JP2010053767A - 流体噴射装置、流体噴射手術器具及び流体噴射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズルと流体噴射対象物との距離に応じて、ノズルから噴射される流体の圧力を適切に調整することが可能な流体噴射装置、流体噴射手術器具及び流体噴射方法を提供する。
【解決手段】流体噴射装置１は、流体室５０１の容積を変更する容積変更手段４０１と、流体室５０１に連通する入口流路５０３及び出口流路５１１とを有する脈動発生部１００を備える。また、流体噴射装置１は、出口流路５１１及び流体噴射口２１２に連通する接続流路２０１を有する流路管２００と、入口流路５０３に流体を供給する流体供給手段２０と、容積変更手段４０１を制御する制御手段３０と、流体噴射口２１２と流体噴射対象物との距離を検出する距離検出手段４０とを備える。そして、制御手段３０は、距離検出手段４０が検出した距離に応じて、容積変更手段４０１を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、加圧した流体を噴射する流体噴射装置、流体噴射手術器具及び流体噴射方法に関する。

従来、この種の技術としては、例えば、加圧ポンプからハンドピースに加圧した流体を供給することによって、ハンドピースの先端に設けられたノズルから高圧流体を噴射する流体噴射装置がある（特許文献１参照）。また、この流体噴射装置では、ノズルに吸引チューブが配設され、吸引チューブに接続された吸引ポンプを駆動することによって、噴射対象物に噴射された流体を吸引する。
そして、上記従来技術では、ノズルと流体噴射対象物の表面との距離を測定可能な測定部を備え、測定部が測定した距離に応じて、加圧ポンプを調整することによって、ノズルから噴射される流体の圧力を調整する。
ここで、一般的に、流体噴射装置に用いられる加圧ポンプは、ハンドピースに対して大きな構成となっている。したがって、流体噴射装置においては、加圧ポンプはハンドピースから離間して配置され、加圧ポンプとハンドピースとはチューブ等によって接続されている。
特開平５−７６５４０号公報

従来技術においては、ハンドピースと離間して配置された加圧ポンプを調整するため、また、ノズルから噴射される流体が連続流であるため、ノズルと流体噴射対象物との距離に応じて、ノズルから噴射される流体の圧力を適切に調整することが困難であった。
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、ノズルと流体噴射対象物との距離に応じて、ノズルから噴射される流体の圧力を適切に調整することが可能な流体噴射装置、流体噴射手術器具及び流体噴射方法を提供することを課題とする。

上記目的を達成するために、第一の発明に係る流体噴射装置は、流体が流入する流体室と、流体室の容積を変更する容積変更手段と、流体室に連通する入口流路及び出口流路と、を有する脈動発生部と、一端が出口流路に連通し、他端が流体噴射口に連通する接続流路を有する流路管と、入口流路に流体を供給する流体供給手段と、容積変更手段による流体室の容積の変更を制御する制御手段と、流体噴射口と流体噴射対象物との距離を検出する距離検出手段と、を備え、制御手段は、距離検出手段が検出した距離に応じて、容積変更手段による流体室の容積の変更を制御することを特徴とする。

第一の発明に係る流体噴射装置では、流体噴射口と流体噴射対象物との距離に応じて、流路管に連通する脈動発生部を制御するため、流体噴射口と流体噴射対象物との距離に応じて、流体噴射口から噴射される流体の圧力を適切に調整することが可能となる。
例えば、第一の発明に係る流体噴射装置では、流体噴射口と流体噴射対象物との距離に応じて流体噴射口から噴射される流体の圧力を調整する際に、流路管に連通する脈動発生部を制御する。これにより、流体供給手段（ポンプ）を制御する場合と比較して、流体噴射口と流体噴射対象物との距離に応じて、流体噴射口から噴射される流体の圧力を高い応答性をもって調整することが可能となる。

また、噴射される流体の圧力を調整する際に、流路管に連通する脈動発生部を制御するため、ウォーターハンマー現象の発生を抑制することができる。
なお、第一の発明に係る流体噴射装置では、脈動発生部を備えることによって、流体噴射口から噴射される流体が脈動流となる。ここで、流体噴射口から脈動流を噴射する場合、連続流を噴射する場合と比較して噴射する流体の流量が少なくてすむ。したがって、流体噴射口から噴射される流体の圧力を調整した際の噴射される流体の流量の変化が、連続流を噴射する場合と比較して小さくなる。これにより、流体噴射口と流体噴射対象物との距離に応じて流路管から噴射される流体の圧力を調整する際に、吸引ポンプの調整が不要となる。

