JP2008289874A - 超音波ハンドピースの動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】同時または別々に、縦運動とひねり運動の両方で振動するような、信頼できる超音波ハンドピースを提供する。
【解決手段】関係する共鳴周波数で励起されたとき、縦運動を生成するように極性化された圧電性素子の少なくとも１つのセットを有するハンドピースを使用する方法である。圧電性結晶は、カッティング・チップ２０が取り付けられた超音波用ホーンに接続される。上記ホーン及び/又はカッティング・チップは、複数の斜めのスリットまたは複数の斜めの溝を備える。上記スリットまたは溝は、上記圧電性結晶が、第２の共鳴周波数で励起されたとき、カッティング・チップに最適なひねり運動を生成する。ひねりモードのとき、物質は、カッティング・チップの動きを目詰まりさせる可能性がある。本願の方法は、目詰まり状態が検出されたとき、カッティング・チップに縦運動用のパルスを提供するステップを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、超音波装置に関連し、より詳細に言えば、眼科の水晶体超音波乳化吸引術用ハンドピースを制御するための装置に関する。

眼科手術に適用可能な典型的な超音波外科手術装置は、超音波駆動のハンドピース、付属の中空のカッティング・チップ（cutting tip）、注水用スリーブ、および電子制御用コンソールを備える。ハンドピース集合体は、電気ケ−ブルおよび柔軟性のある管類によって、上記の制御用コンソールに接続される。制御用コンソールは、ハンドピースによって上記カッティング・チップまで伝達されるパワーレベルを、電気ケーブルを介して変化させる。また、柔軟性のある管類は、ハンドピース集合体を介して、眼に注水用流動体を供給し、および眼から吸引用流動体を取り出す。

ハンドピースの動作部分は、中央部分に置かれた中空の共鳴用の棒すなわちホーンであり、この部分に圧電性結晶のセットが直接取り付けられる。この圧電性結晶は、水晶体超音波乳化吸引術を実施する間、ホーンおよび付属のカッティング・チップの両方を駆動するのに必要とされる必須の超音波振動を供給する。このとき、上記圧電性結晶は、コンソールによって制御される。圧電性結晶/ホーンの集合体は、比較的柔軟性のない取り付け方法によって、節点において中空体すなわちハンドピースのシェル内でサスペンド状態（suspended）におかれる。ハンドピース胴体は、縮小された直径部分すなわち当該胴体の遠位末端にあるノーズ・コーン（nosecone）において終結する。このノーズ・コーンは、注水用スリーブを受け入れるように外側に装着される。同様に、ホーンの穴は、カッティング・チップの外部スレッド（thread）を受け入れるように胴体の遠位末端において内側に装着される。また、注水用スリーブは、内部に通り抜け用穴を有し、この穴は、ノーズ・コーンの外部スレッドの方に向けてねじで締められる。カッティング・チップは、このチップが、注水用スリーブの開口端を通して所定量の水のみが放出できるように調整される。超音波ハンドピースおよびカッティング・チップは、米国特許第3,589,363号、4,223,676号、4,246,902号、4,493,694号、4,515,583号、4,589,415号、4,609,368号、4,869,715号、および4,922,902号において詳細に記載されている。これらの記載内容は、すべて参照として本明細書に取り込まれている。

水晶体超音波乳化吸引術を実施するとき、カッティング・チップおよび注水用スリーブの先端部は、眼の前眼房にアクセスできるように、眼組織内の角膜、強膜、または他の場所の所定幅の小さな切開部まで挿入される。カッティング・チップは、圧電性結晶で駆動される超音波用ホーンによって、注水用スリーブ内の縦軸に沿って超音波振動する。この結果、カッティング・チップは、選択した眼組織に接触することにより、所定の場所を乳化させる。カッティング・チップの中空の穴は、ホーン内の穴に連通し、ホーン内の穴は、ハンドピースからコンソールへとつながる吸引ラインと順番に連通している。コンソール内の減圧された圧力源または真空源は、カッティング・チップの開口端部、カッティング・チップおよびホーンの穴、および吸引ラインを介して、乳化された組織を、眼から吸引し収集装置に取り出す。乳化された組織の吸引は、洗浄用食塩水によって補助される。即ち、この吸引は、注水用スリーブの内側表面とカッティング・チップの外側表面との間の小さな環状のギャップを介して、手術部位に注入される洗浄液によって補助される。また、上記洗浄は、眼内の流体バランスを維持し、眼の形状を維持するのを援助する。

