CN116406241A - 超声波处置器具及内窥镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够有效地将超声波振动传递至血管等结构物并且使其吸收，且通过提高供给电力向超声波振动的转换效率，能够抑制器件的温度上升的超声波处置器具及内窥镜系统。超声波处置器具(18)具备：把持部(33)，把持受检体内的结构物；及超声波振子单元(34)，设置于把持部(33)，且配置于与所把持的结构物相面对的位置。构成超声波振动单元(34)的压电材料的机械品质因数为500以上。

Description

超声波处置器具及内窥镜系统

技术领域

本发明涉及一种超声波处置器具及内窥镜系统。

背景技术

在医疗领域中，已知使用产生超声波振动的超声波处置器具来对受检体实施各种处置。专利文献1中记载有超声波处置器具，其具备把持血管等结构物的一对把持部及超声波振子(超声波换能器；ultrasonic transducer)，并且经由把持部传递超声波振动，并进行血管等的密封、切开等处置。超声波振子由压电材料等各种器件构成，将所供给的电力转换为超声波振动。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开2019/055870号

发明内容

发明要解决的技术课题

在如上述专利文献1中所记载那样的超声波处置器具中，密封由把持部把持的血管等，因此需要在短时间内使把持部的温度上升至蛋白质等的变性温度即约60℃～90℃。为了在短时间内使把持部的温度上升，需要对超声波换能器的各器件供给尽可能大的电力。

但是，供给至超声波振子的电力并不全部转换为超声波振动，有时还转换为因振动的传递效率差引起的发热及由介电损耗引起的发热等。若供给电力中的转换为除超声波振动以外的电力尤其转换为发热的电力的比率大，则在超声波振子的驱动中器件本身的温度过度增高，从而有可能成为由压电材料的去极化引起的压电性的消失、声匹配层的变质等超声波振子的故障或劣化的原因。

本发明的目的在于提供一种能够有效地将超声波振动传递至血管等结构物并且使其吸收，且通过提高供给电力向超声波振动的转换效率，能够抑制器件的温度上升的超声波处置器具及内窥镜系统。

用于解决技术课题的手段

本发明的超声波处置器具具备把持部及超声波振子，构成超声波振子的压电材料的机械品质因数为500以上。把持部设置于前端部，且把持受检体内的结构物。超声波振子设置于把持部，且配置于与把持部所把持的结构物相面对的位置。

优选为由超声波振子产生的超声波振动的方向与把持部所把持的方向平行。

优选为利用和与压电材料的厚度尺寸相对应的谐振频率之差为20％以内的频率的交流电压信号来驱动超声波振子。优选为连续供给驱动超声波振子的交流电压信号。

压电材料优选为锆钛酸铅。

优选为把持部把持作为结构物的血管。优选为经由内窥镜的钳子通道插入于受检体内的内窥镜用处置器具。

优选具备把持部、超声波振子、管状的挠性护套、与把持部一体设置且插入贯通于挠性护套的操作线及设置于挠性护套的基端部的操作部。

优选把持部具备把持结构物的一对把持片，并且在把持片中的至少一个设置有超声波振子。

本发明的内窥镜系统具备上述超声波处置器具、输出驱动超声波振子的交流电压信号的电源装置及具有钳子通道的内窥镜。

发明效果

根据本发明，能够有效地将超声波振动传递至血管等结构物并且使其吸收，且通过提高供给电力向超声波振动的转换效率，能够抑制器件的温度上升。

附图说明

图1是对内窥镜系统的结构进行说明的说明图。

图2是内窥镜及本发明的超声波处置器具的主视图。

图3是超声波处置器具的主要部分剖视图，是表示把持部闭合的状态(A)及打开的状态(B)的主要部分剖视图。

图4是把持部闭合的状态的超声波处置器具的立体图。

图5是把持部打开的状态的超声波处置器具的立体图。

图6是沿图3(A)的VI-VI线切割的剖视图。

图7是与压电材料的介电损耗相关的示意图(A)及产生了介电损耗时的等效电路图(B)。

图8是表示超声波用电源装置的概要的框图。

图9是对把持部所把持的血管实施处置的状态进行说明的说明图。

具体实施方式

如图1所示，内窥镜系统10具备内窥镜12、光源装置14、处理器装置15、显示器16、键盘17、超声波处置器具18及超声波用电源装置19。内窥镜12拍摄观察对象。光源装置14射出照射到观察对象的照明光。处理器装置15进行内窥镜系统10的系统控制。显示器16为显示基于内窥镜图像的观察图像等的显示部。键盘17为进行对处理器装置15等的设定输入等的输入器件。

