高效超声切割止血手术刀作用机理和生物效应的研究

Based on the elastic wave guide theory, contact mechanics theory and thermal wave theory, a physical mode about ultrasonic scalpel and biological tissue which contact by interface is established with 3D finite element numerical simulation..Constant amplitude output incentive system, ultrasonic scalpel's cutting rate and specimen's 3D real-time temperature distribution measurement system and acoustic cavitation experimental observation system about ultrasonic scalpel in a clear Phantom is develop，which combined with present laser vibrometer, optical microscopy,infrared thermal imager ，electron microscope and SPM to research the mechanics of the interaction between ultrasonic scalpel vibration mode, positive pressure, curvature radius of edge , amplitude and biological effects, and some relevant biological effects，then take quantitative assessment about injured biological tissue's mechanical properties in micro zone..Ensure that patient safety, to explore the technical way of improving ultrasonic scalpel cutting rate and minimizing damage, develop an efficient and safety ultrasonic scalpel for cutting and hemostatic with independent intellectual property rights.

以弹性波导理论、接触力学理论和热波理论为基础，采用3D有限元数值模拟，建立超声刀与生物组织通过界面接触的物理模型；.研制超声刀恒定振幅输出激励系统、超声刀切割速率与试样温度3D实时测量系统以及超声刀在透明生物仿体内的声空化实验观测系统，与现有的激光测振仪、光学显微镜、红外热像仪、电子显微镜、扫描探针显微镜相结合，从理论和实验上开展超声刀头振动模式、正压力F、刀口曲率半径R和振幅A与生物软组织的相互作用机理及相关的生物效应，并对损伤生物组织的微区力学特性的定量评估。.以确保病人安全为中心,探索提高超声手术刀切割速率和减小损伤组织区域的技术途径，开发有自主知识产权的高效、安全的切割止血超声手术刀。

超声手术刀是一种通过高速振动以实现生物体切割、分离的外科手术器械，它具有精度高、刀口整齐、止血快、热损伤区域小、产生烟雾少等优点，在现代外科手术中受到广泛应用。同时，超声刀在实践应用中存在输出效率较低，稳定性也有待提高等问题，且超声刀与生物组织作用机理尚不完善。本项目研究了超声手术刀与生物组织作用机理，用声子晶体的理论设计了单孔微创手术的超声手术刀，并进行了相关实验，主要内容有：. 1. 根据声子晶体理论，计算了无限周期变截面长杆的纵波和弯曲波的带隙结构，确定了超声手术刀刀杆的几何参数。利用有限元法，模拟计算了有限周期的细长杆的带隙特性，控制刀杆振动模态具有“通纵振、阻弯曲”的传输特性。同时, 设计并优化了纵-弯耦合结构的超声手术刀刀头。.2. 根据超声手术刀的工作特点和需求，研制了推挽激励超声换能器和具有实时频率跟踪和适应负载动态变化的“恒”振幅输出的超声手术刀激励电源。研制了超声手术刀测量系统，对超声手术刀的振动模态和刀头振幅进行了测量。结果表明55kHz频率附件工作时，刀头振幅输出可以控制在50-100μm范围内，满足切割止血要求。并参照GB9706.1-2007，对超声手术刀激励系统样机的安规指标进行测试验证。.3. 以赫兹接触理论模型为基础，建立超声手术刀与生物组织相互作用模型， 分别对超声刀在法向静力载荷和简谐力载荷下，生物组织内的应变场进行了求解，建立了静力载荷-压痕深度的力曲线与生物组织等效杨氏模量E*之间理论关系，探讨了压头和组织弹性对超声刀工作频率的影响，为进行超声刀与生物组织相互作用的实验研究提供理论依据。同时，对超声刀的疲劳特性进行了初步探索。. 4. 研制生物组织弹性模量测量系统和超声刀切割速率和试样温度分布测试系统。开展猪肉，牛肉，猪肝和猪肾等生物组织等效杨氏模量测量，以及超声手术刀肌肉切割速率和温度分布实验，评估超声手术刀切割止血性能以及超声手术刀对生物组织损伤程度。