ES2225860T3

ES2225860T3 - Instrumento ultrasonico para usos quirurgicos.

Info

Publication number: ES2225860T3
Application number: ES96307050T
Authority: ES
Inventors: Jeffrey Joseph Vaitekunas
Original assignee: Ethicon Endo Surgery Inc
Current assignee: Ethicon Endo Surgery Inc
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2016-09-27
Also published as: JP3936001B2; CA2186721C; AU6556296A; EP0765637A2; DE69632984D1; CA2186721A1; JPH09135842A; EP0765637A3; EP0765637B1; AU709756B2; US5630420A; DE69632984T2

Abstract

SE DESCRIBE UN INSTRUMENTO QUIRURGICO MEJORADO, EN EL QUE UNA PILA ULTRASONICA INCLUYE UNA O MAS SECCIONES PIEZOELECTRICAS RODEADAS POR AL MENOS UNA PRIMERA SECCION RESONADORA Y UNA SEGUNDA SECCION RESONADORA. LA SEÑAL DE EXCITACION PARA LA PILA ULTRASONICA SE ADAPTA PARA SUMINISTRAR POTENCIA EN UNA PRIMERA Y UNA SEGUNDA FRECUENCIA DE FORMA QUE SE DIRIJA LE EXTREMO QUIRURGICO DEL INSTRUMENTO EN UNA PRIMERA Y SEGUNDA FRECUENCIA SIMULTANEAMENTE.

Description

Instrumento ultrasónico para usos quirúrgicos.

Campo de la invención

La presente invención se refiere, en general, a un instrumento quirúrgico ultrasónico mejorado, y más en particular, a un instrumento quirúrgico ultrasónico en el que se activan los elementos piezoeléctricos con dos o más frecuencias de excitación.

Antecedentes de la invención

Los instrumentos quirúrgicos ultrasónicos pueden ser utilizados en procedimientos médicos, por ejemplo, para diseccionar o cortar tejido orgánico vivo. Se consigue la acción de diseccionar o cortar por medio de una herramienta quirúrgica situada en el extremo distal del instrumento, en la que la punta quirúrgica transmite energía ultrasónica al tejido. También se puede utilizar energía ultrasónica para cauterizar el tejido que rodea la punta quirúrgica, produciendo hemostasis al coagularse la sangre en el tejido circundante.

Se induce vibración ultrasónica en la punta quirúrgica al excitar eléctricamente uno o más elementos piezoeléctricos en la empuñadura del instrumento. Se excitan los elementos piezoeléctricos a una frecuencia de resonancia del instrumento quirúrgico. La frecuencia de resonancia fundamental de los instrumentos quirúrgicos descritos en la presente es f_{o}y la longitud de onda resonante es \lambda_{o}. \lambda_{o}es igual a c/f_{o}en donde c es la velocidad del sonido en el instrumento. Como la señal de excitación eléctrica es senoidal por naturaleza o tiene un componente senoidal, los elementos piezoeléctricos generan una vibración de onda estacionaria mecánica a una frecuencia que es igual a la frecuencia de la señal de excitación eléctrica. Las vibraciones generadas por la sección piezoeléctrica se filtran a través de un resonador, se amplifican por al menos un transformador de velocidad y se transmiten a la punta quirúrgica.

En los instrumentos quirúrgicos ultrasónicos descritos en la presente memoria, la empuñadura, que se conoce también como "Pila de Langevin" o "pila", incluye, al menos, una sección piezoeléctrica rodeada por una pareja de resonadores. Generalmente, los resonadores comprenden secciones metálicas que se apoyan contra la sección piezoeléctrica en cada lado y se extienden una distancia de, aproximadamente, un cuarto de longitud de onda (\lambda_{o}/4) desde el centro de la pila piezoeléctrica. La pila, incluyendo los elementos piezoeléctricos y los resonadores, tiene una longitud de aproximadamente media longitud de onda (\lambda_{o}/2). Los resonadores actúan como filtro mecánico de paso de banda, filtrando o reduciendo sustancialmente las ondas acústicas de frecuencias superiores o inferiores a la frecuencia de funcionamiento y superiores o inferiores a los armónicos de la frecuencia de funcionamiento. Se puede adaptar un extremo de la pila para que reciba el cable o hilo que transmite la señal de excitación eléctrica a los elementos piezoeléctricos. En muchos instrumentos de este tipo, los resonadores están conectados eléctricamente a tierra y la señal de excitación está conectada a parejas alternantes de elementos piezoeléctricos dentro de la pila. Generalmente, se adapta el extremo opuesto de la pila para recibir la punta quirúrgica o bien una barra de transmisión, la cual está adaptada para transmitir la señal acústica desde la pila a la punta quirúrgica.

En los instrumentos quirúrgicos del tipo que se ha descrito anteriormente, se pueden amplificar las ondas acústicas insertando "transformadores de velocidad" entre el resonador y la punta. Una transformador de velocidad amplifica la onda acústica al reducir el área de sección transversal del instrumento. Por lo tanto, al utilizar una barra de transmisión que tenga un diámetro más pequeño que la salida del resonador, la unión entre el resonador y la transmisión actúa como un transformador de velocidad, aumentando la intensidad de la onda acústica transmitida a través de la barra de transmisión. En el caso en cual el diámetro de la punta es más pequeño que el de la barra de transmisión, una unión escalonada similar en la interfaz entre la barra de transmisión y la punta actúa como un segundo transformador de velocidad, aumentando adicionalmente la intensidad de la onda acústica en la punta del instrumento. Generalmente, se elige la longitud de los resonadores y barras de transmisión de manera que se asegure que las transformadores de velocidad se sitúen en nodos en el patrón de ondas estacionarias.