内窥镜12与光源装置14光学连接，且与处理器装置15电连接。内窥镜12具有插入于受检体内的插入部12a、设置于插入部12a的基端部分的操作部12b、设置于插入部12a的前端侧的弯曲部12c及前端部12d。通过操作操作部12b的弯角钮12e，弯曲部12c弯曲。其结果，前端部12d朝向所期望的方向。并且，在操作部12b除了弯角钮12e以外，还设置有钳道口21(参考图2)。钳道口21为插入超声波处置器具18的入口。插入于钳道口21的超声波处置器具18从前端部12d的钳子出口22(参考图2)突出。

虽然省略图示，但在前端部12d的前端面设置有观察窗、照明窗。在观察窗的里侧配置有图像传感器(未图示)等，在照明窗的里侧配置有光缆(未图示)。图像传感器的信号线、光缆分别与处理器装置15、光源装置14连接。

处理器装置15与显示器16及键盘17电连接。处理器装置15对通过图像传感器拍摄的内窥镜图像实施图像处理等并显示于显示器16。

如图2所示，在插入部12a内配设有用于插入贯通超声波处置器具18的钳子通道23。钳子通道23的一端与钳子出口22连接，另一端与设置于操作部12b的钳道口21连接。在钳道口21设置有钳子栓24。并且，钳子通道23还用作用于从钳子出口22输送水等清洗液的路径及用于抽吸血液等体液、体内代谢物等内容物的路径。超声波用电源装置19向超声波处置器具18的后述的超声波振子51供给电力。

超声波处置器具18为经由钳子通道23与插入部12a一同插入于受检体内的内窥镜用处置器具。另外，在本实施方式中，作为与内窥镜12组合的内窥镜用处置器具举出了超声波处置器具18，但实际上并不限于此，活检钳、勒除器或电手术刀等处置器具也与内窥镜12组合。

超声波处置器具18具备挠性护套31、操作线32(参考图3)、把持部33、超声波振子单元34(参考图3)及操作部35。挠性护套31为由具有挠性的材料例如软质树脂形成的管状护套，并且插入于内窥镜12的钳子通道23。操作线32与把持部33一体设置，且插入贯通于挠性护套31。

操作部35具备操作部主体36及滑动自如地支承于操作部主体36的滑块37。操作部主体36连接设置于挠性护套31的基端部。在操作部主体36设置有搭指部36A、圆柱部36B及连接器部36C。圆柱部36B沿与挠性护套31的轴向平行的方向延伸。滑块37与圆柱部36B卡合，并且沿圆柱部36B并且沿挠性护套31的轴向滑动移动。在对患者实施处置时，用户的拇指搭在搭指部36A，同一用户的食指及中指搭在滑块37上。在滑块37中固定有操作线32的基端。因此，操作线32伴随滑块37的滑动移动而在挠性护套31内沿其轴向进行推拉动作。如后述，连接器部36C与超声波用电源装置19电连接。

如图3所示，把持部33设置于超声波处置器具18的前端部，且具备上下配置的一对把持片41、连杆机构42及支承它们的支承部件43。在一对把持片41的内表面41A即彼此对置的面设置有超声波振子单元34(参考图5及图6)。而且，当闭合了把持部33时，一对把持片41的内表面41A彼此抵接。由此，能够将血管等结构物以夹入于一对把持片41之间的方式把持。构成把持部33的一对把持片41能够以支承轴41B为中心沿上下方向开闭。支承轴41B支承于支承部件43。把持片41分别形成为半圆柱状，以在闭合了把持部33时使外周面呈连续的圆柱状。

