超声骨刀和机器人辅助超声骨动力系统

摘要

本申请提供了一种超声骨刀和机器人辅助超声骨动力系统，其中，超声骨刀包括超声变幅杆和设置在超声变幅杆的两端的第一端部和第二端部，第一端部具有第一端部外径，第二端部具有第二端部外径，第二端部外径大于第一端部外径。超声变幅杆还包括至少一个直径扩展段，直径扩展段包括沿着超声变幅杆的纵向轴线设置的第一区段和第二区段，其中，第一区段具有第一外径，第二区段具有第二外径，第二外径大于第一外径。本实施例的超声骨刀的超声变幅杆由多个直径扩展段构成，并具有多个区段的外径沿其轴线逐渐增大的特点，因此，由超声换能器产生的振动的振幅能够经由上述结构的超声变幅杆逐渐放大，并且能够钻较大的孔。

说明书

技术领域

本申请涉及超声医疗器械，尤其涉及超声骨刀和机器人辅助超声骨动力系统。

背景技术

超声外科系统，例如超声骨动力系统已经被大量应用于外科手术。超声骨动力系统通常由超声换能器和包括超声变幅杆在内的超声骨刀两个部分构成，超声换能器用于将交流电信号转变为压电陶瓷的振动能量，超声变幅杆进一步放大压电陶瓷振动的振幅后驱动超声骨刀的尖端部位振动。这些振动在待切割或待钻孔的目标组织(例如骨组织等)内产生局部热能与振动能量，由此促进对目标组织的切割。

传统的超声骨刀由于需要和超声换能器的输出端口相匹配，因此其超声变幅杆的口径较小，如果单纯采用钻孔的方式处理组织，只能钻出较小的孔。当遇到例如颅骨钻孔植入电极等，需要较大钻孔孔径的手术时，传统的超声骨刀就只能通过切割的方式实现，但是这种方式的切割精度较差，同时有一定操作失误的概率。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于开孔的超声骨刀，超声骨刀包括超声变幅杆和设置在超声变幅杆的两端的第一端部和第二端部，第一端部用于连接超声换能器，第二端部包括切割部，第一端部具有第一端部外径，第二端部具有第二端部外径，第二端部外径大于第一端部外径；超声变幅杆包括至少一个直径扩展段，直径扩展段包括沿着超声变幅杆的纵向轴线设置在第一端部的一侧上的第一区段和沿着纵向轴线设置在第二端部的一侧上的第二区段；其中，第一区段具有第一外径，第二区段具有第二外径，第二外径大于第一外径。

可选地，直径扩展段为中空的，第一区段具有第一壁厚，第二区段具有第二壁厚，第二壁厚小于第一壁厚。

可选地，直径扩展段还包括设置在第一区段和第二区段之间的用于传递超声振动的共用接触平面段；其中，共用接触平面段的壁厚大于或等于第一壁厚，并且/或者共用接触平面段的壁厚大于或等于第二壁厚。

可选地，共用接触平面段的壁厚小于或等于第一壁厚和第二壁厚的和。

可选地，第一区段具有第一内表面，第二区段具有第二外表面；其中，共用接触平面段的内表面与第一内表面连续，并且/或者其中，共用接触平面段的外表面与第二外表面连续。

可选地，直径扩展段的中空部限定流体通道，用于将流体从第一端部经由流体通道引导到第二端部。

可选地，超声变幅杆至少包括相邻设置的第一直径扩展段和第二直径扩展段，第一直径扩展段沿着超声变幅杆的纵向轴线设置在第一端部的一侧上，第二直径扩展段沿着纵向轴线设置在第二端部的一侧上；第一直径扩展段的第二区段连接到第二直径扩展段的第一区段；其中，第一直径扩展段的第二区段的第二外径小于第二直径扩展段的第一区段的第一外径。