Como se ha indicado anteriormente, se inicia un patrón de ondas estacionarias acústico al aplicar un voltaje eléctrico con una frecuencia f a los elementos piezoeléctricos. La aplicación de un voltaje eléctrico a lo largo de un elemento piezoeléctrico produce la expansión o contracción del elemento piezoeléctrico a lo largo del eje del gradiente de voltaje. Se determina la dirección de desplazamiento del elemento piezoeléctrico (es decir, si se expande o se contrae) por la polaridad de la señal aplicada. Por lo tanto, cuando una señal de excitación eléctrica que tiene un componente senoidal se aplica con una frecuencia f, los elementos piezoeléctricos se expanden o se contraen de forma continua. Se puede evitar la expansión o contracción mecánicas de la pila en sí al utilizar los elementos piezoeléctricos por parejas, con lo que la aplicación de una señal eléctrica de una polaridad determinada hace que un elemento de la pareja se expande y que el segundo elemento de la pareja se contraiga.

Un instrumento quirúrgico puede ser activado o excitado a cualquiera de sus frecuencias de resonancia. El instrumento, que tiene una frecuencia de resonancia fundamental f_{o}, puede ser activado por una señal de excitación f_{e} a cualquier armónico (es decir, múltiplo de número entero) de f_{o}. Una señal de frecuencia de excitación f_{e} tiene una longitud de onda \lambda_{e}.Puesto que la frecuencia de resonancia fundamental del instrumento es f_{o}, una onda de señal eléctrica de excitación que activa los elementos piezoeléctricos a una frecuencia de f_{o} hará que la punta quirúrgica vibre a f_{o}. En el caso de que la señal de excitación eléctrica no sea una onda senoidal limpia (por ejemplo, una onda cuadrada o en dientes de sierra), incluirá armónicos de la señal de la señal de excitación y se podría esperar que la punta quirúrgica vibrase a f_{o} y a armónicos de f_{o}. Incluso en el caso de que la señal de excitación eléctrica sea una onda senoidal limpia, las faltas de linealidad en el instrumento pueden hacer que la punta quirúrgica vibre a f_{o} y a armónicos de f_{o}. En cualquier caso, la magnitud de la vibración en la punta quirúrgica sería mayor que f_{o},y se podría esperar que fuese sustancialmente menor a los armónicos de f_{o}. En la mayoría de los casos, la energía a la frecuencia armónica sería menor que el 25% de la energía a la frecuencia fundamental. Por lo tanto, en generadores conocidos, se podría esperar que la energía transmitida por la punta quirúrgica a frecuencias que no fuesen la frecuencia de excitación fuese del 25%, como máximo, de la energía transmitida a la frecuencia de excitación del instrumento. La energía relativa en la frecuencia de excitación y sus armónicos es una función del grado con el que la señal de excitación se desvía de una onda senoidal limpia. Por lo tanto, en el caso de que la señal de excitación active los elementos piezoeléctricos a f_{o}, sustancialmente todo el trabajo realizado por la punta (por ejemplo, cortar y/o cauterizar tejido) se realiza a f_{o}. En los casos en que la señal de excitación active los elementos piezoeléctricos a cualquier otra frecuencia de excitación f_{e}, sustancialmente todo el trabajo realizado por la punta se realiza a f_{e}.

Se cree que ciertas frecuencias de vibración hacen mejorar el funcionamiento de un instrumento ultrasónico para un propósito determinado. Por ejemplo, una frecuencia determinada puede ser particularmente beneficiosa cuando se utiliza el instrumento para cortar o diseccionar tejido, mientras que una segunda frecuencia distinta puede ser beneficiosa cuando se utiliza el instrumento para cauterizar tejido. Por lo tanto, activar los elementos piezoeléctricos tanto a una primera frecuencia de excitación, por ejemplo, la frecuencia fundamental del instrumento, como a uno o más armónicos de la frecuencia de excitación podría, en algunas aplicaciones, mejorar sustancialmente el rendimiento del instrumento. Por ejemplo, en el caso de que se utilice el instrumento para cortar y coagular tejido, la señal de excitación podría estar controlada selectivamente para proporcionar energía a la frecuencia fundamental para cortar tejido y a un armónico de la frecuencia fundamental para cauterizar el tejido.

