專利名稱：超聲外科手術(shù)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲外科手術(shù)設(shè)備，并且具體涉及一種可以低驅(qū)動(dòng)電壓使用的超聲外科手術(shù)設(shè)備。
背景技術(shù)：
通常，有一種被稱作ESD (內(nèi)窺鏡粘膜下剝離術(shù)，Endoscopic SubmucosalDissection)的已經(jīng)可以應(yīng)用的治療方式，當(dāng)在胃或腸(例如，大腸或小腸)中發(fā)現(xiàn)息肉或早期腫瘤時(shí)，所述ESD通過使用對活體傷害最小的內(nèi)窺鏡來局部切除諸如息肉、早期胃部腫瘤、大腸腫瘤或小腸腫瘤之類的腫瘤組織。在這種ESD治療中，手術(shù)員對要被切除 的膜區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記，然后通過局部注射使得該病變膜區(qū)域膨脹。手術(shù)員然后通過使用高頻處置裝置(超聲處置裝置)沿著標(biāo)記的區(qū)域切除膜，并且切斷構(gòu)成粘膜層的纖維以使膜與肌肉層分離。專利文獻(xiàn)I (日本專利申請公開No. 61-279239)公開了一種超聲外科手術(shù)設(shè)備(作為這種超聲處置裝置)，一旦用喇叭增加超聲波的幅度時(shí)，該超聲外科手術(shù)設(shè)備就利用朗之萬換能器將超聲波發(fā)送至處置裝置。專利文獻(xiàn)2(日本專利申請公開No. 2002-186627)公開了一種超聲外科手術(shù)設(shè)備，其將由超聲換能器產(chǎn)生的超聲振動(dòng)發(fā)送至喇叭、將由該喇叭放大的超聲振動(dòng)發(fā)送至探針、然后將振動(dòng)發(fā)送至探針尖端上的固定刀片。非專利文獻(xiàn)I (Minoru Kurosawa 和 Takeshi Sasanuma 的“Enhancement ofVibration Speed of Micro Ultrasonic Scalpel using PZT Film”， The Institute ofElectronics, Technical Report of IEICE, US2009—109 (213) 31)公開了對超聲手術(shù)刀應(yīng)用由熱液合成形成的壓電膜的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
專利文獻(xiàn)I和2所公開的超聲處置裝置都使用通過堆疊塊狀壓電材料獲得的朗之萬換能器。這種布置導(dǎo)致了壓電膜尺寸的增加。這使得不可能將朗之萬換能器直接插入體內(nèi)。出于這個(gè)原因，在身體之外提供朗之萬換能器，并且將其設(shè)計(jì)為通過其尖端的喇叭將超聲波傳遞至病變區(qū)域，從而執(zhí)行處置。為了通過使用喇叭將振動(dòng)線性地傳遞至病變區(qū)域，處置裝置需要具有線性結(jié)構(gòu)。因而，在此裝置中還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。另外，使用根據(jù)非專利文獻(xiàn)I (Mi noru Kurosawa和Takeshi Sasanuma的“Enhancement of Vibration Speed of Micro Ultrasonic Scalpel using PZT Film，，,TheInstitute of Electronics, Technical Report of IEICE, US2009—109 (213) 31)由熱液合成形成的材料的壓電膜的裝置還沒有獲得令人滿意的性能。為了獲得7m/sec的振動(dòng)速度(這對于手術(shù)刀是足夠的性能)，需要將驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)置為40V或更高?？紤]到安全問題，需要設(shè)置在體內(nèi)驅(qū)動(dòng)操作的低驅(qū)動(dòng)電壓?？紤]到上述情況做出本發(fā)明，并且其目的在于提供一種緊湊且輕便的超聲外科手術(shù)設(shè)備，其能夠以低驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)，并且即使直接在體內(nèi)振動(dòng)時(shí)也能夠保證安全。