可选地，第一直径扩展段的第一区段的第一壁厚大于第二直径扩展段的第一区段的第一壁厚；并且/或者第一直径扩展段的第二区段的第二壁厚大于第二直径扩展段的第二区段的第二壁厚；并且/或者第一直径扩展段的第二区段的第二壁厚小于第二直径扩展段的第一区段的第一壁厚。

可选地，第二区段还具有第二内表面，其中，第一直径扩展段的第二区段的第二内表面与第二直径扩展段的第一区段的第一内表面连续。

可选地，第二端部和与第二端部相连的直径扩展段的第二区段之间形成有切割限位凸台。

可选地，第二端部的第二端部外径小于与第二端部相连的直径扩展段的第二区段的第二外径，以形成切割限位凸台。

可选地，第二端部的第二端部外径等于与第二端部相连的直径扩展段的第二区段的第二外径，并且在两者连接处的外侧还设置有凸环以形成切割限位凸台。

可选地，第二端部具有第二端部壁厚，第二端部壁厚小于与第二端部相连的直径扩展段的第二区段的第二壁厚。

可选地，超声变幅杆包括从第一端部延伸到第二端部的流体通道，用于将流体从第一端部引导到第二端部。

可选地，与第二端部相连的直径扩展段的第二区段上设置有至少一个通孔，用于将流体通道中的流体引导至第二端部的外表面。

可选地，切割部包括沿着周向均匀分布的多个切割齿。

可选地，多个切割齿包括三角形切割齿和/或矩形切割齿。

可选地，第一端部表面设置有螺纹结构以用于螺纹连接到超声换能器。

可选地，第二端部设置有用于检测切割参数的至少一个传感器。

可选地，切割参数包括以下参数中的任意一个或任意两个或更多个的组合：切割温度；切割深度；切割压力；切割时间；和切割速度。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种机器人辅助超声骨动力系统，包括超声骨动力系统和机器人辅助手术系统，超声骨动力系统固定到机器人辅助手术系统的末端执行器，以通过机器人辅助手术系统控制超声骨动力系统的运动，超声骨动力系统包括：用于将电能转换为机械能的超声换能器；和上述超声骨刀，超声骨刀的第一端部连接到超声换能器。

本发明的超声骨刀的超声变幅杆由多个直径扩展段构成，并具有多个区段的外径沿超声骨刀纵向轴线方向逐渐增大的特点，因此，由超声换能器产生的振动的振幅能够经由上述结构的超声变幅杆逐渐放大，从而提高切割部对目标组织的切割效果。同时，基于上述特点，将超声骨刀的第二端部外径设置为大于第一端部外径，可以在不改变超声换能器输出接口大小的基础上，增加切割部的钻孔直径，使得超声骨刀能够满足，例如开颅手术等，需要大孔径骨组织钻孔的手术的需求。

附图说明

在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本申请公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本申请范围的限制。

图1示出了根据本申请的一个实施方式的超声骨刀的外观示意图；

图2示出了根据本申请的一个实施方式的超声骨刀的侧视图；

图3示出了根据本申请的一个实施方式的超声骨刀的侧面剖视图；

图4示出了图3所示的超声骨刀的超声变幅杆的第一直径扩展段的侧面剖视图；

图5示出了图3所示的A区域的局部放大图；

图6示出了根据本申请的一个实施方式的机器人辅助超声骨动力系统的示意图。

附图标记说明：

1 超声骨动力系统；

10 超声骨刀；

100 超声变幅杆；

110 第一直径扩展段；

111 第一直径扩展段的第一区段；

1111 第一直径扩展段的第一区段的第一内表面；

1112 第一直径扩展段的第一区段的第一外表面；

112 第一直径扩展段的第二区段；

1121 第一直径扩展段的第二区段的第二内表面；

1122 第一直径扩展段的第二区段的第二外表面；

113 第一共用接触平面段；

1131 第一共用接触平面段的内表面；

1132 第一共用接触平面段的外表面；

120 第二直径扩展段；

121 第二直径扩展段的第一区段；

1211 第二直径扩展段的第一区段的第一内表面；

122 第二直径扩展段的第二区段；

123 第二共用接触平面段；

130 切割限位凸台；

140 通孔；

200 第一端部；

210 螺纹结构；

300 第二端部；

310 切割部；

400 流体通道；

410 流体通道的第一开口；

420 流体通道的第二开口；

20 超声换能器；

2 机器人辅助手术系统。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本申请的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