Puesto que la aplicación de energía acústica a tejidos, en forma de ondas ultrasónicas, puede producir efectos beneficios diferentes dependiendo de la frecuencia de la energía ultrasónica que se aplica al tejido, sería beneficioso diseñar un instrumento quirúrgico ultrasónico en el que se excitase la pila piezoeléctrica a una primera frecuencia de excitación, por ejemplo, la frecuencia fundamental del instrumento y al menos, a un armónico de la frecuencia de excitación. Sería adicionalmente beneficioso diseñar un instrumento quirúrgico ultrasónico en el que la energía suministrada a los armónicos de la primera frecuencia de excitación fuese sustancialmente igual o mayor que el 50% de la energía suministrada a la primera frecuencia de excitación. En el Documento norteamericano US-A-4 838 853 se conoce (i) un procedimiento para excitar una pila ultrasónica en un instrumento quirúrgico, y (ii) un instrumento quirúrgico ultrasónico que dispone de los aspectos precaracterísticos de la Reivindicación 1.

La presente invención proporciona un instrumento quirúrgico ultrasónico de acuerdo con la Reivindicación 1. En una Realización de la invención, la energía de la señal de excitación a la segunda frecuencia f_{2} es sustancialmente igual o mayor que la energía de la señal de excitación de la primera frecuencia f_{1}. En la presente invención, la energía de la señal de excitación a la segunda frecuencia f_{2} es igual o mayor que el 50% de la energía de la señal de excitación a la primera frecuencia f_{1}. En una Realización adicional de la presente invención, la relación de las energías de entrada no es mayor de 2:1. En una Realización adicional de la presente invención, la frecuencia f_{2} es dos veces la frecuencia f_{1}.

Breve descripción de los dibujos

Se podrá entender mejor la invención, tanto en la organización y procedimientos de funcionamiento como junto con los objetivos y ventajas adicionales de la misma, por medio de referencia a la descripción que sigue, tomada en conjunto con los dibujos que se acompañan, en los que:

La figura 1 es una vista lateral en una Realización de un instrumento quirúrgico que incluye una sola sección piezoeléctrica.

La figura 2 es una vista lateral de una Realización adicional de un instrumento quirúrgico que incluye dos secciones piezoeléctricas.

La figura 3 es una vista lateral de una Realización adicional de un instrumento quirúrgico que incluye dos secciones piezoeléctricas.

La figura 4 muestra una serie de formas de onda de excitación que incluyen una frecuencia fundamental, un primer armónico y una señal compuesta por la suma algebraica de la fundamental y del primer armónico.

La figura 5 es una ilustración esquemática de una Realización de la presente invención que muestra la posición potencial de las secciones piezoeléctricas.

La figura 6 muestra un sistema de control para utilizar en conjunto con el instrumento quirúrgico ilustrado en la figura 1.

La figura 7 muestra un sistema de control para utilizar en conjunto con los instrumentos quirúrgicos ilustrados en la figura 2 y en la figura 3.

Descripción detallada de las realizaciones preferentes

La figura 1 es una vista lateral de una Realización de un instrumento quirúrgico ultrasónico de acuerdo con la presente invención. En la Realización de la invención que se ilustra en la figura 1, el instrumento quirúrgico ultrasónico 14 incluye una pila 10 conectada a una punta quirúrgica 40 por medio de una barra de transmisión 60. El cable 16 de señal lleva una señal eléctrica de excitación a la pila ultrasónica 10. La pila 10 está compuesta por un primer resonador 20 conectado a un primer lateral 52 de una sección piezoeléctrica 50 y un segundo resonador 30 conectado a un segundo lateral 54 de la sección piezoeléctrica 50. La barra de transmisión 60 acopla la salida del segundo resonador 30 a una punta quirúrgica 40, que puede incluir una hoja 44 u otro dispositivo para transmitir energía ultrasónica al tejido. Como se ilustra en la figura 1, la barra de transmisión 60 está conectada al segundo resonador 30 al asegurar la barra de transmisión 60 en el segundo resonador 30 utilizando, por ejemplo, un accesorio roscado. En la figura 1, la barra de transmisión 60 es más pequeña que el resonador 30, formando la junta escalonada 25. La punta quirúrgica 40 está conectada a la barra de transmisión 60 utilizando, por ejemplo un accesorio roscado que asegura la punta quirúrgica 40 en la barra de transmisión 60. Como la punta quirúrgica 40 es más pequeña que la barra de transmisión 60, se forma una junta escalonada 27 en la unión entre la barra de transmisión 60 y la punta quirúrgica 40. Las uniones escalonadas 25 y 27 actúan como transformadores de velocidad, aumentando la magnitud de la vibración transmitida a la punta quirúrgica 40.

