种特征会是所期望的，用于保护可能会与远端416接触或者可能会在远端416附近的组织。否则，工作远端会穿过与其接触的组织创建外科手术窗口或者-otomy。本领域的技术人员应当理解，术语“-otomy”是指表示如最初元件所规定的组织或器官的“切割、切开”、对象的“切除”的组合形式。
图6是包括限定平行声学路径的折叠元件442的端部执行器438的一个实施例的示意图。图6A是端部执行器438的纵向剖面图。图6B是端部执行器438沿着线6B-6B截取的剖视图。在一个实施例中，端部执行器438适于用在图1所示的单元件端部执行器超声系统10的实施例中。在另一个实施例中，端部执行器438可适于用在图2A所示的多元件端部执行器系统1000的实施例中。现在将参照图6、图6A和图6B对端部执行器438进行描述。端部执行器438为包括主体440和折叠元件442的基本实心的超声传输管路，主体440具有近端444和远端446，折叠元件442在第二波节N2处与远端446连接。端部执行器438包括形成于其实心部分443的远端的狭槽445。折叠元件442从位于远端446的第二波节N2向近侧延伸到与纵向轴线平行的向着近端444的狭槽445直至第一波腹A1。折叠元件442的声学远端448终止于第一波腹A1，其中，第一波腹A1与第二波腹A2重合。当在波节N处折叠端部执行器并且折叠元件的长度为四分之一波长(λ/4)时，第一波腹A1和第二波腹A2重合。如果折叠元件442的长度大于或小于四分之一波长(λ/4)，则第一波腹A1和第二波腹A2将不重合。此外，如果在波节(N)和波腹(A)之间进行折叠，则即使折叠元件442的长度为四分之一波长(λ/4)，第一波腹A1和第二波腹A2也将不重合。本文以下对这些构型进行描述。在图示实施例中，引用第二波腹A2仅仅是为了便于理解折叠位置和折叠元件442的长度之间的关系。在图示实施例中，折叠元件442与纵向轴线和端部执行器408的主体440的外表面平行地延伸。折叠元件442和端部执行器438的主体440的外表面限定跨越折叠元件442长度的平行声学路径447。在图示实施例中，平行声学路径447在第一波腹A1和第二波节N2之间延伸。在图示实施例中，折叠元件442被构造为在形成于端部执行器438内的狭槽445中延伸的矩形横截面的杆。在图示实施例中，端部执行器438的物理长度“L1”为四分之二波长(2λ/4)。折叠元件442的物理长度可以是大约四分之一波长(λ/4)。在折叠元件442的整个长度上，折叠元件442的纵向横截面积基本上等于端部执行器438的纵向横截面积。应当理解，折叠的传输端部执行器438的物理长度可以是四分之一波长的整数倍(nλ/4，其中，“n”为任意正整数，如n＝1、2、3...)。类似地，折叠元件442的物理长度可以是四分之一波长的整数倍(nλ/4，其中，“n”为任意正整数，如n＝1、2、3...)。该实施例不局限于这种情况。
端部执行器438的近端444能够如图1和图2A所示在表面30与速率变换器28连接。近端444可连接至沿近侧方向进一步延伸的另外的传输波导的一部分，或者可形成该部分。对于与速率变换器28的直接连接，端部执行器438可向近侧延伸四分之一波长(λ/4)，以使近端444与波腹重合。因此，速率变换器28和端部执行器438可在它们各自的波腹处连接在一起，系统频率保持接近所需的标称值。在一个实施例中，标称频率为(例如)55.5kHz。添加的近侧四分之一波长可具有与外部平行路径相同的面积(即，向近侧延伸四分之一波长)。在这种情况下，没有增益。如果近侧部分的面积增大，则由于这表示面积相对于438减小，因此将存在振幅增益。端部执行器438作为以(例如)55.5kHz工作的超声外科术器械可包括增益、衰减和其它特征，用于实现所需的性能。端部执行器438包括与第二波节N2重合的自由远端446。远端446为最小振幅位移的区域。声学远端448位于折叠元件442的近端。在图示实施例中，就位移而言，声学远端448与第一波腹A1和第二波腹A2重合。声学远端448为最大振幅位移的区域。端部执行器438的外部部分在其位于第一波腹A1的中心处具有最大位移。由于振幅在第一波腹A1的任一侧对称下降，因此工作长度为大约1.2英寸(≈30mm)。这是图4所示端部执行器400的大约0.6英寸(≈15mm)的工作长度的两倍。
在其它实施例中，折叠元件442的物理长度可以大于或小于四分之一波长(λ/4)，或者可能小于其整数倍(nλ/4)，以使得可通过适当地选择折叠元件442的长度来将端部执行器438的声学远端448的超声位移安排在最大位移和最小位移之间。在这样的实施例中，端部执行器438的长度可以大于或小于任意数量的四分之一波长(λ/4)。本领域的技术人员应当理解，在本文所述各种实施例中，端部执行器438的长度L1比折叠元件442的长度长。然而，端部执行器438和折叠元件442的组合长度可以是任何合适数量的四分之一波长(λ/4)。在一个实施例中，用于定位折叠部分的特别有利的位置在第一波腹A1和第二波节N2之间的位移振幅降至最大值的50％的区域中。因此，远端446出现在工作长度的极限处。随着向着近端444运动，对于超过第一波腹A1的区域，位移振幅保持高于最小有效振幅(＞最大值的50％)。随着进一步向着近端444运动，振幅开始降至低于50％的振幅水平。以这种方式，用以55.5kHz工作的钛(Ti)设计的端部执行器的工作长度可延伸至大约1.2英寸(≈30mm)。
在“折叠部分”的位置，端部执行器438的纵向延伸保持在没有折叠时该位置的超声位移特性。例如，在图6、图6A和图6B所示实施例中，折叠部分位于处于远端446的第二波节N2，折叠元件442从远端446向近侧延伸四分之一波长(λ/4)直至第一波腹A1和第二波腹A2，第一波腹A1和第二波腹A2与声学远端448重合。第一波节N1和第二波节N2的位移图案和位置沿着端部执行器438的纵向长度保持相同。即使第二波节N2“提供”自由端，它也保持波节，如最小位移振幅或者没有位移振幅。因此，端部执行器438的远端446的位移基本为零，即使当端部执行器438被超声致动时，远端446也保持迟钝。在某些操作中这个特征会是所期望的，以保护可能会与远端446接触或者可能会在远端446附近的组织。否则，工作远端会穿过与其接触的组织创建外科手术窗口或者-otomy。
