相關申請的交叉引用

本申請要求2014年10月14日提交的申請號為14/513,459的美國申請的優先權。該美國申請的全部內容以引用的方式并入本文。

本發明涉及眼科超聲波機頭，該機頭包括被剖開組織的抽吸裝置。更具體地，本發明涉及抽吸式超聲波機頭，用以從眼睛的后房移除玻璃體。

背景技術：

本節內容提供與本發明相關的背景信息，不一定是現有技術。

在2013年9月6日提交的、名稱為“用于移除玻璃體和其他組織的振動式外科手術裝置”(vibratingsurgicaldeviceforremovalofvitreousandothertissue)、公開為us2014/0074013的美國專利申請14/020,386中，在先描述過用于移除玻璃體的超聲波裝置；上述申請的全部內容以引用的方式并入本文。在先的專利申請公開了如下裝置：該裝置具有超聲波驅動的針頭，針頭的遠端具有端口，端口比針頭的腔體小。當經由端口建立組織的雙向流動而不在遠端產生外部氣穴時，玻璃體橫過端口被破壞或者液化。

已經確認所要振動的針頭的其他構造細節，以確保裝置的高效操作并避免某些低效率構造和操作參數。

附圖說明

本文描述的附圖只是出于解釋的目的，用以解釋所選擇的實施例，而不是所有可能的實施方案，而且這些附圖不意圖限制本發明的范圍。

圖1是根據示例性實施例的針頭的正視圖；

圖2是沿圖1中的線2-2截取的剖視圖；

圖3是另一個示例性實施例的剖視圖；

圖4是另一個示例性實施例的局部剖視圖；以及

圖5是針頭中的模擬位移流動的曲線圖。

在附圖的多個視圖中，對應的附圖標記指示對應的部分。

具體實施方式

現在將參考附圖來更全面地描述示例性實施例。

在后續的發展成果中，已經發現一些針頭長度似乎比其他針頭長度工作得更好。在執行了數學模擬之后表明，在某些驅動頻率下，針頭腔體的水柱可以共振，從而在某種意義上減小了遠端針頭末梢處的水柱的表觀慣性阻抗，并且該表觀阻抗是由穿過針頭端口的雙向往復流動引起的。當水柱的總距離是驅動頻率(在水中)的波長λ的四分之一的偶數倍(例如1/2λ、λ、1.5λ等)時，發生這種表觀慣性阻抗的減小。相反地，發現當選擇驅動頻率以使水柱的總長度大約是四分之一波長的奇數倍(例如1/4λ、3/4λ、1.25λ等)時，避免了這種表觀阻抗減小的情況，并確保了期望的穿過針頭端口的雙向流動，而不在末端產生外部氣穴。

圖1和圖2示出套管長度與針頭腔體長度之間的區別。針頭10搭配超聲波機頭(未示出)使用，用以剖開并抽吸玻璃體組織。針頭10包括套管12，套管具有腔體14，腔體從端口16延伸至套管近端20，端口鄰近套管遠側末端18。端口16的橫截面積小于套管腔體14的橫截面積。轂22可以附接至套管近端20，如圖所示。轂22可以包括結構24，用以附接至未示出的超聲波機頭。盡管圖中所示的實施例中的轂附接結構24是螺紋，但轂附接結構24可以是任何適當的附接結構，用以將來自機頭的超聲波振動充分地傳遞至針頭10。轂22包括腔體，大致在26處所示，該腔體貫穿轂22。轂腔體26與套管腔體14共軸并連通。轂22可以利用任何適當的手段(例如壓力配合、焊接、粘接等)附接至套管12。

套管腔體的長度28是從端口16至套管近端20量取的。此外，套管腔體長度大約是超聲波機頭的驅動頻率波長的四分之一的奇數倍，并且從套管遠側末端18至轂22的遠端32測得的套管長度30足夠長，以便從剖口處延伸跨過眼睛的后房段(未示出)。

下面將進一步描述套管腔體長度和驅動頻率的實例。套管長度30應該足夠長，以便穿過入口處對準裝置(未示出)并跨過眼睛的后房段，同時機頭不會對由于壓靠在眼睛外部而產生的眼內壓帶來任何擾亂峰值。在大多數情況下，套管長度30大約為31至33毫米(㎜)就足夠了。然而，一些眼睛和一些外科醫生可能喜歡38㎜或以上的更長的套管長度。應該注意到，由于套管12的外徑必須小，例如23、25或27號(ga.)，所以要在套管的剛度和它的長度之間進行權衡。套管的長度越長，剛度越小，從而與外徑和壁厚(套管12的外表面與限定腔體14的內表面之間的距離)相同但長度較短的套管相比具有更大的斷裂可能性。

