JP2001506527A - 超音波ハンドピースのチューニング及び制御を行うためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 少なくともハンドピースを駆動するために使用する信号の要素としてのブロード・スペクトル信号を含むことによって、超音波ハンドピースをチューニング及び制御するためのシステム及び方法。このブロード・スペクトル信号に対するハンドピースの応答は計測され、そしてハンドピースの実施を所望のレベルに維持するために、駆動信号の周波数又は振幅又は両方が調整される。システムの動作及び方法の実施が、公知のシステム及び方法の使用を通じて可能な方法より、さらに広範囲に変化する範囲の機械的負荷及び熱的状態のうえで、もっとも効率的な方法でハンドピース動作されるように表現される。

Description

【発明の詳細な説明】 超音波ハンドピースのチューニング及び制御を行うためのシステム及び方法 本発明は、超音波装置、特に、眼の水晶体超音波吸引用のハンドピースを制御 する装置及び方法に関する。 発明の背景 眼の手術に適した典型的な超音波手術用機器は、超音波で駆動されるハンドピ ース、付属した中空のチップ（ｈｏｌｌｏｗ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｉｐ）、洗浄 スリーブ及び電気的制御コンソールから構成される。ハンドピースアセンブリは 、電気ケーブル及びフレキシブルチューブにより制御装置に付属されている。電 気ケーブルを通して、コンソールは、ハンドピースによって付属するチップに送 られる電力レベルを変化させ、及びフレキシブルチューブは、洗浄液を供給し且 つハンドピースアセンブリを通じて眼から吸引液を引く。 ハンドピースの動作部分は、中心にあり、中空の共振バー又はホーンが、１組 の圧電性結晶に直接付属している。その結晶は、水晶体超音波吸引の間、ホーン 及び付属するチップに、要求される超音波振動を供給し、それはコンソールによ って制御される。その結晶／ホーンアセンブリは、その中心点に相対的にしっか りと備えつけられることによって、中空の本体の中又はハンドピースの外枠の中 に吊り下げされている。ハンドピース本体は、直径を狭めた部分又は本体の末端 のノーズコーンにより終っている。ノーズコーンは、洗浄スリーブを受け付けら れるように外側にねじ山が切られている 。同様に、ホーンの穴（ｈｏｒｎ ｂｏｒｅ）は、チップの外側のねじ山を受け 止められるように、その末端には内側にねじ山が切られている。その洗浄スリー ブは、また、ノーズコーンの外側のねじ山に締め込まれる、内側にねじ山が切ら れた穴を有している。そのチップは、チップが洗浄スリーブの開口端から予め決 められた量を過ぎただけ突出するように調整される。超音波ハンドピース及びチ ップは、さらに完全に米国特許３，５８９，３６３号、４，２２３，６７６号、 ４，２４６，９０２号、４，４９３，６９４号、４，５１５，５８３号、４，５ ８９，４１５号、４，６０９，３６８号、４，８６９，７１５号及び４，９２２ ，９０２号に開示されており、それらの全ての記載はここに参照として組み込ま れている。 水晶体超音波吸引を行う場合、チップの端部及び洗浄スリーブは、眼の前面部 分への経路を得るために、角膜、強膜又は眼の組織の他の位置において予め決め られた幅の小さな切開部に挿入される。チップは、洗浄スリーブの長手方向の軸 に沿って、結晶駆動超音波ホーンによって、超音波により振動されており、そこ で選択された元の位置にある組織と接触して乳化させる。チップの中空の穴は、 順にハンドピースからコンソールへの吸引ラインとつながっているホーンの穴と つながっている。コンソールの中の減圧又は吸引源が、乳化した組織を、チップ 開口端を通して眼から、チップの穴、ホーンの穴、及び吸引ライン、そして収集 器に引く又は吸引する。乳化した組織の吸引は、生理食塩水の散布溶液又は、洗 浄スリーブの表面とチップの外側との間の小さな環状のギャップを通じて手術位 置に注入された洗浄水によって補助される。 ホーンアセンブリは、圧電素子及び高耐久性限界不活性物質（ｈｉｇｈ ｅｎ ｄｕｒａｎｃｅ ｌｉｍｉｔ ｉｎｓｅｒｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）の両者を含 み、それは、慎重に適切な動作でチュー ニングされなければならない超音波ハンドピースに使用される。ここで、「チュ ーニング（ｔｕｎｅ）」とは、ハンドピースの負荷又は非負荷の動作状態におけ る共振周波数を見つける又はトラッキングするプロセスを言う。ハンドピースを 共振周波数で動作させると、結晶のエネルギーの蓄積容量を有効に使え、それは 共振する点において最も効率である。適切なチューニングを行うことによって、 ハンドピースは、非負荷動作の間に機械的なエネルギーを蓄積することができ、 そして負荷の場合にカットされた物質にこのエネルギーを放出する。この結果、 短い時間間隔で、ハンドピースへの電源によってではなくハンドピース自身によ って、多くのエネルギーが物質の中に注がれることができる。これは、電源に、 変換器の安定状態の電源要求のみを提供するように設計されることを許容し、多 数回高くなることができる負荷による過渡現象ではない。 