图7用曲线图示出图4、图4A和图4B所示的端部执行器400的特性超声位移曲线420。位移曲线420示出沿着垂直轴线的根据超声振幅表示的位移和沿着水平轴线的四分之一波长(λ/4)。位移曲线420的超声振幅在近端402处大约为零，近端402为第一波节N1的位置。第一波腹A1位于距近端402四分之一波长(λ/4)处。随着沿端部执行器400向远侧运动，位移曲线420在第一(如近侧)波腹A1的超声振幅为-1(-100％)，这表示第一波腹A1为最大值或者峰值超声位移的位置。要指出的是，负号表示在第一波腹A1处相对于第二(如远侧)波腹A2的超声位移相位。然而，位移可被表征为根据以上公式(1)的时间振荡。第二波节N2位于距近端402四分之二波长(2λ/4)处。随着沿端部执行器400向远侧运动，位移曲线420在第二波节N2处的超声振幅为零。第二波腹A2位于远端404，远端404位于距近端402四分之三波长(3λ/4)的距离处。随着沿端部执行器400向远侧运动，位移曲线420在第二波腹A2处的振幅为+1(+100％)，这表示第二波腹A2为最大值或峰值超声位移的位置。如前所述，超声器械的工作长度通常可定义为从端部执行器的工作远端(此处，超声位移最大)到沿着端部执行器的近侧位置的距离，在该近侧位置处，随着靠近波节(此处，超声位移最小)，超声位移振幅降至低于预定水平，例如50％。如图7所示，端部执行器400具有从位于远端404的第二波腹A2延伸至近侧位置424的工作长度422，在近侧位置424处，超声位移降至+0.5(+50％)或者半个峰水平。近侧位置424位于四分之三波长部分内。对于图7所示位移曲线420，工作长度422为大约0.65个四分之一波长或者大约0.6英寸(≈15mm)。
图8用曲线图示出图5、图5A、图5B和图6、图6A、图6B分别所示的端部执行器408和438的超声位移曲线430。位移曲线430示出沿着垂直轴线的根据超声振幅表示的位移和沿着水平轴线的四分之一波长(λ/4)。位移曲线430的超声振幅在近端414处大约为零，近端414为第一波节N1的位置。第一波腹A1位于距近端414四分之一波长(λ/4)处。随着沿端部执行器408、438的外部部分410和440向远侧运动，位移曲线430在第一(如近侧)波腹A1处的超声振幅为+1(+100％)，这表示第一波腹A1为最大值或峰值超声位移的位置。第二波节N2位于距近端414的四分之二波长(2λ/4)处。随着沿端部执行器408、438向远侧运动，位移曲线430在第二(如远侧)波节N2处的振幅也大约为零。如图8所示，端部执行器408、438的工作长度432被定义为从近侧位置434a到远侧位置434b的距离，在近侧位置434a处，超声位移曲线430越过+0.5(+50％)的超声振幅(如半个峰水平)之上，在远侧位置434b处，超声位移曲线430越过+0.5(+50％)超声振幅(如半个峰水平)之下。对于图8所示的位移曲线430，工作长度432为大约1.3个四分之一波长或者约1.2英寸(≈30mm)。超声位移曲线430的峰值位移出现在位于波腹A1的工作长度432的中间。随着靠近第一端部波节N1和第二端部波节N2，它向着中间的任一侧减小。通过比较，端部执行器408、438的工作长度因此大约为图4所示端部执行器400的工作长度的两倍。
图9示出包括限定平行声学路径417的折叠元件412的多元件端部执行器450的一个实施例的示意图。多元件端部执行器450适于用在图2A所示的多元件端部执行器超声系统1000的实施例中。多元件端部执行器450包括与夹臂452可操作地连接的端部执行器408。夹臂452可包括组织垫454。
端部执行器408的工作长度区域的超声振幅位移特征图需要夹臂452的预定力分布。在传统的端部执行器中，当从波腹(A)向着波节(N)向近侧运动时，超声振幅位移减小。工作长度被定义为波节(N)和波腹(A)之间的区域，其中，在该区域内，超声位移保持在最大超声位移的50％或者在此之上。已被证实，至少对于第一阶，热量的产生符合简单的摩擦原理，可根据如下公式(2)用公式表达摩擦原理：
Heat＝μvN  (2)
其中：
μ为摩擦系数；
v为超声速率的均方根(rms)值；以及
N为法向力。
为了补偿远离端部执行器的远端的区域中的减小振幅，进而补偿减小的超声速率，传统的夹臂组件在夹臂枢轴点的位置附近、在端部执行器的近端产生最高压力。这通常是通过将夹臂铰接在远侧波节(N)处或者铰接在其附近来实现的。当夹臂关闭时，在枢轴点或者夹臂和端部执行器之间形成的接头附近，夹紧力最大。这样的传统的夹紧结构可能既不是最佳的，也不适于图8中用曲线图示出的振幅位移特征图。如图8所示，位移曲线430在位于第一波腹A1的中心区域中最大，并远离居中的波腹A1向着第一波节N1和第二波节N2到波腹A1的任一侧对称地下降。
夹臂452能够对端部执行器408施加与端部执行器408的位移曲线430(图8)成反比的力。由夹垫/夹臂452产生的力分布为振幅曲线的倒数，以使得端部执行器408的超声速率和作用于它的力的乘积在整个工作长度区域上保持标称恒定。在这两种构思中，将会在夹臂/夹垫的中心施加法向力。因此，在一个实施例中，夹臂452可被构造为片簧状机构，用于在端部执行器408的第一波腹A1处施加法向力456，在端部执行器408的近端施加法向力457a，并且在端部执行器408的远端施加法向力457b。在图示实施例中，当夹具机构完全接合时，在第一波腹A1处施加的法向力456小于在端部执行器408的各个近端和远端施加的法向力457a、457b。在一个实施例中，夹臂452可包括矩形横截面的弹性钢的细长弧形长度形式的片簧机构。本领域的技术人员应当理解，可利用其它夹垫/夹臂机构来创建从中心点开始的近对称力分布，该力分布从中心开始减小并向着端部增大。
图10示出包括限定平行声学路径的折叠元件412的多元件端部执行器460的一个实施例的示意图。多元件端部执行器460适于用在图2A所示的多元件端部执行器超声系统1000的实施例中。多元件端部执行器460包括与铰接夹臂组件462可操作地连接的端部执行器408。铰接夹臂组件462包括第一组织垫构件464a和第二组织垫构件464b。铰接夹臂组件462可包括在枢轴点468处连接的第一构件462a和第二构件462b形式的铰链构型。第一构件462a和第二构件462b适于接纳相应的第一组织垫构件464a和第二组织垫构件464b。弹簧470将力施加于铰接的第一夹臂构件462a和第二夹臂构件462b。弹簧470可以是扭转弹簧、板簧或者本领域已知的任何其它合适类型的弹簧。铰链还可以是活动铰链，在活动铰链中，在任一侧存在相对于夹臂的较长部分变细的中心部分。本领域的技术人员应当理解，活动铰链在机械设计领域中是公知的。