下面参照图1至3对本发明的超声骨刀10进行详细描述。

图1示出了根据本申请的一个实施方式的超声骨刀10的外观示意图。如图1所示，超声骨刀10包括超声变幅杆100和设置在超声变幅杆100的两端的第一端部200和第二端部300，第一端部200用于连接超声换能器20，第二端部300包括切割部310，切割部310用于对包括骨组织等的目标组织进行切割或钻孔操作。

超声变幅杆100包括至少一个直径扩展段，直径扩展段包括沿着超声变幅杆100的纵向轴线设置在第一端部200的一侧上的第一区段和沿着纵向轴线设置在第二端部300的一侧上的第二区段。

图2示出了根据本申请的一个实施方式的超声骨刀10的侧视图，在本实施方式中，超声变幅杆100包括两个直径扩展段，即第一直径扩展段110和第二直径扩展段120。第一直径扩展段110沿着超声变幅杆100的纵向轴线设置在第一端部200的一侧上，第二直径扩展段120沿着上述纵向轴线设置在第二端部300的一侧上，也就是说第一直径扩展段110相对于第二直径扩展段120更靠近第一端部200。在图2中，两个直径扩展段的交界面由虚线表示，即超声变幅杆100在虚线右侧的部分为第一直径扩展段110，在虚线左侧的部分为第二直径扩展段120。可以理解的是，在本发明其他一些实施方式中，超声变幅杆100还可以包括依次连接的三个或三个以上的直径扩展段，本发明的保护范围不受直径扩展段数量的限制。

每个直径扩展段至少包括两个区段，即第一区段和第二区段，上述两个区段为沿着超声变幅杆100纵向轴线设置的直径不等的两个圆柱体结构，这两个区段可以直接连接在一起，也可以经由附加的区段间接连接。其中，对于每个直径扩展段，其第一区段相对于第二区段更靠近第一端部200。图3示出了根据本申请的一个实施方式的超声骨刀10的侧面剖视图，在图3的实施例中，第一直径扩展段110和第二直径扩展段120均具有其各自的第一区段和第二区段，这两个区段经由它们中间的共用接触平面段间接连接。在图3中，每一个直径扩展段的第一区段、第二区段和共用接触平面段的交界面均由短虚线表示。第一直径扩展段110和第二直径扩展段120通过第一直径扩展段的第二区段112连接到第二直径扩展段的第一区段121的方式相互连接。可以理解，对于具有三个或三个以上的直径扩展段的超声变幅杆100也可以通过上述“首尾相接”的方式构造，即对于相邻的两个直径扩展段，上一个直径扩展段的第二区段连接到下一个直径扩展段的第一区段。

对于每个直径扩展段，第一区段具有第一外径，第二区段具有第二外径，第二外径大于第一外径。图4示出了图3所示的超声变幅杆100的第一直径扩展段110的侧面剖视图，以第一直径扩展段110为例，第一直径扩展段的第一区段111具有第一外径d

基于上述特点，对于整个超声变幅杆100，第一端部200具有第一端部外径，第二端部300具有第二端部外径，第二端部外径大于第一端部外径。继续参照图3，第一端部外径d

综上，本实施例的超声骨刀10的超声变幅杆100由多个直径扩展段构成，并具有多个区段的外径沿超声骨刀纵向轴线逐渐增大的特点，因此，由超声换能器20产生的振动的振幅能够经由上述结构的超声变幅杆100逐渐放大，从而提高切割部310对目标组织的切割效果。同时，基于上述特点，将超声骨刀10的第二端部外径设置为大于第一端部外径，可以在不改变超声换能器20输出接口大小的基础上，增加切割部310的钻孔直径，使得超声骨刀10能够满足，例如开颅手术等，需要大孔径骨组织钻孔的手术的需求。