El instrumento ultrasónico 14 puede incluir una envoltura exterior (no mostrada) adaptada para aislar al operador de las vibraciones en la pila 10. La pila 10 soporta y aloja la sección piezoeléctrica ultrasónica o montaje de transductor 50. En esta Realización, la sección piezoeléctrica 50 incluye una o más parejas de cristales piezoeléctricos opuestos. Las parejas de cristales piezoeléctricos están emparedadas entre sí entre una pareja de resonadores 20 y 30, opuestos y separados entre sí. La sección piezoeléctrica 50 vibra, como respuesta a la energía eléctrica de alta frecuencia suministrada a la misma desde un sistema de control como el que se ilustra en la figura 6. Cuando se encuentra en funcionamiento, la sección piezoeléctrica 50 produce vibraciones mecánicas de alta frecuencia que se trasmiten a la punta quirúrgica 40 en un patrón de ondas estacionarias. La sección piezoeléctrica 50 produce vibraciones ultrasónicas fundamentales en un intervalo de, por ejemplo, 10 kHz a 500 kHz, y preferiblemente, en un intervalo de aproximadamente 20 kHz a 80 kHz. Acoplado directa y centralmente a la sección piezoeléctrica 50 a través del segundo resonador 30, se encuentra un acoplamiento alargado de vibración o barra de transmisión 60. La barra de transmisión 60 también está acoplada a la punta quirúrgica u operativa 40. Se puede forma la barra de transmisión 60 de manera que tenga un conducto o pasaje de aspiración (no mostrado) que se extiende en la extensión del axial del mismo. El pasaje de aspiración interconectaría fluidamente en un extremo con un orificio central (no mostrado) que va desde la empuñadura a una bomba de aspiración (no mostrada). El funcionamiento de la bomba de aspiración haría que tejido corporal fragmentado y los fluidos presentes en el lugar quirúrgico fuesen aspirados a través de un orifico central de la punta quirúrgica 40 y del montaje de empuñadura, a un recipiente apropiado de recogida (no mostrado).

La figura 2 es una vista lateral de una segunda Realización de un instrumento quirúrgico ultrasónico 114 de acuerdo con la presente invención. El instrumento quirúrgico ultrasónico 114 incluye una pila 110 conectada a un punta quirúrgica 140 por medio de la barra de transmisión 160. El instrumento ultrasónico 114 puede incluir una envoltura exterior adaptada para aislar al operador de las vibraciones durante el funcionamiento. En la Realización de la figura 2, la pila 110 soporta y aloja las secciones piezoeléctricas ultrasónicas primera 150 y segunda 162 o montajes de transductores. En esta Realización, las secciones piezoeléctricas 150 y 162 pueden incluir una o más parejas de cristales piezoeléctricos opuestos. Las secciones piezoeléctricas 150 y 162 están separadas por una sección central 145 y se encuentran dispuestas entre resonadores 120 y 130 opuestos y separados entre sí. La sección central 145 puede comprender una región metálica sustancialmente sólida. Las secciones piezoeléctricas 150 y 162 son operativas como respuesta a la energía eléctrica de alta frecuencia suministrada a través de un cable 116 de señal desde un sistema de control, como el que se ilustra en la figura 7 bajo el control de un conmutador de pie o similar. Cuando se encuentra en funcionamiento, las secciones piezoeléctricas 150 y 162 producen vibraciones mecánicas de alta frecuencia que se trasmitan a la punta quirúrgica 140 en un patrón de ondas estacionarias. Las secciones piezoeléctricas 150 y 162 funcionan para producir vibraciones ultrasónicas fundamentales en un intervalo de, por ejemplo, 10 kHz a 500 kHz, y preferentemente, en un intervalo de aproximadamente 20 kHz a 80 kHz. Acoplado directa y centralmente a las secciones piezoeléctricas 150 y 162 a través del resonador 130 y la sección central 145, se encuentra un acoplamiento alargado de vibración o barra de transmisión 160. La barra de transmisión 160 está acoplada también a la punta quirúrgica u operativa 140. La Realización que se ilustra en la figura 2 puede incluir también un pasaje de aspiración, un conducto de aspiración y orificio de control en la barra de transmisión 160, pila 110 y punta quirúrgica 140, respectivamente.

En las Realizaciones de las figuras 1 y 2, las pilas piezoeléctricas 50, 150 y 160 comprenden una pluralidad de elementos piezoeléctricos. La señal eléctrica suministrada por el cable 16 y 116 de señal excita los elementos piezoeléctricos, haciendo que vibren y generen una onda acústica ultrasónica como se describe en la presente memoria. La señal suministrada por el cable 16 y 116 de señal puede ser, por ejemplo, una señal que tenga un voltaje rms de, aproximadamente, 500 voltios y un nivel de corriente de aproximadamente ½ amperio. Los elementos individuales de pila 50, 150 y 160 también pueden estar apilados conjuntamente de forma alternativa, de manera que la expansión de uno compense la contracción de su elemento pareja.

En un instrumento ultrasónico como los instrumentos ilustrados en las figuras 1 y 2, se transmite energía a la punta quirúrgica al establecer una onda estacionaria acústica en la pila. Para poder generar un onda estacionaria dentro de la pila, se diseña la pila para que tenga una longitud que sea múltiplo de \lambda_{o}/2, en el que \lambda_{o} es la longitud de onda de la frecuencia fundamental f_{o}. Cuando la pila se diseña para que tenga una longitud de \lambda_{o}/2, se puede inducir una onda estacionaria a la frecuencia fundamental o cualquier frecuencia armónica. Un cruce mínimo o de cero en la onda estacionaria se denomina, generalmente, como un nodo. Las posiciones físicas a lo largo de la longitud de la pila, barra de transmisión y punta quirúrgica, en donde la magnitud de la onda estacionaria es un mínimo, pueden denominarse puntos de nodo. Un máximo valor absoluto o pico en la onda estacionaria se denomina, generalmente, anti-nodo. Por lo tanto, las posiciones físicas a lo largo de la pila, barra de transmisión y punta quirúrgica en las que la magnitud de la onda estacionaria tenga un máximo de valor absoluto, pueden denominarse puntos de anti-nodo. Cada extremo de la pila, que está libre para poder vibrar, es un punto anti-nodo. Los anti-nodos se producen a intervalos de ½ longitud de onda a lo largo de la longitud de la pila. Para poder excitar eficazmente la pila y generar una onda estacionaria a una frecuencia de excitación deseada, los medios de excitación, por ejemplo los elementos piezoeléctricos, están situados generalmente en uno o más puntos de nodo. En cualquier onda estacionaria, un nodo siempre está situado a \lambda/4 de un anti-nodo. Por lo tanto, puesto que es deseable situar la sección piezoeléctrica en un nodo de amplitud, en una pila que opera a una frecuencia preseleccionada f_{x} con una longitud de onda asociada \lambda_{x}, que es un armónico de la frecuencia fundamental f_{o} de la pila, la región piezoeléctrica puede situarse a una distancia de, aproximadamente, \lambda_{o}/4 desde cualquier extremo de la pila.