對于圖2來說，用來避免上述表觀阻抗問題的期望水柱長度由套管腔體長度28限定，因為從套管近端20的過渡部是明顯比套管腔體14大得多的轂腔體26。兩倍于套管腔體直徑的轂腔體當然顯著地大于套管腔體，因為轂腔體中的平均速度是套管腔體中的平均速度的25％，但在轂腔體中的運動物質產生的動能只是套管腔體中能量的6.25％-這是巨大差距。直徑變化10％可能不顯著，因為此時轂腔體中的速度仍然是套管腔體中的速度的80％，并且轂區域中產生的動能仍然是套管中的動能的64％。在這兩種極端情況之間的情況下，例如，在轂腔體直徑是套管腔體直徑的1.5倍的情況下，速度將下降至少50％，并且能量下降80％。因此，水柱長度可被認為是沿套管的軸線從端口到如下位置點的距離：在該位置點處，路徑的直徑比端口位置處的初始套管直徑大大約50％。此較大的直徑必須具有足夠的長度，以使水柱中的能量減小，例如，經過從小腔體直徑到大腔體直徑的初始過渡點的多個轂腔體直徑的距離。因此，可以利用該定義來說明限定出本腔體的轂端部的半徑或錐度；水柱的終點位于如下距離處：該距離為漸縮部或轂上的一位置點開始的最大腔體直徑的大約1.5倍處，該位置點是從最小腔體直徑開始的過渡區開始延伸的位置。從一較小直徑到一較大直徑再返回到沿著套管的某一更小直徑處的短過渡區不會限定水柱的端部。在針頭不直的針頭構造中，水柱長度將會是沿內部流動路徑軸線從端口到該較大腔體直徑處的距離，所述較大腔體直徑典型地位于針頭轂處。

例如，圖3的實施例要求測量針頭34的期望水柱長度，使得針頭腔體形成為從套管端口16到轂38的近端36。針頭腔體由套管腔體14和轂38的腔體40構成。在本實施例中，針頭腔體的長度44是期望水柱長度，這是因為腔體40僅比套管腔體14稍大。在本實施例中，腔體40僅比套管腔體14大如下的量：該量用于實現與套管12壓力或摩擦連接。與上述套管腔體長度28類似地，針頭腔體的長度44大約是未示出的超聲波機頭的驅動頻率波長的四分之一的奇數倍。本實施例的套管長度30與圖2中相同，并且測量為從套管遠側末端18到轂38的遠端46。如圖2中的實施例那樣，套管長度30足夠長，以便從剖口處延伸跨過眼睛的后房段(未示出)。

在圖4中的另一個示例性實施例中，套管12用于附接至超聲波機頭50的遠端48(以局部剖視圖中示出)，從而套管腔體14與形成在超聲波機頭50中的抽吸路徑52連通。抽吸路徑52的橫截面積顯著地大于套管腔體的橫截面積。因此，期望水柱長度可被當作與套管腔體28相同。套管腔體14的長度28仍然大約是超聲波機頭50的驅動頻率波長的四分之一的奇數倍，并且套管長度30測量為從套管遠側末端18到超聲波機頭50的遠端54。套管長度30足夠長，以便從剖口處延伸跨過眼睛的后房段(未示出)。

下面將要描述的是，來自機頭的超聲波振動的驅動頻率決定所述期望水柱長度。如上所述，水柱長度可以是套管腔體長度28，或者它可以是一不同長度，這取決于所使用的針頭的規格(formfactor)。相反地，如果期望套管長度是已知的，并且針頭結構的規格細節是已知的，則能夠確定用于這種針頭的期望驅動頻率。

基于從針頭端口到如下位置測得的水柱的長度來選擇給定針頭的驅動頻率：在該位置，存在從套管腔體到直徑明顯大得多的抽吸路徑部分的過渡區。從小套管腔體到直徑明顯大得多的抽吸路徑部分的該過渡區使得所述直徑明顯大得多的抽吸路徑部分的任何殘余聲學效應最小化，并且通過將至所述直徑明顯大得多的抽吸路徑的過渡區呈現為進入無窮大空間的過渡區而從本質上簡化了期望套管或針頭腔體的計算。將要在下文中示出的是，通過避免使用如下頻率可以獲得可接受的水柱長度：相關的腔體長度是該頻率在水中的半波長的任意多倍。此外，通過選擇頻率獲得最優的水柱長度，使該水柱長度是該頻率在水中的四分之一波長的奇數倍。