ここで、流体室としては、例えば、後述する流体室５０１が該当する。容積変更手段としては、例えば、後述する圧電素子４０１が該当する。入口流路としては、例えば、後述する入口流路５０３が該当する。出口流路としては、例えば、後述する出口流路５１１が該当する。脈動発生部としては、例えば、後述する脈動発生部１００が該当する。接続流路としては、例えば、後述する接続流路２０１が該当する。流体噴射口としては、例えば、後述する流体噴射開口部２１２が該当する。流路管としては、例えば、後述する接続流路管２００が該当する。流体供給手段としては、例えば、後述するポンプ２０が該当する。制御手段としては、例えば、後述する制御手段３０が該当する。距離検出手段としては、例えば、後述する距離検出手段４０が該当する。

また、第二の発明に係る流体噴射装置は、第一の発明に係る流体噴射装置において、距離検出手段は、光を出射する光源部と、光源部から出射された光を、流体噴射口まで導光して、流体噴射対象物に向けて出射し、流体噴射対象物に向けて出射した光が流体噴射対象物において反射した反射光を受光し、受光した反射光を導光する光伝送部と、光伝送部により導光された反射光を受光し、受光に応じた信号を出力する受光部と、受光部により出力された信号に基づいて、流体噴射口と流体噴射対象物との距離を算出する信号処理部と、を有することを特徴とする。

第二の発明に係る流体噴射装置では、光源部から出射された光を流体噴射口まで導光するとともに、流体噴射対象物において反射した反射光を導光する光伝送部を有することにより、流路管の交換に伴い距離検出手段を交換する際、光伝送部のみを交換すればよいため、コストを削減することができる。
ここで、光源部としては、例えば、後述する光源部４１が該当する。光伝送部としては、例えば、後述する光伝送部４２が該当する。受光部としては、例えば、後述する受光部４３が該当する。信号処理部としては、例えば、後述する信号処理部４４が該当する。

また、第三の発明に係る流体噴射装置は、第一又は第二の発明に係る流体噴射装置において、容積変更手段は、圧電素子であり、制御手段は、距離検出手段が検出した距離に応じて、圧電素子に印加する電圧を制御することを特徴とする。
第三の発明に係る流体噴射装置では、流体噴射口と流体噴射対象物との距離に応じて圧電素子に印加する電圧を制御するため、流体噴射口から噴射される流体の圧力の調整が簡易となる。
ここで、圧電素子としては、例えば、後述する圧電素子４０１が該当する。

また、第四の発明に係る流体噴射装置は、第一乃至第三のうちいずれか一の発明に係る流体噴射装置において、制御手段は、距離検出手段が検出した距離が大きいほど、流体噴射口から噴射される流体の圧力が高くなるように、容積変更手段による流体室の容積の変更を制御することを特徴とする。
第四の発明に係る流体噴射装置では、流体噴射口と流体噴射対象物との距離に応じて、流体噴射口から噴射される流体の圧力をより適切に調整することが可能となる。例えば、流体噴射口と流体噴射対象物との距離が変化した場合でも、流体噴射対象物における噴射された流体の圧力が一定になるように制御することができる。特に、流体噴射装置を手術対象部位を切開又は切除する流体噴射手術器具に適用した場合、流体噴射口と手術対象部位との距離が変化した場合でも、手術対象部位に対して一定の切開又は切除能力を維持することができる。

また、第五の発明に係る流体噴射手術器具は、流体が流入する流体室と、流体室の容積を変更する容積変更手段と、流体室に連通する入口流路及び出口流路と、を有する脈動発生部と、一端が前記出口流路に連通し、他端が流体噴射口に連通する接続流路を有する流路管と、入口流路に流体を供給する流体供給手段と、容積変更手段による流体室の容積の変更を制御する制御手段と、流体噴射口と手術対象部位との距離を検出する距離検出手段と、を備え、制御手段は、距離検出手段が検出した距離に応じて、容積変更手段による流体室の容積の変更を制御し、容積変更手段が流体室の容積を変更することにより流体噴射口から噴射される流体によって手術対象部位を切開又は切除することを特徴とする。
第五の発明に係る流体噴射手術器具では、流体噴射口と流体噴射対象物との距離に応じて、流路管に連通する脈動発生部を制御するため、流体噴射口と流体噴射対象物との距離に応じて、流体噴射口から噴射される流体の圧力を適切に調整することが可能となる。

また、第六の発明に係る流体噴射方法は、接続流路に連通する流体室に流体を供給し、流体室の容積を変更することによって、接続流路に連通する流体噴射口から加圧された流体を噴射し、流体噴射口と流体噴射対象物との距離を検出し、検出した距離に応じて、流体室の容積の変更を制御することを特徴とする。
第六の発明に係る流体噴射方法では、流体噴射口と流体噴射対象物との距離に応じて、流路管に連通する脈動発生部を制御するため、流体噴射口と流体噴射対象物との距離に応じて、流体噴射口から噴射される流体の圧力を適切に調整することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
本発明に係る流体噴射装置は、インク等を用いた描画、細密な物体及び構造物の洗浄、手術用メス等に適用することが可能である。
本実施形態では、本発明に係る流体噴射装置を、手術対象部位の生体組織を切開又は切除することに好適なウォーターパルスメスに適用した場合について説明する。したがって、本実施の形態で用いる流体は、水、生理食塩水、薬液等である。