従来のチューニング及び制御システムは、多くは水の中で、手術中ハンドピー スが負荷に遭遇する前に、制御された負荷状態の下で一連の及び平衡な共振周波 数を決定した。ハンドピースは、一時には１つの周波数で、周波数の範囲上で励 起される。それぞれの周波数へのハンドピースの応答、アドミッタンス（駆動電 圧に対する駆動電流の比を計測することによる）が記録される。相対的に軽い負 荷状態である手術前の状態における、典型的なハンドピースの典型的なアドミッ タンス対周波数の関係が、図１に図示されている。最大記録アドミッタンス（Ｙ ｓ）は直列共振（ｆｓ）に対応し、及び最小アドミッタンス（Ｙｐ）は並列共振 （ｆｐ）に対応している。直列共振でパワー信号によりハンドピースを駆動する ことは、最も効率よく電気を機械エネルギーに変換する結果となる。 しかしながら、手術中にハンドピースが機械的に負荷状態とされると、アドミ ッタンス対周波数カーブの形が変化し、それによって 直列及び並列共振周波数の特性が変化してしまう。図２におけるカーブ“Ａ”は 、軽い負荷状態とされたハンドピースにおける図１に示されるアドミッタンス対 周波数カーブの特性を表している。例えば、カーブ”Ｂ”は、同じハンドピース が機械的に負荷状態とされた場合のアドミッタンス対周波数カーブを表している 。カーブ“Ｂ”は右にシフトされていること（ｆｓ，Ｂ＞ｆｓ，Ａ）及びカーブ ”Ｂ”の最大アドミッタンスはカーブ“Ａ”の最大アドミッタンスより低いこと 及びカーブ”Ｂ”の最小アドミッタンスはカーブ“Ａ”の最小アドミッタンスよ り高いことを見ることができる。ある機械的な負荷状態は、またカーブ”Ａ”を 低い周波数に向かって（左に向かって）シフトさせることができる。 カーブ“Ｃ”は、ハンドピース中の結晶が室温より幾分高くなった場合の同じ ハンドピースにおけるアドミッタンス対周波数カーブを表している。カーブ”Ｃ ”は、カーブ“Ａ”に対して一般的に上方且つ左側（例えば、高いアドミッタン ス及び低い周波数値）にシフトされる。パワー信号が当初決められた直列共振で ハンドピースに送られた場合、例えば、パワー信号の効率は劇的に落ちてしまう 。このように、パワー信号の周波数を調整せずにハンドピースを負荷状態とさせ ることは、パワー信号の効率を減少させてしまう。 手術中、手術前の相対的非負荷状態における直列及び並列共振周波数の平均周 波数でパワー信号を用いて働かせ、且つ一定のアドミッタンスが継続するように パワー信号を調整することによって、ハンドピースをリアルタイムでチューニン グする１つのアプローチがある。このタイプのシステムは、さらに詳細に米国特 許第５，４３１，６６４号（以下‘６６４特許という）に記載されており、それ は参照として組み込まれている。端的にいって、このタイプのシステムは、ハン ドピースを、式により最大及び最小アドミッタンスの 平均として決定される一定のアドミッタンス（Ｙ₀）にチューニングする。（商 業的に使用可能な一定アドミッタンス制御システムは、Ｙ₀を平均ではない他の ポイント、例えばＹ₀＝０．３Ｙｓ＋０．７Ｙｐに固定する。）ハンドピースは 多くのタイプの状況で負荷されるので、アドミッタンス対周波数カーブは周波数 軸に沿ってシフトする。そのようなシフトは、例えば図２におけるカーブ“Ａ” 及びカーブ”Ｂ”によって示されており、そこでカーブ“Ｂ”はハンドピースの 負荷による質量反作用（ｍａｓｓ ｒｅａｃｔｉｖｅ）についての可能な応答を 表している。’６６４特許における制御システムは、アドミッタンスをＹ₀に維 持するために駆動信号の周波数を調整する。 このタイプのチューニング及び制御が広範囲な負荷状態に対して効率的である のは、ハンドピースが決して直列共振で動作されないからであり、従って多少の 効率を失っている。さらに、アドミッタンス軸に沿ったアドミッタンス対周波数 カーブのシフトは、図２におけるカーブ“Ｃ”によって示されるような、このタ イプの一定アドミッタンス制御システムを非効率的なものとしてしまい得る。チ ューニングアドミッタンス（Ｙ₀）は、機械的に負荷状態とされ且っ過熱された ハンドピースを記載し得るカーブ”Ｃ”の何れの部分でも見つけることができな い。 直列共振に一致させるために駆動周波数を調整する制御システムにおいては、 典型的にフェーズ・ロックド・ループ回路が非常に狭いチューニング範囲で使用 されている。このように、ハンドピースが広範囲で変化する負荷状態にさらされ る場合に、超音波ハンドピースをその直列共振にチューニングさせることができ る方法及び制御装置のための要望が存在し続けている。 発明の要約 本発明は、ほぼ一定の振幅及び広い帯域幅を有する信号によってハンドピース を励起させ且つそれに直列及び並列共振を決定するためにハンドピースからの応 答を解析することによって、超音波装置をチューニング及び制御する方法の従来 技術を改良するものである。本発明のチューニング応用例において、キャリブレ ーション信号（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ）のためのハンドピース の応答は、手術前の状態におけるハンドピースの直列及び並列共振を決定する高 速フーリエ変換デジタル信号プロセッサーによって計測及び解析される。