leyu.乐鱼(中国)-2024上海医疗设备展Medtec独家专文 | 设计用于超声手术的压电式手持件（二）

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2024-08-02

为避免超声波手持件于操作历程中呈现过热，应选器具有高机械强度及低能量损耗特征的压电质料。

超声波手持件，包括超声波手术刀、超声乳化手持件及洁牙器等装备，均使用声波能量作用在硬构造或者软构造的处置惩罚。（图片来历：Physik Instrumente）

超声波手持件于医疗范畴的运用日趋广泛，尤其是于微创外科手术及牙科医治中。超声波手持件，包括超声波手术刀、超声乳化手持件及洁牙器等装备，均使用声波能量作用在硬构造或者软构造的处置惩罚。本文的第一部门论述了超声波医用手持件的基本布局、多样化的设计变体和其体系设计。作为历届2024上海医疗装备展Medtec现场最受接待的免费技能论坛之一，本年医疗器械设计论坛将继承举办，集会将聚焦器械产物进步前辈的设计理念及设计方式，预挂号便可介入集会哦！

驱动设计

图1-超声波驱动器的布局，此中压电元件定位于底座上。

年夜功率超声波驱动器重要由偶数个高强度PZT（锆钛酸铅）环组成，这些环经由过程螺栓固定在基体与惯性子量块之间（拜见图1）。驱动器的共振频率与挠度特征由总体布局而非单一PZT组件特征决议。PZT质料的选择重要由现有电子元件及冷却体系决议。凡是选器具备高耦合效率、低内部损耗及适中带宽特征的质料，如PIC 18一、PIC 184或者PIC 144系列（参照表1）。

表1.硬质PZT的特征。

采用金属箔制成的中间电极实现电气毗连。穿孔铜合金箔设计用在于谐振状况下承载年夜电流，并有用散去因内部损耗而孕育发生的热量。怪异的穿孔布局于维持尺寸不变性的同时，显著改善了力于箔片外貌的匀称漫衍。

超声波手持件用在软构造剖解与凝集操作。（图片来历：Physik Instrumente]

务必确保夹紧的外貌尽可能连结平行，由于成角度或者锥形的外貌会于装置早期即激发妨碍。为预防外貌歪斜可能致使的妨碍，建议于PZT元件所凭借的内缘切割凹槽。外貌的平整度与粗拙度对于驱动器机能的重现性具备直接影响，此中PZT元件电极的选择尤为要害，由于它同时也作为机械接触面。电绝缘办法可采用环氧树脂、绝缘漆或者硅树脂紧缩管实现。

至在驱动器是采用浸胶粘合（胶合仓库）还有是仅于干燥状况下举行机械预载（干式仓库）则取决在元件质量及运用范畴。从成本角度出发，胶合仓库设计常为优选方案，只管其内磨擦损耗较高，事情特征重现性较低，但布局偏差容限显著优在干式仓库。粘合剂阐扬机械调整剂的作用，赔偿粗拙度、平面度和总体机械公役。

谐振驱动器必需实行机械预载，防加快阶段孕育发生拉伸应力。所需最小预紧力由自由谐振状况下的最年夜加快度与部件质量配合决议。这可以规避拉伸应力的孕育发生，确保即便于到达最年夜自由挠度时，元件间亦能连结慎密贴合，避免分散征象。鉴在硬质PZT元件对于拉伸应力的高度敏感性，此举对于在预防驱动器受损至关主要。

