超声手术手柄振动系统的有限元与实验分析

    近年来,超声外科手术仪器的研制受到了人们广泛的关注。超声外科手术的原理是利用超声波能量对人体组织的机械、空化等效应,使病变组织碎裂、乳化,从而达到治疗的目的。其手术时间短,出血少,术后恢复快,操作安全,减轻了病人的痛苦,降低医生手术强度,能带来巨大的社会效益。手柄是整个超声外科手术设备的关键部件,手柄体积小,质量轻,医生手术时操作灵活方便,长期使用不会感到疲劳,能达到良好的手术效果。振动系统性能好,手柄发热少,可将能量最大限度的利用。手柄的设计方法目前主要有解析法、四端网络法^[1]和有限元法。有限元法是计算机仿真法中最主要的方法,它可预测系统复杂的声学、力学、电学、机械特性。与前两种方法相比,其优点是:

    (1)可仿真计算超声手柄的谐振频率、振型、位移、应力、导纳等特性,且可估计其动态特性。

    (2)可对刀具进行优化设计,避免进行多次实验,设计周期缩短,费用降低。

    (3)仿真是基于三维模型基础上,考虑各方向的振动耦合,设计更精确。

    本文利用有限元软件ANSYS对超声手柄的振动系统进行了有限元分析。并进行了相应的实验研究。

    1　超声手术刀的结构与工作原理

    超声手柄的工作原理是利用电致伸缩效应或磁致伸缩效应,将电能转换为机械能,然后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辐射能量,从而进行手术治疗。图1为一种采用电致伸缩效应的超声手术刀振动系统示意图,它由压电换能器、变幅杆、刀头3部分组成。压电片将电源的电能转化成振动机械能,变幅杆通过将超声能量聚集到较小面积上来放大机械振动的位移或速度。超声刀头根据应用场合的不同其形状不同。图1所示刀头为中空结构,可辐射声能,将人体病变组织乳化并利用负压吸出体外。

    2　压电有限元耦合动力学分析原理

    有限元结构振动分析求解的动力学方程为^[2]

式中　M为质量矩阵;C为阻尼矩阵;K为刚度矩阵;F为外力;u为位移向量。

    ANSYS中求解振动问题有模态分析、谐响应分析和瞬态分析、谱分析等。

    2·1　模态分析

    模态分析是求解结构无阻尼自由振动问题,即计算结构的固有频率和振型。当外界阻尼和外力为零时,式(1)简化为

    求解式(4)的问题即为求解广义特征值问题,ω为结构的固有频率,u为相应的振型。ANSYS中进行模态分析的求解方法主要有广义雅可比法、子空间迭代法、Lanczos等。Lanczos特征值提取法主要用于大型对称结构问题的特征值求解^[3],利用这种方法解决的问题也可用子空间法求解,但利用Lanczos法求解收敛速度更快。本文采用Lanczos法求解。