在一个实施例中，铰接夹臂组件462可被构造为包括枢轴点468的铰链状机构，用于在端部执行器408的工作长度区域的端部施加最大的力467a、467b，并且在位于第一波腹A1的中心施加足够的力466。夹臂462对端部执行器408施加的力466和467a、467b理想上与图8中用曲线图示出的位移曲线430成反比。
图11示出可延伸管状端部执行器478的一个实施例的纵向剖面图。在一个实施例中，端部执行器478适于用在图1所示的单元件端部执行器超声系统10的实施例中。在另一个实施例中，端部执行器478可适于用在多元件端部执行器系统1000的实施例中。端部执行器478包括主体480和折叠元件482，主体480具有近端484和远端486，折叠元件482与主体480可滑动地连接。在图示实施例中，端部执行器478为伸展构型中所示的管状端部执行器。折叠元件482可沿着纵向轴线按箭头490a、490b所示的方向可滑动地运动。一旦折叠元件482延伸，它就被锁在适当的位置以用作合适的超声传输元件。为了使端部执行器478处于伸展构型，通过任何适合的技术使折叠元件482沿箭头490a所示方向延伸。在图示实施例中，折叠元件482被构造为圆柱形元件。圆柱形折叠元件482可向着远端向前滑动。可利用几种机制使折叠元件482滑动。在一个实施例中，折叠元件482可被构造为在近端具有带外螺纹的部分，用于与478的远端中形成的相匹配的带内螺纹的部分接合。一旦折叠元件482位于回缩构型或伸展构型，就用足够的力将折叠元件482“锁”定就位，以适当地在伸展构型下将超声能量传输到远端488或者在回缩构型下将超声能量传输到声学远端489。可并入使外护套滑动的另外的机构，以保护组织不受近侧四分之二波长部分中的振动的影响，并使组织暴露于远侧的四分之一波长。同样，可设置使对称的夹臂/夹垫组件452、462(图9、图10)向远侧滑动以使其仅用于远侧四分之一波长的机构。
在回缩构型(以虚线显示)下，可延伸端部执行器478的物理长度L1为四分之二波长(2λ/4)。在伸展构型下，端部执行器478的物理长度为大约四分之二波长(2λ/4)，折叠元件482的长度L3为大约四分之一波长(λ/4)。折叠元件482形成端部执行器478的远侧的四分之一波长(λ/4)。在伸展构型下，端部执行器478和折叠元件482的组合长度的物理长度L2为大约四分之三波长(3λ/4)。折叠元件482可形成为实心杆，该实心杆的纵向横截面积大约与管状端部执行器478跨越平行声学路径487的横截面积相同。应当理解，端部执行器478的物理长度可以是四分之一波长的整数倍(nλ/4，其中，“n”为任意正整数，如n＝1、2、3...)。类似地，折叠元件482的物理长度可以是四分之一波长的整数倍(nλ/4，其中，“n”为任意正整数，如n＝1、2、3...)。该实施例不局限于这种情况。
在以虚线显示的回缩构型下，远端486与第二波节N2重合。因此，在回缩构型下，端部执行器478的位于波节N2部分的自由远端486具有标称为零的位移，并提供迟钝表面以避免当使用480的工作长度时对相邻组织造成损伤。
在伸展构型下，折叠元件482从第二波节N2延伸至第二波腹A2。折叠元件482的远端488为与第二波腹A2重合的最大振幅位移的区域。在伸展模式下，远端488可用于创建外科手术窗口、-otomy或回切。可通过任何合适的技术使折叠元件482沿箭头490b所示方向收缩。在回缩构型(以虚线显示)下，折叠元件482可滑动地定位到端部执行器478的中空部分483中。在回缩构型下，端部执行器478包括就位移而言位于第一波腹A1的声学远端489，并由端部执行器478的主体480的外表面限定平行声学路径487。在图示实施例中，平行声学路径487在第一波腹A1和第二波节N2之间延伸。声学远端489为最大振幅位移的区域。由于声学远端489位于中空部分483内，所以避免了在高振幅与相邻组织的意外接触。
在伸展构型下，远端488可适用于其它外科手术操作，例如创建外科手术窗口、-otomies和/或背切。在背切操作中，外科医生可利用远端488、端部执行器478的活动顶端沿着平面分割组织。
例如，可延伸端部执行器478的近端484能够如图1和图2A所示在表面30与速率变换器28连接。近端484可连接至沿近侧方向进一步延伸的另外的传输波导的一部分或者可形成该部分。对于与速率变换器28的直接连接，端部执行器478可向近侧延伸四分之一波长(λ/4)，以使得近端484与波腹重合。因此，速率变换器28和端部执行器478可在它们各自的波腹处连接在一起，系统频率保持接近所需的标称值。在一个实施例中，标称频率为(例如)55.5kHz。添加的近侧四分之一波长的面积可与外部平行路径的面积相同(即，向近侧延伸四分之一波长)。在这种情况下，没有增益。如果近侧部分的面积增大，则由于这表示面积相对于478减小，因此将存在振幅增益。端部执行器478可包括增益、衰减和其它特征，用于实现所需的性能。在回缩构型下，端部执行器478包括就振幅位移而言与第二波节N2重合的自由远端486。远端486为最小振幅的区域，在该区域中，纵向超声振动和超声位移最小。在回缩构型下，可延伸端部执行器478还包括位于第二波腹A2的远端488。因此，远端488为最大振幅的区域，在该区域中，纵向超声振动和超声位移最大。因此，可利用折叠元件482的远端488来对组织施加动作。
在其它实施例中，可使折叠元件482在位于波节“N”和波腹“A”之间的位移区域处折叠，以使得可如以下图20所示将声学远端488的超声位移安排在最大位移和最小位移之间。图20所示的折叠平行路径707的长度大于四分之一波长(＞λ/4)。
仍然在其它实施例中，折叠元件482的物理长度可小于四分之一波长(λ/4)，或者小于其整数倍(nλ/4)，以使得当折叠元件482收缩时将远端488的超声位移安排在最大位移和最小位移之间。端部执行器478和延伸的折叠元件482的组合长度L2可以是任何合适数量的波长(λ)。
如之前参照图5、图5A、图5B所述，在“折叠部分”的位置，可延伸端部执行器478保持在没有折叠时该位置的超声位移特性。例如，如图11所示，折叠部分位于第二波节N2处，折叠元件482可从与第二波节N2重合的远端486延伸四分之一波长(λ/4)直至与第二波腹A2重合的延伸远端488。在回缩构型下，第二波节N2保持第二波节N2，并“提供”自由端。