（構成）
図１は、本発明の実施の形態に係るウォーターパルスメスを示す概略構成図である。
図１に示すウォーターパルスメス（流体噴射装置、流体噴射手術器具）１は、流体を収容する流体容器１０と、一定の圧力で流体を供給するポンプ２０と、ポンプ２０から供給される流体を脈動流動する脈動発生部１００と、脈動発生部１００及びポンプ２０を制御する制御手段３０と、距離検出手段４０とを備える。
流体容器１０は、水、生理食塩水、薬液等の流体を収容する。
ポンプ２０は、接続チューブ１５を介して流体容器１０に収容された流体を吸引する。また、ポンプ２０は、吸引した流体を、一定の圧力で接続チューブ２５を介して脈動発生部１００に供給する。ポンプ２０の吐出圧力は概ね３気圧（０．３ＭＰａ）以下に設定する。

なお、このウォーターパルスメス１を用いて手術をする際には、術者が把持する部位は脈動発生部１００または接続流路管２００である。したがって、脈動発生部１００までの接続チューブ２５はできるだけ柔軟であることが好ましい。そのためには、柔軟で薄いチューブで、流体を脈動発生部１００に送液可能な範囲で低圧にすることが好ましい。
脈動発生部１００は、流体室５０１（図２、参照）と、流体室５０１の容積変更手段とを備えている。本実施形態では、流体室５０１の容積変更手段として、圧電素子４０１を用いている。

次に、脈動発生部１００について、図面を参照してさらに詳しく説明する。
図２は、図１に示すウォーターパルスメスの脈動発生部を示す断面図である。なお、図２は、図４に示すＡ−Ａ´線の断面図である。図３は、図２に示す脈動発生部を分解した状態の概略を示す斜視図である。
図２及び図３に示すように、脈動発生部１００は、上ケース５００と、下ケース３０１とを有する。そして、上ケース５００及び下ケース３０１は、互いに対向する面において接合され、４本の固定螺子（図示せず）によって螺着されている。
下ケース３０１は、鍔部を有する筒状部材であって、一方の端部は底板３１１で密閉されている。この下ケース３０１の内部空間に圧電素子４０１が配設される。

圧電素子４０１は、積層型圧電素子であってアクチュエータを構成する。圧電素子４０１の一方の端部は、上板４１１を介してダイアフラム４００に固着されている。また、圧電素子４０１の他方の端部は、底板３１１の上面３１２に固着されている。
ダイアフラム４００は、円盤状の金属薄板からなり、下ケース３０１の凹部３０３内において周縁部が凹部３０３の底面に密着固着されている。容積変更手段としての圧電素子４０１に駆動信号を入力することで、圧電素子４０１の伸張、収縮に伴いダイアフラム４００を介して流体室５０１の容積を変更する。このように、容積変更手段として圧電素子４０１とダイアフラム４００とを採用する構造にすることにより、構造の簡素化と、それに伴う小型化を実現できる。また、流体室５０１の容積変化の最大周波数を１ＫＨｚ以上の高い周波数にすることができ、高速脈動流の噴射に最適となる。

ダイアフラム４００の上面には、中心部に開口部を有する円盤状の金属薄板からなる補強板４１０（図３において図示せず）が積層配設される。
上ケース５００は、下ケース３０１と対向する面の中心部に凹部を有している。そして、この凹部とダイアフラム４００とから構成され流体が充填された状態の回転体形状が流体室５０１である。つまり、流体室５０１は、上ケース５００の凹部の封止面５０５と内周側壁５０１ａとダイアフラム４００とによって囲まれた空間である。流体室５０１の略中央部には出口流路５１１が穿設されている。
出口流路５１１は、流体室５０１から、上ケース５００の一方の端面に突設された出口流路管５１０の端部まで貫通されている。出口流路５１１の流体室５０１の封止面５０５との接続部は、流体抵抗を減ずるために滑らかに丸められている。

なお、流体室５０１の形状は、本実施形態（図２参照）では、両端が封止された略円筒形状としているが、側面視して円錐形や台形、あるいは半球形状等でもよい。例えば、出口流路５１１と封止面５０５との接続部を漏斗のような形状にすれば、後述する流体室５０１内の気泡を排出しやすくなる。
出口流路管５１０には接続流路管２００が接続されている。接続流路管２００には接続流路２０１が穿設されている。接続流路２０１の直径は、出口流路５１１の直径より大きく形成されている。また、接続流路管２００の管部の厚さは、流体の圧力脈動を吸収しない剛性を有する範囲に形成されている。
接続流路管２００の先端部には、ノズル２１１が挿着されている。ノズル２１１には、流体噴射口２１２が穿設されている。流体噴射口２１２の直径は、接続流路２０１の直径より小さい。