カッティング・チップの超音波による縦運動を当該チップの回転運動と組み合わせる試みが、従来存在した。これらの試みは、米国特許第5,222,959号（発明者：アニス）、米国特許第5,722,945号（発明者：アニス、他）、および米国特許第4,504,264号（発明者：ケルマン）に参照することができる。なお、これらの特許の内容全体は、参照として本明細書に取り込まれている。これらの従来の試みは、チップの回転運動を実現するために、電気モータを使用していた。このため、電気モータの使用によって加わる複雑性と失敗の可能性に加えて、失敗の可能性となるＯリングまたは別のシールをも必要とした。

また、電気モータの使用無しで、縦運動およびひねり運動の両方を生成させるための従来の試みがあった。例えば、米国特許第6,028,387号、6,077,285号、および第6,402,769号（発明者：ボウフニー）は、圧電性結晶の２つのペアを有するハンドピースを記載している。１つのペアは、縦運動を生成するように極性化される。別のペアは、ひねり運動を生成するように極性化される。２つの別々の駆動信号が、圧電性結晶の２つのペアを駆動するのに使用される。実際の実施において、縦方向およびひねり方向の両方に共鳴する圧電性結晶の２つのペアを使用するハンドピースを製作することは、達成困難である。また、１つの可能性がある解決法は、米国特許出願公開第2001/0011176Ａ1（発明者：ボウフニー）に記載されている。この参照文献は、縦運動を生成する圧電性結晶の単一のセットと、ハンドピースのホーンまたはチップを圧電性結晶の共鳴周波数で駆動するときに、ひねり運動を生成する上記ホーンまたはチップ上の斜め方向の連続スリットと、を有するハンドピースを開示している。この場合も、実際問題として、圧電性結晶およびチップまたはホーンの共鳴周波数が一致しないため、同時に縦運動およびひねり運動を達成させることは困難であった。

従って、同時または別々に、縦運動とひねり運動の両方で振動するような、信頼できる超音波ハンドピースを必要とするニーズが存続している。

本発明は、関係する共鳴周波数で励起したとき、縦運動を生成するように分極化された圧電素子の少なくとも１つのペアを有するハンドピースを提示することで、従来技術の超音波ハンドピースの動作方法を改良するものである。圧電性結晶は、カッティング・チップが取り付けられた超音波用ホーンに接続される。ホーン及び/又はカッティング・チップは、複数の斜め方向のスリットまたは溝を含む。これらのスリットまたは溝は、圧電性結晶が第２の共鳴周波数で励起されたとき、カッティング・チップ内に最適化されたひねり運動を生成する。ひねりモードのとき、物質がカッティング・チップを目詰まりさせる可能性がある。本発明の方法は、目詰まり状態が検出されたとき、チップの縦運動用のパルスを供給するステップを備える。

従って、本発明の目的の１つは、縦運動とひねり運動の両方を有する超音波ハンドピースを提示することである。

本発明の更なる１つの目的は、ひねり運動を生成するために、連続した斜め方向のスリットを有するホーン付きの超音波ハンドピースを提示することである。

本発明の別の目的、特徴および利点は、図面および図面等による以下の説明を参照することで明確になるであろう。

図４に最も良く示すように、本発明の使用に適する手術用コンソール３２０は、営業的に使用可能な任意の手術用制御コンソールにすることができる。例えば、このコンソールは、テキサス州フォートワースのアルコン・ラボラトリーズから入手できるINFINITI（登録商標）外科手術用システムにすることができる。コンソール３２０は、注水ライン３２２および吸引ライン５０を介してハンドピース１０に接続され、上記の両ライン３２２、５０を通過する流れは、ユーザによって、たとえば足踏み式のスイッチ３２６を介して制御される。パワーは、電気用ケーブル４００を介してハンドピース１０に供給される。

図１に最も良く示すように、本発明のハンドピース１０は、一般的に超音波用ホーン１２を含み、このホーンは、通常チタン合金から製作される。超音波用ホーン１２は、複数のらせん状のスリットを有し、このスリットについては、以下で説明する。リング状の複数の圧電素子１４（一般的には１つまたは２つのペア）は、ホーン１２に対して圧縮用ナット１５によって保持される。吸引用シャフト１６は、ハンドピース１０の全長分まで伸び、ホーン１２、圧電素子１４、ナット１５およびプラグ１８を介して、ハンドピース１０の遠位末端まで伸びる。吸引用シャフト１６の管部は、中空のチップ２０を介して物質を吸引することができる。このチップは、ホーン１２に取り付けられ、ハンドピース１０に対して抜き差しされる。プラグ１８は、ハンドピース１０の流体密封用外側シェル１１を密閉し、圧電素子１４に悪影響を与えないで、ハンドピース１０を加圧滅菌処理できるようにする。追加の溝２２が、Ｏリングのガスケット（未表示）を密閉するために、ホーン１２の上に提供される。