图12示出可旋转端部执行器500的一个实施例的示意图。在一个实施例中，可延伸端部执行器500适于用在图1所示的单元件端部执行器超声系统10的实施例中。在另一个实施例中，端部执行器500可适于用在多元件端部执行器系统1000的实施例中。端部执行器500包括主体501和折叠元件502，主体501具有近端504和远端506，折叠元件502与主体501可旋转连接。在图示实施例中，端部执行器500为开槽的矩形条，其包括实心细长元件512和形成在远端的狭槽519。折叠元件502可绕细长元件512的远端506处的枢转轴线510可旋转地运动。为了使端部执行器500处于伸展构型，折叠元件502可沿箭头514a所示方向绕轴线510向外旋转。在伸展构型下，折叠元件502从第二波节N2延伸至第二波腹A2，并表现为传统的超声器械，其最大超声位移出现在与第二波腹A2重合的远端508。为了使端部执行器500处于回缩构型(以虚线显示)，折叠元件502可沿箭头514b所示方向绕轴线510向内旋转。在回缩构型下，端部执行器500的远端508还表现为就位移而言位于第一波腹A1处的声学远端509，并由端部执行器500的主体501的外表面形成平行声学路径517。远端508为最大振幅的区域，在该区域中，纵向超声振动和超声位移最大。折叠元件502的远端508能够对组织施加动作。在一个实施例中，枢转轴线510可被实现为铰链机构。
图13是笔直细长的端部执行器520的示意图。在图示实施例中，端部执行器520的长度L4为四分之二波长(2λ/4)。端部执行器520从位于第一波腹A1的近端522延伸，穿过波节N1，终止于位于远端524的第二波腹A2。图16中用曲线图示出端部执行器520的超声位移曲线。
图14是包括限定平行声学路径533的折叠元件的端部执行器530的一个实施例的示意图。在图示实施例中，可通过在波节N1的位置折叠笔直细长杆端部执行器520(图13)来形成端部执行器530。因此，在图示实施例中，端部执行器530包括第一元件532和折叠第二元件534，第一元件532从第一波腹A1延伸至波节N1，折叠第二元件534向着近端反折以限定平行声学路径533。在图示实施例中，折叠第二元件534可基本上与第一元件532平行，并从波节N1延伸至第二波腹A2。在其它实施例中，折叠第二元件534可不与第一元件532平行。在其它实施例中，折叠第二元件534可从波节N1延伸至超过第二波腹A2。应当理解，端部执行器530的长度L5可以是四分之一波长的整数倍(nλ/4，其中“n”为任意正整数，如n＝1、2、3...)。类似地，折叠第二元件534的长度可以是四分之一波长的整数倍(nλ/4，其中“n”为任意正整数，如n＝1、2、3...)。例如，近端536可适于并能够如图1和图2A所示在表面30与速率变换器28连接。近端536的长度可延伸另外的四分之一波长，以使得端部执行器530和速率变换器30可在相应的波腹处连接。近端536可连接至沿近侧方向进一步延伸的另外的传输波导的一部分，或者可形成该部分。端部执行器530包括基本上与第二波腹A2重合的声学远端538，声学远端538能够对组织施加动作(如切割和/或凝结)。如图14所示，可通过大体刚性的第三构件540来连接第一元件532和第二元件534。第一元件532和第二元件534的位移参照的是近端536和声学远端538。然后，第一元件532和第二元件534在x＝0处(如第一波腹A1和第二波腹A2对齐的位置)的位移基本上相等且相反。因此，第一元件532和第二元件534沿着它们的纵向长度具有大小相同但方向相反的超声位移。因此，端部执行器530的物理长度L5为细长端部执行器520(图13)的长度L4的一半。在图17中用曲线图示出端部执行器530的超声位移曲线。
图15是包括限定平行声学路径556的折叠元件562的端部执行器550的一个实施例的示意图。在图示实施例中，可通过在与波节N1重合的位置处折叠笔直端部执行器520(图13)的远侧部分以限定钩形式的折叠元件552来形成端部执行器550。因此，在图示实施例中，端部执行器550包括细长部分554和折叠元件552，细长部分554从近端558延伸至第一波腹A1，折叠元件552从第一波腹A1延伸至波节N1。折叠元件552包括第一元件560和折叠第二元件562，第一元件560从第一波腹A1延伸至波节N1，折叠第二元件562从波节N1延伸至第二波腹A2。折叠第二元件562向着近端反折，以形成平行声学路径553。折叠第二元件562大体上与第一元件560平行。端部执行器550的长度可以是四分之一波长的整数倍(nλ/4，其中“n”为任意正整数，如n＝1、2、3...)。类似地，细长元件554和折叠元件556的长度可以是四分之一波长的整数倍(nλ/4，其中“n”为任意正整数，如n＝1、2、3...)。端部执行器550包括能够如图1和图2A所示在表面30与速率变换器28连接的近端558。近端558可连接至沿近侧方向进一步延伸的另外的传输波导的一部分，或者可形成该部分。端部执行器550包括大体与第二波腹A2对齐的声学远端564，声学远端564能够对位于第一元件560和第二元件562之间限定的开口566中的组织施加动作(如切割和/或凝结)。如图15所示，可通过使笔直细长杆超声传输波导的远侧部分弯曲来形成折叠元件552或钩。本领域的技术人员应当认识到，细长部分554和/或折叠元件552可结合平衡特征以使近侧细长部分554中的横向振动最小。在美国专利No.6,283,981和No.6,328,751中公开了具有平衡的端部执行器特征的超声外科器械的实例，全文以引用方式并入本文中。如果在位置x＝0处参照第一元件560和第二元件562的每个的位移，则第一元件560和第二元件562的位移基本上相等且相反，在位置x＝0处，第一波腹A1和第二波腹A2对齐。因此，第一元件560和第二元件562沿着它们的纵向长度具有大小相同但方向相反的超声位移。因此，端部执行器550的折叠元件552的物理长度为整个组织上的位移的两倍，因此，有效速率为两倍，因此，热量更大。
