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白内障超声乳化手柄的研究

作　者: 肖元
导　师: 杨军
学　校: 北京协和医学院
专　业: 生物医学工程
关键词: 超声乳化仪超声乳化手柄超声换能器超声变幅杆有限元分析软件ANSYS11.0
分类号: R779.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

白内障超声乳化手术以其切口小、愈合快、散光小、术后视力恢复快、手术损伤小等优点已成为治疗白内障的重要手术方式。超声乳化仪是白内障超声乳化手术重要的辅助仪器,其主要包括超声波发生器和超声乳化手柄两部分。超声乳化手柄是超声乳化仪的核心部件,其性能的好坏直接影响到手术的效果。超声乳化手柄主要包括超声换能器和超声变幅杆两部分,在实际工作时,还会在前端安装乳化针头。超声换能器的功能是将电能转换为机械振动,但其辐射端面的振幅只有几个微米。而白内障摘除手术时,辐射端面的振幅一般需要几十到一百多微米,因此必须在换能器的端面连接超声变幅杆,将振幅放大。从超声换能器功率重量比的角度要求,总是希望能以较小的重量产生较大的输出能量。所以课题的目的是,寻求一种既能满足手术需要,又能获得小体积和轻质量的超声乳化手柄。故课题提出了1/4波长超声换能器加1/4波长超声变幅杆的手柄结构,减小手柄的体积和质量。论文首先根据变截面细杆和压电陶瓷片机电等效电路推导出1/4波长夹心式超声换能器的机电等效电路,再运用等效电路法对28kHz和40kHz两种频率的超声换能器结构尺寸进行设计。然后,利用解析法对两种频率的1/4波长阶梯形变幅杆进行设计,并确定其最佳圆弧过渡段。最后,在有限元分析软件ANSYS11.0中,对两种频率的手柄进行模态分析和加上负载针头的手柄进行优化。对优化后的手柄进行谐响应分析和导纳特性的研究,表明40kHz手柄与28kHz手柄相比虽然压电转换系数低、振幅放大系数小,但体积小、机械品质因素高、机械损耗小、频带窄、最大应力小、加速度大。两种手柄分别与针头组成的整个振动系统振幅放大系数相当,且针头末端振幅均在100μm以上,均能满足白内障手术的需要。故40kHz手柄更符合设计要求。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-15
  1.1 引言  9
  1.2 课题研究背景  9-13
    1.2.1 白内障手术的发展  9-12
    1.2.2 超声换能器的研究现状及发展  12
    1.2.3 超声变幅杆的研究现状及发展  12-13
  1.3 课题研究目的和意义  13-14
  1.4 课题研究的主要内容及文章结构安排  14-15
第二章超声换能器设计  15-26
  2.1 引言  15
  2.2 压电换能材料  15-19
    2.2.1 压电换能材料的几个重要参数  16-18
    2.2.2 压电陶瓷材料的选择  18-19
  2.3 1/4波长夹心式压电换能器的设计  19-25
    2.3.1 1/4波长夹心式换能器的结构与优点  19-20
    2.3.2 1/4波长夹心式压电换能器的机电等效电路法设计  20-25
      2.3.2.1 1/4波长夹心式压电换能器机电等效电路  20-24
      2.3.2.2 1/4波长夹心式压电换能器理论计算  24-25
  2.4 本章小结  25-26
第三章超声变幅杆的设计  26-34
  3.1 引言  26
  3.2 超声变幅杆的性能参数  26-27
  3.3 超声变幅杆的分类及选用  27-28
  3.4 超声变幅杆的设计方法  28-30
  3.5 1/4波长超声变幅杆的设计  30-33
    3.5.1 超声变幅杆材料选择  30
    3.5.2 1/4波长阶梯形超声变幅杆的解析计算  30-33
  3.6 本章小结  33-34
第四章超声乳化手柄有限元仿真与优化分析  34-57
  4.1 引言  34
  4.2 有限元方法简介  34-37
    4.2.1 有限元法基本思想  34-35
    4.2.2 有限元分析软件  35-36
    4.2.3 ANSYS分析的基本过程  36-37
  4.3 压电有限元耦合动力学分析理论基础  37-39
    4.3.1 模态分析  37-38
    4.3.2 谐响应分析  38
    4.3.3 压电耦合分析  38-39
  4.4 超声乳化手柄的ANSYS仿真与优化  39-55
    4.4.1 ANSYS模态分析简介  39-40
      4.4.1.1 ANSYS模态分析的步骤  39-40
      4.4.1.2 模态提取方法的选择  40
    4.4.2 超声乳化手柄的模态分析  40-44
      4.4.2.1 超声乳化手柄有限元建模  40-42
      4.4.2.2 超声乳化手柄模态求解  42-44
    4.4.3 超声乳化手柄的结构优化  44-46
      4.4.3.1 ANSYS有限元优化设计模块  44-45
      4.4.3.2 超声乳化手柄尺寸优化  45-46
    4.4.4 超声乳化手柄谐响应分析  46-49
    4.4.5 超声乳化手柄谐振频率附近导纳特性分析  49-55
      4.4.5.1 超声乳化手柄谐振频率附近等效电路图  49-51
      4.4.5.2 超声乳化手柄重要参数  51-53
      4.4.5.3 ANSYS中超声乳化手柄导纳参数提取及结果分析  53-55
  4.5 本章小结  55-57
第五章总结与展望  57-59
  5.1 总结  57
  5.2 展望  57-59
参考文献  59-63
研究生期间发表的论文情况  63-64
致谢  64

白内障超声乳化手柄的研究

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