図２に最も良く示すように、ホーン１２は、複数のらせん状のスリット２４を含む。好ましくは、スリット２４の幅は、ホーン１２の外径の２％から６５％の間にする。勿論、これは、ホーン１２上で製作可能なスリット２４の個数に影響を及ぼす（例えば、スリット２４の幅が、ホーン１２の外径の６５％のとき、１個のスリット２４だけが、ホーン１２上に刻まれる）。選択されるスリット２４の幅は、ねじれ運動の要求される幅によって決まるであろう。ホーン１２内でのスリット２４の深さは、好ましくはホーン１２の外径の４％から４５％の間である。スリット２４は、平面または四角の底部切断を有することができ、しかし好ましくは、円形または放射状の底部を有することもでき、後者の方が容易に製作できる。スリット２４の長さは、好ましくはホーン１２の大きい方の直径の８％から７５％の間である。スリット２４のピッチは、好ましくはホーン１２の大きい方の直径の１２５％から５００％の間である。一例として、外径0.475インチ（1.21ｃｍ）のホーン１２上に適切に配置したスリットの例は、幅が0.04インチ（0.10ｃｍ）、全半径の底部での深さが0.140インチ（0.36ｃｍ）、長さが0.7インチ（1.78ｃｍ）、およびピッチが1.35インチ（3.43ｃｍ）からなるスリット２４を、合計８個にして配置した。この配置で製作したものは、ホーン１２に適したひねり運動を与え、ホーン１２の縦運動を危うくすることもないことが判った。

図１に最も良く示すように、ひねり運動と縦運動の節点の位置（個別モードで速度ゼロの点）は、ハンドピース１０の適切な機能のために重要である。ひねりノード２６は、好ましくは、縦ノード２８と近い位置にあると、ひねりノード２６と縦ノード２８とは、同一場所となり、たとえば、両方が、プラグ１８の上に存在することになる。また、ハンドピース１０は、ホーン１２の縮小された直径部分３２に置かれる末端の縦ノード３０を含むことになる。

図３に最も良く示すように、本発明のハンドピース１０に使用可能な駆動回路３４は、好ましいことに、米国特許第5,431,664号に記載されているものと類似である。この特許の内容は、参照として本明細書に取り込まれている。その中で、駆動回路３４は、ハンドピース１０のアドミッタンスを探知し、一定のアドミッタンスを維持するように、ハンドピース１０の周波数を制御する。しかしながら、駆動回路３４は、ひねりモードと縦モードの両方を監視し、２つの異なる駆動用周波数を使用して、ハンドピース１０内の両モードを制御する。好ましいことに、ひねり用駆動信号は、約３２ＫＨｚであり、縦用駆動信号は４４ＫＨｚであるが、しかし、これらの周波数は、使用する圧電素子１４、およびホーン１２とスリット２４のサイズおよび形状に依存して変更することになる。縦運動用またはひねり運動用の両方の駆動信号は、連続して供給することが可能であるけれど、好ましくは、ひねり運動用信号と縦運動用信号とを交互に行って、駆動信号を、要求パルス数を１つの周波数で供給し、この後、同一パルス数を別の周波数に切り換えて供給するようにする。ただし、２つの周波数間で、オーバーラップすることはなく、しかし、駆動信号内にすき間すなわち中断もないようにする。代替案として、駆動信号は、上記と同様な方法で動作させ、駆動信号内に短い休止すなわちすき間を導入することも可能である。さらに、駆動信号の振幅は、各々の周波数のために、変調させ、個別に設定することも可能である。

駆動信号間の休止すなわちすき間は、種々の目的を果たすことができる。１つの目的は、圧電素子１４およびホーン１２に対する超音波運動を減衰または停止させることを可能にすることで、水晶体の破片を再びチップ２０に吸い上げさせ、または閉塞状態を回復させることができる。この結果、水晶体部分の上での保持力を増加させることになる。閉塞状態を回復させることは、縦運動またはひねり運動のいずれであれ、後続する超音波パルスの切断効率を増加させることになる。駆動信号間の休止すなわちすき間の別の目的は、他のモード（縦運動またはひねり運動のいずれ）が励起される前に、圧電素子１４およびホーン１２に対する超音波運動を減衰または停止させることを可能にすることである。駆動信号間でこのように減衰させることは、システム内に潜在する非線形の相互作用の量を低減させることになる。この非線形の相互作用は、好ましくない熱を生成させる可能性があり、圧電素子１４の早期劣化または集合体全体の機械的損傷を招く可能性がある。