在图15所示实施例中，可将组织定位在第一元件560和第二元件562之间限定的开口566中。开口566的长度可以是四分之一波长(λ/4)，或者可以是四分之一波长的任意整数“n”倍(nλ/2，其中“n”为任意正整数，如n＝1、2、3...)。在工作中，折叠元件552可被拉伸穿过组织的一部分以连续横切和凝结组织。在一个实施例中，折叠元件552可用作固定超声刀，例如用于肠系膜切除。在这样的实施例中，可在远端568以彼此成预定角度的方式定位第一元件560和第二元件562。成角度特征可适于当在横切和凝结操作期间向着位于远端568的波节N1对组织施加力时增加夹持压力。在另一个实施例中，折叠部分552可用作剪切刀头。然而，在这样的实施例中，可对第一元件560和第二元件562的每个的相对超声位移振幅进行调节，以使第一元件560和第二元件562形成金属-金属的物理接触时会引起的任何有害效果最小。在剪切刀头实施例的另一个实施方式中，第一元件560和第二元件562可形成有相对薄的涂层(如聚合物、金属或氧化物)以消除第一元件560和第二元件562之间的金属-金属的直接接触或者使第一元件560和第二元件562之间的金属-金属的直接接触最小。这样的机构可与远端568连接，该机构施加挤压力以使第一元件560和第二元件562挠曲，从而使它们在剪切模式下工作。在这样的实施方式中，第一元件560和第二元件562可被构造为可在横切过程期间关闭同时仍传输超声能量的各个夹具。
图16用曲线图示出图13所示的笔直细长的端部执行器520的特性超声位移曲线570。沿着垂直轴线示出根据超声振幅表示的位移，沿着水平轴线示出四分之一波长的数量。第一波腹A1处的位移曲线570振幅为+1(+100％)，这表示第一波腹A1为最大值或峰值超声位移的位置。位移振幅随着靠近波节N1而减小，在波节N1处，位移曲线570振幅为零。位移曲线570振幅在靠近第二波腹A2时向着负最大位移增大，在第二波腹A2处，位移曲线570的振幅为-1(-100％)，这表示波腹A2为负最大值或峰值超声位移的位置。第一波腹A1位于零四分之一波长处或者近端522处(图13)，波节N1位于距近端522四分之一波长(λ/4)处，第二波腹A2位于距近端522四分之二波长(2λ/4)处。端部执行器520的工作长度572为大约0.65个四分之一波长。从第二波腹A2到位于-50％的位移曲线570的工作长度574为约0.65个四分之一波长。
图17用曲线图示出图14所示的包括限定平行声学路径533的折叠元件的端部执行器530的一个实施例的特性超声位移曲线580。曲线580还应用于图4、图5和图6所示的其它折叠端部执行器实施例，并起始于它们各自的A1波腹。沿着垂直轴线显示根据超声振幅表示的位移，沿着水平轴线显示四分之一波长的数量。第一波腹A1处的位移曲线580振幅为+1(+100％)，这表示第一波腹A1为最大值或峰值超声位移的位置。当靠近波节N1时，位移振幅减小。波节N1处的位移振幅为零。当靠近第二波腹A2时，位移曲线580振幅向着负最大位移增加，在第二波腹A2处，位移曲线580的振幅为-1(-100％)，这表示第一波腹A1为负最大值或峰值超声位移的位置。第一波腹A1和第二波腹A2位于近端536处，波节N1位于距近端536四分之一波长(λ/4)处。端部执行器530的工作长度保持标称0.65波长。然而，582和584这两个部分具有对它们之间捕获的组织施加动作的工作长度。然而，它们的工作长度具有沿着相反方向运动的位移，所以组织上的速率基本上加倍，因此，传递到组织的热能加倍。
图18是包括限定平行声学路径607的折叠元件602的端部执行器600的一个实施例的示意图。在图示实施例中，折叠部分恰好位于远侧波节N2将所处位置之前。图18A是图18所示端部执行器600沿着线18A-18A截取的剖视图。在一个实施例中，端部执行器600适于用在图1所示的单元件端部执行器超声系统10的实施例中。在另一个实施例中，端部执行器600可适于用在图2A所示的多元件端部执行器系统1000的实施例中。端部执行器600包括主体609和折叠元件602，主体609具有近端604和远端606，折叠元件602与主体609连接。现在参照图18和图18A，在一个实施例中，折叠元件602起始于位于波节“N”和波腹“A”之间的位移区域N′，延伸超过第一波腹A1，终止于与第二波腹A2重合的声学远端608。可通过适当地将声学远端608定位在距远端606的预定距离处来将声学远端608的超声位移安排在最大位移和最小位移之间。端部执行器600包括近端604和远端606。折叠元件602起始于远端606，远端606与位于第一波腹A1和第二波节N2之间的位移区域N′重合。在图示实施例中，N′位于距第二波节N2小于四分之一波长(λ/4)的距离处。折叠元件602从远端606与纵向轴线B平行地向着近端604向近侧延伸到超过第一波腹A1的区域直至第二(如折叠)波腹A2。端部执行器600的远侧部分的主体609的外表面和折叠元件602限定平行声学路径607。应当理解，平行声学路径607的长度基本上与折叠元件602的长度相同。示出的第二波腹A2仅仅是为了示出声学远端608的位置。在图示实施例中，端部执行器600的长度L′的物理长度小于四分之二波长(L′＜2λ/4)。在图示实施例中，折叠元件602的长度大于四分之一波长(＞λ/4)。折叠元件602可形成为实心杆，该实心杆形成端部执行器600的远侧四分之一波长。应当理解，端部执行器600的长度可以是四分之一波长的整数倍(nλ/4，其中“n”为任意正整数，如n＝1、2、3...)。类似地，折叠元件602的物理长度可以是四分之一波长的整数倍(nλ/4，其中“n”为任意正整数，如n＝1、2、3...)。
例如，端部执行器600的近端604可适于并能够如图1和图2A所示在表面30与速率变换器28连接。对于与速率变换器28的直接连接，端部执行器600可向近侧延伸四分之一波长(λ/4)，以使得近端604与波腹重合。因此，速率变换器28和端部执行器600可以在它们各自的波腹处连接在一起，系统频率保持接近所需的标称值。在一个实施例中，标称频率为(例如)55.5kHz。添加的近侧四分之一波长的面积可与外部平行路径的面积相同(即，向近侧延伸四分之一波长)。在这种情况下，没有增益。如果近侧部分的面积增大，则由于面积相对于600减小，因此将存在振幅增益。端部执行器600可包括增益、衰减和其它特征，用于实现所需的性能。近端604可连接至沿近侧方向进一步延伸的另外的传输波导的一部分，或者可形成该部分。端部执行器600可包括增益、衰减和/或其它特征，用于实现所需的性能。端部执行器600的远端606为外部和内部平行声学路径的位移相等的区域。在图示实施例中，可选择N′处的折叠部分与50％振幅点重合。在远侧顶端606，位移曲线(图19)的斜率相反。因此，应力相等且相反并存在应力平衡。声学远端608就位移而言位于第二波腹A2，在图19中被称为折叠波腹A2。因此，声学远端608为局部负最大振幅的区域，在该区域中，纵向超声振动的超声位移接近负最大值。