この情 報は、そのハンドピース及び制御システムのための適当な動作周波数を確保する ために、ハンドピースの存在する従来のリアルタイム制御システムに送られる。 このタイプのチューニング応用例は、ハンドピースが直列と並列共振との間の周 波数で駆動されるか（米国特許第５、４３１、６６４号に記載される定アドミッ タンスシステムのような）、又は直列共振で駆動されるかに拘わらず、いずれの タイプのハンドピース制御システムにおいて有用である。 本発明は、また、手術進行中における超音波ハンドピースのリアルタイム制御 にも使用することができ得る。ハンドピースをチューニング及び制御する制御シ ステム及び方法の第１の実施形態において、本発明のチューニング実施形態との つながりで記載されている手術進行の前にハンドピースはチューニングされ得る 。その代わりに、直列の値は、ハンドピースの仕様を基礎として推定され得る。 一旦、直列共振の値が決定されると、そのシステムは、好ましくはキャリブレー ション信号とパワー信号の合計である駆動信号をハンドピースに印加する。キャ リブレーション信号は相対的に広い帯域幅及び相対的に低い振幅を有しており、 パワー信号はハンドピース を充分なストロークで駆動するための１つの周波数及び充分に高い振幅を有して いる。好ましくは、パワー信号は直列共振におけるものであろう。第１のこの制 御実施形態において、キャリブレーション信号は、直列共振の全てのポテンシャ ル値の非常に広い範囲の周波数を包含し、したがってそれを独立に制御する必要 はない。 パワー信号の周波数のみが、手術状態において、ハンドピースの一定のキャリ ブレーション信号に対する応答の変化を基礎として調整される。パワー信号の調 整は、例えば、高速フーリエ変換デジタル信号プロセッサーによって達成される 。そのプロセッサーは、駆動信号の調整部分に対するハンドピースの応答を計測 し、例えば、パワー信号を調整するための適当な制御信号の一部となった相当す る制御パラメータを発生するために比例−積分−微分制御理論を応用する。その 比例−積分−微分制御理論は、（適当にプロセッサーがプログラミングされるこ とによって）高速フーリエ変換デジタル信号プロセッサー又は別個のデジタル比 例−積分−微分制御回路によって実行され得る。 この第１の実施形態は、しかしながら、そのキャリブレーション信号が上述し たものより幾分狭い帯域幅を有し、そしてキャリブレーション信号の中心周波数 がハンドピースへの負荷がそれの応答に影響を与えるように調整されるように、 変更的に構成することも可能である。キャリブレーション信号の調整は、ちょう どパワー信号の調整と同じ方法となるであろう。 この第１の実施形態における両方のバージョンのために、高速フーリエ変換解 析の前にパワー信号の周波数はハンドピースの応答からフィルターされる。この フィルターを行うステップは、適当にプログラミングされた高速フーリエ変換デ ジタル信号プロセッサー又はハンドピースとデジタル信号プロセッサーとの間の ノッチフィル ターによって実行されることができる。 本発明に対応した制御システム及び方法の第２の実施形態において、本発明の チューニング実施形態とのつながりで記述されている様に手術の進行が始まる前 に、ハンドピースはチューニングされ得る。代替案として、直列の値はハンドピ ースの仕様を基礎に推測される得る。一旦、直列共振の初期値が決定されると、 システムはハンドピースにほぼ一定の振幅を有するがチューニングの間に使用さ れる初期のキャリブレーション信号より狭い帯域幅を有するマルチ周波数駆動信 号を印加する。このブロード・スペクトル駆動信号は、（初期のチューニングプ ロセスで使用された低い振幅のキャリブレーション信号と対比して）充分なスト ロークでハンドピースを駆動するのに充分高い振幅を有するものとなるであろう 。駆動信号の帯域幅は、非共振エネルギーの応用に起因するハンドピースの要望 されない過熱を避けるために、ハンドピースをチューニングするために使用され たキャリブレーション信号のそれより狭い。好ましくは、そのような駆動信号は 、駆動信号の効率を最大化させるであろう直列共振のほぼ中心となるであろう。 その駆動信号の帯域幅は、また、どのように直列共振が変化したかを制御システ ムが決定することができるように、充分なフィードバックを制御システムに提供 できる位に充分広くなければならない。勿論、この中心周波数は、直列共振のほ ぼ中心に信号が残ることを可能とするように直列共振を変化させる調整が必ず必 要である。 上記に記載した全ての実施形態において、好ましくは、高速フーリエ変換デジ タル信号プロセッサーが、駆動信号に対するハンドピースの応答を解析すること に使用される。応答の解析を基礎として、駆動信号の中心周波数は、それが継続 的に直列共振（他の周波数でもまた適切であり得るが）に対応するように調整さ れる。この調 整は、第１の実施形態におけるパワー信号の周波数調整とのつながりで上記に記 載されたまったく同じ方法により達成される。 したがって、本発明の目的は、手術に使用されている間にハンドピースが負荷 される前に、早く且つ正確に超音波ハンドピースの応答を計測するチューニング システムを提供することにある。 