En el caso en que se excite la pila a la frecuencia fundamental, o a cualquier múltiplo de número entero impar de la frecuencia fundamental, la onda estacionaria generada en la pila tendrá un nodo a una distancia de \lambda_{o}/4 desde cualquier extremo de la pila y a intervalos de \lambda_{o}/2 más allá de ese punto. Por lo tanto, si la frecuencia de excitación deseada es la frecuencia fundamental o un múltiplo impar de la fundamental, la región piezoeléctrica puede estar situada a una distancia de \lambda_{o}/4 desde cualquiera extremo de la pila, en donde A es un número entero impar. La situación de la sección piezoeléctrica a una distancia de \lambda_{o}/4, donde A es un número entero impar, desde cualquier extremo de la pila, tiene la ventaja de permitir que el operador active selectivamente la región piezoeléctrica a la frecuencia fundamental del instrumento o a cualquier múltiplo impar de la frecuencia fundamental. Alternativamente, se puede diseñar la pila de manera que funcione a una frecuencia específica o a una frecuencia armónica distinta de un múltiplo entero impar de la frecuencia fundamental. En ese caso, la sección piezoeléctrica puede estar situada en cualquier nodo de la onda estacionaria generada por la señal de excitación. Puesto que los nodos siempre se sitúen a una distancia de \lambda_{o}/4, donde A es cualquier número entero impar y \lambda_{e} es la frecuencia de excitación, la sección piezoeléctrica se puede situar a \lambda_{o}/4 desde cualquier extremo de la pila. Por lo tanto, si la frecuencia de excitación f_{e} es X veces la frecuencia fundamental, los nodos de la onda estacionaria estarán situados en \lambda_{o}/_{4x}.

En una pila que tenga una longitud de \lambda/2, una onda estacionaria de una longitud de onda de \lambda tendrá un nodo de amplitud a una distancia de, aproximadamente \lambda/4, desde el extremo de la pila. Ya que es generalmente ventajoso situar la sección piezoeléctrica en un punto en el que la amplitud de la onda estacionaria sea mínima, la sección piezoeléctrica en una pila que tenga una longitud de \lambda_{/2}se situaría normalmente en el centro de la pila, a una distancia de aproximadamente \lambda/4 desde cualquier extremo de la pila. En una pila que sea más larga que \lambda/2, la pila puede ser un múltiplo de número entero impar de \lambda/2 (es decir \lambda, 3\lambda/2, 5\lambda/2, 7\lambda/2 ... A\lambda/2).

En la figura 1, \lambda representa la longitud de onda de la frecuencia fundamental f_{o}. Como se ilustra en la figura 1, el centro de la sección piezoeléctrica 50 está a, aproximadamente, un cuarto de longitud de onda (\lambda_{o}/4) del primer extremo 12 del resonador cónico 20. Adicionalmente, la unión escalonada 25 está a, aproximadamente, un cuarto de longitud de onda (\lambda_{o}/4) del centro de la sección piezoeléctrica 50. En una pila convencional, los resonadores tienen un diámetro que es sustancialmente igual al diámetro de los elementos piezoeléctricos. La longitud física de los resonadores en una pila será una función de un número de variables, incluyendo el grosor de la sección piezoeléctrica, la masa del material utilizado en los resonadores y la frecuencia fundamental de la pila. Sin embargo, se elige la longitud de los resonadores de manera que la pila de la figura 1 tenga una longitud de aproximadamente media longitud de onda (\lambda/2).