在各种实施例中，折叠元件602的长度可以大于或小于四分之一波长(λ/4)，或者可小于其整数倍(nλ/4)，以使得可根据声学远端608的位置和折叠元件602的总长度来将声学远端608的超声位移安排在最大位移和最小位移之间。端部执行器600和折叠元件602的长度可以是任意合适数量的四分之一波长(λ/4)。折叠部分(N′)的特别有利的位置在第一波腹A1和第二波节N2之间的50％振幅水平处。这表示远端606将在位于最小有效振幅处的工作长度的极限处，以产生所需的组织动作。振幅在超过第一波腹A1的近侧保持高于最小有效振幅。随着进一步向第一波节N1向近侧前进，振幅降至低于50％的所需水平。这表示对于用以55.5kHz工作的钛设计的端部执行器，工作长度(图19中所示的LA)向回向着远端延伸1.2英寸(≈30mm)。
N′处的“折叠部分”沿着端部执行器600的纵向延伸的位置保持在折叠之前该位置的超声位移特性。例如，在图18中，端部执行器600中的折叠部分位于第一波腹A1和第二波节N2之间的N′处，实心杆折叠元件602从远端606延伸四分之一波长(λ/4)直至声学远端608，声学远端608恰好位于超过第一波腹A1的第二波腹A2。实心杆折叠元件602的纵向横截面积与端部执行器600跨越折叠部分N′和第二波腹A2之间的纵向横截面积相同。折叠部分N′处的位移对于外部平行声学路径607以及内部平行声学路径是正的。因此，当端部执行器600被超声致动时，其远端606工作。图19用曲线图示出端部执行器600的超声位移曲线630。
图19用曲线图示出包括限定平行声学路径607的折叠元件602的图18和图18A所示的端部执行器600的一个实施例的特性超声位移曲线630。沿着垂直轴线示出超声振幅，沿着水平轴线示出四分之一波长。位移曲线630的振幅在近端604处大约为零，近端604为第一波节N1的位置。位移曲线630在第一波腹A1处的振幅为+1(+100％)，这表示第一波腹A1为最大值或峰值超声位移的位置。第一波腹A1位于距近端604四分之一波长处。位移曲线630在第二波节N2的振幅将大约为零。然而，端部执行器600恰好在第二波节N2将所处位置之前的折叠部分N′处折叠。第二波节N2将位于距近端604四分之二波长(2λ/4)处。因此，位移曲线630在折叠部分N′处的振幅是正的。在图19所示的实施例中，选择折叠部分N′的位置，以使得折叠部分N′处的振幅为最大值的50％。折叠部分N′位于距前一波腹A1小于四分之一波长(＜λ/4)处。如前所述，超声器械的工作长度LA通常被定义为从端部执行器的远端(其中，超声位移最大)到沿着端部执行器的近侧位置的距离，在所述近侧位置中，当靠近波节(其中，超声位移最小)时，超声位移降至低于预定水平。端部执行器600的工作长度632(或者LA)被定义为从沿着外部平行声学路径的近侧位置634a到在自由远端606处折叠部分N′处的远侧位置634b的距离，在近侧位置634a处，超声位移越过50％或者半个峰水平之上，在远侧位置634b处，超声位移越过50％或者半个峰水平之下。对于图19所示的位移曲线630，工作长度632为大约1.3个四分之一波长或者大约1.2英寸(≈30mm)。超声位移曲线630的峰值位移出现在波腹A1处。当靠近第一波节N1和折叠部分N′时，它向中间的任一侧下降。通过比较，端部执行器630的工作长度因此大约为图4所示的中空管端部执行器400的工作长度的两倍。
图20示出包括限定平行声学路径707的折叠元件702的开槽端部执行器700的一个实施例。在图示实施例中，折叠部分恰好位于最远侧的波节N2之前。图20A示出图20所示的开槽端部执行器700沿着线20A-20A截取的剖视图。在一个实施例中，端部执行器700适于用在图1所示的单元件端部执行器超声系统10的实施例中。在另一个实施例中，端部执行器700可适于用在图2A所示的多元件端部执行器系统1000的实施例中。端部执行器700包括主体709和折叠元件702，主体709具有近端704和远端706，折叠元件702与主体709连接。参照图20和图20A，折叠元件702起始于位移区域折叠部分N′，向近侧延伸，终止于声学远端708。因此，折叠元件702从折叠部分N′处的远端706延伸，从远端706与纵向轴线B平行地向着近端704向近侧延伸穿过第一波腹A1直至第二(如折叠)波腹A2。折叠部分N′位于距最远侧的波腹A1小于四分之一波长(λ/4)的距离处。端部执行器700包括近端704和远端706。端部执行器700的远侧部分的主体709的外表面和折叠元件702限定平行声学路径707。示出的第二波腹A2仅仅是为了示出第二波腹A2的位置。在图示实施例中，端部执行器700的长度L′小于四分之二波长(L′＜2λ/4)。端部执行器700包括实心近侧部分712和形成在远侧部分的开槽部分710。开槽部分710限定折叠元件702。折叠元件702的长度大约为四分之一波长(λ/4)。折叠元件702可以是实心杆，该实心杆的横截面积与由端部执行器700的部分702a和702b限定的总横截面积相同。折叠元件702形成端部执行器700的远侧的四分之一波长(λ/4)。应当理解，端部执行器700的长度可以是四分之一波长的整数倍(nλ/4，其中“n”为任意正整数，如n＝1、2、3...)。类似地，折叠元件702的长度可以是四分之一波长的整数倍(nλ/4，其中“n”为任意正整数，如n＝1、2、3...)。
例如，端部执行器700包括近端704，近端704能够如图1和图2A所示在表面30与速率变换器28连接。对于与速率变换器28的直接连接，端部执行器700可向近侧延伸四分之一波长(λ/4)，以使得近端704与波腹重合。因此，速率变换器28和端部执行器700可在它们各自的波腹处连接在一起，系统频率保持接近所需的标称值。在一个实施例中，标称频率为(例如)55.5kHz。添加的近侧四分之一波长的面积可与外部平行路径的面积相同(即，向近侧延伸四分之一波长)。在这种情况下，没有增益。如果近侧部分的面积增大，则由于面积相对于700减小，因此将存在振幅增益。端部执行器700可包括增益、衰减和其它特征，用于实现所需的性能。近端704可连接至沿近侧方向进一步延伸的另外的传输波导的一部分，或者可形成该部分。端部执行器700的远端706为外部和内部平行声学路径的位移相等的区域。近端704可连接至沿近侧方向进一步延伸的另外的传输波导的一部分，或者可形成该部分。折叠端部执行器700可包括增益、衰减和其它特征，用于实现超声外科器械所需的性能。端部执行器700包括与折叠部分N′重合的自由远端706(例如超声刀顶端)，自由远端706距最远侧的波腹A1的距离小于四分之一波长(λ/4)。因此，远端706为外部和内部平行声学路径的位移都为正的区域。在实施例中，可选择折叠部分N′与50％振幅点重合。在远侧顶端706处，位移曲线的斜率(与图19中所示的位移曲线近似)是相反的。因此，应力相等且相反并存在应力平衡。端部执行器700还包括就位移而言位于第二波腹A2处的声学远端708，其被称为折叠波腹A2。因此，声学远端708为局部负最大振幅附近的区域，在该区域中，纵向超声振动和超声位移接近负最大值。