上ケース５００の側面には、ポンプ２０から流体を供給する接続チューブ２５を挿着する入口流路管５０２が突設されている。入口流路管５０２には、入口流路側の接続流路５０４が穿設されている。接続流路５０４は入口流路５０３に連通している。入口流路５０３は、流体室５０１の封止面５０５の周縁部に溝状に形成され、流体室５０１に連通している。
上ケース５００と下ケース３０１との接合面において、ダイアフラム４００の外周方向の離間した位置には、下ケース３０１側にパッキンボックス３０４、上ケース５００側にパッキンボックス５０６が形成されている。パッキンボックス３０４及びパッキンボックス５０６により形成される空間に、リング状のパッキン４５０が装着されている。

ここで、上ケース５００と下ケース３０１とを組立てたとき、ダイアフラム４００の周縁部と補強板４１０の周縁部とは、上ケース５００の封止面５０５の周縁部と下ケース３０１の凹部３０３の底面によって密接されている。この際、パッキン４５０は上ケース５００と下ケース３０１によって押し圧されて、流体室５０１からの流体漏洩を防止している。
流体室５０１内は、流体吐出の際に３０気圧（３ＭＰａ）以上の高圧状態となり、ダイアフラム４００、補強板４１０、上ケース５００、下ケース３０１それぞれの接合部において流体が僅かに漏洩することが考えられるが、パッキン４５０によって漏洩を阻止している。
図２に示すようにパッキン４５０を配設すると、流体室５０１から高圧で漏洩してくる流体の圧力によってパッキン４５０が圧縮され、パッキンボックス３０４，５０６内の壁にさらに強く押し圧するので、流体の漏洩を一層確実に阻止することができる。このことから、駆動時において流体室５０１内の高い圧力上昇を維持することができる。

次に、上ケース５００に形成される入口流路５０３について、図面を参照してさらに詳しく説明する。
図４は、図２に示す脈動発生部の入口流路を示す平面図であり、上ケースを下ケースとの接合面側から視認した状態を表している。
図４に示すように、入口流路５０３は、一方の端部が流体室５０１に連通し、他方の端部が接続流路５０４に連通している。入口流路５０３と接続流路５０４との接続部には、流体溜り５０７が形成されている。入口流路５０３と接続流路５０４との接続部に流体溜り５０７を設けることにより、接続流路５０４のイナータンスが入口流路５０３に与える影響を抑制することができる。そして、流体溜り５０７と入口流路５０３との接続部は滑らかに丸めることによって流体抵抗を減じている。

また、入口流路５０３は、流体室５０１の内周側壁５０１ａに対して略接線方向に向かって連通している。ポンプ２０（図１参照）から一定の圧力で供給される流体は、内周側壁５０１ａに沿って（図４において矢印で示す方向）流動して流体室５０１に旋回流を発生する。旋回流は、旋回することによる遠心力で内周側壁５０１ａ側に押し付けられるとともに、流体室５０１内に含まれる気泡は旋回流の中心部に集中する。
そして、中心部に集められた気泡は、出口流路５１１から排除される。このことから、出口流路５１１は旋回流の中心近傍、つまり回転形状体の軸中心部に設けられることがより好ましい。図４では、入口流路５０３は平面形状が湾曲されている。入口流路５０３は、直線で流体室５０１に連通させてもよいが、狭いスペースの中で所望のイナータンスを得るために、入口流路５０３の流路長を長くする必要性から湾曲させている。

なお、図２に示したように、ダイアフラム４００と入口流路５０３が形成されている封止面５０５の周縁部との間には、補強板４１０が配設されている。補強板４１０を設ける意味は、ダイアフラム４００の耐久性を向上することである。入口流路５０３の流体室５０１との接続部には切欠き状の接続開口部５０９が形成されるので、ダイアフラム４００が高い周波数で駆動されたときに、接続開口部５０９近傍において応力集中が生じて疲労破壊を発生することが考えられる。そこで、切欠き部がない連続した開口部を有している補強板４１０を配設することで、ダイアフラム４００に応力集中が発生しないようにしている。

