EFECTOR TERMINAL DE MATERIAL COMPUESTO PARA UN INSTRUMENTO QUIRÚRGICO ULTRASÓNICO.

Un efector terminal (30, 50, 70, 130) de material compuesto para un instrumento quirúrgico ultrasónico,

que comprende: una primera porción (38, 58, 78, 136) formada a partir de un primer material que incluye al menos uno de entre una aleación de titanio y una aleación de aluminio, en el que dicho primer material presenta una primera longitud de onda de propagación ultrasónica cuando se excita mediante una aportación de energía ultrasónica, y una segunda porción (36, 56, 72, 138) formada a partir de un segundo material que incluye al menos uno de entre una cerámica de alúmina, zafiro, rubí, nitruro de alúmina, zirconio, carburo de silicio y nitruro de silicio, que presenta una segunda longitud de onda de propagación ultrasónica cuando se excita mediante la citada aportación de energía ultrasónica; en el que dicho efector terminal de material compuesto presenta una longitud de onda de propagación ultrasónica del material compuesto diferente de dichos primer y segundo valores característicos cuando se excita mediante la citada aportación de energía ultrasónica; y en el que dicha longitud de onda de propagación ultrasónica del material compuesto está comprendida en una gama definida por las citadas primera y segunda longitudes de onda de propagación ultrasónica

Campo de la invención

Antecedentes de la invención

La presente solicitud se refiere a instrumentos quirúrgicos ultrasónicos y, más en particular, a instrumentos quirúrgicos ultrasónicos que tienen efectores terminales para cortar y coagular tejido.

Los cirujanos utilizan instrumentos ultrasónicos en cirugía para cortar y coagular tejido. Elementos piezoeléctricos son excitados eléctricamente a una frecuencia de resonancia de un instrumento ultrasónico para crear vibraciones que son transmitidas a través de un resonador y amplificadas para producir una vibración de onda mecánica, estacionaria, de la misma frecuencia. Un conjunto de transmisión ultrasónica del instrumento tiene un guía-ondas de transmisión, alargado, que transmite esta vibración a un efector terminal (por ejemplo, una cuchilla de corte) en la punta distal del instrumento. El efector terminal puede vibrar principalmente en dirección longitudinal para generar calor localizado en el interior del tejido adyacente, aunque algunos instrumentos han sido diseñados específicamente de modo que el efector terminal vibra principalmente en cualquiera de las direcciones transversal (perpendicular al eje longitudinal) o torsional (en torno al eje longitudinal) para tratar el tejido. En la solicitud de Patente U.S. núm. 2004/0176686 se divulga un dispositivo médico ultrasónico que tiene visibilidad mejorada en cuanto a procedimientos de formación de imágenes. En consecuencia, una sonda de ultrasonidos alargada del dispositivo comprende una porción de un material de alta radio-opacidad y una porción de un material que tiene una baja radio-opacidad.

El documento US-B-6589253 divulga un instrumento ultrasónico con un efector terminal que comprende una primera porción formada con metal y una segunda porción formada con un material cerámico.

La punta distal del efector terminal corresponde a un punto vibratorio anti-nodal. El extremo proximal del efector terminal se sujeta típicamente al guía-ondas ligeramente distal al punto nodal vibratorio, más distal, del conjunto de transmisión ultrasónica. Esta disposición permite la sintonización del instrumento a una frecuencia resonante preferida cuando el efector terminal no está cargado con tejido. Por definición, por lo tanto, la longitud del efector terminal es ligeramente menor que un cuarto de la longitud de onda acústica que se propaga a través del material de efector terminal cuando es excitado mediante una aportación de energía ultrasónica de una frecuencia particular.

Los efectores terminales quirúrgicos ultrasónicos formados a partir de diferentes materiales, pueden presentar características acústicas y mecánicas significativamente diferentes. Estas características pueden estar asociadas a propiedades del material tales como la longitud de onda de propagación ultrasónica, transferencia de calor por conducción, resistencia a la fatiga mecánica y eficacia de transmisión acústica. Por ejemplo, un efector terminal formado a partir de un material tal como una cerámica que tenga una relación relativamente alta de módulo de elasticidad respecto a densidad, puede tener una longitud de onda de propagación ultrasónica más larga que la de un efector terminal formado a partir de un material tal como un metal que tenga una relación relativamente baja.

Los efectores terminales de algunos instrumentos quirúrgicos ultrasónicos habituales están hechos de aleación de titanio Ti-6A1-4V. La longitud de onda de propagación ultrasónica de la aleación de titanio es de aproximadamente 87 mm cuando opera a una frecuencia ultrasónica de 55,5 kHz, de modo que la longitud del efector terminal es de aproximadamente 22 mm. Para ciertas aplicaciones el cirujano puede preferir un efector terminal ligeramente más largo que el que se encuentra actualmente disponible.