さらに、本発明の目的は、超音波ハンドピースの分離された手術前のチューニ ング手順を実行する要求を防止する制御システム及び方法を提供することにある 。 さらに、本発明の目的は、機械的な負荷状態下で、少なくともハンドピースの 直列共振及びある実施形態においては並列共振を決定するために、機械的な負荷 状態の超音波ハンドピースの周波数応答の解析をリアルタイムで実行し、及び継 続的に少なくともハンドピースに送られる駆動信号の周波数を調整する制御シス テム及び方法を提供することにある。 本発明の他の目的、形態及び効果は、図面及び以下の図面及び請求の範囲の記 載を参照することによって明らかになるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、直列及び並列共振の付近における典型的な超音波ハンドピースのアド ミッタンス対周波数のグラフである。 図２は、ハンドピースが機械的又は熱的に負荷状態とされた場合に典型的な超 音波ハンドピースの応答がシフトし得る方法を図示したアドミッタンス対周波数 のグラフである。 図３は、本発明に対応した手術手順前のハンドピースをチューニングさせるた めのシステム及び方法のブロック図である。 図４は、手術手順が実行される前にハンドピースをチューニングし、及び本発 明に対応した手順の間ハンドピースを制御するための システム及び方法の１つの実施形態のブロック図である。 図５は、手術手順が実行される前にハンドピースをチューニングし、及び本発 明に対応した手順の間ハンドピースを制御するためのシステム及び方法の２番目 の実施形態のブロック図である。 発明の詳細な説明 本発明のシステム及び方法は、一般的に、少なくとも超音波ハンドピースを駆 動するための信号（“駆動信号”）の成分を発生させるためのブロード・スペク トル源で働く。本発明に対応した少なくともあるシステムにおいて、ブロード・ スペクトル源はプログラム可能で、それによって、その源に送られるある入力情 報を変更することによって容易に調整可能である。しかしながら、本発明に対応 した他のシステム及び方法は、固定スペクトル源で問題なく働き得る。高速フー リエ変換（“ＦＦＴ”）デジタル信号プロセッサー（”ＤＳＰ”）が、駆動信号 のブロード・スペクトル成分に対するハンドピースの応答を解析するために使用 され得る。リアルタイムの応用例における本発明にのシステム及び方法において 、ＦＦＴ ＤＳＰの出力は、適切なフィードバック信号の中に表現された制御パ ラメータを発生させるために使用され、そのフィードバック信号は駆動信号の形 態を変化させるために駆動信号を発生させる回路に送られる。ここで使用される “駆動信号”の用語は、少なくとも超音波ハンドピースに単独でパワーを与える たえめの信号、単独でハンドピースをチューニングのため又は調整のために有用 である信号、及びそのようなパワー信号及びそのようなチューニング又はキャリ ブレーション信号との結合を含む。 図３〜５は、超音波ハンドピースをチューニング及び制御するために本発明に おける３つのシステムを図示したブロック図である。 図３は、手術手順がスタートされる前にハンドピース２０をチューニングするシ ステム及び方法を図示したブロック図である。図３に示されるシステムの動作及 び方法の実行は、直列及び並列共振を含んだ充分に広い範囲に渡ってハンドピー ス２０の応答特性を決定する結果となる。応答を基礎として、ハンドピース２０ を制御するための従来のシステムにおける適当な制御回路（そのような回路は図 ３には示されていない）に送られ得る制御パラメータが発生される。 ブロード・スペクトル源１０は、例えば、調整可能な中心周波数、帯域幅、及 び駆動信号１５を発生するための増幅器１２と共同して使用される平均振幅を有 する、プログラム可能なピンクノイズ（ｐｉｎｋ ｎｏｉｓｅ）発生器であり得 る。駆動信号１５は、好ましくは、ハンドピース２０の直列及び並列共振の全て のポテンシャル値を包含するために充分な幅を有している帯域幅１６、及び帯域 幅１６に渡って相対的に一定の振幅を有する信号である。駆動信号１５の帯域幅 １６は、２５ＫＨｚから８０ＫＨｚまでのスペクトルの全ての部分として定義さ れ、それは最近の眼の手術に使用される超音波ハンドピースを励起させる典型的 な動作スペクトルである。発明者は、ほぼ１００Ｈｚから１０，０００Ｈｚが帯 域幅１６には適切であり、およそ４，０００Ｈｚが好ましいことを発見した。そ のような帯域幅１６の値は、ハンドピース２０が非共振エネルギーの応用によっ て過熱されることなく、事実上ｆｓ及びｆｐの全てのポテンシャル値を包含する のに充分に広い。帯域幅の他の範囲は、他の超音波応用例にはさらに適切かもし れない、そしてこの書面に記載されているシステム及び方法全般の動作は、それ らの応用例に使用されるハンドピースの制御のために同じように有用である。 図３に示される応答信号２７は、ＦＦＴ ＤＳＰ３０によって解 析されたハンドピース２０の実際の電圧対周波数応答を図示している。アドミッ タンスカーブ２５は、ハンドピース２０によって示されるであろうアドミッタン ス対周波数の関係を表している。