浩繁设计因素，包括机械、电气和热特征等，城市影响预紧力简直定，这也是为什么大都制造商会偏向在采用内置较高安全系数的预设固定预紧力的计谋。典型的预紧力设定规模介在30至75 MPa之间。为了维持洁牙器质量的可反复性，切确丈量并节制这一预紧力至关主要。这凡是可经由过程两种方式实现：一是按照预设扭矩值举行拧紧操作；二是及时监测并记载硬PZT环于装置历程中所开释的电荷量。因为该历程高度依靠在各部件的外貌质量及公役节制，是以各组件的机能体现往往存于显著差异。为解决此问题，确立了两重拧紧的要领。起首将驱动装配置在短路状况，举行彻底预紧，随后彻底卸载，末了再以固定的扭矩值或者到达预设载荷前提举行第二次切确预紧。此外，适度放宽预载部件的安装紧固度亦有其上风，可以或许矫捷赔偿潜于的平行度误差。这可以经由过程采用松动/容许罗纹设计或者设置浮动中间环来实现。于采用此类设计时，需确保于夹紧螺栓上安装聚合物套筒，避免因不测脱落而致使的潜于侵害。

图2 初始高压灭菌轮回时期牙科洁牙器的频率漂移。（来历：“用在医疗运用的高功率Langevin型换能器的操作机能评估”，Bromfield，Flitcroft/Moog LLC 2016)

医疗洁牙器凡是用在高压灭菌器，可满意严酷的灭菌要求。按照划定，它们需具有优秀的密封机能，并能蒙受高达1,000次的灭菌轮回（室温 135°C，85%相对于湿度）。为确保洁牙器于持久利用下依然连结精彩的机能，每一台彻底组装的装备城市履历一项尤其的预处置惩罚——“老化测试”。于这个历程中，洁牙器会于跨越其正常事情温度的情况中，重复于高压灭菌器中举行测试，以此猜测并监控其频率、电容等要害机能参数的变化趋向（如图2所示）。这一步调确保了洁牙器于履历屡次灭菌轮回后，依然可以或许不变、靠得住地事情。于安装洁牙器以前对于PZT环举行预老化处置惩罚，效果其实不较着，也没法替换整台装备组装完成后的周全预老化测试。

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非凡运用

对于在那些需要于防爆区域或者限定强电场情况中事情的洁牙器，必需采用非凡设计的传感器。于这类环境下，选择适量的硬质PZT多层元件来替换硬PZT环是一个可行的方案。只管如许做会增长对于电源供给的需求，并需要配置自动冷却体系，但它能将事情电压年夜幅降至100V如下。

超声波手持件中配备的硬PZT多层环芯片（图片来历：PI）

驱动电子装配

功率变送器的谐振频率会跟着事情前提及温度的转变而颠簸，是以，为了确保最好的运行状况，咱们需要不停地调解其事情频率及电功率。于驱动电子装备时，最要害的使命就是正确地跟踪这个谐振频率。为了实现这一跟踪，采用了高频锁相环（PLL）电路，它可以或许敏锐地捕获到电相位角的零交织点，并据此迅速调解事情频率。

此外，还有需要尤其留意避免变送器于“空载”状况下运行，也就是于没有负载的环境下自行运转，由于这极有可能致使变送器的毁坏，甚至可能对于操作职员组成安全威逼。为了不这类环境，采用了脉宽调制（PWM）技能来举行自动的功率节制。此刻，对于在年夜功率超声波变送器的节制，现代电子装备已经经可以或许于单个可编程FPGA（现场可编程门阵列）芯片上，将PLL及PWM这两个节制体系以和分外的过载掩护功效完善地交融于一路。

妨碍机制

年夜功率超声波驱动器最常遭受的妨碍，莫过在PZT元件的分裂问题。这重要是因为预紧力的损失，致使元件之间分散或者分裂。只管这类妨碍纷歧定会让装备彻底掉效，但年夜大都环境下，可以经由过程洁牙器发出的嗡嗡声来清楚鉴别。为了有用避免PZT元件开裂，于设计传感器时，必需确保所选的机械预紧力充足强盛。如许，2024上海医疗装备展Medtec认为纵然于最年夜事情状况下，PZT元件也能蒙受住压应力。作为开端估算，预紧力的选择该当与机械输出功率成正比。

 

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