La longitud de onda acústica en un material es igual a la velocidad del sonido en el materia dividida por la frecuencia (ciclos/segundo) de la aportación de energía ultrasónica. Por lo tanto, una forma de proporcionar instrumentos con efectores terminales más largos consiste en reducir la frecuencia de la aportación de energía ultrasónica. Por ejemplo, reduciendo la frecuencia desde aproximadamente 55,5 kHz a aproximadamente 27,8 kHz, se incrementa la longitud de onda característica en la aleación de titanio hasta aproximadamente 174 mm. Sin embargo, existe un límite práctico inferior para la frecuencia de excitación. Un efector terminal que vibra próximo a 22 kHz puede crear un sonido dolorosamente audible para los humanos, y obviamente no sería deseable en un entorno de operación quirúrgica.

Otra forma de proporcionar instrumentos con efectores terminales más largos consiste en seleccionar materiales de efectores en los que el sonido se desplaza de forma más rápida. La velocidad del sonido en un material es una función de la densidad del material y del módulo de elasticidad. Básicamente, los materiales que tienen una relación de módulo de elasticidad alto respecto a densidad, propagan la energía ultrasónica de forma más rápida que los materiales que tienen una relación relativamente baja. Algunos materiales cerámicos, incluyendo la alúmina (Al2O3), presentan longitudes de onda características que son aproximadamente dos veces más grandes que las de algunas aleaciones de titanio. Desafortunadamente, los materiales cerámicos son muy quebradizos y los efectores terminales de cerámica podrían ser susceptibles de rotura durante la manipulación, la disposición y la operación normales.

Adicionalmente a la provisión de efectores terminales más largos, podría ser deseable mejorar la eficacia de transmisión acústica del efector terminal con el fin de reducir el “auto-calentamiento” del efector terminal y el tiempo para cortar y coagular el tejido. Algunos materiales tales como el zafiro, el titanio y el aluminio pueden transmitir energía ultrasónica más eficientemente que otros materiales tales como el cobre y el acero. La eficacia de transmisión acústica de los efectores terminales ultrasónicos quirúrgicos puede estar asociada a un coeficiente acústico sin unidades, conocido en la técnica como el coeficiente “Q”, el cual, para la aleación de titanio T-6Al-4V y algunas aleaciones de aluminio está comprendido en la gama de 10.000 a 20.000. El coeficiente Q para algunos aceros puede ser tan bajo como 250. Para aplicaciones en las que el auto-calentamiento del efector terminal debe ser minimizado, el efector terminal puede estar formado a partir de un material que tenga un coeficiente Q alto. Sin embargo, pueden existir algunas aplicaciones quirúrgicas en las que se desee un rápido auto-calentamiento del efector terminal, tal como cuando se utiliza el efector terminal mientras se sumerge en fluidos corporales. Para esas aplicaciones, el efector terminal puede estar formado a partir de un material que tenga un coeficiente Q más bajo con el fin de generar calor rápidamente en el tejido que se va a cortar, y coagular el tejido.

La conductividad térmica del material de efector terminal puede afectar también significativamente a la rapidez con que el efector terminal corta y coagula tejido. Si el efector terminal conduce calor hasta el tejido de manera demasiado rápida, el tejido puede chamuscarse. Pero si el efector terminal conduce calor hasta el tejido de forma demasiado lenta, el dispositivo puede cortar y/o coagular demasiado despacio. Dependiendo de la aplicación quirúrgica, un efector terminal construido a partir de aleación de Ti-6Al-4V, que tenga una conductividad térmica de aproximadamente 7 W/m-K, puede conservar demasiado calor, mientras que un efector terminal construido a partir de aluminio, que tenga una conductividad térmica de aproximadamente 200 W/m-K, puede extraer demasiado calor del tejido.