En la Realización que se ilustra en la figura 1, la señal eléctrica proporcionada por el cable 16 de señal comprende, al menos, señales primera y segunda de excitación. La frecuencia f_{1} de la primera señal de excitación es un múltiplo de número entero impar de la frecuencia fundamental f_{o} (por ejemplo, f_{o}, 3f_{o}, 5f_{o}, 7f_{o}...). La frecuencia f_{2} de la segunda señal de excitación también es un múltiplo de un número entero impar de la frecuencia fundamental f_{o}, en la que f_{2}no es igual a f_{1}. Por lo tanto, la región piezoeléctrica está siendo excitado a f_{1} y f_{2} y está generando ondas estacionaria acústicas en la pila 10 a f_{1}y f_{2}. Como resultado, la energía acústica transmitida por la punta quirúrgica 40 al tejido circundante tiene un componente a f_{1} y un segundo componente a f_{2}. En la Realización de la figura 1, el suministro de energía que se ilustra en la figura 6 está diseñado para generar señales eléctricas de excitación a ambas f_{1}y f_{2}, de manera que la energía acústica transmitida a f_{1} sea sustancialmente igual o mayor que la energía transmitida a f_{2}. Alternativamente, la energía transmitida a f_{1} está dentro del 75% de la energía transmitida a f_{2}. Alternativamente, la energía transmitida a f_{1} puede ser ajustada con respecto a la energía transmitida a f_{2}. Se puede dimensionar apropiadamente el tamaño de los elementos descritos e ilustrados en la figura 1 para aplicaciones determinadas, multiplicando la dimensión indicada anteriormente por cualquier número entero.

En la figura 2, la pila 110 tiene una longitud de aproximadamente \lambda_{o}, en donde \lambda_{o} representa la longitud de onda de la frecuencia fundamental f_{o}. En la figura 2, las secciones piezoeléctricas 150 y 162 están situadas en puntos de nodo. Como se ilustra en la figura 2, el centro de la sección piezoeléctrica 150 es de, aproximadamente, un cuarto de longitud de onda (\lambda_{o}/4) desde el extremo 112 del resonador 120. Además, la unión escalonada 125 es de, aproximadamente, un cuarto de longitud de onda (\lambda_{o}/4) desde el centro de la sección piezoeléctrica 11162. Las secciones piezoeléctricas 150 y 160 se encuentran separadas en aproximadamente media longitud de onda (\lambda/2). La longitud física de los resonadores 150 y 162 y la sección central 145 en una pila serán una función de un número de variables, incluyendo el grosor de la sección piezoeléctrica, la masa del material utilizado en los resonadores y la frecuencia fundamental de la pila en la punta. Sin embargo, se elige la longitud de la sección central y de los resonadores de manera que la pila en la figura 2 tenga una longitud de aproximadamente media longitud de onda (\lambda_{o}).

En la Realización que se ilustra en la figura 2, la señal eléctrica proporcionada por el cable 116 de señal comprende, al menos, señales primera y segunda de excitación eléctrica. La frecuencia f_{1} de la primera señal de excitación es un múltiplo de un número entero impar de la frecuencia fundamental f_{o} (por ejemplo, f_{o}, 3f_{o}, 5f_{o}, 7f_{o}...). La frecuencia de la segunda señal de excitación también es un múltiplo de un número entero impar de la frecuencia fundamental f_{o}, en donde f_{1} no es igual a f_{2}. En la Realización que se ilustra en la figura 2, la señal de excitación f_{1} excita los elementos piezoeléctricos en la segunda sección piezoeléctrica 162. En la Realización que se ilustra en la figura 2, el suministro de energía ilustrado en la figura 7 está diseñado para generar señales de excitación a ambas f_{1} y f_{2}, de manera que la energía acústica transmitida a f_{1}sea sustancialmente igual a la energía transmitida a f_{2}. Alternativamente, la energía transmitida a f_{1} está dentro del 75% de la energía transmitida a f_{2}. Alternativamente, la energía transmitida a f_{1} puede ser ajustada con respecto a la energía transmitida a f_{2}.

En la Realización que se ilustra en la figura 2, las secciones piezoeléctricas primera 150 y segunda 162 están situadas a aproximadamente \lambda_{o}/4 del primer extremo 112 y de la unión escalonada 125 respectivamente. Alternativamente, como se ha descrito en la presente memoria, las secciones piezoeléctricas 150 y 162 pueden estar situadas en cualquier punto de nodo de la frecuencia fundamental. Al seleccionar un punto de nodo de la frecuencia fundamental, se establecerá una onda estacionaria cuando se excite la sección piezoeléctrica a cualquier múltiplo de número entero impar de la frecuencia fundamental. Por lo tanto, se puede utilizar una sola pila para activar la punta quirúrgica a uno o más de dichos múltiplos de número entero impar de la frecuencia fundamental. Sin embargo, si la punta quirúrgica tiene que activarse a un armónico que no es un múltiplo de número entero impar de la fundamental, la posición de la región piezoeléctrico deberá ser elegida de acuerdo con la posición de los nodos de la onda estacionaria de la frecuencia elegida, como se ha descrito en la presente memoria. Por lo tanto, en una Realización de una pila en la que se elige la posición de la sección piezoeléctrica de manera que coincida con un punto de nodo a la frecuencia de excitación, se puede situar la sección piezoeléctrica a una distancia de A \lambda_{e}/4 desde cualquier extremo de la pila, en donde A es cualquier número entero impar y \lambda_{e} es la longitud de onda de la frecuencia de excitaciónf_{e}. En el caso de que se apliquen señales de excitación múltiples a secciones piezoeléctricas separadas, cada sección piezoeléctrica individual puede estar situada a una distancia de A\lambda_{o}/4 desde cualquier extremo de la pila, en la que A es un número entero impar y \lambda_{e} es la longitud de onda de la frecuencia de excitación f_{e} desde esa sección piezoeléctrica determinada. Se pueden dimensionar los elementos descritos anteriormente y que se ilustran en la figura 2 para aplicaciones particulares al multiplicar las dimensiones indicadas anteriormente por cualquier número entero.