また、上ケース５００の外周隅部には、４箇所の螺子孔５００ａが開設されており、この螺子孔位置において、上ケース５００と下ケース３０１とが螺合接合される。
なお、図示は省略するが、補強板４１０とダイアフラム４００とを接合し、一体に積層固着することができる。補強板４１０とダイアフラム４００とを積層し、一体に固着すれば、脈動発生部１００の組立性を向上させることができる他、ダイアフラム４００の外周縁部の補強効果もある。固着手段としては、接着剤を用いる貼着としても、固層拡散接合、溶接等を採用することが可能であるが、補強板４１０とダイアフラム４００とが、接合面において密着されていることがより好ましい。

図５は、距離検出手段及び制御手段の概略構成図である。
距離検出手段４０は、流体噴射口２１２と手術対象部位（流体噴射対象物）の表面との距離を検出する。距離検出手段４０は、図５に示すように、光を出射する光源部４１と、光伝送部４２と、受光部４３と、信号処理部４４とを有する。
光源部４１としては、半導体レーザー、発光ダイオード等を用いることができる。本実施形態では、光源部４１としてパルスレーザーが用いられ、所定の周期で光を出射する。
光伝送部４２としては、本実施形態では光ファイバーが用いられている。光伝送部４２は、光源部４１から出射された光を、接続流路管２００の先端部（流体噴射口２１２）まで導光して、手術対象部位の表面に向けて出射する。また、光伝送部４２は、手術対象部位の表面に向けて出射した光が、手術対象部位の表面において反射した反射光を受光し、受光した反射光を受光部４３に導光する。

具体的には、光伝送部４２は、図２に示すように、距離検出手段４０の光源部４１から接続チューブ２５、脈動発生部１００の接続流路５０４及び出口流路５１１並びに接続流路管２００の接続流路２０１に沿って延びるように設けられている。そして、光伝送部４２の先端部は、ノズル２１１において流体噴射開口部２１２と並ぶ位置まで延びている。この場合、光伝送部４２は、接続流路管２００の接続流路２０１及び流体噴射開口部２１２を阻害しない位置に設けられている。そして、光伝送部４２は、先端部から、光源部４１から出射された光を出射する。また、光伝送部４２は、先端部により、出射した光が手術対象部位の表面において反射した反射光を受光する。
受光部４３としては、本実施形態では、フォトダイオードが用いられている。受光部４３は、光伝送部４２により導光された反射光を受光し、受光した反射光に応じた信号を信号処理部４４に入力する。

信号処理部４４は、光源部４１を駆動して、所定の周期で光を出射させる。また、信号処理部４４は、光源部４１が出射する光の周期と受光部４３から入力された反射光に応じた信号の周期との位相差を算出し、算出した位相差に基づいて接続流路管２００の先端部と手術対象部位の表面との距離（以下、対象物距離という）を算出する。そして、信号処理部４４は、算出した対象物距離を、制御手段３０の電圧制御部３２に入力する。
制御手段３０は、図５に示すように、ポンプ２０を制御するポンプ制御部３１と、脈動発生部１００の圧電素子４０１を制御する電圧制御部３２とを有する。
ポンプ制御部３１は、ポンプ２０が脈動発生部１００に供給する流体の圧力を制御する。

電圧制御部３２は、信号処理部４４から入力された対象物距離に応じて、脈動発生部１００の圧電素子４０１に印加する電圧を制御する。この場合、電圧制御部３２は、信号処理部４４から入力された対象物距離が大きいほど、流体噴射開口部２１２から噴射される流体の圧力が高くなるように、圧電素子４０１に印加する電圧を制御する。好ましくは、電圧制御部３２は、対象物距離が変化した場合でも、手術対象部位の表面における噴射された流体の圧力が一定になるように圧電素子４０１に印加する電圧を制御する。すなわち、対象物距離が変化した場合でも、手術対象部位に対して一定の切開又は切除能力を維持するように圧電素子４０１に印加する電圧を制御する。
ここで、電圧制御部３２は、信号処理部４４から入力された対象物距離に基づき、距離を電圧に変換する所定の変換式を用いて圧電素子４０１に印加する電圧を算出する。また、電圧制御部３２は、信号処理部４４から入力された対象物距離に基づき、距離を電圧に変換する所定の変換テーブルを用いて圧電素子４０１に印加する電圧を決定してもよい。

図６は、電圧制御部による圧電素子に印加する電圧の制御の一例を示す図である。
具体的には、図６に示すように、電圧制御部３０は、信号処理部４４から入力された対象物距離が大きいほど、圧電素子に入力する駆動信号の波形において、電圧の立ち上がり部の傾きを増加（角度Ｓを小さく）する。また、電圧制御部３０は、信号処理部４４から入力された対象物距離が大きいほど、圧電素子に入力する駆動信号の波形において、ピーク電圧の値を大きくしてもよい。さらに、電圧制御部３０は、信号処理部４４から入力された対象物距離が大きいほど、圧電素子に入力する駆動信号の波形の周期を短くしてもよい。