连杆机构42具备连杆板42A、连结销42B及嵌装销42C。连杆板42A的一侧端部经由连结销42B与一对把持片41连结。一对把持片41与连杆板42A连结的位置为把持片41的基端部，是比支承轴41B更靠基端侧的位置。连杆板42A的另一侧端部经由嵌装销42C与设置于操作线32前端的连结部件32A连结。嵌装销42C相对于连结部件32A转动自如地连结连杆板42A。

连结部件32A形成为圆柱形状。连结部件32A贯穿形成于支承部件43的贯穿孔43A，且一部分位于挠性护套31的内部。支承部件43形成为大致圆筒形状，且固定于挠性护套31的前端。支承部件43具有从前端切开的缺口43B。一对把持片41及连杆板42A在缺口43B的内侧移动，因此支承部件43不会妨碍把持片41及连杆板42A的移动。

连杆机构42将基于操作线32推拉动作的直线运动转换为转动运动，使把持片41进行开闭动作。即，若将滑块37向搭指部36A侧拉拽，则如图3(A)及图4所示，把持片41闭合而把持部33成为闭合的状态。相反，若将滑块37向把持部33侧推压，则如图3(B)及图5所示，把持片41打开而把持部33成为打开的状态。

如图6所示，超声波振子单元34通过层叠超声波振子51、背衬材料层52及声匹配层53来构成。

超声波振子51由压电材料54(也称为压电元件。)及电极56、57构成。压电材料54形成为板状。电极56、57形成为比压电材料54薄的板状，层叠于压电材料54的两面。超声波振子51配置成与把持片41的内表面41A平行。即，超声波振子51配置于与把持部33所把持的血管等结构物相面对的位置。并且，超声波振子51振动的方向与压电材料54及电极56、57层叠的方向平行。因此，由超声波振子51产生的超声波振动的方向与把持部33所把持的把持方向Y平行。

作为压电材料54，使用机械品质因数Qm为500以上的压电材料。机械品质因数Qm为表示由振动引起的弹性损耗的因数，以机械损耗因数的倒数来表示。若压电材料54弹性振动，则在内部产生损耗并转换为热。

在此，对压电材料54的特性进行说明。图7(A)表示与压电材料54的介电损耗相关的示意图，图7(B)表示产生了介电损耗时的压电材料54的等效电路。若对压电材料54施加角频率ω的正弦波交流电场E，则当无损耗时，以电位移D1相对于电场E1超前π/2的相位来振动。但是，实际上电位移D1以相位差δ延迟，与其相位差δ相当的量产生介电损耗(下述式[数式1]中的tanδ)。该介电损耗成为转换为介电发热等的作用。另外，符号IL相当于供给至压电材料54的电流。在图7(B)所示的等效电路中的等效电容Cd、谐振电阻R1及角频率ω与相位差δ之间存在如下[数式1]的关系。

[数式1]

在压电材料54中存在与介电损耗相同的弹性损耗。相对于由交流电场产生的应力，在应变中也产生δm的相位差。在由该弹性损耗引起的相位差δm与机械品质因数Qm之间存在如下[数式2]的关系。

[数式2]

而且，机械品质因数Qm在与产生了弹性损耗时的压电材料54的等效电路中的等效电容C1、谐振电阻R1、角频率ωs、等效电感L1、谐振阻抗Zr、静电电容C、谐振频率fr、反谐振频率fa之间存在如下[数式3]的关系。

[数式3]

在本说明书及技术方案中，使用由上述[数式2]及[数式3]来定义的机械品质因数Qm。机械品质因数Qm的大小会影响谐振频率下的机械振动的锐度。机械品质因数Qm高的压电材料54的成为发热原因的介电损耗tanδ的值也小，并且也不易引起极化状态的劣化。

即，若机械品质因数Qm低，则振动成为发热的主要原因，因此无法获得高的振动速度，但若机械品质因数Qm高，则在压电材料54的内部损耗少。即，相对于供给电力能够有效地转换为超声波振动。因此，在机械品质因数Qm高的压电材料54中，即使以大的电力来使其振动也不易产生发热，并且能够获得高的振动速度。

