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超声骨刀在医学领域的应用
1、超声波
1.超声波定义和特性
定义：f＜16 Hz 称：次声波
16 Hz≤f≤20 kHz 称：可听声波
f＞20 kHz 称：超声波
特性：（1）方向性好——用于探测、诊断。
（2）能量大——用于清洗、灭菌、手术。
超声波属于机械波，其具有机械波的基本参数（周期，波长，幅值等）和机械波的传播特性。
2.超声波生物效应
超声波是一种依靠介质来传播的声波，它具有机械能。
因此传播过程中将不可避免地与介质相互作用，产生各种效应。
（1）机械效应
声波能量作用于介质，会引起质点高速细微的振动，产生速度、加速度、声压、声强等力学量的变化，从而引起机械效应。
利用：引起细胞的摩擦，能促进新陈代谢。
注意：必须控制适当的强度。
（2）温热效应
由于生物组织对超声有吸收作用，一部分声能转化为热能，使生物组织产生温升。
利用：①能使局部血管扩张，加快血液循环，促进病理产物的吸收消散。
②局部加热至42oC，配合放射治疗癌症。
注意：强度适当。
（3）空化效应
因超声波作用而在软组织和液体中形成的空泡，会随着材料各处压力的变化而改变其大小，在一定超声压力情况下，气泡会破裂而产生冲击，引起材料的破碎或位移，这就是空化效应。
空化有很大的破坏作用。
利用：可制成超声手术刀。
（4）化学效应
因局部压力和温度的升高，发生常温常压下不可能发生的化学反应，这是超声的化学效应。
2、超声骨刀设备原理
超声骨刀手术系统是指使用压电超声频率微振荡刀进行切骨术与骨整形手术的一种创新性的骨外科手术设备，具有软硬组织识别功能，同时采用冷切割模式，可确保手术过程中最大的精确性与安全性。
虽然超声设备的功能和结构有所不同，但其基本的组成是相同的。
超声骨刀作为手持式超声设备中的一种，其声学系统主要包括
超声波发生器、超声换能器、变幅杆和刀头。
换能器变幅杆刀头
超声骨刀结构组成
1、超声波发生器
又称超声电源，其作用是将交流电转换为超声频电信号，为系统振动和材料去除加工提供能量，由于振动系统受到多种因素的影响，超声振动系统共振频率发生变化时，通过声反馈或电信号反馈追踪系统共振频率，并改变超声波发生器的驱动频率，使得振动系统始终处于谐振状态。
2、超声换能器
超声波换能器为能量转换装置，将电能转换为机械能。
目前主要采用两种类型：一种是磁致伸缩换能器，利用电磁感应原理将高频电信号转化为高频机械振动；另一种是压电换能器，利用压电材料在电场作用下产生形变的特殊性质，即逆压电效应得到高频机械振动。
常见的夹心式压电换能器结构如下图所示。
前盖板绝缘管电极片压电陶瓷螺杆后盖板
夹心式压电换能器结构示意图[
3、超声变幅杆
连接换能器和刀头，通过变幅杆的聚能作用将换能器输出端几个微米的振幅放大，使得刀头的振幅达到几十甚至上百微米，满足实际应用的要求。
单一形式的变幅杆有圆锥型、阶梯型、指数型以及悬链线型如图所示。
单一形状的变幅杆（a ）阶梯形（b ）高斯形（c ）悬链形（d ）贝塞尔（e ）柱形4、超声骨刀刀头
连接变幅杆是振动系统的输出端，刀头的形状、尺寸和质量等因素都会对变幅杆的性能产生一定的影响。
MECTRON 超声骨刀刀头（a ）骨切割刀头 （b ）牙种植备孔刀头
3、超声骨刀在医学领域的应用
1、超声骨刀的技术特点
（1）选择性组织切割
骨组织声阻抗高，软组织声阻抗低。
超声骨刀工作频率低于29 kHz，对声阻抗高的骨组织及钙化、矿化硬组织可直接产生力学破
坏作用，但不适宜切割软组织，加之设备机身内置高灵敏度的压力传感器，可大大加强组织识别功能。
由于具备这种功能，便可最大程度避免损伤黏膜和血管神经等软组织，即使刀头接触软组织也不会对其造成损伤，从而降低了操作风险和难度。
（2）冷切割模式
高聚焦超声技术在切割时，产生的热量极少。
再加上适量的冷却水在刀头和术区准确地形成水雾，保证创口温度在38 ℃以下，水雾冲洗创口使手术进行中创口清晰无出血，术区视野良好，便于操作。
创面和切口无温升，保证了移植骨的细胞活性。
（3）微米级切割
超声骨刀的切割动力源自微振荡，仅在刀头尖端有肉眼看不到的微幅度振动，手术可控性提高。
最小手术切口3.5 mm 长，0.5 mm 宽，而且操作握持仅需很小的力度，切割时无震动。
（4）切割不受限制
该设备带有多种用途、多种形状、角度和弯度的手术刀头，适合于各种解剖条件下的手术部位需要。
可进行复杂切割和在狭窄、
难到达的角度术区直接施术。
2、口腔外科手术中常用的超声骨刀实例
（1）设备组成
该超声骨刀的工作频率为24~29 kHz，刀头的摆动幅度水平方向为60~200 μm，垂直方向为20~60 μm，是肉眼无法观察出变化的微幅振动，而且刀头与骨组织接触面积均匀，精确稳定，可同时快速地把磨削下来的骨组织和骨粉带离手。
设备如下图所示
设备工作柄
由于口腔的空间及机构的特殊性，相比其他类型的超声骨刀，手
刀头设计时应充分考虑弯曲对整个振动系统的影响。
整个工作柄部分相当于一个振动系统，应充分考虑其质量m、刚度k、阻尼。
