JP2004522503A - 非焼灼手術用急速パルス水晶体出力 - Google Patents

Abstract

水晶体乳化装置は、針と、ハンドピース電気的システムにパルス化された電気的出力を供給する出力源とともに上記針に超音波振動させる電気的システムとを有する水晶体乳化ハンドピースを含む。洗浄流体は、上記ハンドピースの針へ供給され、吸引流体は上記ハンドピースの針から除去される。供給された電気的出力の電圧電流位相関係の決定がなされ、それに応答して、制御システムは、上記出力源から上記ハンドピース電気的システムへ供給された出力レベルデューティーサイクルを変化させ、及び又は吸引流れ率を修正する。さらに、分離入力は、パルス振幅の手動制御を可能とし、選択された振幅に応答して上記制御システムは、供給されたパルス化電気的出力のデューティーサイクルを決定する。

Description

【０００１】
本出願は、米国特許出願番号０８／７８７２２９で米国特許５８５２７９４の継続出願である１９９８年１２月７日出願の米国特許出願番号０９／２０６４５２で放棄された出願の一部継続出願である１９９９年４月２３日出願の米国特許出願番号０９／２９８６６９で係属中の出願の一部係属出願である。
本発明は、一般的には、水晶体乳化ハンドピース（phacoemulsification handpiece）へ供給されるパワーを制御することはもちろん、ソースから患者への流体の流れ、及び水晶体乳化ハンドピースを介して患者からの流体の除去を制御する方法及び装置に関する。
流体注入や排出による患者への又患者からの流体の流れ、及び水晶体乳化ハンドピースへのパワー制御は、実行される処置に重要である。
医学的に認められた多くの技術は、水晶体の除去及び水晶体内に関して利用されており、普及している技術は水晶体乳化（phacoemulsification）、洗浄（irrigation）及び吸引である。この方法は、角膜の切開、及び目の水晶体を乳化するために超音波を用いて駆動される針（needle）を有し手で持つ医学器具の挿入を行うことを含む。上記乳化と同時に、乳化された水晶体の洗浄のため流体が注入され、乳化された水晶体及び注入された流体の吸引のため真空が提供される。
【０００２】
現在入手可能な水晶体乳化システムは、可変速なぜん動ポンプ、真空センサ、調整可能な超音波出力源、並びに、吸引率、吸い込み及び超音波出力レベルを制御するため操作者に選択された事前設定を有するプログラマブルなマイクロプロセッサを有する。
今日使用されている多くの外科用器具及び制御は、直線的に吸い込みを制御し、又は流体吸引の流れを直線的に制御する。この特徴は、吸い込み又は流れのいずれかについて、外科医が用いている精密に一定量を「供給」（dispense）したり、又は「速さ」を制御したりすることを外科医に可能にするが、上記吸い込み及び流れの両方についてはできない。しかしながら、手術中に、可変項目（吸い込み、吸引率、又は超音波出力）の一つについて他よりも精密な制御が必要となることがしばしばある。上記吸い込みと流れとの関係を理解している経験を積んだ使用者は、許容可能な性能を得るため、可変の事前設定をコンソール上で適切に手動で調整可能である。しかしながら、もしこの調整が見逃されたならば、高吸引及び高流量の両方の組み合わせによって、手術の現場で患者にダメージを与える可能性のある望ましくない流体の急増が引き起こされる可能性がある。
【０００３】
水晶体（phaco）手術で使用する手で持つ手術用器具の制御は複雑であるのは明らかである。水晶体乳化装置は、一般的には、白内障性の水晶体の水晶体乳化を行うため、電源、ぜん動ポンプ、電子関連機器を有するキャビネット、及び接続される、上述したような中空で細長い針状の管を有し多機能で手で持つ手術用器具若しくはハンドピースを備える。
上述した機能を実行するため手で持つ器具を使用する手術では、水晶体乳化手術中に発生するかもしれない上記機能の少なくとも幾つか（例えば、洗浄及び洗浄パルス吸引）の間での選択的な変動又は切り換えを行う能力はもちろん、それらの機能の容易かつ利用し易い制御が要求されることを認識すべきである。
組み合わされた手で持つ医療器具の操作中にキャビネットに装備された制御部を調整する困難さを考慮して、制御システムは、米国特許４９８３９０１号に記載されるように開発されている。該特許は、水晶体乳化手術において要求される複雑な制御に背景技術を提供する目的のため、及び本発明の方法を用いて使用するため利用され又は変更されるであろう装置を記載するため、明細書及び図面の全てを含んで、本出願に完全に編入されるべきである。
【０００４】
さらに、上記制御システムの複雑さを図解するため、米国特許５２６８６２４号が参照される。この特許出願は、この発明の分野における技術状態をさらに述べるため、明細書及び図面の全てを含み、この特別な言及により本出願に編入されるべきである。