直径扩展段可以为中空的，其外表面和形成中空部的内表面共同限定出直径扩展段的壁。第一区段具有第一壁厚，第二区段具有第二壁厚，第二壁厚小于第一壁厚。继续参照图4，以第一直径扩展段110为例，其第二区段112的第二壁厚t

如上所述，直径扩展段还包括设置在第一区段和第二区段之间的用于传递超声振动的共用接触平面段。如图3所示，第一直径扩展段110包括第一共用接触平面段113，第二直径扩展段120包括第二共用接触平面段123。每个共用接触平面段的壁厚均大于对应的第一区段的第一壁厚，并且大于对应的第二区段的第二壁厚。如图4所示，继续以第一直径扩展段110为例，第一共用接触平面段113的壁厚t

另外，上述共用接触平面段的壁厚小于或等于第一壁厚和第二壁厚的和，如图4所示，即t

如上所述，直径扩展段可以为中空的，因此每个区段(包括共用接触平面段)都具有其内外两个表面。具体地，第一区段可以具有其第一内表面和第一外表面，第二区段可以具有其第二内表面和第二外表面。共用接触平面段的内表面与第一内表面连续，并且/或者共用接触平面段的外表面与第二外表面连续。参照图4所示，在第一直径扩展段110中，第一共用接触平面段的内表面1131与第一直径扩展段的上述第一内表面1111连续，也就是说第一共用接触平面段113和第一区段111具有相同大小的内径。第一共用接触平面段的外表面1132还与第一直径扩展段的上述第二外表面1122连续，也就是说共用接触平面段113和第二区段112具有相同大小的外径。上述构造使得从第一区段111到第二区段112的外径扩展的结构过渡平缓，提高了超声变幅杆100的结构稳定性。

直径扩展段的中空部还限定流体通道400，用于将流体从第一端部200经由流体通道400引导到第二端部300。该流体通道400可以具有位于第一端部200的第一开口410以及位于第二端部300的第二开口420，并且第二开口420大于第一开口410。

进一步地，第一直径扩展段的第二区段112的第二外径小于第二直径扩展段的第一区段121的第一外径。具体地，参照图3所示，d

图5示出了图3所示的A区域的局部放大图，参照图4和图5，第一直径扩展段的第一区段111的第一壁厚t

另外，如图5所示，第一直径扩展段的第二区段的第二内表面1121与第二直径扩展段的第一区段的第一内表面1211连续。也就是说，第一直径扩展段的第二区段和第二直径扩展段的第一区段具有相同大小的内径。

第二端部300和与第二端部300相连的直径扩展段的第二区段之间形成有切割限位凸台130。切割限位凸台130用于对切割部310对目标组织的切割深度进行限制，防止超声骨刀10陷入目标组织过深。

在本发明一些实施例中，第二端部300的第二端部外径小于与第二端部300相连的直径扩展段的第二区段的第二外径，以形成切割限位凸台130。如图3所示，以具有两个直径扩展段的超声骨刀10为例，第二端部300的第二端部外径d

在本发明另外一些实施例中，第二端部300的第二端部外径还可以等于与第二端部300相连的直径扩展段的第二区段的第二外径，并且在两者连接处的外侧设置凸环以形成切割限位凸台130。还以图3所示的超声骨刀10为例，第二端部300的第二端部外径d

第二端部300具有第二端部300壁厚，第二端部300壁厚小于与第二端部300相连的直径扩展段的第二区段的第二壁厚。还以图3所示的超声骨刀10为例，第二端部300壁厚小于第二直径扩展段的第二区段122的第二壁厚，以使得超声骨刀10的壁在第二端部300进一步变薄。