作为压电材料54，优选使用锆钛酸铅(PZT)。另外，作为压电材料54并不限于此，只要是机械品质因数Qm高的压电材料即可，例如可以使用除PZT以外的硬性压电陶瓷。

并且，电极56、57经由未图示的信号电缆与操作部35的连接器部36C连接。信号电缆例如沿挠性护套31的内周面或外周面配线。当在连接器部36C连接有超声波用电源装置19时，电极56、57经由信号电缆、连接器部36C与超声波用电源装置19电连接。另外，电极56、57中的其中一个经由信号电缆等与地线连接，从超声波用电源装置19对另一个供给后述的交流电压信号的电力。

声匹配层53为了取得患者的人体与超声波振子51之间的声阻抗匹配而设置。声匹配层53配置于超声波振子51的外侧，严格而言，如图6所示，相对于超声波振子51，在与把持部33所把持的结构物相面对的一侧重叠。即，声匹配层53设置于从把持片41的内表面41A暴露的位置。

设置有声匹配层53，由此能够提高超声波的透射率。作为声匹配层53的材料，能够使用声阻抗的值与超声波振子48的压电材料相比更接近患者的人体的声阻抗的值的有机材料。具体而言，作为声匹配层53的材料，可举出环氧类树脂、硅橡胶、聚酰亚胺及聚乙烯等。并且，声匹配层53由多层形成，并且根据所要求的声阻抗的值，适当选择材料、构成的层的数量。

背衬材料层52从里侧(与声匹配层53相反的一侧)支承超声波振子51。另外，背衬材料例如由硬质橡胶等具有刚性的材料等构成。并且，在背衬材料层52与超声波振子51之间形成有气隙层58即介于背衬材料层52与超声波振子51之间的间隙。气隙层58能够通过内部空气来反射超声波，因此具有反射从超声波振子51的里侧射出的超声波的功能。由此，能够对血管S等结构物有效地传递超声波振动。另外，并不限于此，在背衬材料层52中可以不设置气隙层58而填充反射超声波的材料。

如图8所示，超声波用电源装置19具备信号发生器61、放大器62、阻抗匹配电路63、电流探针64及控制部65。信号发生器61具有生成具有任意频率及波形的交流电压信号的功能，例如具有与周知的函数发生器相同的结构及功能。

信号发生器61输出规定范围的频率且sin波的波形的交流电压信号。规定范围的频率是与压电材料54的谐振频率之差为20％以内的频率。压电材料54具有与厚度尺寸相对应的谐振频率，具体而言，当将厚度尺寸设为D1(m)，将与厚度尺寸D1相对应的谐振频率设为f(Hz)，将压电材料54的音速(在压电材料54中传播的音波的速度)设为v(m/sec)时，成为D1＝v/2f的关系。

为了对一对超声波振子51供给电力，对各超声波振子51分别设置有放大器62及阻抗匹配电路63。信号发生器61将具有相同的频率及相同的波形的交流电压信号分别输出至放大器62。放大器62将从信号发生器61输出的交流电压信号放大至能够驱动超声波振子51级别的电压。阻抗匹配电路63与放大器62串联连接，并且能够使从放大器62输出的交流电压信号的输入阻抗与超声波振子51的阻抗匹配。

电流探针64测定从阻抗匹配电路63输入于超声波振子51的电流值并将其输入于控制部65。控制部65对信号发生器61进行控制，以便以电流探针64测定出的电流值成为峰值的频率来驱动超声波振子51。

在本实施方式中，控制部65首先在和与上述压电材料54的厚度尺寸D1相对应的谐振频率之差为20％以内的频率的范围内对信号发生器61进行扫描输出交流电压信号的控制。然后，在该扫描输出的频率的范围内，检测电流探针64测定出的电流值成为峰值时的频率，以后，以该峰值时的频率来驱动超声波振子51。