駆動信号１５及び応答信号２７を入力として（ ＦＦＴ ＤＳＰ３０の入力部分を保護するために、だぶんそれぞれが減衰された 後に）受取った後、ＦＦＴ ＤＳＰ３０は、応答信号２７の駆動信号１５に対す る比を計算することによって、アドミッタンスカーブ２５の形を決定する。一旦 、アドミッタンスカーブ２５が発生されると、ＦＦＴ ＤＳＰ３０は、アドミッ タンスカーブ２５の上に示されているように絶対的な最大及び最小アドミッタン スをそれぞれに対応した周波数として、直列共振ｆｓ及び並列共振ｆｐを認定す る。ｆｓ及びｆｐの値を基礎として、ＦＦＴ ＤＳＰ３０は、存在する制御シス テム（図示されない）との使用に適した適当なフィードバック・ループ・パラメ ータ４０を発生する。ＦＦＴ ＤＳＰ３０は、また、例えば、直列及び並列共振 の間にアドミッタンスカーブ２５の傾きのような他の制御パラメータも認識し得 る。 ＦＦＴ ＤＳＰ３０は、商業的なサンプルが入手可能な多目的、プログラム可 能なプロセッサーであり得る。例えば、１２９０−Ｄ Ｒｅａｍｗｏｏｄ Ａｖ ｅｎｕｅ，Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ ９４０８９のＳｔａｎ ｆｏｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｙｓｔｅｍｓが最近販売している２つのＦＦＴ ＤＳＰである、１つの入力チャネルを有するモデルＳＲ７６０及びモデルＳＲ ７７０である。Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈは、２つのチャネルの、Ｆ ＦＴ ＤＳＰ１５０としての使用に適したＦＦＴ信号解析器を、モデルＳＲ７８ ０として市場で販売している。これら全てのＳｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃ ｈのＦＦＴ ＤＳＰは、少なくとも１００ＫＨｚのリアルタイム帯域幅及び９０ ｄＢのダイナ ミックレンジを有しており、完全にプログラム可能な中央周波数、帯域幅、解析 ルーチン及び出力を有している。３つ全てのＦＦＴＤＳＰは、供給されたインタ ーフェース（一体化された表示器上で示される一連のメニュー駆動オプション） を使用することによって、又標準ＲＳ−２３２又はＧＰＩＢインターフェースを 通してコマンドを出力可能な分離されたコンピュータを使用することによってプ ログラムされる。ＳＲ７８０における２つの入力の能力は、２つの入力信号間の 数学的比較を実行するためにそれがプログラムされることを可能とする。 このように、ＦＦＴ ＤＳＰ３０は、応答信号２７及び駆動信号１５を入力と して受取り、そして、手術手順の間、ハンドピースに送られるリアル・タイム駆 動信号を制御する回路への転送に適切な制御パラメータ４０を含んだアナログ又 はデジタル制御信号を発生するように構成される。図３に図示されるそのシステ ム及び方法は、システムが、例えば、’６６４特許に示されるような定アドミッ タンスタイプのシステムであるか、ハンドピースの直列共振に駆動信号がセット されているシステムであるかによらず、従来の超音波ハンドピース制御システム の全てのタイプに有用である。 図４は、本発明に対応したリアル・タイムの超音波ハンドピースのチューニン グ及び制御するための制御システム及び方法の１つの実施形態を図示したもので ある。駆動信号１３５を発生させるために働く２つのソースは、ブロード・スペ クトル源１１０及び単一周波数源（ｓｉｎｇｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｏｕ ｒｃｅ）１２０（例えば、電圧制御発振器）である。ブロード・スペクトル源１ １０は、ハンドピース２０の直列及び並列共振（ｆｓ及びｆｐ）の値の全てのポ テンシャルを包含するのに充分に広い帯域幅１１６を有するキャリブレーション 信号１１５を発生する。図３に示される チューニング実施形態とちょうど同じように、帯域幅１１６は、２５ＫＨｚから ８０ＫＨｚまでのスペクトルの全ての部分であることが可能であり、１００Ｈｚ から１０，０００Ｈｚが帯域幅１１６には適切であり、およそ４，０００Ｈｚが 好ましい。さらに、キャリブレーション信号１１５は、ハンドピースの加熱に顕 著に寄与しない充分に低い振幅である。単一周波数源１２０は、特に強い予め決 められた駆動周波数ｆｄ（例えば、直列共振で）の信号を有するパワー信号１２ ５を発生する。ｆｄの値は、図３との関連において記載されているようにハンド ピース２０をチューニングすることによって決められ、そこでハンドピース２０ は従来の方法によってチューニングされ、又はハンドピース２０の仕様に基づい てｆｄの値を推測することによって決められる。さらに、パワー信号１１５は、 キャリブレーション信号１１５の振幅より実質的に高く且つ負荷状態においてハ ンドピース２０を効率的に駆動するのに充分な高さの振幅を有している。最近の ＦＦＴ ＤＳＰのダイナミックレンジに基づいて、パワー信号１２５とキャリブ レーション信号１１５のそれぞれの振幅の比は、９０ｄＢと同じくらい高くする ことができる。