在各种实施例中，折叠元件702的长度可以大于或小于四分之一波长(λ/4)，或者小于其整数倍(nλ/4)，以使得可基于声学远端708的位置和折叠元件702的长度将声学远端708的超声位移安排在最大位移和最小位移之间。开槽部分710的长度可以大于或小于任何数量的四分之一波长(λ/4)。仍然，端部执行器700和折叠元件702的总长度可以是任何合适数量的四分之一波长。折叠部分特别有利的位置在折叠部分N′处第一波腹A1和第二波节N2之间的50％振幅水平处。这表示远端706将在振幅的极限处，用于产生所需的组织动作。振幅在超过第一波腹A1的近侧保持高于最小有效振幅。随着向近侧靠近第一波节N1，振幅降至低于50％的所需水平。这表示对于用以55.5kHz工作的钛设计的端部执行器，工作长度向回向着远端延伸1.3个波长或1.2英寸(≈30mm)。
折叠部分N′沿着端部执行器700的纵向延伸的位置保持在折叠之前该位置的超声位移特性。例如，在图20中，折叠位置N′位于距第一波腹A1小于四分之一波长(λ/4)处。如图19所示，对于外部平行声学路径707以及内部平行声学路径，折叠部分N′处的位移是正的。因此，当器械被超声致动时，其远端706工作。
图21A示出包括限定平行声学路径807的折叠元件812的多元件开槽端部执行器800的一个实施例。端部执行器800包括具有声学远端802的折叠元件812。在图示实施例中，折叠部分恰好位于最远侧的波节之前。如以上参超图19和图20所述，折叠部分N′位于距前一波腹小于四分之一波长(＜λ/4)处。选择折叠部分N′的位置，以使得折叠部分N′的振幅为最大值的50％。端部执行器800适于在夹垫组件和端部执行器800的密封元件部分之间所夹的组织中形成多个密封区域。图21B示意性地示出与夹臂804可操作地连接的端部执行器800的侧视图。夹臂804适于容纳组织垫806。如前所述，夹臂804/组织垫806组件(夹臂组件)能够将压缩力或偏置力施加于组织以实现更快地凝结(如密封)和切割组织。夹臂804以可转动的方式绕枢轴销(未示出)安装以旋转到打开位置来在夹臂804和端部执行器800之间容纳组织。夹臂804和组织垫806能够沿着夹臂804的长度(优选沿着端部执行器800的工作长度)创建预定的力分布。
图21C示意性地示出与夹臂804可操作地连接的端部执行器800的一个实施例的侧视图，其中，组织808的一部分位于夹臂804和端部执行器800之间。组织808被压缩在夹臂804和端部执行器800之间。通过利用超声能量使端部执行器800致动来密封组织808。
图21D示意性地示出端部执行器800的一个实施例的俯视图，其中，沿着端部执行器800的密封表面810a和810b形成组织密封区域。在图21D所示实施例中，为了清晰起见，没有示出夹臂804。组织密封区域形成在密封元件810a、810b和组织垫806之间。选择折叠元件812的宽度，以使得组织808被组织垫806压缩在密封边缘810a、810b和组织垫806之间，而没有被压缩在密封边缘810a、810b之间的中心部分中。一旦组织808被压缩在密封边缘810a、810b和组织垫806之间，端部执行器800就被超声致动，以沿着密封边缘810a、810b形成组织密封区域。端部执行器800/组织垫806组合所产生的热能被沿着密封边缘810a、810b传递到组织808，保留组织808沿着切割线C的中心部分不密封。一旦沿着密封边缘810a、810b形成组织密封区域，就可使用刀沿着切割线C切割未密封的组织808。
已就物理控制纵向平面波传播对折叠端部执行器的性能进行了论述。本领域的技术人员应当认识到，折叠部分的存在将在折叠部分区域中引入剪切应力。因此，在以上实施例中论述的自由端处的标称位移表示在端部执行器的整个远侧面上的平均值。
已参照图15的端部执行器550对平衡特征的结合进行了论述。当可能需要减少不期望的横向运动时，可将平衡特征结合在折叠端部执行器的任何部分中。
应当理解，本文所述的超声传输波导和/或端部执行器的任何实施例可形成为横截面为圆形、矩形、正方形、三角形或其它合适多边形的管状或实心构件(如杆、条)。超声传输波导和/或端部执行器可形成有笔直或成锥形的边缘，用于放大、衰减或传输由压电或磁致伸缩致动器产生的振动的振幅。此外，折叠元件可形成为横截面为圆形、矩形、正方形、三角形或其它合适多边形的管状或实心构件(如杆、条)。折叠元件可形成有笔直或成锥形的边缘，用于放大、衰减或传输由压电或磁致伸缩致动器产生的振动的振幅。该实施例不局限于这种情况。
参照之前所述的任何实施例，超声器械可包括两个或更多个活动超声端部执行器，以在多个活动端部执行器之间捕获组织。例如，在一个实施例中，器械可包括两个活动超声端部执行器以在超声位移基本上相等并相反的两个端部执行器元件之间捕获组织。在这样的实施例中，可传递到组织的功率加倍，功率相对于组织的中心可以是对称的。这后一特征可改进密封强度，并能够实现超声吻合。如上所述包括折叠元件的端部执行器可用于实现两倍的工作长度。折叠元件可在直接部分中表现超声位移，并在平行部分中表现相反位移，以实现两个活动端部执行器。折叠共振元件能够在位移波节N处折叠远侧部分。在折叠部分的位置，折叠共振元件的远端为在其被折叠之后保持波节N的自由端。然而，折叠部分的声学远端是活动的，位于波腹A处。
参照之前所述的任何实施例，应当理解，在其它实施例中，折叠元件(如折叠杆超声端部执行器和折叠超声刀部分)可与位于波节“N”和波腹“A”之间的位移区域连接，以使得可将声学元件的超声位移安排在最大位移和最小位移之间。仍然在其它实施例中，折叠元件的物理长度可小于四分之一波长(λ/4)，或者小于其整数倍(nλ/4)，以使得将远端的超声位移安排在最大位移和最小位移之间。另外，折叠超声传输波导的笔直部分的长度可以是任何合适数量的波长(λ)。