次に、距離検出手段４０及び電圧制御部３２が実行する処理について、図面を参照してさらに詳しく説明する。
図７は、距離検出手段及び電圧制御部が実行する処理を示すフローチャートである。
ここで、距離検出手段４０及び電圧制御部３０は、術者により流体の噴射を開始するためのスイッチ（図示せず）がＯＮ状態に操作されている際、図７に示す処理を繰り返し実行する。
術者により流体の噴射を開始するためのスイッチがＯＮ状態に操作されると、図７に示すように、まず、ステップＳ１において、制御手段３０のポンプ制御部３１は、ポンプ２０を駆動し、脈動発生部１００に一定の圧力で流体を供給する。

次に、ステップＳ２において、距離検出手段４０の信号制御部４４は、光源部４１を駆動して、所定の周期で光を出射させる。光源部４１を駆動すると、光源部４１から出射された光が、光伝送部４２を介して手術対象部位の表面に向けて出射される。
次に、ステップＳ３において、距離検出手段４０の受光部４３は、手術対象部位の表面において反射した反射光を受光する。この場合、受光部４３は、光伝送部４２を介して手術対象部位の表面において反射した反射光を受光する。そして、受光部４３は、受光した反射光に応じた信号を信号処理部４４に入力する。

次に、ステップＳ４において、距離検出手段４０の信号制御部４４は、受光部４３から入力された信号に基づいて、対象物距離を算出する。そして、信号制御部４４は、算出した対象物距離を、制御手段３０の電圧制御部３２に入力する。
次に、ステップＳ５において、制御手段３０の電圧制御部３２は、信号制御部４４から入力された対象物距離に応じて、脈動発生部１００の圧電素子４０１に印加する電圧を調整（制御）する。そして、電圧制御部３２から駆動信号が圧電素子４０１に入力されることにより、接続流路２０１にパルス状の流体吐出、つまり、脈動流が発生する。

次に、本実施形態に係るウォーターパルスメス１の動作について説明する。
本実施形態に係るウォーターパルスメス１の脈動発生部１００の流体吐出は、入口流路側のイナータンスＬ１（合成イナータンスＬ１と呼ぶことがある）と出口流路側のイナータンスＬ２(合成イナータンスＬ２と呼ぶことがある）の差によって行われる。
まず、イナータンスについて説明する。
イナータンスＬは、流体の密度をρ、流路の断面積をＳ、流路の長さをｈとしたとき、Ｌ＝ρ×ｈ／Ｓで表される。流路の圧力差をΔＰ、流路を流れる流体の流量をＱとした場合に、イナータンスＬを用いて流路内の運動方程式を変形することで、ΔＰ＝Ｌ×ｄＱ／ｄｔという関係が導き出される。

つまり、イナータンスＬは、流量の時間変化に与える影響度合いを示しており、イナータンスＬが大きいほど流量の時間変化が少なく、イナータンスＬが小さいほど流量の時間変化が大きくなる。
また、複数の流路の並列接続や、複数の形状が異なる流路の直列接続に関する合成イナータンスは、個々の流路のイナータンスを電気回路におけるインダクタンスの並列接続、又は直列接続と同様に合成して算出することができる。
なお、入口流路側のイナータンスＬ１は、接続流路５０４が入口流路５０３に対して直径が十分大きく設定されているので、イナータンスＬ１は、入口流路５０３の範囲において算出される。この際、ポンプ２０と入口流路を接続する接続チューブは柔軟性を有するため、イナータンスＬ１の算出から削除してもよい。

また、出口流路側のイナータンスＬ２は、接続流路２０１の直径が出口流路よりもはるかに大きく、接続流路管２００の管部（管壁）の厚さが薄いためイナータンスＬ２への影響は軽微である。したがって、出口流路側のイナータンスＬ２は出口流路５１１のイナータンスに置き換えてもよい。
なお、接続流路管２００の管壁の厚さは、流体の圧力伝播には十分な剛性を有している。
そして、本実施形態では、入口流路側のイナータンスＬ１が出口流路側のイナータンスＬ２よりも大きくなるように、入口流路５０３の流路長及び断面積、出口流路５１１の流路長及び断面積を設定する。

次に、脈動発生部１００の動作について説明する。
術者によりスイッチがＯＮ状態に操作され、制御手段３０がポンプ２０の駆動を開始すると、ポンプ２０によって入口流路５０３には、常に一定圧力の液圧で流体が供給される。その結果、圧電素子４０１が動作を行わない場合、ポンプ２０の吐出力と入口流路側全体の流体抵抗値の差によって、流体は流体室５０１内に流動する。
また、制御手段３０が圧電素子４０１に駆動信号を入力すると、圧電素子４０１の伸張、収縮に伴いダイアフラム４００を介して流体室５０１の容積が変更する。
すなわち、圧電素子４０１に駆動信号が入力され、急激に圧電素子４０１が伸張したとすると、流体室５０１内の圧力は、入口流路側及び出口流路側のイナータンスＬ１，Ｌ２が十分な大きさを有していれば急速に上昇して数十気圧に達する。