為了獲得本發(fā)明的上述目的，提供了一種超聲外科手術(shù)設(shè)備，其包括處置部分；驅(qū)動(dòng)部分，其通過共振對所述處置部分進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；操作部分主體，其對所述驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制；以及連接部分，其對所述處置部分和所述操作部分主體進(jìn)行連接，其中所述驅(qū)動(dòng)部分包括壓電膜并且形成在所述連接部分內(nèi)部的所述處置部分上，并且所述壓電膜具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，構(gòu)成該鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的晶體在(100)方向和(001)方向中的一個(gè)方向上以不少于60%的取向度取向。應(yīng)當(dāng)注意，諸如(100)或(001)這樣的表述是由密勒指數(shù)(Millerindex)表不的晶體的晶格平面。根據(jù)本發(fā)明，將壓電膜用作對處置部分進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)部分，并且形成壓電膜的晶體結(jié)構(gòu)在(100)方向或(001)方向上以80%或更大的取向度取向。由于可以通過增加取向度來改進(jìn)壓電常數(shù)d31 (pm/V)，所以可以以低驅(qū)動(dòng)電壓來驅(qū)動(dòng)處置部分。以低電壓驅(qū)動(dòng)處置部分允許將驅(qū)動(dòng)部分設(shè)置在插入活體內(nèi)的部分上。這可以增加對設(shè)備主體和處置部分進(jìn)行連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的自由度。在本發(fā)明中，所述壓電膜優(yōu)選地具有不大于O. 4的介電損失。根據(jù)本發(fā)明，將壓電膜的介電損失設(shè)置為O. 4或更小可以抑制發(fā)熱。這使得即使將驅(qū)動(dòng)部分設(shè)置在插入體內(nèi)的部分上也能夠安全地對設(shè)備進(jìn)行操作。在本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述壓電膜具有柱狀結(jié)構(gòu)，其晶粒不大于I μ m。根據(jù)本發(fā)明，將壓電膜形成為柱狀結(jié)構(gòu)可以使得振動(dòng)方向與垂直于柱的方向一致。這可以提高耐久性。另外，由于在一個(gè)方向上布置材料，因此與具有無規(guī)則結(jié)構(gòu)的壓電膜相比可以抑制發(fā)熱。注意“晶粒不大于I μ m”表示晶粒可以包括I μ m或更大的晶粒，只要I μ m或更小的晶粒占主導(dǎo)地位即可。I μ m或更小的晶粒優(yōu)選地占據(jù)全部晶粒的60%。在本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述壓電膜通過下電極形成在所述處置部分上，并且所述下電極和所述處置部分由不同的材料形成。根據(jù)本發(fā)明，壓電膜通過下電極連接至處置部分，并且針對下電極和處置部分使用不同的材料。提供下電極可以防止在壓電膜和處置部分之間形成氧化物膜。因此，可以防止驅(qū)動(dòng)電壓的增加。在本發(fā)明中，所述下電極優(yōu)選地包括貴金屬。根據(jù)本發(fā)明，使用貴金屬作為下電極可以防止氧化。這可以防止由于氧化所引起的電阻增加，并因而可以防止驅(qū)動(dòng)電壓的增加。在本發(fā)明中，所述壓電膜優(yōu)選地具有不大于10 μ m的厚度。根據(jù)本發(fā)明，壓電膜的厚度是ΙΟμπι或更小。壓電膜厚度的減小可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電壓的降低。