水晶体乳化処置の場合の流体及び超音波出力の制御システムの複雑な性質を考慮して、外科医のため、外科的処置で必要なもの及び外科医の特別な技術の両方の要求を満たすようにプログラマブルなシステム、それは外科医の経験及び能力に依存することとは異なるかもしれないシステムを有することが望ましいことは明らかである。
さらに又、本発明は、ハンドピースの圧電変換器に印加される電圧と、上記圧電変換器による電流、及び／又は上記ハンドピースに供給される出力パルスの振幅との間の位相角の決定に基づいた水晶体乳化ハンドピースへの出力制御に関する。
水晶体乳化システムは、典型的に、超音波振動される中空の針、及びそのための電子制御を有するハンドピースを含む。
当該技術で公知のように、水晶体乳化ハンドピースは、上記圧電変換器への電力供給及び制御用の電気ケーブル、目への洗浄流体を供給するための、及び上記ハンドピースを介して目から流体の吸引を止めるための管によって、制御コンソールと相互に連結されている。
【０００５】
上記ハンドピースの中空の針は、典型的に、印加されるＡＣ電圧により結晶に生じる圧電効果によってその長手軸に沿って駆動又は励振される。それに接続される針の動作が結晶の駆動周波数に直接に依存するように、駆動される結晶の動作は、共振周波数にて発生する最大動作に伴って、ハンドピース内の機械的共振システムにより増幅される。
上記共振周波数は、それとともに相互に接続され結晶により振動される針の質量に依存する。
純粋な容量性回路に関して、ハンドピースに印加される電圧を表すサイン波と、結果として生じるハンドピースへの電流との間に９０度の位相角がある。これは、−９０度に等しい角度によって表される。純粋な誘導回路では、上記位相角は、＋９０度に等しく、もちろん、純粋な抵抗回路では０に等しい。
水晶体乳化ハンドピースに用いる典型的な周波数範囲は、約３０ｋＨｚから約５０ｋＨｚの間である。周波数窓（window）は、ハンドピースのインピーダンス及び位相により特徴づけが可能な各水晶体乳化ハンドピースに存在する。
この周波数窓は、上側周波数及び下側のカットオフ周波数により境界づけられる。この窓の中心は、典型的に、ハンドピースの電気的位相が最大値に到達する点として定義づけられる。
この窓外の周波数では、ハンドピースの電気的位相は、−９０度に等しい。
【０００６】
ハンドピース出力移転効率は、式（Ｖ*Ｉ）（ＣＯＳ ）にて与えられる。このことは、ハンドピースの最大効率動作点は、位相が０度に最も近いときに発生することを意味する。
最適のハンドピース出力移転効率を維持するために、位相値を可能な限りゼロ度近くにするように制御することが重要である。
この目標は、超音波ハンドピースの位相角が上記針に含まれる機械的共振システムにより生じる上記変換器の負荷にも依存するという事実により複雑化される。
即ち、目内の組織及び流体とともに針に接触することは、動作位相角における付随した変化とともに圧電結晶に負荷を引き起こしてしまう。
その結果、負荷効果にかかわらず、水晶体ハンドピースにより組織へ一定のエネルギー移転を果たすため、最適な位相角になるよう駆動回路構成を調整するためにハンドピースの操作中はいつでも位相角を測定し決定することが重要である。
従って、水晶体乳化組織においてハンドピースの使用中、ハンドピースの自動チューニングを設けること、及び目から組織を取り出すことが重要である。この自動チューニングは、ハンドピースの電気信号をモニターし、選択したパラメータで一貫性を維持するように周波数を調整することでなされる。
【０００７】
少なくとも、水晶体乳化ハンドピース用の制御回路構成は、一般的に位相検出器として確認されている、電圧及び電流間の位相を測定する回路構成を含むことができる。しかしながら、水晶体乳化ハンドピースの動作周波数に依存することなく位相変動を測定することにおいて問題が発生する。即ち、上述したように、上記位相変動は、ハンドピースの動作周波数に依存することから、その測定における時間遅延は、ハンドピースの敏感なチューニングを設けることを補償するために、複雑な較正回路構成を必要とする。
位相検出は、類似の周波数にてなる２つの電気的周期信号間で相違する時間（位相）に比例した電圧を発生する電気回路へ上記２つの信号を使用する操作である。
位相検出器で発生した上記電圧は、通常、電子回路によって平均化され、又はＡ／Ｄ変換器にてサンプリングされデジタル的に平均化された時間である。
上記平均化された信号は、従来の電圧計にて読み取り可能であり、又は処理用のデータとしてマイクロプロセッサにて使用可能である。又、上記平均化は、電気的ノイズを阻止するのに役立つ。
【０００８】
上述したように、位相検出器の出力は、２つの信号の（発生の）時間差に比例する。定義上、このことは、従来の位相検出器の電気的出力は、信号位相の関数であるが、使用する周波数に直接に比例することを意味する。このことは、使用する周波数を知っておかねばならず、位相検出器の出力を読むとき測定された位相値を引き出すために上記周波数は補正されねばならないことを意味する。一方、上述したように、較正回路は、周波数の変化を無くすことができ、そのような回路は、通常非常に複雑でマイクロコントローラの使用が必要となるかもしれない。さらに、それらのアプローチのどれも、水晶体乳化ハンドピースを象徴する、時間を超えた動作上のドリフトを説明することができない。