并且，控制部65控制信号发生器61来连续供给驱动超声波振子51的交流电压信号。在此所说的连续供给是指，至少在超声波振子51的驱动中，从信号发生器61不间断地连续输出交流电压信号。

对用户即医生使用内窥镜系统1进行基于超声波处置器具18的处置时的动作进行说明。首先，医生在受检体即患者的体内插入内窥镜12的插入部12a，观察通过图像传感器拍摄的内窥镜图像，例如发现患者体内的结构物即血管S(参考图5及图9)的位置，并确定进行处置的部位。然后，医生向钳子通道23插入超声波处置器具18的挠性护套31。此时，医生通过操作部35的操作而使把持部33处于闭合的状态。

医生一边观察通过内窥镜12的图像传感器拍摄的内窥镜图像，一边从钳子出口22突出超声波处置器具18，且操作操作部35使把持部33处于打开的状态。

由此，能够一对把持片41的位置对准夹持血管S的位置(图5所示的状态)。

接着，操作操作部35将把持片41从打开的位置转动至闭合的位置而把持血管S(图9所示的状态)。而且，医生操作超声波用电源装置19而开始输出驱动超声波振子51的交流电压信号。由此，开始驱动超声波振子51而将超声波振动V传递至血管S。此时，在由把持部33把持的血管S中，除了超声波振动V以外，还传递损耗虽少但未转换为振动能的电损耗等发热。另外，由图9的虚线表示的超声波振动V为示意地示出的超声波振动，与实际波形等不同。

如上所述，构成超声波振子51的压电材料54使用机械品质因数Qm为500以上的压电材料，因此即使以大的电力来使其振动，在压电材料54中也不易产生发热，并且能够获得高的振动速度。即，能够将超声波振动有效地传递至血管S等结构物并使其吸收，并且能够在短时间内使血管S的温度上升至蛋白质等的变性温度即约60℃～90℃。由此，能够轻松地进行血管S的密封、切开等处置。而且，压电材料54相对于供给电力能够有效地转换为超声波振动，因此能够抑制器件即压电材料54本身的温度上升，并且能够防止超声波振子51的故障或劣化。

并且，在本实施方式中，超声波振动V的方向与把持部33所把持的把持方向Y平行，因此能够将由超声波振子51产生的超声波振动V进一步有效地传递至血管等结构物并使其吸收。并且，以压电材料54的谐振频率与频率之差为20％以内的交流电压信号来驱动超声波振子51，因此能够以更大的电力来驱动超声波振子51，并且能够获得高的振动速度。

以下，对验证了本发明效果的验证结果进行说明。作为超声波振子51中所使用的压电材料54，对适用于本发明的机械品质因数Qm为500以上的压电材料即实施例1～4的压电材料与不是适用于本发明的机械品质因数Qm为500以上的压电材料的比较例1、2的压电材料进行比较，由此进行了验证。实施例1～4及比较例1、2中的压电材料的种类、机械品质因数Qm、超声波强度维持率如表1所示。另外，实施例1～4及比较例1、2中所使用的压电材料为FUJI CERAMICS CORPORATION制的分别材质不同的压电陶瓷。并且，超声波强度维持率是指，驱动了超声波振子的初始状态下的超声波强度(与振动速度成比例)与在规定时间驱动后测定出的超声波强度的比率。

[表1]

	压电材料的种类	机械品质因数：Qm	超声波强度维持率(％)
				实施例1	C-213	2500	90
实施例2	C-203	2000	90
				实施例3	C-2	1200	85
实施例4	C-204	520	75
				比较例1	C-8	65	40
比较例2	C-93	67	30

如表1所示，关于适用于本发明的机械品质因数Qm为500以上的压电材料即实施例1～4，超声波强度维持率高(超声波强度维持率为75％以上)。即，即使驱动由实施例1～4的压电材料构成的超声波振子，在压电材料的内部损耗少，因此在器件本身中不易产生温度上升，并且不易产生劣化等，因此可获得能够以大的电力来驱动超声波振子51这一良好的性能。

