帶嵌入式壓電致動(dòng)器的微機(jī)械超聲外科手術(shù)刀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]各種實(shí)施例涉及超聲外科器械，并且更具體地涉及用于超聲外科手術(shù)刀的換能器和波導(dǎo)組件，以及具有超聲供電的端部執(zhí)行器的類(lèi)似器械。
【背景技術(shù)】
[0002]用于患者組織的解剖和/或凝結(jié)作用的超聲外科手術(shù)刀和類(lèi)似器械通常包括超聲換能器組件、波導(dǎo)組件和外科端部執(zhí)行器。超聲換能器組件大體包括被壓縮在一對(duì)端部質(zhì)量塊之間的壓電換能器元件，其中前端部質(zhì)量塊被配置為射聲器，以在壓電換能器元件與波導(dǎo)組件之間創(chuàng)建聲增益。在一個(gè)已知的示例中，端部質(zhì)量塊設(shè)置在軸的相對(duì)的兩端，并且壓電換能器元件包括沿著軸設(shè)置的多個(gè)環(huán)形壓電換能器圓盤(pán)，其中多個(gè)圓盤(pán)例如通過(guò)繃緊在軸與端部質(zhì)量塊中的至少一個(gè)之間的螺紋連接件而被壓縮。隨后，壓電換能器元件經(jīng)供電建立至少一個(gè)駐波或振動(dòng)模式(其可包括但不限于縱向振動(dòng)模式、側(cè)向振動(dòng)模式、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模式及其組合)，至少一個(gè)駐波或振動(dòng)模式通過(guò)軸和射聲器、通過(guò)波導(dǎo)組件傳播，并且進(jìn)入超聲供電的端部執(zhí)行器，用于應(yīng)用到患者組織。由此類(lèi)設(shè)備供電的示例性端部執(zhí)行器包括用于解剖患者組織的超聲振動(dòng)外科手術(shù)刀和用于接合和灼燒患者組織的超聲振動(dòng)夾持設(shè)備。
[0003]申請(qǐng)人-受讓人最近公開(kāi)了包括換能器元件的各種超聲外科器械，其中換能器元件附接于縱向伸長(zhǎng)的大體為平面的波導(dǎo)。參見(jiàn)均于2010年8月16日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)12/857，373和12/857，399，其全部?jī)?nèi)容以引用方式并入本文。此類(lèi)器械可在例如硅晶片上構(gòu)造，其中換能部分和諧振器部分代替前述的超聲換能器組件的軸和端部質(zhì)量塊。然而，在此類(lèi)設(shè)備中的換能器元件不可以被固定在類(lèi)似前述超聲換能器組件中的端部質(zhì)量塊的可調(diào)節(jié)端部質(zhì)量塊之間，并且不可以通過(guò)可調(diào)節(jié)端部質(zhì)量塊來(lái)壓縮。因此，申請(qǐng)人及其合作者繼續(xù)尋求并開(kāi)發(fā)用于這些新型并且基本上單一的換能器支撐的波導(dǎo)的改善構(gòu)造。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的第一方面為用于超聲外科器械的超聲芯。超聲芯包括縱向伸長(zhǎng)的大體為平面的波導(dǎo)以及換能器元件，該波導(dǎo)限定從波導(dǎo)的第一側(cè)朝向波導(dǎo)的中間平面延伸的孔，該換能器元件固定到該孔的相對(duì)壁。換能器元件的尺寸和形狀設(shè)定成與孔的尺寸和形狀基本相符，并且至少部分地嵌入在波導(dǎo)內(nèi)。在第一實(shí)施例中，孔為延伸到波導(dǎo)的相對(duì)的第二側(cè)的端部開(kāi)放的孔。在第二實(shí)施例中，孔為盲孔或端部封閉的孔。
[0005]本發(fā)明的第二方面為用于組裝前述實(shí)施例的超聲芯的方法。該方法包括以下步驟:(a)獲得限定具有第一長(zhǎng)度的孔的縱向伸長(zhǎng)的大體為平面的波導(dǎo)，和具有大于第一長(zhǎng)度的第二長(zhǎng)度的換能器元件，但在施加驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，換能器元件能夠可逆地收縮至小于第一長(zhǎng)度的第三長(zhǎng)度；(b)向換能器元件施加驅(qū)動(dòng)電流，并且將換能器元件插入孔內(nèi)；以及(C)將驅(qū)動(dòng)電流從換能器元件中去除，使得換能器元件在孔內(nèi)展開(kāi)。在使用或不使用中間膠層的情況下，所得的組件將換能器元件固定在孔內(nèi)。