この問題は、位相角よりもチューニングパラメータとして変換器のアドミタンスを用いることで問題解決を提案した米国特許５４３１６６４にて認識されている。必要な回路構成は、もちろん複雑であり、従って、コントローラ用のさらなる較正回路構成を必要とせずハンドピースの全動作範囲を超えて安定した、圧電水晶体乳化ハンドピース用のリアルタイム電気的位相を決定する方法が未だに必要である。
【０００９】
超音波的に駆動される水晶体ハンドピースの針は、使用中温度上昇し、そのようにして発生した熱は、上記針を通る洗浄及び吸引流体により大部分放散される。しかしながら、水晶体乳化中、目の組織の過熱を避けるための注意を払わなければならない。
一時停止する出力パルス方法は、組織の過熱及び焼灼を防止するように低減した加熱で針を駆動するために開発されている。
【００１０】
本発明によれば、水晶体乳化装置は、一般的に、針を有する水晶体乳化ハンドピースと、上記針を超音波的に振動させる電気的手段とを含む。電源は、ハンドピース電気的手段へパルス状の電力を供給する手段を設け、目の洗浄及びハンドピース針からの流体の吸引を行う手段も本発明に編入される。
入力手段は、外科医が電気的パルスの振幅を選択できるように提供される。制御手段は、選択されたパルス振幅に応じて、パルスのデューティーサイクルを制御するために設けられる。そのことについて、制御されたオフデューティーサイクルは、次のパルスが活性化する前に、熱の放散を確実にするため制御手段により確立される。好ましくは、制御手段は、１秒間に約２５から約２０００パルス間のパルス反復率を提供する。
本発明の別の実施形態において、供給された電力の電圧電流位相関係を決定する手段が設けられる。
この実施形態において、制御手段は、ハンドピースへの電力供給のパルスのデューティーサイクルを変化させるためパルス振幅及び決定された電圧電流位相関係の両方に応答する。
【００１１】
電圧電流位相関係を決定する手段は、一般的に、圧電ハンドピースの動作ＡＣ電圧に対応したＡＣ電圧信号を得るための手段と、上記圧電ハンドピースの動作ＡＣ電流に対応したＡＣ電流信号を得るための手段とを含む。
上記ＡＣ電流信号から電流サイクルの開始を決定する手段が設けられ、又、上記電流サイクルの開始後、最大値に到達するにＡＣ電流が必要な時間に対応する電圧（Ｖ_Ｉ）を発生する手段も設けられる。
さらに、上記電流サイクルの開始後、最大値に到達するにＡＣ電圧が必要な時間に対応する電圧（Ｖ_Ｖ）を発生する手段が設けられる。
Ａ／Ｄ変換器は、圧電水晶体乳化ハンドピースの電圧、電流間の位相関係を決定するように（Ｖ_Ｖ）と（Ｖ_Ｉ）とを比較し、それに対応する位相信号（Ｓ_Ｐ）を発生する手段を設ける。
水晶体乳化システムを作動させる本発明による方法は、水晶体乳化ハンドピース、超音波出力源、吸引源、洗浄流体源、及びハンドピースからの洗浄流体の吸引を制御する真空センサを有する制御ユニットを含む。上記方法は、水晶体乳化処置のため目に対する手術の関係においてハンドピースを配置し、洗浄流体源から目に洗浄流体を供給する工程を含む。
【００１２】
パルス化された超音波出力は、水晶体乳化処置を行うため超音波出力源からハンドピースへ供給される。好ましくは、パルス化された超音波出力は、１秒に２５から約２０００パルス間の反復率である。
真空吸引は、選択された比率でハンドピースを介して目から洗浄流体を吸い込むように真空源からハンドピースへ行われる。
電力パルス振幅の手動選択を可能にするため入力部が設けられる。
電源からの電力の電圧電流位相関係は、決定可能であり、それに対応して、ハンドピースに供給される超音波出力は、可変的に制御される。
本発明の一実施形態において、上記出力の可変的制御は、上記振幅、及び／又は電圧電流位相関係に対応して供給電力のパルスのデューティーサイクルを変化させることを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本発明の利点及び特徴は、添付の図面を参照することで以下の説明がより良く理解される。ここで、
図１は、本発明による水晶体乳化システムの機能ブロック図であり、
図２は、ハンドピースへ２以上の圧力で洗浄流体を供給する装置を含む、本発明の他の実施形態における水晶体乳化システムの機能ブロック図であり、
図３は、可変の吸引率での水晶体乳化システムにおける閉塞−非閉塞モードの動作を表すフローチャートであり、
図４は、可変の超音波出力レベルでの水晶体乳化システムにおける閉塞−非閉塞モードの動作を表すフローチャートであり、
図５は、水晶体乳化システムの可変なデューティーサイクルパルス機能の動作を表すフローチャートであり、
図６は、可変の洗浄率での水晶体乳化システムにおける閉塞−非閉塞モードの動作を表すフローチャートであり、