在本發(fā)明中，所述壓電膜優(yōu)選地包括鈣鈦礦型氧化物，其包括鋯鈦酸鉛(PZT)和鈉鈮酸鉀(KNN)中的一種。 本發(fā)明針對壓電膜限定了材料，并且通過使用上述材料允許形成具有良好壓電性能的膜。在本發(fā)明中，優(yōu)選地還包括在所述壓電膜上的上電極和覆蓋所述上電極或者覆蓋所述上電極和所述壓電膜的樹脂。根據(jù)本發(fā)明，覆蓋上電極可以防止在將上電極插入活體內(nèi)時(shí)發(fā)生電擊。另外，當(dāng)針對壓電膜使用鉛材料時(shí)，優(yōu)選地利用樹脂來覆蓋壓電膜。
在本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述壓電膜形成在所述處置部分的兩個(gè)表面上，并且通過向所述壓電膜施加15V的驅(qū)動(dòng)電壓所獲得的振動(dòng)速度不小于8m/s。根據(jù)本發(fā)明，在兩個(gè)表面上形成壓電膜可以形成以低驅(qū)動(dòng)電壓操作的外科手術(shù)設(shè)備，并且可以獲得具有令人滿意性能的8m/s的振動(dòng)速度。在本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述處置部分的寬度從在其上形成所述驅(qū)動(dòng)部分的部分向所述處置部分的尖端逐漸減小。根據(jù)本發(fā)明，由于處置部分的寬度從在其上形成驅(qū)動(dòng)部分的部分向處置部分的尖端逐漸減小，所以能夠增加處置部分的尖端的振動(dòng)速度。根據(jù)本發(fā)明的超聲外科手術(shù)設(shè)備，通過使用壓電膜形成驅(qū)動(dòng)部分，能夠?qū)崿F(xiàn)尺寸 和重量的減小。另外，由于可以以低驅(qū)動(dòng)電壓操作處置部分，所以即使將驅(qū)動(dòng)部分插入體內(nèi)并直接振動(dòng)時(shí)也能夠安全地使用處置部分。


圖I是示出了超聲外科手術(shù)設(shè)備的整體布置的示圖；圖2是濺射設(shè)備的示意截面圖；以及圖3是示出了取向度與壓電常數(shù)d31之間的關(guān)系的曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面將參考附圖對根據(jù)本發(fā)明的超聲外科手術(shù)設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明。[超聲外科手術(shù)設(shè)備的整體布置]圖I是示出了本發(fā)明的超聲外科手術(shù)設(shè)備10的整體布置的示圖。本發(fā)明的超聲外科手術(shù)設(shè)備10包括刀部分12，其用作諸如針狀刀或在ESD治療中用于外切口和膜分離的刀(在下文中也被稱作“解剖刀”)之類的超聲刀(手術(shù)刀)；以及操作單元主體14，其由手術(shù)員操作以將刀部分12用作超聲刀。超聲外科手術(shù)設(shè)備10還包括高頻發(fā)生器16，其對刀部分12施加高頻電壓。刀部分12包括刀片部分(處置部分)18、壓電元件20、固定部分22、具有彈性的外殼(連接部分)24、第一電極(地電位)26、第二電極28、樹脂密封部件30、以及軟線(flexible cord)46。壓電元件20包括下電極40、壓電膜42和上電極44。操作單元主體14包括用于操作刀片部分18的環(huán)32a、32b和32c以及作為高頻發(fā)生器16的連接端子的連接器34。應(yīng)該注意，操作單元主體14的連接器34通過軟線38電連接至高頻發(fā)生器16。刀部分12的刀片部分18作為外切口、環(huán)切(切開)、和用于ESD治療中的粘膜下層剝離的解剖刀，并且刀片部分18配置為通過壓電元件20的振動(dòng)而振動(dòng)。通常用于刀片部分18的材料是諸如鈦、鈦合金、不銹鋼、硬鋁合金或基于Ni-Cr-Mo-V的耐高溫合金鋼之類的基于金屬的材料。也可以使用燒結(jié)陶瓷材料等。刀片部分18的寬度可以從形成壓電元件20的部分向尖端逐漸減小以便具有喇叭部分。提供喇叭部分可以增加刀片部分18的尖端的振動(dòng)速度，并因此可以以低驅(qū)動(dòng)電壓獲得所期望的振動(dòng)速度?？