JP2013530744A - オンオフ型空気圧アクチュエータのフィードバック制御 - Google Patents

Abstract

空気アクチュエータのためのフィードバック制御を有する手術システムは、空気圧力源と、切断機構、第１圧力入力ポート及び第２圧力入力ポートを有する硝子体切除術用カッターとを含む。空気圧アクチュエータは第１圧力入力ポート及び第２圧力入力ポートのうちの一方に空気圧力を向けるように構成される。第１圧力トランスデューサは第１圧力入力ポートに配設され且つ第１圧力入力ポートにおいて実際の圧力を検出するように構成され、第２圧力トランスデューサは第２圧力入力ポートに配設され且つ第２圧力入力ポートにおいて実際の圧力を検出するように構成される。制御器は、第１圧力トランスデューサ、第２圧力トランスデューサ及び空気圧アクチュエータと通信する。制御器は、第１圧力トランスデューサ及び第２圧力トランスデューサから通信されたデータに基づいて空気圧アクチュエータの作動タイミングを変更するように構成される。

Description

本発明は空気圧アクチュエータに関する。本発明は、限定されるものではないが、特に、硝子体切除術用プローブと共に使用可能なオンオフ型空気圧アクチュエータのフィードバック制御に関する。

マイクロ手術処置は様々な体内組織を正確に切断し且つ／又は取り除くことを必要とすることが多い。例えば、所定の眼科手術処置は、硝子体液、すなわち眼の後部を満たす透明なゼリー状物質の一部を切断し且つ取り除くことを必要とする。硝子体液又は硝子体は、網膜に取り付けられることが多い非常に多くの微小フィブリルから成る。このため、硝子体を切断し且つ取り除くことは、網膜の牽引、網膜の脈絡膜組織からの分離、網膜裂傷、又は最悪の場合、網膜自体を切断し且つ取り除くことを回避すべく、高度の注意をもってなされなければならない。特に、慎重を要する手術、例えば、可動組織管理（例えば網膜の剥離部又は網膜裂傷の近くで硝子体を切断し且つ取り除くこと）、硝子体基部の切開、及び膜組織を切断し且つ取り除くことは特に難しい。

後部の眼科手術においてマイクロ手術切断プローブを使用することが知られている。これら切断プローブは、典型的には、中空の外側切断部材と、中空の内側切断部材と、ポートとを含み、中空の内側切断部材は中空の外側切断部材と同軸上に構成され且つ中空の外側切断部材内に移動可能に配置され、ポートは外側切断部材の遠位端部の近くで外側切断部材を通して径方向に延在する。硝子体液及び／又は膜組織が開いたポート内に吸引され、内側部材が作動されてポートを閉じる。ポートが閉じられると、内側切断部材及び外側切断部材の両方における切断面が協働して硝子体及び／又は膜組織を切断し、その後、切断組織が内側切断部材を通して吸引される。

手術処置の間、既定の時間に切断されうる組織の量を調整すべく、切断率及びデューティサイクルを制御することが多い。例えば、網膜から離間された領域のような傷つきにくい領域において切断するとき、切断は効率性を与える態様においてなされうる。網膜により近い領域のような傷つきやすい領域において切断するとき、切断は用心深い態様でなされ、この場合、切断サイクル当たりの組織の切断量が減少する。このことは、デューティサイクル、又は切断サイクルにおいてポートが開いている時間の割合を制御することによって実現される。これは、ポートが開いている時間の量を単一の切断サイクルの全時間量で割ることによって定められる。大きなデューティサイクルは効率的な切断を提供し、一方、小さなデューティサイクルはゆっくり且つ用心深い切断を提供する。

重要部品の初期公差の変動を含む、カッター部品の特性の変動が複数のカッターに亘ってデューティサイクルの不一致を導きうる。このことに対処すべく、現行のシステムは製造時に較正される。この工場での較正は時間がかかり且つコスト高な活動である。さらに、この較正は、これら同一の重要部品の時間に亘る変化が性能に著しい影響を与えないだろうという仮定でなされる。しかしながら、この仮定は、多くの場合、有効ではないことがある。部品が時間と共に摩耗するので、制御されたパラメータの正確さ及び精度は不利に影響する場合がある。これら変動はシステムの性能を下げ又はシステムが所望の動作ターゲットに到達することを妨げることさえあり、このことはカッターが完全に開かず又は閉じないことをもたらしうる。これら性能の低下及び故障は連続的な使用を通じてより顕著となり且つより頻繁になる。