図７は、圧電水晶体乳化ハンドピースへ印加される電圧を示すサイン波と、結果として生じるハンドピースへの電流との間で９０度位相をシフトした図であり、
図８は、位相関係と、典型的な圧電水晶体乳化ハンドピースのインピーダンスとの図であり、
図９は、本発明による方法を実行するために適切な改良された位相検出器の回路構成のブロック図であり、
図１０は、種々のハンドピース／針の負荷に関する周波数の関数として位相関係を示す図であり、
図１１は、最大位相モード動作でハンドピース／針のパラメータを制御するために位相角を利用する位相制御水晶体乳化システムの機能ブロック図であり、
図１２は、負荷検出方法でハンドピース／針のパラメータを制御するために位相角を利用する位相制御水晶体乳化システムの機能ブロック図であり、及び
図１３は、位相制御水晶体乳化システムの機能ブロック制御図である。
【図面の詳細な説明】
【００１４】
図面に目を向け、特に図１では、機能ブロック図の形態にて、大まかに符号１０にて示される水晶体乳化システムが示されている。該システムは、制御ユニット１２、図１において一点鎖線で示され、可変速なぜん動ポンプ１４を含み、真空源、パルス化された超音波出力源１６、並びに、ポンプ速度コントローラ２０及び超音波出力レベルコントローラ２２へ制御出力を供給するマイクロプロセッサコンピュータ１８を設ける。真空センサ２４は、ぜん動ポンプ１４の出力側での真空レベルを表す入力信号をコンピュータ１８へ供給する。ベント２６により適当な通気が行われる。
より詳しく後述するように、位相検出器２８は、ハンドピース／針３０に印加される電圧を表すサイン波と、結果として生じるハンドピース３０への電流との間の位相変動を表すコンピュータ１８への入力信号を提供する。ハンドル３０を表すブロックは、針、及び該針を超音波振動させる一般的な圧電結晶の電気手段を有する一般的なハンドピースを含む。
【００１５】
制御ユニット１２は、ライン３２にて超音波出力を水晶体乳化ハンドピース／針３０に供給する。洗浄流体源３４は、ライン３６を通して流体を用いてハンドピース／針３０に接続される。上記洗浄流体及び超音波出力は、ブロック３８にて図示される患者の目に、ハンドピース／針３０によって供給される。目３８からの吸引は、ライン４０、４２を介して制御ユニットのぜん動ポンプ１４の手段によりなされる。ハンドピース３０に配置されるスイッチ４３は、後述するように、コンピュータ１８、出力レベルコントローラ２２及び超音波出力源１６を介してハンドピースへの電気的パルスの振幅を外科医が選択可能とするための手段として使用可能である。例えば足ペダル（不図示）のようないずれの適当な入力手段がスイッチ４３の代わりに利用可能であることは評価すべきである。
コンピュータ１８は、上述の真空センサ２４からの信号によるぜん動ポンプ１４からの出力ライン４２におけるプリセットされた真空レベルに応答する。ハンドピース３０の閉塞−非閉塞状態に応答したコントロールユニットの動作は、図３のフロー図に示されている。
【００１６】
図３に示すように、もしハンドピース吸引ライン４０が閉塞しているならば、真空センサ２４により検出された真空レベルは、増加するであろう。コンピュータ１８は、吸引率、真空レベル、及び超音波出力レベルに関する操作者設定可能な制限を有する。図３に示すように、真空センサ２４にて検出された真空レベルがハンドピース吸引ライン４０の閉塞の結果として既定レベルに到達したとき、コンピュータ１８は、吸引率を順番に変更するぜん動ポンプ１４の速度を変更するようにポンプ速度コントローラ２０へ命令する。ハンドピース／針３０を閉塞する物質の特性により、ぜん動ポンプ１４の速度は増加又は減少可能であることを評価すべきであろう。上記閉塞物質が分解したとき、真空センサ２４は、真空レベルの低下を示し、ぜん動ポンプ１４の速度を非閉塞動作速度へ変化させる。
ぜん動ポンプ１４の速度変化による吸引率の水晶体乳化パラメータの変化に加えて、超音波出力源１６の出力レベルがハンドピース３０の閉塞−非閉塞状態の関数として変更可能である。図４は、コンピュータ１８及び出力レベルコントローラ２２による超音波出力源の出力レベルの制御をフロー図で示している。図４のフロー図は、図３のフロー図に対応するが、超音波出力レベルの水晶体乳化パラメータを変更することを評価すべきであろう。
【００１７】
図５を参照し、図５には、選択された出力レベルの関数として変化するパルスデューティーサイクルを生じるような超音波出力源１６の制御を示すフロー図が示されている。図５に示すように、又、実例のみとして、予めセットしたしきい値、この場合３３％、を出力レベルが超えるまで、３３％のパルスデューティーサイクルが実行される。それを超えた時点で、超音波出力レベルがしきい値の５０％を超えるまでパルスデューティーサイクルは増加され、それを超えた時点でパルスデューティーサイクルは６６％に増加される。超音波出力レベルがしきい値の６６％を超えたとき、出力源は連続的に、即ち１００％のデューティーサイクルで作動する。図５には、３３％、５０％、及び６６％が示されているが、異なるデューティーサイクル変更点を規定するため、他のパーセンテージが選択可能である。