梢酝ㄟ^變換比(其為形成壓電元件20的部分的寬度與尖端的寬度之間的比)來確定刀片部分18的尖端的振動(dòng)速度?？梢酝ㄟ^增大變換比(減小尖端的寬度)來提高振動(dòng)速度。壓電元件20包括下電極40、壓電膜42和上電極44。連接至下電極40的第一電極26和連接至上電極44的第二電極28增加和減少施加至壓電元件20的電場強(qiáng)度以使得壓電元件20擴(kuò)展和收縮，從而使得刀片部分18在圖I中示出的箭頭所表示的方向上進(jìn)行超聲振動(dòng)。這使得能夠進(jìn)行切口。注意到，可以根據(jù)需要提供下電極40。如果不提供下電極40，則通過把第一電極26連接至刀片部分18來向壓電元件20施加電壓。固定部分22被固定至外殼24的末端的內(nèi)部，并且具有支撐刀片部分18的功能，以便允許刀片部分18往復(fù)移動(dòng)(前進(jìn)和后退移動(dòng))。即，當(dāng)?shù)镀糠?8從外殼24的末端突出和后退回外殼24的末端時(shí)，固定部分22支撐刀片部分18，以便允許刀片部分18相對于外殼24前進(jìn)和后退移動(dòng)。外殼24由具有韌性的絕緣材料制成并且對刀片部分18、壓電兀件20、第一電極26和第二電極28進(jìn)行物理和電氣保護(hù)。第一電極26和第二電極28用來向壓電元件20施加高頻電壓。這些電極由導(dǎo)電材料制成并且被分別耦接至環(huán)32b和32c。提供樹脂密封部件30以密封外殼24的位于活體側(cè)的一端。在本發(fā)明中，壓電元件20可以設(shè)置在插入體內(nèi)的部分中，并因此優(yōu)選地覆以樹脂以防止電擊。另外，由于壓電膜42可以由鉛制成，因此壓電膜42優(yōu)選地覆以樹脂。使用樹脂作為外殼24的密封材料可以減少在驅(qū)動(dòng)刀片部分18時(shí)的共振頻率的影響。下面將通過描述圖I示出的超聲外科手術(shù)設(shè)備10的操作方法來描述超聲外科手術(shù)設(shè)備10的布置和功能，具體而言來描述操作單元主體14的布置和功能。手術(shù)員將他/她的拇指、食指和中指分別插入操作滑塊(slider)的環(huán)32a、32b和32c中，并且沿著操作單元主體14來滑動(dòng)操作滑塊。利用這種滑動(dòng)操作，刀片部分18可以通過耦接至操作滑塊的軟線46從外殼24向前移動(dòng)和后退移動(dòng)回外殼24中(往復(fù)移動(dòng))。來自高頻發(fā)生器16的高頻電壓軟線38連接至連接器34，并且第一電極26和第二電極28電連接至連接器34。因此，該高頻電壓被施加至第一電極26和第二電極28兩者以使壓電元件20振動(dòng)。這使得刀片部分18超聲振動(dòng)并且將其用作解剖刀。[壓電元件]下面將描述本發(fā)明的壓電元件。根據(jù)本發(fā)明的超聲外科手術(shù)設(shè)備10，作為驅(qū)動(dòng)部分的壓電元件20整體地提供給刀片部分18。壓電元件20包括下電極40、壓電膜42和上電極44?？梢愿鶕?jù)需要提供下電極40。如果不提供下電極40，則在刀片部分18上將第一電極26直接接地以便向壓電元件20施加電壓。提供下電極40可以防止在壓電膜42和刀片部分18之間的邊界上形成氧化物，并因此可以防止驅(qū)動(dòng)電壓的增加。根據(jù)通過熱液合成的傳統(tǒng)直接生長方法，由于在Ti金屬上直接形成壓電膜，所以在壓電膜與手術(shù)刀主體之間的邊界上形成了氧化物。這會增加所需的驅(qū)動(dòng)電壓。出于這個(gè)原因，用于下電極40的材料優(yōu)選地與用于刀片部分18的材料不同，并且是抗氧化的貴金屬。例如，這種材料優(yōu)選地是抗氧化的貴金屬(Pt、Ir、Ru或Au)或者是即使在氧化后仍具有較低電阻的貴金屬(Ir或Ru)。并沒有特別限制上電極44的成分，并且其可以包括上述作為用于下電極40的那、些材料的示例性材料，即，用于普通半導(dǎo)體工藝的電極材料，諸如Al、Ta、Cr和Cu及其組合。