代替案として、縦運動用およびひねり運動用の駆動信号にわずかなオーバーラップを存在させることができる。このオーバーラップは、比較的短い時間間隔で提供することが可能で、ひねり運動および縦運動の両動作が加わったときのチップの変位は、特に水晶体乳化の高速変化を生じることになる。しかし、このオーバーラップは、過度なストレスの結果として圧電素子１４の早期劣化または集合体全体の機械的損傷を招くことから防ぐのに充分な短時間である。

更に別の代替案として、縦運動またはひねり運動の駆動信号を完全にオーバーラップさせることは、２つの信号がオーバーラップしたときに水晶体の物質に高レベルのストレスを与える結果になるが、しかし、駆動信号の間に休止状態を置くことが、閉塞状態の回復および真空度の増強のために、後続するパルス適用の効率を向上させることになる。

更なる別の代替案は、連続した縦信号をパルス状のひねり信号と共に適用することである。または上記適用を逆にして、連続したひねり信号をパルス状の縦信号と共に適用する。ひねりの超音波の連続適用は、反発力を発生させることはない。何故なら、チップ２０の運動は、チップ２０が水晶体に対して垂直方向に係り合う方向に向けられるからである。また、縦の超音波のパルス状の適用は、過熱発生または圧電素子１４への機械的損失を防ぐのに充分な短時間である。

さらに、既に説明したように、縦およびひねり用の両方の駆動信号は、過熱およびシステムへの過大な機械的ストレスを低減するように選択された両信号の振幅で、連続かつ同時に適用することができる。このような駆動方法の基本構想（scheme）を使用するとき、圧電素子１４の２つのペアは、ひねり用信号を１つのペアに適用し、縦用信号を別の１つのペアに適用することが推奨される。

最後に、チップの縦運動は、ぜん動ポンプと類似の方法で、チップ内に吸い込まれた物質を取り除くことを助ける。チップのひねり運動は、上記のぜん動のような運動を生成することはない。結果として、チップ２０は、単純にひねり運動だけを使用するとき、目詰まり状態になる可能性がある。チップが目詰まり状態になることは、ポンプ７０によって生成される真空状態が、吸引ライン５０内で吸引側の真空度を上昇させることで証明される。従って、吸引側の真空度上昇が、圧力センサ６０によって吸引ライン５０内で感知されたとき、圧力センサ６０は、この感知情報を駆動回路３４に提供する。感知された真空度が所定の閾値を超えたとき、縦モードの使用が、短時間での使用、強度を増した使用、または目詰まり状態が取り除かれるまでの持続使用のいずれかの使用で可能になる。当業者は、縦運動用パルスの持続期間及び／又はタイミングのばらつきが、チップのなんらかの目詰まり状態を適切に取り除くために必要になることを認識するであろう。加えて、特定の高いレベルのひねりのパワーは、低いレベルのパワーよりも一層目詰まりさせる傾向になることがある。従って、ひねりのパワーレベルが事前選択されたパワーレベルに達したとき、縦運動は、自動的にかつ可変のパワーレベルで始動させることができる。また、当業者は、語句“パワーレベル”が、振幅（ストローク）およびパルスの負荷サイクルの両方を包含することを認識するであろう。

本発明の特定の実施態様において、上記に説明してきたが、これらの説明は、例証と説明とを与える目的で提供したものである。上記で公開したシステムおよび方法からの変形例、変更例、修正例、および新機軸が、本発明の範囲および精神から逸脱することなく適用可能である。例えば、１次の駆動信号は、第１の周波数を有することができ、ひねり運動を可能にする一方で、２次の駆動信号は、第２の周波数を有することができ、縦運動を可能にする。または、その逆も可能である。

本発明の方法で使用可能なハンドピースの外側ケースをはずしたときの斜視図である。 本発明の方法で使用可能な、超音波用ホーンの斜視図である。 本発明で使用可能な、駆動回路のブロック図である。 本発明で使用可能な、ハンドピースと制御用コンソールの斜視図である。

符号の説明

１０ ハンドピース
１１ 外側シェル
１２ 超音波用ホーン
１４ 圧電素子
２０ カッティング・チップ
２４ スリット
３４ 駆動回路
５０ 吸引ライン
６０ 圧力センサ
７０ ポンプ

Claims (23)