La resistencia a la fatiga mecánica del material de efector terminal puede afectar significativamente a la vida operativa del efector terminal y, por consiguiente, a cuántas veces puede ser utilizado el efector terminal durante un procedimiento quirúrgico. La resistencia a la fatiga se menciona a veces como el límite de fatiga del material, y corresponde al esfuerzo al que el material puede ser forzado reversiblemente durante un número prácticamente infinito de ciclos. La aleación de Ti-6Al-4V tiene una resistencia a la fatiga de aproximadamente 413 kPa, mientras que la resistencia a la fatiga del aluminio es de aproximadamente 138 kPa. El aluminio es también más blando que la aleación de titanio y es dañado más fácilmente por otros instrumentos quirúrgicos durante su uso, lo que conduce... [Seguir leyendo]

1. Un efector terminal (30, 50, 70, 130) de material compuesto para un instrumento quirúrgico ultrasónico, que comprende:

una primera porción (38, 58, 78, 136) formada a partir de un primer material que incluye al menos uno de entre una aleación de titanio y una aleación de aluminio, en el que dicho primer material presenta una primera longitud de onda de propagación ultrasónica cuando se excita mediante una aportación de energía ultrasónica, y

una segunda porción (36, 56, 72, 138) formada a partir de un segundo material que incluye al menos uno de entre una cerámica de alúmina, zafiro, rubí, nitruro de alúmina, zirconio, carburo de silicio y nitruro de silicio, que presenta una segunda longitud de onda de propagación ultrasónica cuando se excita mediante la citada aportación de energía ultrasónica;

en el que dicho efector terminal de material compuesto presenta una longitud de onda de propagación ultrasónica del material compuesto diferente de dichos primer y segundo valores característicos cuando se excita mediante la citada aportación de energía ultrasónica;

y en el que dicha longitud de onda de propagación ultrasónica del material compuesto está comprendida en una gama definida por las citadas primera y segunda longitudes de onda de propagación ultrasónica.

2. El efector terminal (30, 50, 70, 130) de material compuesto de la reivindicación 1, en el que dicho primer material presenta un primer valor característico adicional cuando es excitado mediante una aportación de energía ultrasónica; y dicho segundo material presenta un segundo valor característico adicional cuando es excitado mediante la citada aportación de energía ultrasónica, y en el que dicho efector terminal de material compuesto presenta un valor característico compuesto adicional diferente de dichos primer y segundo valores característicos cuando es excitado mediante la citada aportación de energía ultrasónica, incluyendo los citados valores primero, segundo y característico adicionales al menos uno de entre conductividad térmica, eficacia de transmisión de potencia ultrasónica, coeficiente de rozamiento y resistencia a la fatiga mecánica.

3. El efector terminal (30, 50, 70, 130) de material compuesto de la reivindicación 1, en el que una longitud de dicho efector terminal de material compuesto es aproximadamente igual a un cuarto de dicho valor característico compuesto.

4. El efector terminal (30, 50, 70, 130) de material compuesto de la reivindicación 1, en el que dicho efector terminal de material compuesto vibra en al menos una de entre una dirección longitudinal, una dirección transversal y una dirección torsional con relación a un eje longitudinal (40, 60, 80, 140) de dicho efector terminal de material compuesto.

5. El efector terminal (30, 50, 70, 130) de material compuesto de la reivindicación 1, en el que dicha primera porción incluye una cavidad que retiene a la citada segunda porción.

6. El efector terminal (30, 50, 70, 130) de material compuesto de la reivindicación 5, en el que dicha cavidad es un orificio longitudinal, y dicha segunda porción rellena sustancialmente el citado orificio.

7. El efector terminal (30, 50, 70, 130) de material compuesto de la reivindicación 1, en el que dicha primera porción está conectada a dicha segunda porción por medio de al menos uno de entre un proceso de frita, un proceso de broncesoldadura y un proceso mecánico.

8. Un conjunto de transmisión para un instrumento quirúrgico ultrasónico que comprende un efector terminal según se ha reivindicado en cualquier reivindicación anterior, en el que dicho efector terminal está formado a partir de al menos dos capas, estando una primera de dichas capas formada a partir de dicho primer material, y estando una segunda de dichas capas recibida coaxialmente sobre la citada primera capa y formada a partir de dicho segundo material.

9. El conjunto de transmisión de la reivindicación 8, en el que dicha segunda capa cubre de manera generalmente completa a la citada primera capa.

10. El conjunto de transmisión de la reivindicación 8, en el que dicha primera capa está conectada a dicha segunda capa por medio de al menos uno de entre un proceso de frita, un proceso de broncesoldadura y un proceso mecánico.

11. Un conjunto de transmisión para un instrumento quirúrgico ultrasónico que comprende un efector terminal (30, 50, 70, 130) reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1-7 anteriores, en el que dicho efector terminal (30, 50, 70, 130) está formado a partir de al menos dos de dichas porciones, estando una primera de dichas porciones (38, 58, 78, 136) formada a partir de dicho primer material, y estando una segunda de dichas porciones (36, 56, 72, 138) dispuesta de manera colindante con la citada primera porción (38, 5R, 78, 136) a lo largo de un eje longitudinal (10, 60, 80, 140) de dicho efector terminal y formada a partir de dicho segundo material.