壓電膜42優(yōu)選地包含由下列通式(Pl)表示的一種或兩種鈣鈦礦型氧化物作為一種或多種主要成分通式ABO3. ·· (Pl)(A A位元素，其包括從由下列元素構(gòu)成的組中選擇的至少一種元素Pb、Ba、Sr、Bi、Li、Na、Ca、Cd、Mg、K和鑭系元素；B B位元素,其包括從由下列元素構(gòu)成的組中選擇的至少一種元素Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Mg、Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe、Ni、Hf和Al ;以及O:氧，雖然A位元素、B位元素和氧元素之間的標(biāo)準(zhǔn)摩爾比是I : I : 3，但是在能夠形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)摩爾比可以偏離該參考摩爾比)。由上述通式(Pl)表示的鈣鈦礦型氧化物包括鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛(PZT)、鋯酸鉛和銀錯(cuò)鈦酸鉛(niobate-lead zirconate titanate)。壓電膜可以是這些由通式(Pl) 表示的鈣鈦礦型氧化物的混合晶體。作為另一種材料，還可以使用由下列通式(P2)表示的那些具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料中的一種通式(Bi(H)Lax)FeO3.· · (P2)(其中O< X < 1，優(yōu)選地O < X彡O. 30，并且x是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的A位中的La成分)。還可以使用由下面給出的通式(P3)所表示的鈣鈦礦化合氧化物制成的并且包括單斜晶(monoclinic)結(jié)構(gòu)的材料。通式A(ZnxTi(1_x))yM(1_y)03· · · (P3)(其中A是Bi元素，并且M是從由下列元素構(gòu)成的組中選擇的至少一種元素Fe、Al,Sc,Mn,Y,Ga和Yb，x表示滿足O. 4彡x彡O. 6的數(shù)值，并且y表示滿足O. 17 ^ y ^ O. 60的數(shù)值。)另外，可以使用具有由(NaxKyLiz)NbO3(O彡x彡1、0彡y彡1、0彡z彡O. 2，并且x+y+z = I)表示的鈣鈦礦型氧化物作為主相的壓電層。例如，在壓電特性或表面粗糙度不發(fā)生退化的范圍內(nèi)，可以用預(yù)定量的Ta(鉭)或V(釩)摻雜鈮酸鈉鉀(KNN)或鈮酸鈉鉀鋰。[制造壓電膜的方法]可以通過利用等離子體的化學(xué)汽相沉積法在襯底上形成包含靶材組成元素的膜來制造壓電膜，其中襯底和靶材彼此相對。化學(xué)汽相沉積法包括濺射法，諸如兩極濺射法、三極濺射法、直流濺射法、射頻濺射法(RF濺射法)、ECR濺射法、磁控管濺射法、對向靶濺射法、脈沖濺射法、和離子束濺射。除了濺射方法以外，本發(fā)明還可以使用離子鍍法、等離子體CVD法等作為化學(xué)汽相沉積法。在濺射法中，對要形成的膜的特性產(chǎn)生影響的因素包括膜形成溫度、襯底類型、底層膜的成分(如果在襯底上預(yù)先形成底層膜的話)、襯底的表面能、膜形成壓力、大氣中的氧氣量、注入功率、襯底與靶材之間的距離、等離子體中的電子溫度、電子密度、等離子體中的活性物質(zhì)濃度、以及活性物質(zhì)的壽命。可以通過對下列中的任何一種進(jìn)行優(yōu)化來形成高品質(zhì)的膜，例如，膜形成溫度Ts、Vs-Vf (其中Vs是膜形成時(shí)的等離子體中的等離子體電位，而Vf是浮接電位(floatingpotential))、Vs、以及襯底與靶材之間的距離D。即，可以以表示膜形成溫度Ts的橫坐標(biāo)以及表示Vs-Vf、Vs和襯底與靶材之間的距離D中的任何一種的縱坐標(biāo)來繪制膜的特性，以在給定范圍之中形成聞品質(zhì)的月旲。將參考圖2對濺射設(shè)備的布置和膜形成的方式的示例進(jìn)行說明。雖然將以使用RF電源的RF濺射設(shè)備為例進(jìn)行描述，但是也可以使用利用DC電源的DC濺射設(shè)備。圖2是整個(gè)設(shè)備的示意截面圖。