図１３を参照し、スイッチ４３を介して振幅入力によりコンピュータ１８がパルスモード動作可能となったとき、熱組織損傷の習慣（use）は減少する。本発明によれば、非常に急速なパルス期間は、運動の又は機械的なエネルギーで組織を切断するのに適切なエネルギーを供給するが、パルスは、次のパルスが活性化する前に熱的ＢＴＵ’ｓを排除するのに十分に長く停止する。外科医は、選択したパルス振幅、洗浄、及び吸引での流体の流れ割合に応答してスイッチ４３及び制御ユニットを介して直線的な方法においてパルス振幅を変化させることができ、パルスのデューティーサイクルを制御する。上述したように、オフデューティー期間又はサイクルは、次のパルスが活性になる前に熱消散を確実にするように設けられる。この方法において、振幅の増加は、先端の加速を増加し、熱発生の組織損傷に関するＢＴＵ’ｓを増加する。即ち、外科医は、組織密度を切り離すのに必要な正確な加速を選択するように直線的な出力コントロールを使用可能であり、一方、制御ユニットは、熱による組織の補償作用の喪失を防止するように、パルス幅及び「オフタイム」において対応する変化を提供する。制御ユニットは、選択された水晶体ハンドピース（合計ワット数）又は水晶体先端（大きさ、重量）に依存してプログラムされる。急速な脈動の使用は、レーザーが非常に短期のパルスでどのように動作するかに類似する。パルスは、約２５から２０００パルス／秒の間の反復率を有することができる。
【００１８】
図２に戻り、図２では、本発明による、他の実施形態における水晶体乳化システム５０を示しており、図１に示す構成部分と同じ構成部分については同じ符号で、図１に示すシステム１０の構成要素の全てを組み込んでいる。
洗浄流体源３４の他に、第２洗浄流体源３５は、ライン３４ａ，３５ａを介してハンドピース／針３０に入るライン３６、及びバルブ３８に接続される供給源３４、３５を設ける。バルブ３８は、出力レベルコントローラ２２からライン５２を介する信号に応答して、ハンドピース／針３０に対して、ライン３４ａと供給源３４とを、及びライン３５ａと供給源３５とを二者択一的に接続するように機能する。
示されるように、洗浄流体源３４、３５は、ハンドピース／針３０の上方で異なる高さに配置され、複数の圧力にてハンドピースへ洗浄流体を導く手段を提供し、容器３５内の流体の水頭は、容器３４内の流体の水頭よりも大きい。異なる長さ４４、４６のラインを含むハーネス４２は、サポート４８に接続されるとき、ハンドピース／針３０の上方で異なる高さに容器３４、３５を配置する手段を提供する。
種々の高さでの洗浄流体用容器の使用は、洗浄流体を異なる圧力で供給する手段を表し、又、代わりのものとして、分離したポンプは、例えば、出力コントローラ２２からの命令でハンドピース／針３０へ別々の圧力にて洗浄流体を供給可能である分離した循環ループ（不図示）を設けることができる。
【００１９】
図５を参照して、もしハンドピースの吸引ライン３８が閉塞したならば、真空センサ２４により検出される真空レベルは、増加するであろう。コンピュータ１８は、洗浄流体供給３２、３３のどちらをハンドピース３０に接続するかを制御するための、操作者が設定可能な制限を有する。２つの洗浄流体源、即ち容器３２、３３が示されているけれども、どんな数の容器も使用可能であることは評価されるべきである。
図６に示すように、真空センサ２４による真空レベルが既定レベルに到達したとき、吸引ハンドピースライン３８の閉塞の結果として、コンピュータは、バルブ３８を制御し、バルブ３８に、容器３４、３５の各々とハンドピース／針３０との間で流体の伝達を制御させる。
ハンドピース／針３０を閉塞する物質の特性に依存して、上述したように医師のニーズ及び技術において、ハンドピースに供給される洗浄流体の圧力は、増加又は減少するかもしれないことを評価すべきである。物質２４により閉塞したとき、真空センサ２４は、真空レベルにおいて低下を示し、非閉塞レベルの圧力を提供する容器３４、３５にバルブ３８を切り換えさせる。
上述したように、本発明では１以上の容器が使用可能であることを評価すべきであり、他の例として、図１Ａの容器システムに関して上述したように、３つの容器のどれからも洗浄流体を選択するように相互に接続するバルブを有する３つの容器がある。
真空の関数として水晶体乳化ハンドピース／針３０のパラメータを変更することに加えて、ハンドピースの閉塞又は非閉塞状態が、位相の変動又は位相カーブ形状における変化としてハンドピース／針により検知された負荷の変化に基づいて決定可能である。
【００２０】
水晶体乳化ハンドピース３０に使用される一般的な周波数範囲は、約３０ｋＨｚから約５０ｋＨｚの間である。ハンドピースに供給される周波数が共鳴周波数よりも著しく高いとき又は低いとき、それはコンデンサとして電気的に応答する。この動的状態の表示は、曲線６０（実線）がハンドピース３０の電流に対応するサイン波を表し、曲線６２（点線）がハンドピース３０の電圧に対応するサイン波を表す図７に示される。