La figura 3 es una vista lateral de una Realización adicional de la presente invención en la que las secciones piezoeléctricas están situada a una distancia de aproximadamente \lambda_{o}/8 y \lambda_{o}/4 desde el extremo próximo de la pila. El instrumento que se ilustra en la figura 3 es sustancialmente idéntico al instrumento que se ilustra en la figura 2 y la discusión de los elementos de la figura 2 se aplica a los elementos similares de la figura 3. En la Realización ilustrada en la figura 3, la señal eléctrica proporcionada por el cable 316 de señal comprende, al menos, señales de excitación eléctricas primera y segunda. La frecuencia f_{1} de la primera señal de excitación es un múltiplo de número entero par de la frecuencia fundamental f_{o} (por ejemplo, f_{o}, 2f_{o}, 4f_{o}, 6f_{o}...). La frecuencia de la segunda señal de excitación es un múltiplo de número entero impar de la frecuencia fundamental f_{o}, en la que f_{1} no es igual a f_{2}. En la Realización que se ilustra en la figura 3, la señal de excitación f_{1} excita los elementos piezoeléctricos en la primera sección piezoeléctrica 350 mientras la señal de excitación f_{2}excita los elementos piezoeléctricos en la segunda sección piezoeléctrica 362. En la Realización que se ilustra en la figura 3, el suministro de energía ilustrado en la figura 7 se diseña de manera que genere señales de excitación eléctricas a ambas f_{1}y f_{2}, de manera que la energía acústica transmitida a f_{1} sea sustancialmente igual a la energía transmitida a f_{2}. Alternativamente, la energía transmitida a f_{1} está dentro del 75% de la energía transmitida a f_{2}. Alternativamente, la energía transmitida a f_{1} puede ser ajustada con respecto a la energía transmitida a f_{2}.

En la Realización que se ilustra en la figura 3, la primera sección piezoeléctrica 150 está situada a aproximadamente \lambda_{o}/8 desde el primer extremo 112 mientras que la segunda sección piezoeléctrica 162 está situada a una distancia de aproximadamente \lambda_{o}/4 desde el primer extremo 112. Sin embargo, si la punta quirúrgica se tiene que activar a un armónico que no sea un múltiplo de número entero impar de la fundamental, la posición de la región piezoeléctrica se debe elegir de acuerdo con la posición de los nodos de la onda estacionaria de la frecuencia elegida, como se ha descrito en la presente memoria. Por lo tanto, en una Realización de una pila en la que se elige la posición de la sección piezoeléctrica de manera que coincida con un punto de nodo a la frecuencia de excitación, se puede situar la sección piezoeléctrica a una distancia de A\lambda_{o}/8 desde cualquier extremo de la pila, en donde A es cualquier número entero impar y \lambda_{e} es la longitud de onda de la frecuencia de excitaciónf_{e} para esa sección piezoeléctrica. En el caso de que se apliquen señales de excitación múltiples a secciones piezoeléctricas separadas, la segunda sección piezoeléctrica puede estar situada a una distancia de A\lambda_{o}/4 desde cualquier extremo de la pila, en donde A es un número entero impar y \lambda_{e} es la longitud de onda de la frecuencia de excitación f_{e} para esa sección piezoeléctrica determinada. Se puede dimensionar el tamaño de los elementos descritos anteriormente e ilustrados en la figura 3 para aplicaciones particulares al multiplicar las dimensiones indicadas anteriormente por cualquier número entero.

La figura 4 ilustra una serie de formas de onda. La figura 4(a) ilustra una primera forma de onda de excitación senoidal que puede tener una frecuencia de, por ejemplo, 25 kHz. La figura 4(b) ilustra una segunda forma de onda senoidal que puede tener una frecuencia de, por ejemplo, 50 kHz. Las señales senoidales que se ilustra en las figuras 4(a) y 4(b) son aproximadamente iguales en magnitud. La figura 4(c) ilustra una forma de onda que representa la suma algebraica de las señales de excitación de las figuras 4(a) y 4(b). Por lo tanto, al activar los elementos piezoeléctricos en una región 50 de la figura 1 a la frecuencia fundamental, por ejemplo, la forma de onda de excitación senoidal ilustrada en la figura 4(a), y un armónico segundo o más alto de la frecuencia fundamental, por ejemplo, la forma de onda de excitación senoidal ilustrada en la figura 4(b), se excita la punta quirúrgica a ambas frecuencias.

La figura 5 ilustra la manera en que se puede seleccionar posición de la sección piezoeléctrica para una frecuencia determinada \lambda_{x}. En la figura 5, las regiones piezoeléctricas pueden estar situadas a \lambda_{x}/4, 3\lambda_{x}/4 etc., que se corresponden a puntos de nodo de la onda estacionaria generada a f_{x}.