如圖2所示，濺射設(shè)備100大致由真空腔室110形成，真空腔室110包括襯底夾具111 (諸如靜電卡盤)和產(chǎn)生等離子體的等離子體電極(陰極電極)112，襯底夾具111在內(nèi)部保持住膜形成襯底B并且將膜形成襯底B加熱至預(yù)定溫度。襯底夾具111和等離子體電極112彼此分離并彼此相對，并且靶材T安裝在等離子體電極112上。等離子體電極112連接至RF電源113。氣體引入管道114和氣體排出管道115附接至真空腔室110。氣體引入管道114用于將形成膜所必需的氣體G引入真空腔室110。氣體排出管道115用于執(zhí)行真空腔室110中的氣體的排氣V的排出?？梢允褂美鏏r或Ar/02的混合氣體作為氣體G。 當(dāng)通過濺射法形成本發(fā)明的壓電膜時(shí)，可以在控制膜形成期間的膜形成溫度Ts (°C)和表示等離子體電位Vs (V)與浮接電位Vf (V)之間的差的Vs-Vf (V)的同時(shí)形成膜。[壓電膜的性能]將描述本發(fā)明的超聲外科手術(shù)設(shè)備10所使用的壓電膜的性能。通過化學(xué)汽相沉積法形成的壓電膜具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，該鈣鈦礦結(jié)構(gòu)在(100)方向或(001)方向上以60%或更大的取向度進(jìn)行取向。注意到，通過取向度=Σ ((100)方向上的峰+(200)方向上的峰)/Σ ((100)方向上的峰+(200)方向上的峰+ (110)方向上的峰+ (111)方向上的峰)來獲得取向度。注意，(100)方向和(200)方向上的峰可以是(001)方向和(002)方向上的峰。圖3示出了取向度和壓電常數(shù)d31之間的關(guān)系。如圖3所示，可以通過增加取向度來提高壓電常數(shù)。由于壓電常數(shù)越高，驅(qū)動(dòng)操作所需的驅(qū)動(dòng)電壓越低，所以可以安全地使用如本發(fā)明那樣的將其驅(qū)動(dòng)部分設(shè)置在體內(nèi)的超聲外科手術(shù)設(shè)備。因此，可以優(yōu)選地使用該設(shè)備。取向度優(yōu)選地為60%或更大，更優(yōu)選地為80%或更大。注意到，在塊狀多晶體(bulkpolycrystalline body)的情況下取向度約為O. 2,并因此壓電常數(shù)d31約為91pm/V。當(dāng)壓電膜用于使本發(fā)明的超聲外科手術(shù)設(shè)備的刀片部分振動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓的增加將會導(dǎo)致顯著的發(fā)熱。發(fā)熱與磁場強(qiáng)度(E/d)的平方、頻率f、特定介電常數(shù)L、和介電損失tanS成比例(P。= (E/d)2 X 5. 56 X KT11XfX erXtanS)。因此，優(yōu)選地使用特定介電常數(shù)ε ^和介電損失tan δ較低的材料。在(100)方向上取向的膜的特定介電常數(shù)約為1200，而在(001)方向上取向的膜的特定介電常數(shù)約為400。因此，就取向而言，優(yōu)選地使用在(001)方向上取向的膜。介電損失tan δ根據(jù)膜的品質(zhì)而變化，而不是根據(jù)膜的取向而變化。對于取向不同而tan δ相同的膜而言，具有較高取向度的膜可以以更低的電壓被驅(qū)動(dòng)并且是優(yōu)選的。在本發(fā)明中，介電損失優(yōu)選地小于O. 4。如果介電損失為O. 4或更大，則在驅(qū)動(dòng)時(shí)發(fā)熱，并且不能獲得足夠的振動(dòng)速度。將介電損失設(shè)置為O. 4或更大需要一些措施，諸如冷卻和間歇驅(qū)動(dòng)。介電損失tan δ的值通常是在IkHz處測量到的值，其與驅(qū)動(dòng)時(shí)的發(fā)熱成比例。根據(jù)本發(fā)明，由于通過化學(xué)汽相沉積法形成壓電膜，所以其可以是主要由Iym或更小的晶粒形成的柱狀結(jié)構(gòu)。使柱狀結(jié)構(gòu)在垂直方向上振動(dòng)將改進(jìn)伸長率，并因此可以提高壓電膜的耐久性。通過熱液合成制造的傳統(tǒng)壓電膜包括I μ m或更大的晶粒，并且具有隨機(jī)取向的結(jié)構(gòu)。