超声手术刀界面能量特征驱动感知机理研究

Most of harmonic scalpel systems for minimally invasive surgery are open-loop controlled. So the quality of surgery is closely related to the operating technical level of the doctors. If energy is not properly controlled, tissues can be easily charred because of high temperature at the surgical site. The novel harmonic scalpel, which has energy-control-capability, need to be developed urgently. There is only a narrow space between harmonic scalpel and tissues in the minimally invasive surgery so that most of sensors can not be used to measure temperature there. This is a very difficult problems for intelligent feedback control. A method that we can use load impedance of ultrasonic transducers to achieve the temperature without any sensors is proposed in this project. The basic idea is creating a kind of correspondence with three temperature ways from friction, internal friction and cavitation and then obtaining the temperature of the surgical area by measuring transducer electrical impedance without any sensors. This method has important scientific significance and practical value for the intelligent surgical medical equipment, and also has a very important significance for raising the level of the power ultrasonic machining in other industrial areas.

用于微创手术的超声手术刀的超声能量多为开环控制系统提供，手术质量与医生的操作技术水平密切相关，能量控制不当极易造成手术部位急剧温升而烧焦，亟待开发新型具有能量控制能力的超声手术刀。由于测温部位是刀头与人体组织的接触面，微创手术又面对的是狭窄空间，这给实现测温智能反馈控制提出了难题。本项目提出利用超声驱动系统中超声换能器对负载阻抗变化具有灵敏感知的电学特性的原理，不依赖传感器测量手术部位温度的方法。其基本思路是：建立摩擦、内耗和空化三种温升方式下手术区域温度变化与超声换能器负载阻抗之间的对应关系，在不使用传感器的情况下，直接通过测量换能器的电学阻抗而获得手术区的温度。探索无传感器的感知方法和技术，对于手术医疗设备的智能化、小型化具有重要科学意义和实用价值，对于其他工业领域功率超声加工水平的提高也具有十分重要的意义。

课题在国家自然科学基金的资助下，对超声手术刀界面能量特征驱动感知的相关问题进行探索和研究。通过大量的文献检索，以及与医院一线的医疗专家进行深入探讨，在课题进行中排除了最初的一些不科学的片面认识，及时地调整了研究计划，在超声手术刀载能关键要素、超声手术刀致超声空化现象、复合振动新型超声手术刀等方面进行比较深入的研究。明确了夹持力在组织损伤与超声手术刀电学特性参量之间的重要作用，初步建立了定量的数学关系，为进一步针对利用阻抗特性在无传感器条件下实现对超声手术刀能量控制提供了研究基础。明确了超声空化效应在超声刀手术中的重要作用，并得到了超声手术刀超声空化的特征频谱，证明了这一频谱可以作为软组织切割过程的状态标识，为进一步利用“声”判断并控制超声手术刀能量奠定了理论基础。结合多年从事超声加工方向研究的优势，分析了现有超声手术刀的优劣特点，研制了复合纵弯振动的新型超声手术刀，初步实验已经表明其具有比较优异的工作特性，但目前对于相关机理研究仍未充分开展，设计、工艺等方面仍需进一步优化。本课题研究虽然是针对微创精准医疗设备的需求而开展的，但是其中涉及了超声换能器的设计理论、高效匹配原理和方法、超声驱动系统技术、微观超声空化理论、动物（人）机体组织的能量选择性等，因此研究结果不仅对于提高微创精准手术质量有直接的促进作用，也可为未来的智能医疗、远程医疗及超声加工相关领域提供某些理论和技术参考。