一般的な水晶体乳化ハンドピース３０のインピーダンスは、周波数で変化し、即ちそれは反作用（reactive）である。一般的なハンドピース３０において周波数の関数としての位相とインピーダンスとの依存関係は、曲線６４が周波数の関数としてのハンドピースの電流と電圧との間の位相差を表し、曲線６６が周波数の関数としてのハンドピースのインピーダンスにおける変化を表す図８に示される。上記インピーダンスは、典型的な周波数範囲に関して「Ｆｒ」での低、「Ｆａ」での高を示す。
【００２１】
簡単に上述したように、ハンドピースの自動チューニングは、一般的に、ハンドピースの電気的信号をモニタリングし、選択されたパラメータで一貫性を維持するように周波数を調整することにより達成される。
水晶体乳化ハンドピースの先端にて生じる負荷を補償するため、ハンドピースへの駆動電圧は、上記負荷が検出されている間、増加可能であり、上記負荷が取り除かれたとき減少される。この位相検出器は、このタイプのシステムでは、一般的にコントローラの部分である。
そのような従来の位相検出器において、一般的な出力は、電圧及び電流の波形の並びの差異、例えば図７に示すように−９０度の差異に比例するような電圧である。図８に示すように、ハンドピースの使用中、位相において上記波形が変化し、それに対応して出力波形も変化する。
【００２２】
以前は、電気的位相を測定する標準的な技術は、位相に又周波数に比例する電圧を読むことである。この種の回路は、周波数の変化が較正データを不正確にするように単一の周波数を用いた使用に関して較正可能である。
又、これは、単一周波数システムで示される。修正された位相値は、回路パラメータにおける変化のため起草（draft）される。
他の典型的なアプローチは、位相検出器の出力値と周波数検出器の出力値とを比較し、真の位相を計算するマイクロプロセッサを利用することである。このアプローチは、かなり複雑であり、解決の限界はもちろん、個々の回路のドリフトを受け易い。
図９に示すブロック図７０は、本発明による方法を実行するのに適当な改良された位相検出器を表している。図示された各機能ブロックは、一般的設計の従来の技術状態の回路構成、及び後述の各ブロックにて表された機能を生じる構成部分を備えている。
電圧入力７２及び水晶体乳化ハンドピース３０からの電流７４は、水晶体乳化ハンドピースへの電圧信号にて減衰器７６を使用して、並びにハンドピース３０の電流用の電流検知抵抗器７８及び固定ゲイン増幅器を使用して、適切な信号に変換される。
【００２３】
その後、ＡＣ電圧信号８０及びＡＣ電流信号８２は、水晶体乳化のアナログの電圧及び電流を論理レベルクロック信号に変換する比較器８４、８６を通る。
比較器８４からの出力は、２で除算する周波数として形成されたＤ−フリップフロップ集積回路９０へ供給される。集積回路９０の出力９２は、積分器９４として形成された演算増幅器へ供給される。積分器９４の出力９６は、最終増幅がハンドピース周波数に逆比例する鋸歯状波形である。タイミング発生器９８は、各サイクルの終りで上記積分器をリセットするタイミングとともに、Ａ／Ｄ変換器のタイミングを生成するため電圧信号に同期したクロックを使用する。
この信号は、ライン９６を介してＡ／Ｄ変換器の電圧基準へ供給される。
電流の立下り縁及び電圧の立上がり縁の検出器１００は、ハンドピースの電圧信号の立上がり縁を分離するため、Ｄ−フリップフロップ集積回路を使用する。この信号は、ハンドピース３０の電圧とハンドピース３０の電流との間のタイミングプロセスを開始する開始信号として使用される。
【００２４】
立上がり検出器１００の出力１０２は、ハンドピース３０の電圧波形の立上がり縁及びハンドピース電流波形の立下り縁の発生における時差に比例したパルスである。
別の積分器回路１０４は、検出器１００から取ったハンドピース位相信号１０２用に使用される。積分器回路１０４の出力１０６は、最大振幅が水晶体乳化の電圧の立上がり縁の開始と、ハンドピース電流波形の立下り縁の開始との時差に比例する鋸歯状波形である。積分器回路１０４の出力１０６は、アナログ入力、即ちＡ／Ｄ（アナログからデジタルへの変換器）集積回路１１０へ供給される。
それゆえに、Ａ／Ｄ変換器１１０への正の参照入力９６は、動作周波数に逆比例する電圧である。位相電圧信号９６は、動作周波数に逆比例するとともに、電圧開始の立上がり縁と、電流開始の立下り縁との間の位相差に比例する。この構成において、周波数電圧参照９６及び位相電圧４６の２つの信号は、周波数範囲を超えて互いに追跡し、その結果、Ａ／Ｄ変換器１１０の出力は、動作周波数に独立した位相を発生する。
このアプローチを利用する有利な点は、システムコンピュータ１８（図１、２を参照）は、０から２５５の数が堅実に位相の０から３５９度を表すリアルタイムデジタル位相信号を供給することである。
重要な利点は、利用される周波数にもかかわらず測定が堅実であるので、較正の形態が必要でないという点である。