通過這種結(jié)構(gòu)可以想見，在隨機(jī)的方向上布置材料并因此產(chǎn)生更大量的熱。另外，所形成的壓電膜優(yōu)選地具有ΙΟμπι或更小的厚度。在處置部分上形成厚的壓電膜會在驅(qū)動(dòng)時(shí)需要更高的電壓。出于這個(gè)原因，壓電膜優(yōu)選地具有ΙΟμπι或更小的厚度并且以30V或更低的驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電壓優(yōu)選地為20V或更低，更優(yōu)選地為15V或更低。以此方式形成的壓電膜可以以較低的驅(qū)動(dòng)電壓獲得期望的振動(dòng)速度。因此，可以靠近要被插入體內(nèi)的處置部分形成驅(qū)動(dòng)部分(壓電膜)。這種包括從設(shè)備主體延伸的柔性電纜的膜可以彎曲插入體內(nèi)，并因此可以適合用作處置工具，諸如要插入體內(nèi)的內(nèi)窺鏡。 [示例]將通過加工300 μ m的Ti板獲得的材料用作用于刀片部分(手術(shù)刀部分)的基礎(chǔ)材料。通過濺射法在襯底上形成Ti(20nm)/Ir(150nm)作為下電極。通過濺射法在下電極上形成5 μ m厚的PZTN(鈮鋯鈦酸鉛)作為壓電膜。通過圖案化在壓電膜上形成Pt作為上電極。無任何翹曲或任何膜剝落地適當(dāng)?shù)匦纬闪怂@得的手術(shù)刀。另外，XRD測量顯示出壓電膜在襯底上的取向(100)，并且取向度為80%或更大。另外，截面SEM觀測顯示出晶粒尺寸為Iym或更小。壓電膜的介電特征表示為ε = 300和tan δ =0.3。在相同的條件下在Ti襯底上獨(dú)立地形成PZTN膜，并且測量到壓電常數(shù)d31約為200pm/V。當(dāng)驅(qū)動(dòng)所獲得的手術(shù)刀時(shí)，在縱向上以大約320kHz產(chǎn)生振動(dòng)共振。當(dāng)以此頻率和30V驅(qū)動(dòng)該手術(shù)刀并且利用激光多普勒測振計(jì)測量尖端時(shí)，獲得Sm/sec的振動(dòng)速度。這使得能夠確認(rèn)該手術(shù)刀具有令人滿意的性能。根據(jù)作為傳統(tǒng)技術(shù)提供的非專利文獻(xiàn)I (Minoru Kurosawa和Takeshi Sasanuma的“Enhancement of Vibration Speed of Micro Ultrasonic Scalpel using PZT Film”，The Institute of Electronics, Technical Report of IEICE, US2009-109 (213)31),圖11示出了通過在0. 3mm厚的Ti金屬襯底的兩個(gè)表面上形成PZT膜并且以大約20V對它們進(jìn)行驅(qū)動(dòng)獲得了 4m/s的振動(dòng)速度。這種結(jié)構(gòu)以大約30V獲得了 7m/s的振動(dòng)速度。另外，以30V進(jìn)行單表面驅(qū)動(dòng)獲得了大約3m/s的振動(dòng)速度。與此相反，在本發(fā)明的超聲外科手術(shù)設(shè)備中使用的壓電膜(其具有0. 3mm的厚度并且在0.3mm厚的Ti襯底上形成)以30V單表面驅(qū)動(dòng)可以獲得8m/s的振動(dòng)速度。從實(shí)踐的觀點(diǎn)來看，傳統(tǒng)材料不能用于超聲手術(shù)刀，然而使用本發(fā)明的壓電元件可以形成在30V的驅(qū)動(dòng)電壓下顯示出令人滿意性能的手術(shù)刀。在襯底的兩個(gè)表面上形成壓電膜允許以大約15V的驅(qū)動(dòng)電壓來期待8m/s的振動(dòng)速度。另外，通過改變尖端上的喇叭的厚度來增加變換比允許以更低的驅(qū)動(dòng)電壓來期待更高的振動(dòng)速度。