另一方面，在本发明中所适用的机械品质因数Qm为500以上的压电材料即比较例1、2中，超声波强度维持率低(超声波强度维持率为40％以下)。即，若驱动由比较例1、2的压电材料构成的超声波振子，则在压电材料的内部损耗大，因此器件本身容易温度上升，并且有可能产生劣化等。

综上所述，能够确认到通过实施本发明能够获得良好性能的超声波处置器具18。

在上述实施方式中，在构成把持部33的一对把持片41这两个设置超声波振子51，并且从两个对结构物传递超声波振动，但本发明并不限于此，可以仅在构成把持部33的一对把持片41中的任一个设置超声波振子51。在该情况下，超声波振子51配置成与其中一个把持片41的内表面41A平行，与超声波振子51相面对的另一个把持片41的内表面41A优选由反射由超声波振子51产生的超声波振动的材料形成。

并且，在上述实施方式中，并未特定与本发明的超声波处置器具组合的内窥镜12，但只要具备插入处置器具的钳子通道即可，例如可以是支气管窥镜、上消化道内窥镜或下消化道内窥镜等。

符号说明

10-内窥镜系统，12-内窥镜，12a-插入部，12b-操作部，12c-弯曲部，12d-前端部，12e-弯角钮，14-光源装置，15-处理器装置，16-显示器，17-键盘，18-超声波处置器具，19-超声波用电源装置，21-钳道口，22-钳子出口，23-钳子通道，24-钳子栓，31-挠性护套，32-操作线，32A-连结部件，33-把持部，34-超声波振子单元，35-操作部，36-操作部主体，36A-搭指部，36B-圆柱部，36C-连接器部，37-滑块，41-支承片，41A-内表面，41B-支承轴，42-连杆机构，42A-连杆板，42B-连结销，42C-嵌装销，43-支承部件，43A-贯穿孔，43B-缺口，51-超声波振子，52-背衬材料层，53-声匹配层，54-压电材料，56-电极，57-电极，58-气隙层，61-信号发生器，62-放大器，63-阻抗匹配电路，64-电流探针，65-控制部，D1-厚度尺寸，E1-电场，fa-反谐振频率，f-谐振频率，fr-谐振频率，IL-电流，L1-等效电感，PZT-锆钛酸铅，Qm-机械品质因数，R1-谐振电阻，S-血管，tanδ-介电损耗，V-超声波振动，Y-把持方向，V-超声波振动，Y-把持方向，Zr-谐振阻抗，δ-相位差，δm-相位差，ω-角频率，ωs-角频率。

Claims (10)

1.一种超声波处置器具，其具备：

把持部，设置于前端部，且把持受检体内的结构物；及

超声波振子，设置于所述把持部，且配置于与所述把持部所把持的所述结构物相面对的位置，

构成所述超声波振子的压电材料的机械品质因数为500以上。

2.根据权利要求1所述的超声波处置器具，其中，

由所述超声波振子产生的超声波振动的方向与所述把持部所把持的方向平行。

3.根据权利要求1或2所述的超声波处置器具，其中，

利用和与所述压电材料的厚度尺寸相对应的谐振频率之差为20％以内的频率的交流电压信号来驱动所述超声波振子。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的超声波处置器具，其中，

连续供给驱动所述超声波振子的交流电压信号。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的超声波处置器具，其中，

所述压电材料为锆钛酸铅。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的超声波处置器具，其中，

所述把持部把持作为所述结构物的血管。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的超声波处置器具，其中，

所述超声波处置器具为经由内窥镜的钳子通道插入于所述受检体内的内窥镜用处置器具。

8.根据权利要求7所述的超声波处置器具，其中，

所述超声波处置器具具备所述把持部、所述超声波振子、管状的挠性护套、与所述把持部一体设置且插入贯通于所述挠性护套的操作线及设置于所述挠性护套的基端部的操作部。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的超声波处置器具，其中，

所述把持部具备把持所述结构物的一对把持片，在所述把持片的至少一个设置有所述超声波振子。

10.一种内窥镜系统，其具备权利要求1至9中任一项所述的超声波处置器具、输出驱动所述超声波振子的交流电压信号的电源装置及具有钳子通道的内窥镜。

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