La figura 6 ilustra un sistema de control para utilizarse con los instrumentos ilustrados en la figura 1. En la figura 6, la pila 610 incluye un conjunto de elementos activos (612) acoplados eléctricamente al circuito 609 de acoplamiento de impedancias. El amplificador 608 de energía recibe una señal del sumador 607, y emite una señal amplificada de accionamiento al circuito 609 de acoplamiento. El sumador 607 añade las señales f_{1} desde el primer oscilador 605 y f_{2} desde el segundo oscilador 606. El lazo de retroalimentación 611 proporciona una entrada al primer circuito 601 de control de amplitud y al segundo circuito 603 de control de amplitud y, adicionalmente, al primer circuito 602 de control de frecuencia y al segundo circuito 604 de control de frecuencia, que activan el primer oscilador 605 y el segundo oscilador 606, respectivamente.

La figura 7 ilustra un circuito de control para utilizarse con los instrumentos ilustrados en las figuras 2 y 3. En la figura 6, la pila 710 incluye 2 conjuntos de elementos activos 713 y 714, acoplados eléctricamente a circuitos de acoplamiento de impedancias separados 709 y 712. Los amplificadores de energía 707 y 708 reciben señales de los osciladores 705 y 706 respectivamente, y señales de activación de salida amplificadas a los circuitos de acoplamiento 712 y 709 respectivamente. El oscilador 705 proporciona la señal f_{1} al amplificador 707. El oscilador 706 proporciona la señal f_{2} al amplificador 708. El lazo de retroalimentación 711 proporciona la entrada al circuito de control de amplitud 701 y al control de frecuencia (702) que activan el oscilador 705. El lazo de retroalimentación 715 proporciona la entrada al circuito de control de amplitud 703 y al circuito de control de frecuencia 704 que activa el oscilador 706.

Los expertos en la técnica reconocerán que muchas fuentes de excitación, por ejemplo, generadores, no producen formas de onda senoidales limpias, tales como las formas de onda que se ilustran en la figura 4. En el caso en que la señal de activación no sea una forma de onda senoidal limpia, la señal de excitación incluirá ambas frecuencia fundamental y una o más frecuencias armónicas. En tales señales, los elementos armónicos tienen una magnitud sustancialmente más baja que la fundamental (por ejemplo, normalmente menor del 25% de la energía de la fundamental), haciendo que cualquier desplazamiento de la punta a un armónico sea relativamente pequeño en comparación con el desplazamiento de la punta que resulta de la excitación fundamental. Al activar deliberadamente los armónicos de la señal de excitación a un nivel de señal que sea el 50%, o más, del nivel de señal de la frecuencia fundamental, y preferentemente igual a la misma, se aumentará sustancialmente la magnitud del desplazamiento de punta a las frecuencias armónicas, mejorando sustancialmente ciertas cualidades del instrumento. Por ejemplo, en el caso en que se utilice el instrumento como una cuchilla, cuando se activa a la frecuencia fundamental, se pueden mejorar las propiedades hemostáticas del instrumento al aumentar la magnitud de la señal de excitación al primer o al segundo armónico de la frecuencia fundamental.

Aunque se haya ilustrado y descrito la presente invención con referencia a un instrumento quirúrgico ultrasónico que dispone de una barra de transmisión y de una punta quirúrgica de diseccionar o de cortar, será aparente a los expertos en la técnica que la presente invención puede tomar la forma de cualquier número de otros instrumentos quirúrgicos ultrasónicos. La presente invención puede, por ejemplo, ser unas tijeras quirúrgicas ultrasónicas o un trocar ultrasónico. Adicionalmente, la presente invención puede ser una herramienta ultrasónica de cauterización. Por lo tanto, el instrumento quirúrgico descrito en la presente memoria puede representar un número de herramientas quirúrgicas ultrasónicas, incluyendo aquellas que se describen en la presente memoria.

Aunque se haya mostrado y descrito en la presente las Realizaciones preferentes de la presente invención, será obvio a los expertos en la técnica que se proporcionan tales Realizaciones únicamente a título de ejemplo. Se les ocurrirá a los expertos en la técnica numerosas variaciones, cambio y sustituciones dentro del alcance de las Reivindicaciones anexadas.

Claims

1. Un instrumento quirúrgico ultrasónico (14) que comprende:

una primera de una o dos secciones piezoeléctricas (50) entre un primer (20) y un segundo (30) resonador; y una fuente de energía unida a la citada sección piezoeléctrica; en el que:

la citada fuente de energía suministra simultáneamente una señal de excitación a la citada sección piezoeléctrica, que comprende al menos una primera señal a una primera frecuencia y una segunda señal a una segunda frecuencia, de manera que los resonadores resuenen a las dos frecuencias de excitación; y

las citadas señales primera y segunda están suministradas a potencias de entrada primera y segunda, respectivamente;

que se caracteriza por que:

la segunda frecuencia es un múltiplo de número entero de la citada primera frecuencia; y

la energía de entrada de la citada segunda señal es mayor que, o igual, al 50% de la energía de entrada de la citada primera señal, de manera que las energías de entrada de las dos señales de excitación permitan que el instrumento proporcione un efecto combinado de corte y de coagulación.

2. Un instrumento ultrasónico de acuerdo con la Reivindicación 1, en el que la citada segunda frecuencia es aproximadamente dos veces la citada primera frecuencia.

3. Un instrumento ultrasónico de acuerdo con la Reivindicación 1 o la Reivindicación 2, en el que la relación de las energías de entrada no es mayor que 2:1.