例えば、３８ｋＨｚ及び４７ｋＨｚのＡＭＰｓ動作周波数、１５０×１０^３Ｖ／２の立上がり時間を有する積分器、及び２５６カウントを有する８ビットのＡ／Ｄ変換器を使用したとき、一定割合が維持され、周波数の変動は結果に影響を与えない。このことは、以下の例に示されている。
【００２５】
例１ ３８ｋＨｚ動作：
１クロックサイクルの期間＝１／Ｆ ＠ ３８ｋＨｚ＝２６．３２×１０^−６Ｓ
Ｉに関する１期間の部分
＝９０度 ＝２６．３２×１０^−６Ｓ／４＝６．５９×１０^−６Ｓ
１参照サイクルに関する積分器出力
＝（１５０×１０^−３Ｖ／Ｓ）×（２６．３２×１０^−６Ｓ）＝３．９５ボルト
９０度サイクル中からの積分器出力
＝（１５０×１０^３Ｖ／Ｓ）×（６．５９×１０^−６Ｓ）＝０．９８８ボルト
Ａ／Ｄ変換器からの結果カウント数
＝３．９５ボルト／２５６カウント＝０．０１５４ボルト／カウント
３８ｋＨｚで９０度に関する実Ａ／Ｃカウント数
例２ ４７ｋＨｚ動作：
１クロックサイクルの期間＝１／Ｆ ＠ ４７ｋＨｚ＝２１．２８×１０^−６Ｓ
１参照サイクルに関する積分器出力
＝（１５０×１０^３Ｖ／Ｓ）×（２１．２８×１０^−６Ｓ）＝３．１９ボルト
９０度サイクル中からの積分器出力
＝（１５０×１０^３Ｖ／Ｓ）×（５．３２×１０１０^−６Ｓ）＝０．７９８ボルト
Ａ／Ｄ変換器からの結果カウント数
＝３．１９ボルト／２５６カウント＝０．０１２４ボルト／カウント
４７ｋＨｚで９０度に関する実Ａ／Ｃカウント数
＝０．７９８／０．０１２４＝６４カウント
【００２６】
周波数の関数としての位相角のプロットが、負荷なし（最大位相）、軽負荷、中位負荷、及び高負荷を負荷した種々のハンドピース３０に関して、図１０に示されている。
最大位相モード動作を表している図１１を参照して、実位相が決定され最大位相と比較される。もし実位相が最大位相と同じ若しくは最大位相より大きいならば、通常の吸引機能が実行される。もし実位相が最大位相より小さいならば、変化が位相の変化に比例する状態で吸引率は変更される。
図１２は、本発明の方法の、負荷（図１０を参照）検出が動作に編入される最大負荷より小さいところでの動作を表している。
【００２７】
最大位相モード動作を表している図１１に表されるように、もしハンドピース吸引ライン４０が閉塞したならば、位相検出器センサ２８により検出される位相は、減少する（図１０参照）。コンピュータ１８は、吸引率、真空レベル、及び超音波出力レベルに関して操作者が設定可能な制限を有する。図１１に示すように、位相検出器２８により検出される位相がハンドピース吸引ライン４０の閉塞の結果として既定レベルに達したとき、コンピュータ１８は、吸引率を順番に変更してぜん動ポンプ１４の速度を変更するようにポンプ速度コントローラ２０に命令する。
ハンドピース／針３０を閉塞する物質の特性に依存して、ぜん動ポンプ１４の速度は、増加又は減少可能であることは評価されるであろう。上記閉塞物質が分解したとき、位相検出器２８は、位相角の増加を示し、コンピュータ１８にぜん動ポンプ１４の速度を非閉塞動作速度へ変化させる。
ぜん動ポンプ１４の速度を変更することで吸引率の水晶体乳化パラメータを変化することに加えて、超音波出力源１６の出力レベル及び／又はデューティーサイクルは、ハンドピース３０の閉塞又は非閉塞状態の関数として変更可能である。
本発明が役立つように使用可能である手法を実例を出して説明するため、本発明による圧電水晶体乳化ハンドピースの電圧電流位相関係を利用した水晶体乳化ハンドピースを制御する方法及び装置について上述のように説明したが、本発明はそれに限定されるものではない。従って、いずれの及び全ての改良、変更、又は当業者が実行するであろう等価の取り合わせは、添付の請求範囲に規定されるように本願発明の範囲内であると考えられるべきである。

Claims (13)

1. 針、及び該針を超音波振動させる電気的手段を有する水晶体乳化ハンドピースと、
   上記ハンドピースの上記電気的手段へパルス化された電気的出力を供給する電源手段と、
   上記電気的パルスの振幅を外科医が選択可能な入力手段と、
   目に洗浄流体を供給し、上記ハンドピースの針から流体を吸引する手段と、
   上記ハンドピースに供給される出力のパルスのデューティーサイクルを制御するため上記選択されたパルス振幅に応答し、次のパルスが活性化する前に熱放散を確実にするようにオフデューティーサイクルを制御する制御手段と、
   を備えた水晶体乳化装置。
2. 上記制御手段は、約２５から約２０００パルス／秒の間の反復率を提供する、請求項１記載の水晶体乳化装置。
3. 上記入力手段は、パルス振幅の直線的な選択が可能である、請求項１記載の水晶体乳化装置。
4. 針、及び該針を超音波振動させる電気的手段を有する水晶体乳化ハンドピースと、
   上記ハンドピースの上記電気的手段へパルス化された電気的出力を供給する電源手段と、
   上記電気的パルスの振幅を外科医が選択可能な入力手段と、
   供給された電気的出力の電圧電流位相関係を決定する手段と、