９０ｄＢより大きい比とは、キャリブレーション１１５に対する ハンドピース２０の応答が最近のＦＦＴ ＤＳＰによって計測できないくらい小 さいことを意味する。しかしながら、キャリブレーション信号に対するパワー信 号１２５の比が、１０ｄＢ以下であると、キャリブレーション１１５がそれ自身 でハンドピース２０を駆動するのに強すぎ、しかしながら、そのような信号のほ とんどのエネルギーが非共振エネルギーとなってしまうので非効率的な方法であ る。パワー信号１２５の平均振幅とキャリブレーション信号１１５との間が２０ ｄＢから４０ｄＢの比であることが好ましい。この範囲の振幅比を使用すること は、充分にクリーンなキャリブレーショ ン信号とノイズ比に対する高い信号に帰着する。 少なくとも、単一周波数源１２０の周波数は、制御システムがハンドピース２ ０の機械的又は熱的負荷に起因するハンドピース２０の応答の変化を補償するよ うに調整されなければならない。ブロード・スペクトル源１２０は、また、プロ グラム可能、又はそうでなければ、帯域幅、中心周波数、及びキャリブレーショ ン信号１１５の振幅が適当な入力に基づいて調整し得るように調整可能である。 商業的に入手可能な装置が、ブロード・スペクトル源１１０及び単一周波数源１ ２０として使用するための適当なのもとして使用することができる。Ｓｔａｎｆ ｏｒｄ ＲｅｓｅａｒｃｈのモデルＳＲ７７０及びＳＲ７８０のＦＦＴ信号解析 器は、ブロード・スペクトル源１１０及び単一周波数源１２０のいずれかとして 適当なソースを含んでいる。ＳＲ７７０及びＳＲ７８０の出力をパワー信号とし て使用するのに適当なものとして作るには増幅を典型的に必要とするが、このソ ースの出力の中心周波数、帯域幅及び関係する振幅は完全にプログラム可能であ る。 キャリブレーション信号１１５及びパワー信号１２５は、合計され且つ増幅器 １３０によって、ハンドピース２０に次に送られる駆動信号１３５を発生するた めに増幅される。ハンドピース２０の応答は、応答信号１４５として示され、そ れは２チャネルＦＦＴ ＤＳＰ１５０（例えば、ＳＲ７８０）の１つの入力チャ ネルに送られる。駆動信号１３５は、２チャネルＦＦＴ ＤＳＰ１５０の他の入 力チャネルに送られる。増幅器１３０によって導入され且つ本来的に駆動信号１ ３５に影響を受けるこの合計の変化のために、キャリブレーション信号１１５と パワー信号１２５の合計ではなく、むしろ駆動信号１３５がＦＦＴ ＤＳＰ１５ ０に送られる。勿論、ＦＦＴ ＤＳＰ１５０の損害を防止するために、ＦＦＴ ＤＳＰ１５０ に送られる前に、駆動信号１３５及び応答信号１４５の両方に減衰を要求し得る ことも可能である。 ＦＦＴ ＤＳＰ１５０は、駆動信号１３５によって応答信号１４５を割ること によるアドミッタンスカーブ２５を決定するようにプログラムされ、タスクはＳ ｔａｎｆｏｒｄ ＲｅｓｅａｒｃｈのＳＲ７８０によって容易に達成される。Ｆ ＦＴ ＤＳＰ１５０がｆｓ（又は更新されたアドミッタンスカーブ２５の他の重 要な特性値）の新しい値を決定する前に、制御信号１６０を構成する制御パラメ ータを発生するために比例積分微分（“ＰＩＤ”）理論を与えるためにまたプロ グラムされ得る。制御信号１６０に基づいて、単一周波数源１２０のｆｄは適当 に変更される。ＰＩＤ理論を使用することは、ｆｄの過剰な補償を防止し且つ図 ４に示される制御システムによって引き起こされるｆｄの不適当な振動のポテン シャルを減少させるための最良の方法である。さらに、ハンドピース２０が遭遇 しがちな負荷の状況のタイプによる制御システムに課せられる要求に応じて、ｆ ｓ（又は他のパラメータ）の変化に対するｆｄの調整のために、ＰＩＤ理論以外 の良く知られた理論を使用し得る。例えば、システムは、比例又は比例積分制御 の使用のみを要求し得る。ＰＩＤ制御及び他の制御理論は業界で良く知られてお り、したがって、この出願においてはこれ以上記載しない。 しかしながら、ＰＤＩ制御理論（ＦＦＴ ＤＳＰ１５０と共に）の実行ソフト ウエアの使用は、図４に示される制御システムにおいて許容されない遅延という 結果に終り得る。そのような遅延を回避するために、特別な目的で、デジタルＰ ＩＤ制御が、ＦＦＴ ＤＳＰ１５０の出力において制御システムに挿入され得る 。そのようなデジタルＰＩＤ制御器は、ＦＦＴ ＤＳＰ１５０の出力においてＰ ＩＤ理論を実行し且つ制御信号１６０を発生し得る。そのようなデ ジタルＰＩＤ制御器は、商業的に入力可能な集積回路の多数又は多くの広範囲に 知られた構成のうちの何れか１つをアレンジした分離された要素のうちの何れか １つであり得る。制御信号１６０が、ＦＦＴ ＤＳＰによって発生したか、又は 適当なデジタルＰＩＤ制御器によって発生したかによらず、単一周波数源１２０ は、好ましくは、負荷の下でそれが新しく発見されたｆｓに対応するようにｆｄ を調整するために信号１６０を制御する。完全なサイクルが、ｆｄをｆｓに又は ハンドピースの応答特性における予め決められた他の位置に維持するために繰り 返される。 図４には示されていないが、制御信号１６０は、キャリブレーション信号１１ ５の帯域幅、中心周波数又は振幅の１つ又はそれ以上を変更するために、ブロー ド・スペクトル源１１０に送られる。