[0006]本發(fā)明的第三方面為用于超聲外科器械的超聲芯。超聲芯包括縱向伸長(zhǎng)的大體為平面的波導(dǎo)；固定到波導(dǎo)的換能器元件，和夾持機(jī)構(gòu)；夾持機(jī)構(gòu)包括從波導(dǎo)的近側(cè)端部朝近側(cè)設(shè)置的基座、從基座朝遠(yuǎn)側(cè)突出并且經(jīng)配置以使在容納波導(dǎo)的通道上彼此互相相對(duì)的一對(duì)限制臂、和在該一對(duì)限制臂之間的從基座朝遠(yuǎn)側(cè)突出的夾持臂?；蛫A持臂彼此機(jī)械地接合，以允許夾持臂的遠(yuǎn)側(cè)端部被可調(diào)并且牢固地定位在通道內(nèi)，并且每個(gè)限制臂包括在定位在換能器元件遠(yuǎn)側(cè)的節(jié)點(diǎn)處接合波導(dǎo)的底座。夾持臂可接合波導(dǎo)的近側(cè)端部或固定到波導(dǎo)的近側(cè)端部的換能器元件的近側(cè)端部。
[0007]本發(fā)明的第四方面為用于超聲外科器械的超聲手持件。超聲手持件包括縱向伸長(zhǎng)的大體為平面的波導(dǎo)、固定到波導(dǎo)的換能器元件、至少?lài)@換能器元件的外殼、和在換能器元件近側(cè)固定到外殼的夾持機(jī)構(gòu)。夾持機(jī)構(gòu)在換能器節(jié)點(diǎn)處接合換能器元件，并且?jiàn)A持機(jī)構(gòu)和換能器元件都包括用于向換能器元件施加驅(qū)動(dòng)電流的互補(bǔ)電接觸部。
[0008]本發(fā)明的第五方面為任選地包括外科手術(shù)刀部分的超聲芯。超聲芯包括縱向伸長(zhǎng)的大體為平面的硅波導(dǎo)，所述硅波導(dǎo)具有大體為平面的換能部分和包括傾斜側(cè)表面的楔形射聲器部分，其中至少一個(gè)換能器元件固定到大體為平面的換能部分。超聲芯的特征在于，傾斜側(cè)表面沿著硅材料的{1，1，1}晶面取向。楔形射聲器部分可包括作為傾斜側(cè)表面一部分的一體的外科手術(shù)刀部分。
[0009]本發(fā)明的第六方面為用于超聲外科器械的硅波導(dǎo)的制造方法，其中波導(dǎo)的楔形遠(yuǎn)側(cè)部分包括沿著硅材料的{1，1，1}晶面取向的傾斜側(cè)表面。該方法包括以下有序步驟:(a)獲得硅晶片切割，以便具有以相對(duì)于晶片面的非零銳角設(shè)置的{1，1，1}晶面；(b)在晶片上生長(zhǎng)熱氧化物涂層；(c)將光致抗蝕劑涂層施加到晶片的一個(gè)面；(d)將所施加的光致抗蝕劑暴露到通過(guò)光掩模顯示的光下，光掩模承載圖案，該圖案表示波導(dǎo)的傾斜側(cè)表面；(e)在通過(guò)光致抗蝕劑涂層的光誘導(dǎo)破壞而暴露的熱氧化物涂層上執(zhí)行氧化物刻蝕并隨后去除殘留的光致抗蝕劑涂層；(f)在通過(guò)熱氧化物涂層的氧化物刻蝕而暴露的硅上執(zhí)行氫氧化物刻蝕，直到將硅去除到預(yù)定的最大深度；以及(g)將硅晶片切片，以創(chuàng)建縱向伸長(zhǎng)的大體為平面的波導(dǎo)，該波導(dǎo)至少具有包括傾斜側(cè)表面的楔形射聲器。在將硅晶片切片之前，可執(zhí)行另外的步驟，以創(chuàng)建具有楔形射聲器部分和一體的外科手術(shù)刀部分的縱向伸長(zhǎng)的大體為平面的波導(dǎo)，其中這兩部分均包括傾斜側(cè)表面。
[0010]從以下說(shuō)明、附圖和隨附權(quán)利要求中，所公開(kāi)的超聲芯、手持件和外科器械的其他方面將變得顯而易見(jiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為用于超聲芯的第一實(shí)施例的波導(dǎo)的平面圖。
[0012]圖2為圖1的波導(dǎo)的剖面圖。
[0013]圖3為包括配置為“朗之萬(wàn)疊層(Langevin stack) ”的換能器元件的超聲芯的第一實(shí)施例的平面圖。
[0014]圖4為圖3的超聲芯的剖面圖。
[0015]圖5為在圖3和圖4的設(shè)備的換能器元件與波導(dǎo)之間的界面的細(xì)部圖。
[0016]圖6為用于超聲芯的第二實(shí)施例的波導(dǎo)的平面圖。
[0017]圖7為圖6的波導(dǎo)的剖面圖。
[0018]圖8為超聲芯的第二實(shí)施例的第一示例的剖面圖。
[0019]圖9為超聲芯的第二實(shí)施例的第二示例的剖面圖。
[0020]圖10為用于組裝第一實(shí)施例和第二實(shí)施例的超聲芯的方法的圖示，其具體示出了第一實(shí)施例的示例性設(shè)備的組件。
[0021]圖11為超聲芯的第三實(shí)施例的第一示例的平面圖，超聲芯包括用于預(yù)約束換能器元件的夾持機(jī)構(gòu)。