根據公知的如下等式，波在介質中的頻率及波長與波在介質中的速度有關：

λ*f＝c(1)

其中，λ是波在介質中的波長，f是波在介質中的頻率，并且c是波在介質中的相速度。

對處于標準溫度和壓強下的水而言，已知聲波的相速度大約是每秒1500米(m/s)，等于每秒1,500,000毫米(mm/sec)。

因此，對給定的水柱長度而言，所要避免的頻率如下：

{m/2}*λ＝l(2)

其中，l是水柱長度(典型地比腔體的外部長度稍長)，m是任何正整數(1(半波長)、2(全波長)、3(1.5倍波長)…)。在大多數實施例中，水柱長度等于上述套管腔體長度28或針頭腔體長度44中的一者。然而，可以基于從套管腔體到明顯大得多的抽吸路徑部分的過渡區的位置來獲得更短或更長的水柱長度。

結合上述等式(1)和(2)來消去λ，由此給出如下等式：

favoid＝(c/l)*{m/2}(3)

使用等式(3)，令套管腔體長度l為38mm(允許將套管連接至機頭或轂的管長度為5至10mm)并且使用上述速度1,500,000mm/sec，結果(c/l)＝39474赫茲(hz)或大約40khz，得到的兩個favoid頻率大約是20khz(m＝1)和40khz(m＝2)。

使用相同的方法，可供使用的最優驅動頻率如下：

{(2n-1)/4}*λ＝l(4)

其中，l是水柱長度或者出于實際目的是上述套管腔體長度或針頭腔體長度，n是任意正整數(1、2、3…)。實際上，n典型地是小的正整數，例如1或2，以使套管長度足夠，并使套管足夠剛硬和耐用，以便經得住在手術使用而不斷裂。

結合上述等式(1)和(4)來消去λ，由此給出如下等式：

foptimal＝(c/l)*{(2n-1)/4}(5)

使用等式(5)，令套管或針頭腔體長度l為38mm，并且c大約是水中聲波的相速度(上述的1,500,000mm/sec)，結果(c/l)＝39474赫茲(hz)或大約40khz，由此兩個foptimal驅動頻率大約是10khz(n＝1，四分之一波長)和30khz(n＝2，波長的四分之三)。

可以重新整理等式(5)，以便表述期望套管或針頭腔體長度如下：

l＝(c/f)*{(2n-1)/4}(6)

其中，c仍然大約是水中聲波的相速度，l是針頭腔體長度，f是驅動頻率，并且n是正整數。

超聲波振動的針頭的水流模擬的曲線圖如下面的圖5所示。圖5清楚地示出在多種波長λ的情況下穿過針頭端口的雙向流動的水平。此外，應該注意的是，發明人相信，是沒有外部氣穴的穿過端口的雙向流動的建立允許有效地剖開玻璃體，而且不堵塞針頭，也不損傷脆弱的視網膜組織。

為了簡單起見，該模擬假設針頭或套管腔體的后方開口過渡到無限的空間中。實際上，針頭/套管腔體將會過渡到抽吸路徑的明顯大得多的腔體中，該腔體將會呈現它自身的聲學載荷。然而，因為較大腔體的橫截面積顯著地大于針頭腔體的橫截面積，所以使得殘余聲學效應最小化并可以將其忽略。

圖5是數學模擬曲線圖，圖中示出移動流體流量比率(沒有來自真空源的任何抽吸作用)，所述移動流體流量是由在從遠側末端18(q0)的內表面經由端口16(q2，實線)流出針頭的水中振動的針頭產生的，或者圖中示出的是遠離端口16沿著套管腔體移動(q1，虛線)的流量比率。也就是說，q0是在遠側末端18的內表面處的體積流動，q2是穿過端口16的流動，而q1是在套管腔體14中遠離端口16的流動。當流量比率值為1時，沿特定方向的體積流量等于來自遠側末端18的內表面的體積流量。當流量比率大于1時，由于諧振效應，從端口流出的流量理論上能夠超過末端流量。然而，當流量比率大于1、同時q0的幅值較高時，在腔體中部的節點處將會形成氣穴泡，從而防止了從端口流出的流量超過末端流量。因此，實際上，圖5中位于1上方的q1/q0和q2/q0曲線將會減小為1左右的值。可以看出，在半波長、全波長以及一又二分之一波長(0.5、1、1.5)的情況下，q2/q0較低。在驅動頻率波長的四分之一的奇數倍(0.25、0.75、1.25)的情況下，從端口16流出的流量(q2/q0)等于移動流量，并且沿柱的流量(q1/q0)最小化。盡管四分之一波長的奇數倍是最優點，但也可以看出，在驅動頻率波長的四分之一的奇數倍的大約八分之一(大約+/-0.125倍波長)的范圍內，端口流量效應最小，并且預期裝置性能穩定。