参照图2A-D、9、10和21A-D，这些图示出包括多元件端部执行器和夹臂组件的各种实施例，夹臂组件包括近侧组织垫部分、远侧组织垫部分和组织垫插入部分。夹臂组件相对于超声刀的枢转运动可能会因在夹臂组件的夹臂部分上提供了一对枢轴点而受到影响，其中夹臂组件通过焊接销轴紧固件或其他紧固装置(未示出)与超声外科器械接合。组织垫部分可以通过机械方式连接到夹臂上，这些机械方式包括(例如)铆钉、胶水、粘接剂、环氧树脂、压力配件或本领域已知的任何其他紧固技术。此外，组织垫部分可以通过任何已知的方式可拆卸地附连到夹臂上。
在各种实施例中，夹臂可包括用于接纳组织垫(如本文所述的组织垫806、1021)的T型凸缘的T性狭槽。在各种实施例中，一体式组织垫组件可以包括组织垫部分，并且还包括T型凸缘，该T型凸缘被接纳到夹臂组件的T型狭槽内。可以设想包括鸠尾狭槽和楔形凸缘的其他构型。正如本领域的技术人员可以理解的那样，凸缘和对应的狭槽具有可供选择的形状和尺寸，以将组织垫可拆卸地固定到夹臂上。
本文所公开的器械可被设计为单次使用后丢弃，或可被设计为可使用多次。然而无论是哪种情况，该器械都可在至少使用一次后经过修复再行使用。修复可包括以下步骤的任何组合：拆卸装置，然后清洗或更换特定零件，以及后续的重新组装。具体地讲，可拆卸该装置，并且可以任何组合选择性地更换或移除装置的任何数量的特定零件或部件。清洗和/或更换特定部件时，可在修复设施处或在即将进行外科手术操作前由外科手术小组重新装配装置，以供后续使用。本领域的技术人员应当知道，器械修复可利用多种技术进行拆卸、清洗/更换和重新组装。此类技术的使用以及所得修复的装置均在本发明的范围内。
优选地，在外科手术之前将对本文所述的装置的各种实施例进行处理。首先，获取新的或用过的器械，并根据需要进行清洗。然后可对器械进行消毒。在一种消毒技术中，将器械置于闭合并密封的容器中，例如塑料或TYVEK
Figure GPA00001143087100441
袋中。然后将容器和器械置于可穿透该容器的辐射场，例如γ辐射、X射线或高能电子。辐射将杀死器械上和容器中的细菌。然后可将消毒后的器械保存在消毒容器中。该密封容器在医疗设施中被打开之前使器械保持在无菌状态。
器械优选地经过消毒。这可以通过本领域的技术人员已知的任何数量的方式进行，包括β辐射或γ辐射、环氧乙烷、蒸汽方式。
虽然本文已描述了各种实施例，但可以对这些实施例实施多种修改和变型。例如，可以利用不同类型的端部执行器。此外，虽然其中公开了某些组件用的材料，但也可以使用其他材料。上述具体实施方式和下述权利要求书旨在涵盖所有此类修改和变型。
以引用方式全文或部分地并入本文的任何专利、公布、或其他公开材料仅在所并入的材料不与本发明所述的现有定义、陈述、或其他公开材料相冲突的范围内并入本文。同样地并且在必要的程度下，本文明确阐述的公开内容取代了以引用方式并入本文的任何冲突材料。如果任何材料或其一部分以引用方式并入本文，但与本文所述的现有定义、陈述、或其他公开材料相冲突，那么仅在所并入的材料与现有公开材料之间不产生冲突的程度下才将其并入本文。

Claims (17)

1.一种用于超声外科器械的端部执行器，所述端部执行器包括：
主体，所述主体沿着纵向轴线延伸并包括近端和远端，所述主体的近端能够与超声换能器连接，所述超声换能器能够以预定频率产生振动；
折叠元件，所述折叠元件包括在波节和波腹之间的预定区域与所述主体的远端连接的第一末端，所述折叠元件沿着所述纵向轴线从所述主体的远端延伸到所述主体的近端，所述折叠元件包括第二自由声学末端，所述主体的远侧部分和所述折叠元件限定平行声学路径；以及
夹臂，所述夹臂与所述折叠元件可操作地连接。
2.根据权利要求1所述的端部执行器，其中所述主体被构造为管状构件，所述折叠元件被构造为实心构件。
3.根据权利要求1所述的端部执行器，其中所述主体包括狭槽，以容纳所述折叠元件。
4.根据权利要求1所述的端部执行器，包括与所述夹臂连接的组织垫。
5.根据权利要求1所述的端部执行器，其中所述夹臂能够对所述主体施加预定分布的力，其中所述力的分布与所述主体的工作长度的位移分布成反比。
6.根据权利要求5所述的端部执行器，其中所述夹臂被构造为片簧。
7.根据权利要求5所述的端部执行器，其中所述夹臂包括弹簧，所述弹簧与所述夹臂的第一铰接夹臂构件和第二铰接夹臂构件可操作地连接。
8.根据权利要求1所述的端部执行器，其中所述折叠元件能够沿着所述纵向轴线延伸。
9.根据权利要求8所述的端部执行器，其中能够延伸的所述折叠元件能够沿着所述纵向轴线可滑动地运动。
10.根据权利要求8所述的端部执行器，其中能够延伸的所述折叠元件能够绕位于所述主体的远端的枢转轴线可旋转地运动。
11.根据权利要求1所述的端部执行器，其中插入的所述折叠元件形成为钩。
12.根据权利要求1所述的端部执行器，其中所述主体的远端位于波节附近；以及
其中所述折叠元件的声学远端位于波腹附近。
13.根据权利要求1所述的端部执行器，其中所述主体的远端基本上与位于波节和波腹之间的第一位移区域重合；以及
其中所述折叠元件的声学远端基本上与位于波节和波腹之间的第二位移区域重合。
14.根据权利要求1所述的端部执行器，其中所述折叠元件包括形成在所述主体的横向部分上的密封边缘。
15.根据权利要求14所述的端部执行器，其中所述端部执行器还包括与所述夹臂连接的组织垫，所述夹臂能够在所述组织垫和所述密封边缘之间施加预定力。
16.根据权利要求14所述的端部执行器，其中所述密封边缘包括第一密封边缘和第二密封边缘，并且所述主体能够在所述第一密封边缘和第二密封边缘之间容纳刀。
17.一种外科器械，包括：
换能器，所述换能器能够沿着纵向轴线以预定频率产生振动；
超声端部执行器，所述超声端部执行器沿着所述纵向轴线延伸并与所述换能器连接，其中所述超声端部执行器包括：
主体，所述主体沿着纵向轴线延伸并包括近端和远端，
所述主体的近端能够与超声换能器连接，所述超声换能器能够以预定频率产生振动；
折叠元件，所述折叠元件包括在波节和波腹之间的预定区域与所述主体的远端连接的第一末端，所述折叠元件沿着所述纵向轴线从所述主体的远端延伸至所述主体的近端，所述折叠元件包括第二自由声学末端，所述主体的远侧部分和所述折叠元件限定平行声学路径；以及
夹臂，所述夹臂与所述折叠元件可操作地连接。
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