そのような実施形態において、キャリブレ ーション信号１１５の帯域幅１１６は、上述した帯域幅固定の実施形態（帯域幅 は１００から１０，０００Ｈｚであって、好ましくは４，０００Ｈｚ）に比べて 際立って狭くし得る。このタイプの制御システムでの使用に適当な帯域幅は、以 下の式によって決定され得る：帯域幅＝Ａ｜ｆｓ−ｆｐ｜、そこでＡはおよそ０ ．１と１０との間の値であり、好ましくは約１．０と２．０との間である。この 範囲の帯域幅は、ｆｓが、依然、応答信号１４５の中に含まれることを確保する のに充分な広さである。しかしながら、帯域幅は、また、非共振エネルギーによ って駆動されることに起因するハンドピースの要望しない過熱を防止するのに充 分に狭い。本質的に、図４に示される制御実施形態のこの変更例において、パワ ー信号１２５のみよりむしろ、完全な駆動信号１３５が、周波数軸にそってシフ トし、そして帯域幅１１６は、上述した図４の制御実施形態いにおけるものより 狭い。 Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＳＲ７８０は、駆動信号 １３５（上述した、ブロード及び狭いスペクトル駆動信号１３５の両者ための） を発生するのに充分柔軟性のあるプログラム可能なソースを含んでいる。このよ うに、ＳＲ７８０は、駆動信号１３５を提供するため、応答信号１４５を計測す るため、アドミッタンスカーブ２５及びｆｓとｆｐに対応した値を決定するため 、及び使用されるハンドピース２０が遭遇する機械的及び／又は熱的負荷を補償 するための駆動信号１３５を変更するために制御信号１６０を発生させるために 、プログラムされることが可能である。 図５は、本発明に対応した超音波ハンドピースのチューニング及び制御のため の制御システム及び方法の第２の実施形態を図示したブロック図である。増幅器 ２２０と組み合わされたブロード・スペクトル源２１０は、駆動信号２１５を発 生している。ハンドピース２０の初期チューニングは、図３とのつながりで記載 されているように達成される。駆動信号２１５は、予め決められた駆動周波数ｆ ｄのほぼ中心におけるほぼ一定の周波数スペクトルにおいて、ほぼ一定の振幅を 有している。発明の好ましい実施形態において、ハンドピース２０が手術中のい かなるタイプの負荷に遭遇する前に、ｆｄは、知られた状態下でハンドピース２ ０の直列共振ｆｓに対応する。駆動信号２１５の帯域幅２１６は、図３に示され る駆動信号１５の帯域幅１６より実質的に狭い、しかし帯域幅２１６は、ｆｓ（ ｆｓではなくｆｄの値がまた選択され得る、しかしｆｓをｆｄと同じになるよう に選択するとそれに伝えられるパワーを使用するハンドピース２０の効率を最大 化することとなる）を含む期待するハンドピース２０のアドミッタンス対周波数 カーブの一部分が含むのに充分に広い。図３に示される制御実施形態の変更例と のつながりで正に記載されるように、帯域幅は式：帯域幅＝Ａ｜ｆｓ−ｆｐ｜、 そこで“Ａ”はほぼ０．０１と１との間の値で、好ましくは約０． １、によって決定される。 ＦＦＴ ＤＳＰ２４０は、制御信号２５０を発生し、図４に示されるＦＦＴ ＤＳＰ１５０は、ほぼ同じ方式で制御信号１６０を発生する。例えば、機械的な 負荷がハンドピース２０に与えられた場合、又は幾分室温より高く暖められた場 合、ハンドピース２０の応答信号２２５は、図５に示されるように低い周波数に 向かってシフトされ得る。たとえ、ハンドピース２０があらゆる負荷に遭遇する 前にその２つが同じであっても、ｆｓはｆｄ以下である。アドミッタンスカーブ ２５の対応する部分２６は、駆動信号２１５に対する応答信号２２５の比として ＦＦＴ ＤＳＰ２４０によって計算される。一旦、アドミッタンスカーブ２５の 一部分２６が決定されると、ＦＦＴ ＤＳＰ２４０は、一部分２６の最大アドミ ッタンスに対応したｆｓの新しい値を見つける。 ｆｓがそれがもはやアドミッタンスカーブ２５の一部分２６のなかに居ないく らい遠くに離れてしまった場合、次に一部分２６の傾きはｆｓの見込み値を決定 するのに使用されることができる。それの全ての範囲において一部分２６の正の 傾きは、ｆｓがアドミッタンスカーブ２５の現在の部分２６の最高の周波数より 大きいことを示すだろう。それの全ての範囲において一部分２６の負の傾きは、 ｆｓが部分２６の最低の周波数より小さいことを示すだろう。 ｆｓがアドミッタンスカーブ２５の部分２６の中に位置しているかいないかに 拘わらず、ＰＩＤ理論が、ｆｄが調整される方法をやわらげるのに使用される。 図３に示される制御システムにおけるＰＩＤ理論の応用例は、図４に示されたシ ステムとの関係で記載されているものとほぼ同じである。ＰＩＤ理論は、ＦＦＴ ＤＳＰ２４０又は分離された特別の目的のデジタルＰＩＤ回路（図示されず） によって実行される。 本発明の実施形態が上記に記載れてているが、これらの記載は図示及び説明を 目的のために与えられるものである。