關于圖2、圖3和圖4中的實施例中的任意一者，套管12的外徑可以為23、25或27號中的一者，以便套管可以貫穿已知的入口處對準裝置(未示出)。取決于機頭和針頭構造，典型地是套管腔體長度28或針頭腔體長度44之一的水柱長度當驅動頻率大約是28khz時可以處于大約33mm和47mm之間。

出于示例和說明的目的提供了實施例的前述說明。它不意圖詳盡說明或限制本發明。即便沒有特地示出或描述，特定實施例的單個元件或特征通常不限制于該特定實施例，而在適當情況下是可互換的，并且能夠用于選定的實施例，即便沒有明確示出或描述。本發明也可以以多種方式變型。不應認為這些變型脫離了本發明，而是意圖將全部這些變型包括在本發明的范圍內。

通過提供示例性實施例，本文將會向本領域的技術人員徹底地、全面地傳達上述范圍。提出了許多特定細節，例如特定部件、裝置和方法的實例，以便徹底理解本發明的實施例。對本領域的技術人員而言，顯而易見的是，特定細節不一定被采用，示例性實施例可以許多不同的形式實施，并且所述特定細節和示例性實施例中任一者都不應被理解為限制本發明的范圍。在某些示例性實施例中，沒有詳細描述公知的方法、公知的裝置結構和公知的技術。

本文使用的術語僅是出于描述具體的示例性實施例的目的，而不意圖加以限制。如本文中使用的，沒有數量詞限制也可以包括復數形式，除非上下文明確地指示其他情況。術語“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是包括性的，因而指明了所指出的特征、整數、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在其他特征、整數、步驟、操作、元件、部件和/或由它們構成的組中的一個或多個或增加其他特征、整數、步驟、操作、元件、部件和/或由它們構成的組中的一個或多個。本文描述的方法步驟、過程和操作不應被理解為必須按以上論述或示例的特定順序來執行，除非特意確認為執行順序。還應該理解的是，可以采用附加的或可選的步驟。

當一元件或層被稱為位于另一元件或層“上”，“接合到”、“連接到”或“耦接到”另一元件或層時，它可能直接位于該另一元件或層上，直接接合到、連接到或耦接到該另一元件或層，或者可能存在介入元件或層。相反地，當一元件被稱為“直接”位于另一元件或層“上”，“直接接合到”、“直接連接到”或“直接耦接到”另一元件或層時，可能不存在介入元件或層。應該以類似的方式理解用于描述元件之間的關系的詞語(例如“之間”與“直接之間”、“相鄰”與“直接相鄰”等)。如本文中使用的，術語“和/或”包括一個或多個相關的列舉的項目中的任何和所有組合。

盡管本文可能使用術語第一、第二、第三等描述多個元件、部件、區域、層和/或區段，但這些元件、部件、區域、層和/或區段不應被這些術語限制。這些術語可以僅用于區分一個元件、部件、區域、層或段與另一個區域、層或區段。當本文中使用諸如第一、第二和其他數量型術語時，它們不意味著序列或順序，除非上下文明確地指明。因此，后文論述的第一元件、部件、區域、層或區段可以命名為第二元件、部件、區域、層或區段，而不脫離示例性實施例的教導。

本文可能使用諸如“內”、“外”、“底”、“下方”、“下”、“上方”、“上”等與空間有關的術語，以便描述如附圖所示的一個元件或特征與其他元件或特征的關系。除了附圖中指示的定向之外，與空間有關的術語可能意圖包括裝置在使用或操作中的不同定向。例如，如果將附圖中的裝置翻轉，則被描述為位于其他元件或特征“下面”或“下方”的元件或特征將因此會被定向為位于所述其他元件或特征“上方”。因此，示例性術語“下方”可以包括上方和下方這兩種定向。該裝置可以其它方式定向(旋轉90度或朝向其他方向)，并相應地解釋本文使用的與空間相關的術語。