この圧力は、入口流路５０３に加えられていたポンプ２０による圧力よりはるかに大きいため、入口流路側から流体室５０１内への流体の流入はその圧力によって減少し、出口流路５１１からの流出は増加する。したがって、前述した特許文献１によるウォーターパルスメスのような、入口流路側に設けられる逆止弁はなくてもよい。
ここで、入口流路５０３のイナータンスＬ１は、出口流路５１１のイナータンスＬ２よりも大きい。したがって、入口流路５０３から流体が流体室５０１へ流入する流量の減少量よりも、出口流路から吐出される流体の増加量のほうが大きいため、接続流路２０１にパルス状の流体吐出、つまり、脈動流が発生する。この吐出の際の圧力変動が、接続流路管２００内を伝播して、先端のノズル２１１の流体噴射口２１２から流体が噴射される。

すなわち、脈動発生部１００は、圧電素子４０１を駆動して脈動を発生することによって、ポンプ２０から供給された流体を、接続流路管２００、ノズル２１１を通して高速で噴射する。
ここで、ノズル２１１の流体噴射口２１２の直径は、出口流路５１１の直径よりも小さいので、流体は、さらに高圧、高速のパルス状の液滴（脈動流）として噴射される。
一方、流体室５０１内は、入口流路５０３からの流体流入量の減少と出口流路５１１からの流体流出の増加との相互作用で、圧力上昇直後に真空状態となる。その結果、ポンプ２０の圧力と、流体室５０１内の真空状態の双方によって一定時間経過後、入口流路５０３の流体は圧電素子４０１の動作前と同様な速度で流体室５０１内に向かう流れが復帰する。

入口流路５０３内の流体の流動が復帰した後、圧電素子４０１の伸張があれば、ノズル２１１からの脈動流を継続して噴射することができる。
また、上述した脈動発生部１００の動作において、流体室５０１が、略回転体形状を有し旋回流発生部としての入口流路５０３を備えていることと、出口流路５１１が略回転体形状の回転軸近傍に開設されていることから、流体室５０１内において旋回流が発生し、流体内に含まれる気泡は速やかに出口流路５１１から外部に排出される。
したがって、圧電素子４０１による流体室５０１の微小な容積変化においても、気泡によって圧力変動が阻害されることなく、十分な圧力上昇が得られる。
ここで、上述した脈動発生部１００の動作において、術者により流体の噴射を開始するためのスイッチがＯＮ状態に操作されている際、距離検出手段４０は、常時、対象物距離を算出する。そして、制御手段３０の電圧制御部３２は、常時、信号制御部４４から入力された対象物距離に応じて、脈動発生部１００の圧電素子４０１に印加する電圧を調整する。

これにより、ウォーターパルスメス１では、流体噴射口２１２と手術対象部位の表面との距離に応じて、接続流路管２００から噴射される流体の圧力を適切に調整することが可能となる。
すなわち、ウォーターパルスメス１では、流体噴射口２１２と手術対象部位の表面との距離に応じて流体噴射口２１２から噴射される流体の圧力を調整する際に、接続流路管２００に連通する脈動発生部１００を制御する。これにより、ポンプ２０を制御する場合と比較して、流体噴射口２１２と手術対象部位との距離に応じて、流路管から噴射される流体の圧力を高い応答性をもって調整することが可能となる。
また、ウォーターパルスメス１では、噴射される流体の圧力を調整する際に、接続流路管２００に連通する脈動発生部１００を制御するため、ウォーターハンマー現象の発生を抑制することができる。

なお、ウォーターパルスメス１では、脈動発生部１００を備えることによって、接続流路管２００から噴射される流体が脈動流となる。したがって、流体噴射口２１２から噴射される流体の圧力を調整した際の噴射される流体の流量の変化が、連続流を噴射する場合と比較して小さくなる。これにより、流体噴射口２１２と手術対象部位の表面との距離に応じて流体噴射口２１２から噴射される流体の圧力を調整する際に、吸引ポンプ（図示せず）の調整が不要となる。
特に、ウォーターパルスメス１では、流体噴射口２１２と手術対象部位の表面との距離が変化した場合でも、手術対象部位の表面における噴射された流体の圧力が一定になるように制御することができる。これにより、流体噴射口２１２と手術対象部位の表面との距離が変化した場合でも、手術対象部位に対して一定の切開又は切除能力を維持することができる。