1. 超音波ハンドピースを動作させる方法であって、
   ａ）超音波用ホーンに接続された複数の圧電素子およびハンドピース・シェルを有し、前記超音波用ホーンおよび前記複数の圧電素子を前記ハンドピース・シェル内に保持する超音波ハンドピース、および吸引ラインを提供すること、
   ｂ）前記圧電素子を、前記ホーン内でねじれ運動を生成する第１の周波数を有する駆動信号に従わせること、
   ｃ）前記吸引ライン内の真空度を感知すること、および
   ｄ）前記吸引ライン内で感知された真空度が所定の閾値を超えるとき、前記圧電素子を、前記ホーン内で縦運動を生成する第２の周波数を有する駆動信号に従わせることを含む方法。
2. 前記第１の周波数を有する駆動信号および前記第２の周波数を有する駆動信号は、オーバーラップしない請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の周波数を有する駆動信号および前記第２の周波数を有する駆動信号は、オーバーラップする請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の周波数を有する駆動信号は、連続して適用され、および前記第２の周波数を有する駆動信号は、前記吸引ライン内で感知された真空度に対応してパルス化される請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の周波数を有する駆動信号または前記第２の周波数を有する駆動信号は、可変のパルス持続期間及び/又はタイミングを有する請求項４に記載の方法。
6. 超音波ハンドピースを動作させる方法であって、
   ａ）超音波用ホーンに接続された複数の圧電素子およびハンドピース・シェルを有し、前記超音波用ホーンおよび前記複数の圧電素子を前記ハンドピース・シェル内に保持する超音波ハンドピース、および吸引ラインを提供すること、
   ｂ）前記圧電素子を、１次の駆動信号に従わせること、
   ｃ）前記吸引ライン内の真空度を感知すること、および
   ｄ）前記吸引ライン内で感知された真空度が所定の閾値を超えるとき、前記圧電素子を、２次の駆動信号に従わせることを含む方法。
7. 前記１次の駆動信号および前記２次の駆動信号は、オーバーラップしない請求項６に記載の方法。
8. 前記１次の駆動信号および前記２次の駆動信号は、オーバーラップする請求項６に記載の方法。
9. 前記１次の駆動信号は、連続して適用され、および前記２次の駆動信号は、前記吸引ライン内で感知された真空度に対応してパルス化される請求項６に記載の方法。
10. 前記１次の駆動信号は、可変のパルス持続期間及び/又はタイミングを有する請求項６に記載の方法。
11. 前記１次の駆動信号または前記２次の駆動信号は、可変のパルス持続期間及び/又はタイミングを有する請求項６に記載の方法。
12. 超音波ハンドピースを動作させる方法であって、
    ａ）超音波用ホーンに接続された複数の圧電素子およびハンドピース・シェルを有し、前記超音波用ホーンおよび前記複数の圧電素子を前記ハンドピース・シェル内に保持する超音波ハンドピースを提供すること、
    ｂ）前記圧電素子を、１次の駆動信号に従わせること、および
    ｃ）前記１次の駆動信号が、事前に選択されたパワーレベルに達したとき、前記圧電素子を、２次の駆動信号に従わせることを含む方法。
13. 前記１次の駆動信号および前記２次の駆動信号は、オーバーラップしない請求項１２に記載の方法。
14. 前記１次の駆動信号および前記２次の駆動信号は、オーバーラップする請求項１２に記載の方法。
15. 前記１次の駆動信号は、連続して適用され、および前記２次の駆動信号は、パルス化される請求項１２に記載の方法。
16. 前記１次の駆動信号または前記２次の駆動信号は、可変のパルス持続期間及び/又はタイミングを有する請求項１２に記載の方法。
17. 前記２次の駆動信号は、可変のパワーレベルを有する請求項１２に記載の方法。
18. 超音波ハンドピースを動作させる方法であって、
    ａ）超音波用ホーンに接続された複数の圧電素子およびハンドピース・シェルを有し、前記超音波用ホーンおよび前記複数の圧電素子を前記ハンドピース・シェル内に保持する超音波ハンドピースを提供すること、
    ｂ）前記圧電素子を、可変の１次の駆動信号に従わせること、および
    ｃ）前記１次の駆動信号が、事前に選択されたパワーレベルに達したとき、前記圧電素子を、可変の２次の駆動信号に従わせることを含む方法。
19. 前記１次の駆動信号および前記２次の駆動信号は、オーバーラップしない請求項１８に記載の方法。
20. 前記１次の駆動信号および前記２次の駆動信号は、オーバーラップする請求項１８に記載の方法。
21. 前記１次の駆動信号は、連続して適用され、および前記２次の駆動信号は、パルス化される請求項１８に記載の方法。
22. 前記１次の駆動信号または前記２次の駆動信号は、可変のパルスタイミングを有する請求項１８に記載の方法。
23. 前記２次の駆動信号は、可変のパワーレベルを有する請求項１８に記載の方法。

Images