変形、変更、改良及び上述したシステム及 び方法から出発したものは、要約すると、超音波ハンドピースに対して少なくと も駆動信号の要素を供給するブロード・スペクトル源を働かせ、そして、ハンド ピースをチューニング又は使用されている又は両方の間ハンドピースの動作特性 を変更するために補償する手段としてその駆動信号に対するハンドピースの応答 を使用する、本発明の範囲又は思想から離れない限り適応し得る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ａ）予め決められた駆動周波数以下の低周波数から前記駆動周波数以上の 高周波数までのほぼ連続した周波数のスペクトル上で駆動信号を発生し、 ｂ）前記駆動信号によって前記ハンドピースを励起させ、 ｃ）前記励起させる工程に応答して前記ハンドピースによって発生される応答信 号を計測し、 ｄ）前記周波数のスペクトル上でアドミッタンス対周波数関係を決定するために 前記駆動信号と前記応答信号を比較し、及び ｅ）前記応答信号の形に基づいて少なくとも１つの制御パラメータを決定し、 ｆ）前記制御パラメータに関する情報を含んだ制御信号を発生する工程を有する ハンドピースを有する超音波装置のチューニング方法。 ２．さらに、前記制御パラメータに基づいて前記駆動周波数を調整することに よって前記超音波装置を制御する工程を含む請求項１に記載の方法。 ３．前記制御する工程は、前記駆動周波数を前記ハンドピースの直列共振とほ ぼ等しくするように調整することを含む請求項２に記載の方法。 ４．前記駆動信号はさらに、 ａ）ほぼ前記駆動周波数におけるパワ一要素及び平均パワー振幅を有し、及び ｂ）前記周波数のスペクトル上におけるキャリブレーション要素及び前記周波数 のスペクトル上でほぼ一定且つ前記パワー振幅の平均より充分に低い平均キャリ ブレーション振幅を有する 請求項２に記載の方法。 ５．前記制御する工程は、前記駆動周波数を前記ハンドピースの直列共振とほ ぼ等しくするように調整することを含む請求項４記載の方法。 ６．前記パワー振幅と前記キャリブレーション振幅との間の差異は、ほぼ１０ ｄＢから９０ｄＢである請求項５記載の方法。 ７．前記パワー振幅と前記キャリブレーション振幅との間の差異は、ほぼ２０ ｄＢから４０ｄＢである請求項６記載の方法。 ８．前記高周波数と低周波数との間の差異は、ほぼ１００Ｈｚから１０，００ ０Ｈｚである請求項７記載の方法。 ９．前記高周波数と低周波数との間の差異は、ほぼ４，０００Ｈｚである請求 項８記載の方法。 １０．前記駆動周波数と低周波数との間の差異と高周波数と低周波数との間の 差異との比がほぼ一定になるように前記低周波数と高周波数を調整する工程を含 む請求項４記載の方法。 １１．前記制御する工程は、前記駆動周波数を前記ハンドピースの直列共振と ほぼ等しくするように調整することを含む請求項１０記載の方法。 １２．前記パワー振幅と前記キャリブレーション振幅との間の差異は、ほぼ１ ０ｄＢから９０ｄＢである請求項１１記載の方法。 １３．前記パワー振幅と前記キャリブレーション振幅との間の差異は、ほぼ２ ０ｄＢから４０ｄＢである請求項１２記載の方法。 １４．前記高周波数と前記低周波数との差異は、前記ハンドピースの並列共振 と直列共振との間の差異のほぼ０．１から１０．０倍の範囲に等しい請求項１３ 記載の方法。 １５．前記高周波数と前記低周波数との差異は、前記ハンドピースの並列共振 と直列共振との間の差異のほぼ１．０から２．０倍の 範囲に等しい請求項１４記載の方法。 １６．前記駆動周波数と低周波数との間の差異と高周波数と低周波数との間の 差異との比がほぼ一定になるように前記低周波数と高周波数を調整する工程を含 む請求項２記載の方法。 １７．前記制御する工程は、前記駆動周波数を前記ハンドピースの直列共振と ほぼ等しくするように調整することを含む請求項１６記載の方法。 １８．前記高周波数と前記低周波数との間の差異は、並列共振及び直列共振と の間の差異の０．０１から１倍の範囲にほぼ等しい請求項１７記載の方法。 １９．前記高周波数と前記低周波数との間の差異は、並列共振及び直列共振と の間の差異の０．１倍にほぼ等しい請求項１８記載の方法。 ２０．ａ）前記超音波ハンドピースのための駆動信号を発生させる増幅器と連 結しているプログラム可能なブロード・スペクトル源、及び ｂ）前記駆動信号に応答して前記超音波ハンドピースによって発生される応答信 号を解析し且つ複数のフィードバック制御ループパラメータを発生するプログラ ム可能なプロセッサー の構成を有する超音波ハンドピースをチューニング及び制御するための装置。 ２１．前記プログラム可能なブロード・スペクトル源は、ピンク・ノイズ発生 器である請求項２０に記載の装置。 ２２．前記プログラム可能なプロセッサーは、高速フーリエ変換デジタルプロ セッサーである請求項２０に記載の装置。 ２３．ａ）前記超音波ハンドピースのための駆動信号を発生させる増幅器と連 結しているプログラム可能なブロード・スペクトル源 及び単一周波数源、及び ｂ）前記駆動信号に応答して前記超音波ハンドピースによって発生される応答信 号を解析し且つ複数のフィードバック制御ループパラメータを発生するプログラ ム可能なプロセッサー の構成を有する超音波ハンドピースをチューニング及び制御するための装置。 ２４．前記プログラム可能なブロード・スペクトル源は、ピンク・ノイズ発生 器である請求項２３に記載の装置。 ２５．前記プログラム可能なプロセッサーは、高速フーリエ変換デジタルプロ セッサーである請求項２３に記載の装置。 ２６．前記単一周波数源は、電圧制御発振器である請求項２３に記載の装置。