如上所述，確定可以以低驅(qū)動(dòng)電壓在體內(nèi)安全地使用本發(fā)明的超聲外科手術(shù)設(shè)備，并且展示了作為超聲手術(shù)刀在性能方面的可觀的改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種超聲外科手術(shù)設(shè)備,其包括 處置部分； 驅(qū)動(dòng)部分，其利用共振對所述處置部分進(jìn)行驅(qū)動(dòng)； 操作部分主體，其對所述驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制；以及 連接部分，其對所述處置部分和所述操作部分主體進(jìn)行連接， 其中所述驅(qū)動(dòng)部分包括壓電膜并且形成在所述連接部分內(nèi)的所述處置部分上，并且 所述壓電膜具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，構(gòu)成該鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的晶體在(100)方向和(001)方向中的ー個(gè)方向上以不少于60%的取向度取向。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的超聲外科手術(shù)設(shè)備，其中所述壓電膜具有不大于0.4的介電損失。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的超聲外科手術(shù)設(shè)備，其中所述壓電膜具有柱狀結(jié)構(gòu)，其晶粒不大于 I U m。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的超聲外科手術(shù)設(shè)備，其中所述壓電膜通過下電極形成在所述處置部分上，并且所述下電極和所述處置部分由不同的材料形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的超聲外科手術(shù)設(shè)備，其中所述下電極包括貴金屬。
6.根據(jù)權(quán)利要求I的超聲外科手術(shù)設(shè)備，其中所述壓電膜具有不大于IOym的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求I的超聲外科手術(shù)設(shè)備，其中所述壓電膜包括鈣鈦礦型氧化物，所述鈣鈦礦型氧化物包括鋯鈦酸鉛(PZT)和鈉鈮酸鉀(KNN)中的ー種。
8.根據(jù)權(quán)利要求I的超聲外科手術(shù)設(shè)備，還包括所述壓電膜上的上電極、和覆蓋所述上電極或者覆蓋所述上電極和所述壓電膜的樹脂。
9.根據(jù)權(quán)利要求I的超聲外科手術(shù)設(shè)備，其中所述壓電膜形成在所述處置部分的兩個(gè)表面上，并且通過向所述壓電膜施加15V的驅(qū)動(dòng)電壓所獲得的振動(dòng)速度不小于8m/s。
10.根據(jù)權(quán)利要求I的超聲外科手術(shù)設(shè)備，其中所述處置部分的寬度從形成有所述驅(qū)動(dòng)部分的部分向所述處置部分的尖端逐漸減小。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超聲外科手術(shù)設(shè)備，其包括處置部分、利用共振對處置部分進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)部分、對驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制的操作部分主體、以及對處置部分和操作部分主體進(jìn)行連接的連接部分。驅(qū)動(dòng)部分包括壓電膜并且形成在連接部分內(nèi)的處置部分上。壓電膜具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，構(gòu)成該鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的晶體在(100)方向或(001)方向中的一個(gè)方向上以不少于60％的取向度取向。
文檔編號A61B17/3211GK102648867SQ20121004219
公開日2012年8月29日 申請日期2012年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月22日
發(fā)明者平林恭稔, 藤井隆滿 申請人:富士膠片株式會社