また、ウォーターパルスメス１では、流体噴射口２１２と手術対象部位との距離に応じて圧電素子に印加する電圧を制御するため、流体噴射口２１２から噴射される流体の圧力の調整が簡易となる。
さらに、ウォーターパルスメス１では、光源部４１から出射された光を接続流路管２００の先端部（流体噴射口２１２）まで導光するとともに、手術対象部位の表面において反射した反射光を導光する光伝送部４２を有することにより、接続流路管２００の交換に伴い距離検出手段４０を交換する際、光伝送部４２のみを交換すればよいため、コストを削減することができる。

なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、上記実施形態では、光源部４１から出射された光を接続流路管２００の先端部（流体噴射口２１２）まで導光するとともに、手術対象部位の表面において反射した反射光を導光する光伝送部４２を有する構成としている。しかしながら、光伝送部４２を設けず、光源部４１及び受光部４３を接続流路管２００の先端部に配置する構成としてもよい。

本発明の実施の形態に係るウォーターパルスメスを示す概略構成図である。 図１に示すウォーターパルスメスの脈動発生部を示す断面図である。 図２に示す脈動発生部を分解した状態の概略を示す斜視図である。 図２に示す脈動発生部の入口流路を示す平面図であり、上ケースを下ケースとの接合面側から視認した状態を表している。 距離検出手段及び制御手段の概略構成図である。 電圧制御部による圧電素子に印加する電圧の制御の一例を示す図である。 距離検出手段及び電圧制御部が実行する処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ ウォーターパルスメス（流体噴射装置、流体噴射手術器具）、２０ ポンプ（流体供給手段）、３０ 制御手段、４０ 距離検出手段、４１ 光源部、４２ 光伝送部、４３ 受光部、４４ 信号処理部、１００ 脈動発生部、１２０ 姿勢検出手段、２００ 接続流路管（流路管）、２０１ 接続流路、２１２ 流体噴射開口部（流体噴射口）、４０１ 圧電素子（容積変更手段）、５０１ 流体室、５０３ 入口流路、５１１ 出口流路。

Claims (6)

1. 流体が流入する流体室と、前記流体室の容積を変更する容積変更手段と、前記流体室に連通する入口流路及び出口流路と、を有する脈動発生部と、
   一端が前記出口流路に連通し、他端が流体噴射口に連通する接続流路を有する流路管と、
   前記入口流路に流体を供給する流体供給手段と、
   前記容積変更手段による前記流体室の容積の変更を制御する制御手段と、
   前記流体噴射口と流体噴射対象物との距離を検出する距離検出手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記距離検出手段が検出した距離に応じて、前記容積変更手段による前記流体室の容積の変更を制御することを特徴とする流体噴射装置。
2. 前記距離検出手段は、
   光を出射する光源部と、
   前記光源部から出射された光を、前記流体噴射口まで導光して、前記流体噴射対象物に向けて出射し、前記流体噴射対象物に向けて出射した光が前記流体噴射対象物において反射した反射光を受光し、前記受光した反射光を導光する光伝送部と、
   前記光伝送部により導光された反射光を受光し、該受光に応じた信号を出力する受光部と、
   前記受光部により出力された信号に基づいて、前記流体噴射口と流体噴射対象物との距離を算出する信号処理部と、
   を有することを特徴とする請求項１記載の流体噴射装置。
3. 前記容積変更手段は、圧電素子であり、
   前記制御手段は、前記距離検出手段が検出した距離に応じて、前記圧電素子に印加する電圧を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の流体噴射装置。
4. 前記制御手段は、前記距離検出手段が検出した距離が大きいほど、前記流体噴射口から噴射される流体の圧力が高くなるように、前記容積変更手段による前記流体室の容積の変更を制御することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の流体噴射装置。
5. 流体が流入する流体室と、前記流体室の容積を変更する容積変更手段と、前記流体室に連通する入口流路及び出口流路と、を有する脈動発生部と、
   一端が前記出口流路に連通し、他端が流体噴射口に連通する接続流路を有する流路管と、
   前記入口流路に流体を供給する流体供給手段と、
   前記容積変更手段による前記流体室の容積の変更を制御する制御手段と、
   前記流体噴射口と前記手術対象部位との距離を検出する距離検出手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記距離検出手段が検出した距離に応じて、前記容積変更手段による前記流体室の容積の変更を制御し、
   前記容積変更手段が前記流体室の容積を変更することにより前記流体噴射口から噴射される流体によって手術対象部位を切開又は切除することを特徴とする流体噴射手術器具。
6. 接続流路に連通する流体室に流体を供給し、
   前記流体室の容積を変更することによって、前記接続流路に連通する流体噴射口から加圧された流体を噴射し、
   前記流体噴射口と流体噴射対象物との距離を検出し、
   前記検出した距離に応じて、前記流体室の容積の変更を制御することを特徴とする流体噴射方法。

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