超声变幅杆100包括从第一端部200延伸到第二端部300的流体通道400，用于将流体从第一端部200引导到第二端部300。如上所述，每个直径扩展段都是中空的，所有直径扩展段的中空部相互连通，并形成完整的从第一端部200延伸到第二端部300的流体通道400。优选地，该流体通道400的轴线和超声骨刀10(或超声变幅杆100)的纵向轴线重合。由于切割部310在工作状态下需要高频振动，因此切割部310及其周围的目标组织的温度较高。上流体通道400可以允许诸如冷却液等液体由第一端部200流向第二端部300，并对切割部310进行冷却，防止目标组织被高温灼伤。

与第二端部300相连的直径扩展段的第二区段上设置有至少一个通孔140，用于将流体通道400中的流体引导至第二端部300的外表面。如图1、图2所示，在第二直径扩展段的第二区段122上，开设有连通流体通道400和超声骨刀10外部的通孔140。上述通孔140优选地设置在第二区段122靠近凸台130的位置处，以便于将流体引导至靠近目标组织的范围内。在本实施例中，通孔140的数量为2个，并且分别设置在第二区段122圆形横截面的一条直径的两个端点上，以便于将流体从两个相反的方向导出，从而增大流出的流体的覆盖范围。

切割部310包括沿着周向均匀分布的多个切割齿。上述多个切割齿包括三角形切割齿和/或矩形切割齿。

第一端部200表面还设置有螺纹结构210以用于螺纹连接到超声换能器20。

在超声骨刀10的工作过程当中，需要持续关注目标组织的状态，以了解超声骨刀10的切割/钻孔程度。因此，在本实施例中，第二端部300设置有用于检测切割参数的至少一个传感器(未示出)。具体地，切割参数包括以下参数中的任意一个或任意两个或更多个的组合：切割温度；切割深度；切割压力；切割时间；和切割速度。相应的传感器可以包括：用于测量温度的温度传感器、用于测量位置信息的位置传感器、用于测量压力的压力传感器和用于记录时间的计时器等。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种机器人辅助超声骨动力系统，其包括超声骨动力系统1和机器人辅助手术系统2，超声骨动力系统1固定到机器人辅助手术系统2的末端执行器，以通过机器人辅助手术系统2控制超声骨动力系统1的运动。

超声骨动力系统1包括：用于将电能转换为机械能的超声换能器20和上述超声骨刀10，超声骨刀10的第一端部200连接到超声换能器20。本实施例的超声骨刀10的工作原理为：超声换能器20通过第一端部200机械地在声学上接合到超声骨刀10，以将超声换能器20产生的超声振动传递到超声变幅杆100，超声变幅杆100将超声振动传导到切割部310，同时放大超声振动的振幅，以使得切割部310能够实现更大面积的钻孔。在对目标组织进行切割后，可以向超声骨刀10的第一端部200灌入液体，液体通过液体通道到达第二端部300附近，并从通孔140处流出，以对切割部310和目标组织进行冷却。

机器人辅助手术系统2包括基座和机械臂，机械臂安装在基座上，超声骨动力系统1能够拆卸地连接到机械臂的能够运动的端部，机械臂用于控制超声骨动力系统1的切割端部的位置、空间角度及施加至待切割的骨组织的力；执行器通信连接到超声骨动力系统1，用于控制超声骨动力系统1的切割功率。执行器可以根据骨组织的剩余切割厚度、密度、邻接的组织类型等控制超声骨动力系统1的输出功率。本发明的机器人辅助超声骨动力系统提高了骨科手术、特别是微创骨科手术系统的安全性和精确性。

应当理解的是，在本说明书中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系或尺寸为基于附图所示的方位或位置关系或尺寸，使用这些术语仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，并且因此不能理解为对本申请的保护范围的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本说明书提供了能够用于实现本申请的许多不同的实施方式或例子。应当理解的是，这些不同的实施方式或例子完全是示例性的，并且不用于以任何方式限制本申请的保护范围。本领域技术人员在本申请的说明书的公开内容的基础上，能够想到各种变化或替换，这些都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求所限定的保护范围为准。