超声手术刀的优化设计

　　0 引 言

　　近年来，超声外科在生物医学领域中的应用越来越广泛。研制高效、灵活的超声手术刀已成为相关领域的研究热点。目前超声手术刀主要应用在白内障乳化、肝胆肿瘤吸引、切割、凝血等，由于它具有切割精度高、出血量少、极少产生烟雾以及术后恢复快等优点，已具有逐步取代传统电刀、机械夹钳的趋势[1]。

　　实际应用中，为适应各种手术，对超声手术刀的性能要求也越来越高，如腹腔镜微创手术中，虽然多孔腹腔镜微创手术克服了传统开刀手术中存在的危险性大、创伤大等缺点，但仍存在恢复时间较长、术后留有多个小伤疤等缺点。微创手术以其治愈效果好，术后恢复快，疤痕小等优点，日益成为患者手术的首选[2]，同时也对手术刀的设计提出了更高的要求：

　　(1) 微孔中同时插入手术刀、光源、摄像头等医疗器械，手术过程中，避免手术刀自身扰度，与其他器械之间发生干涉，产生“筷子效应”;

　　(2) 微孔尺寸较小，操作困难，要求手术刀的刀头输出振幅较大，在短时间内切除组织。超声手术刀相对于机械手术刀具而言，优点显著，但在实际应用中，也存在一些问题：如刀身细长的手术刀振动时，易发生扰动，刀头应力分布不均匀，容易断裂;电声转化效率低，长时间使用手柄易发烫等。

　　为适应单孔微创手术的要求，本文设计了一频率为 55.5kHz 的细长结构超声手术刀，采用有限元方法模拟其振动模态，获取振幅大小、应力分布和应力大小等参数，并通过对刀身结构和刀头进行优化，使手术刀应力分布均匀，以轴向振动为主，刀头轴向输出振幅可以满足生物组织切割的需要，可以改善超声手术刀目前存在的问题。

　　1 超声刀切割原理

　　超声手术刀是利用超声对软组织进行切开和止血。其作用机理主要是与生物组织直接接触的金属刀头产生的超声机械效应、空化效应和热效应。超声刀头的髙频振动导致与之直接接触的组织细胞的蛋白质氢链断裂，细胞崩解重新融合，组织凝固后切开。同时，机械振动导致组织内胶原蛋白结构破坏，超声振动的热效应使蛋白凝固，进而封闭血管达到止血目的。它适用于对需要控制出血和最小程度热损伤的软组织进行切开，被广泛应用于外科手术。超声手术刀可以用来配合或取代高频手术刀、激光手术刀和钢制手术刀，大大拓宽了超声治疗的应用领域[3]。

　　当超声波在媒质中传播时，媒质质点即进入相应的高频振动。由初始的振动幅值产生相应的振动速度与加速度。研究表明，当超过切割阈值的机械振动作用于活体生物组织时，被作用部位可被迅速切开而不伤及其周围组织，反之，未被作用部位则不会被切开[4]。因此。超声刀刀头的振动幅值反映其切割能力。刀头振幅、频率和加速度的关系[5]：