[0022]圖12為超聲芯的第三實(shí)施例的第二示例的平面圖，超聲芯包括用于預(yù)約束換能器元件的夾持機(jī)構(gòu)。
[0023]圖13為超聲芯的第三實(shí)施例的第三示例的局部截面圖，超聲芯包括用于預(yù)約束換能器元件的夾持機(jī)構(gòu)。
[0024]圖14為超聲芯的第三實(shí)施例的第四示例的局部截面圖，超聲芯包括用于預(yù)約束換能器元件的夾持機(jī)構(gòu)。
[0025]圖15為超聲芯和手持件的第四實(shí)施例的第一示例的剖面圖。
[0026]圖16為超聲芯和手持件的第四實(shí)施例的第二示例的剖面圖。
[0027]圖17為超聲芯和外科手術(shù)刀的第五實(shí)施例的平面圖。
[0028]圖18為圖17的超聲芯和外科手術(shù)刀的剖面圖。
[0029]圖19A-D示出用于制備第五實(shí)施例的設(shè)備的波導(dǎo)的方法。除非另外指明，否則示例性圖示均為硅晶片的剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]在詳細(xì)說(shuō)明若干實(shí)施例之前，應(yīng)該指出的是，實(shí)施例和表達(dá)的應(yīng)用或使用并不局限于附圖和說(shuō)明書(shū)中示出的部件的詳細(xì)構(gòu)造和布置。例示性實(shí)施例和表達(dá)可以實(shí)施或結(jié)合到其他實(shí)施例、表達(dá)、變型和修改，并可以多種方式實(shí)施或執(zhí)行。此外，除非另外指明，否則本文所用的術(shù)語(yǔ)和表達(dá)均是為了方便向讀者描述本發(fā)明的例示性實(shí)施例的目的而選擇的，并不是為了限制本發(fā)明。
[0031]應(yīng)進(jìn)一步理解，下述實(shí)施例、表達(dá)、示例等的任何一個(gè)或多個(gè)均可與其他下述實(shí)施例、表達(dá)、示例等的任何一個(gè)或多個(gè)結(jié)合。此類(lèi)修改和變形旨在包括在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
[0032]圖1-5示出第一實(shí)施例。第一實(shí)施例為用于超聲外科器械的超聲芯100，并且超聲芯100包括縱向伸長(zhǎng)的大體為平面的波導(dǎo)110。波導(dǎo)材料優(yōu)選地為單晶材料或多晶材料，主要為硅，但也可使用鍺、金剛石或藍(lán)寶石。相反，在另選的構(gòu)造中，大體為平面的波導(dǎo)110可由玻璃、陶瓷、鈦、不銹鋼或鋁制造。盡管通常所示的波導(dǎo)僅具有單層，但應(yīng)該理解，波導(dǎo)可以為包括多個(gè)平面層的層合結(jié)構(gòu)。例如，對(duì)于硅波導(dǎo)110，相鄰層的相對(duì)側(cè)可通過(guò)已知的硅熔凝工藝粘結(jié)，以形成具有期望厚度的波導(dǎo)。進(jìn)一步舉例，對(duì)于鈦波導(dǎo)110，相鄰層的邊緣可通過(guò)已知的激光焊接技術(shù)粘結(jié)，以形成具有期望厚度的波導(dǎo)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，諸如層合的硅-玻璃-硅波導(dǎo)，可通過(guò)諸如陽(yáng)極鍵合的相關(guān)工藝粘結(jié)。為使本討論和隨附權(quán)利要求更清楚，術(shù)語(yǔ)“端部”應(yīng)理解為是指縱向邊界，或表示此類(lèi)邊界的表面；術(shù)語(yǔ)“邊緣”應(yīng)理解為是指在波導(dǎo)平面內(nèi)的方向上的側(cè)向邊界，或表示此類(lèi)邊界的表面；并且術(shù)語(yǔ)“側(cè)”應(yīng)理解為是指在垂直于波導(dǎo)平面的方向上的側(cè)向邊界，或表示此類(lèi)邊界的表面。
[0033]超聲芯100也包括換能器元件120。換能器元件優(yōu)選地由諸如鈦酸鋇的無(wú)鉛壓電材料，或由諸如鎳或“GALFENOL “ (由ETREMA Products, Inc.(Ames, 1wa)銷(xiāo)售的鎵-鐵合金)的磁致伸縮材料形成，使得超聲外科器械既可以足夠廉價(jià)作為單次使用設(shè)備又可以適用于作為與含鉛有害廢物相反的普通醫(yī)療廢物處理。也可使用包括陶瓷PZT材料和電致伸縮材料以及單晶材料的其他換能材料。如圖4和圖5所示，換能器元件120可包括配置為“朗之萬(wàn)疊層”的多個(gè)離散換能子元件。然而，應(yīng)當(dāng)理解，換能器元件120可相反