   目に洗浄流体を供給し、上記ハンドピースの針から流体を吸引する手段と、
   パルスのデューティーサイクルを制御するため、上記選択されたパルス振幅に応答しかつ電圧電流位相関係を決定し、次のパルスが活性化する前に上記流体による熱放散を確実にするようにオフデューティーサイクルを制御する制御手段と、
   を備えた水晶体乳化装置。
5. 上記制御手段は、約２５から約２０００パルス／秒の間の反復率を提供する、請求項４記載の水晶体乳化装置。
6. 上記入力手段は、パルス振幅の直線的な選択が可能である、請求項４記載の水晶体乳化装置。
7. 上記電圧電流位相関係決定手段は、
   圧電ハンドピースの動作ＡＣ電圧に対応したＡＣ電圧信号を得るための手段と、
   圧電ハンドピースの動作ＡＣ電流に対応したＡＣ電流信号を得るための手段と、
   上記ＡＣ電流信号から電流サイクルの開始を決定するための手段と、
   上記電流サイクルの開始後、上記ＡＣ電流信号が最大値に到達するに必要な時間に対応した電圧（Ｖ_Ｉ）を生成するための手段と、
   上記電流サイクルの開始後、上記ＡＣ電圧信号が最大値に到達するに必要な時間に対応した電圧（Ｖｖ）を生成するための手段と、
   上記圧電水晶体乳化ハンドピースの電圧及び電流間の位相関係を決定するため（Ｖｖ）及び（Ｖ_Ｉ）を比較するためのＡ／Ｄ変換器手段と、
   を有する、請求項４記載の水晶体乳化装置。
8. 水晶体乳化ハンドピース、超音波出力源、真空源、洗浄流体源、及び上記ハンドピースにパルス化された超音波出力を供給するための制御ユニットを含む水晶体乳化システムを動作させる方法であって、該動作方法は、
   （ａ）水晶体乳化処置に関して目に対する手術の関係において上記ハンドピースを配置し、
   （ｂ）上記洗浄流体源から上記目に洗浄流体を供給し、
   （ｃ）上記水晶体乳化処置を実行する上記ハンドピースへ上記超音波出力源から超音波出力を提供し、
   （ｄ）上記ハンドピースへ供給された出力パルスの振幅を制御し、
   （ｅ）上記真空源から上記ハンドピースへ真空を作用させて、選択された割合で、上記ハンドピースを通して上記目から上記洗浄流体を吸引し、
   （ｆ）上記出力パルス振幅に応答して、上記ハンドピースに供給された出力のパルスデューティーサイクルを可変に制御して、次のパルスが活性化する前に熱放散を確実にするようにオフデューティーサイクルを制御する、
   各ステップを備える。
9. 上記パルスデューティーサイクルの制御は、約２５から約２０００パルス／秒の間のパルス反復率を提供することを含む、請求項８に記載の動作方法。
10. 上記出力パルスの振幅制御は、直線的な方法で上記振幅を制御する、請求項８に記載の動作方法。
11. 水晶体乳化ハンドピース、超音波出力源、真空源、洗浄流体源、及び上記ハンドピースにパルス化された超音波出力を供給するための制御ユニットを含む水晶体乳化システムを動作させる方法であって、該動作方法は、
    （ａ）水晶体乳化処置に関して目との動作関係において上記ハンドピースを配置し、
    （ｂ）上記洗浄流体源から上記目に洗浄流体を供給し、
    （ｃ）上記水晶体乳化処置を実行する上記ハンドピースへ上記超音波出力源から超音波出力を提供し、
    （ｄ）上記ハンドピースへ供給された出力パルスの振幅を制御し、
    （ｅ）上記出力源からの出力の電圧電流位相関係を決定し、
    （ｆ）上記真空源から上記ハンドピースへ真空を作用させて、選択された割合で、上記ハンドピースを通して上記目から上記洗浄流体を吸引し、
    （ｇ）上記出力パルス振幅及び決定された電圧電流位相関係に応答して、上記ハンドピースに供給された出力のパルスデューティーサイクルを可変に制御して、次のパルスが活性化する前に熱放散を確実にするようにオフデューティーサイクルを制御する、
    各ステップを備える。
12. 上記パルスデューティーサイクルの制御は、約２５から約２０００パルス／秒の間のパルス反復率を提供することを含む、請求項１１に記載の動作方法。
13. 上記電圧電流位相関係の決定は、
    圧電ハンドピースの動作ＡＣ電圧に対応したＡＣ電圧信号を得て、
    圧電ハンドピースの動作ＡＣ電流に対応したＡＣ電流信号を得て、
    上記ＡＣ電流信号から電流サイクルの開始を決定し、
    上記電流サイクルの開始後、上記ＡＣ電流信号が最大値に到達するに必要な時間に対応した電圧（Ｖ_Ｉ）を生成し、
    上記電流サイクルの開始後、上記ＡＣ電圧信号が最大値に到達するに必要な時間に対応した電圧（Ｖｖ）を生成し、
    Ａ／Ｄ変換器を使用して、デジタル出力信号（Ｓｐ）を生成し、
    （Ｖｖ）及び（Ｖ_Ｉ）を比較し、かつ上記圧電水晶体乳化ハンドピースの電圧及び電流間の位相関係を決定することにより、上記位相信号（Ｓｐ）を周波数に独立とする、
    各ステップを備える、請求項１１記載の動作方法。

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