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,已有取代高频电刀、机械夹钳等外科手术器械的趋势。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。深入研究超声外科手术技术和理论,开发新型超声手术刀系统,适应微创和单孔微创的手术要求,具有较高的社会价值和经济效益。因此,本文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.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,利用Hankel积分变换,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,预估疲劳损伤发生位置及损伤程度,为进一步优化超声手术刀结构,延长其使用寿命,提供参考依据。2.根据声子晶体理论,利用集中质量法和传递矩阵法分别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,通过调节刀杆几何结构控制刀杆振动模态,使55KHz的纵波振动处于声子晶体的通带,而弯曲振动处于声子晶体的阻带,即具有“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。3.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。并参照通用行业标准YYT0644-2008,对超声手术刀激励系统样机的技术指标和安规特性进行验证。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。