上述された進歩に拘わらず、改良された硝子体切除術用プローブについての要求がそれでもなお存在する。特に、初期公差に起因する不一致又は時間に亘る部品の劣化を補償する硝子体切除術用プローブが望まれている。

本開示は、従来技術の一つ以上の欠点に対処することを対象とする。

本発明の原理と一貫した一つの模範的な態様では、本開示は空気圧アクチュエータのためのフィードバック制御を有する手術システムを対象とする。システムは、空気圧力源と、切断機構、第１圧力入力ポート及び第２圧力入力ポートを有する硝子体切除術用カッターとを含む。空気圧アクチュエータが第１圧力入力ポート及び第２圧力入力ポートのうちの一方に空気圧力を向けるように構成される。第１圧力トランスデューサが第１圧力入力ポートに配設され且つ第１圧力入力ポートにおいて実際の圧力を検出するように構成され、第２圧力トランスデューサが第２圧力入力ポートに配設され且つ第２圧力入力ポートにおいて実際の圧力を検出するように構成される。制御器が、第１圧力トランスデューサ、第２圧力トランスデューサ及び空気圧アクチュエータと通信する。制御器は、第１圧力トランスデューサ及び第２圧力トランスデューサから通信されたデータに基づいて空気圧アクチュエータの作動タイミングを変更するように構成される。

別の模範的な態様では、本開示は、空気圧アクチュエータのためのフィードバック制御を使用して手術システムを制御する方法を対象とする。本方法は、硝子体切除術用カッターにおいて第１圧力入力ポート及び第２圧力入力ポートのうちの一方に空気圧力を選択的に向けるステップと、第１圧力入力ポートにおける実際の圧力を第１圧力トランスデューサで検出するステップと、第２圧力入力ポートにおける実際の圧力を第２圧力トランスデューサで検出するステップとを含む。本方法は、第１圧力トランスデューサ及び第２圧力トランスデューサによって検出された実際の圧力に基づいて空気圧アクチュエータの作動タイミングを修正するステップも含む。

別の模範的な態様では、本開示は空気圧アクチュエータのためのフィードバック制御を有する手術システムを対象とする。手術システムは、空気圧力源と、切断機構、第１圧力入力ポート及び第２圧力入力ポートを有する硝子体切除術用カッターとを含む。空気圧アクチュエータが第１圧力入力ポート及び第２圧力入力ポートのうちの一方に空気圧力を向ける。第１圧力トランスデューサが第１圧力入力ポートに設置され且つ第１圧力入力ポートにおいて圧力を検出するように構成され、第２圧力トランスデューサが第２圧力入力ポートに設置され且つ第２圧力入力ポートにおいて圧力を検出するように構成される。制御器が、第１圧力トランスデューサ、第２圧力トランスデューサ及び空気圧アクチュエータと通信する。制御器は、実際の測定データに基づくパラメータデータを、記憶された所望のデータと比較して、パラメータデータ及び記憶されたデータに基づいてマージンを算出するように構成される。また、制御器は、特定のデューティサイクルについて記憶された動作パラメータを修正して、空気圧アクチュエータへの通信のために修正された動作パラメータに基づいて制御信号を発生させるように構成される。一つの模範的な態様では、空気圧アクチュエータは第１空気圧アクチュエータ及び第２空気圧アクチュエータであり、第１空気圧アクチュエータは第１空気圧ポートに空気圧力を向けるように構成され、第２空気圧アクチュエータは第２空気圧ポートに空気圧力を向けるように構成される。

前述の一般的な記述及び以下の詳細な記述の両方が、模範的なものであり、説明のためにのみあり、且つ、特許請求の範囲の本発明の更なる説明を提供することが意図されていることが理解されるべきである。以下の記述及び本発明の実施例が本発明の追加の利点及び目的を説明し且つ提案する。

図１は、本明細書に記述された原理及び方法を実施する本発明の一つの態様に係る模範的な手術機械の図である。 図２は、本発明の一つの態様に係るフィードバック制御を有する手術機械における模範的なシステムの図表である。 図３は、本明細書において記述された原理及び方法に従って動作可能な模範的な硝子体切除術用カッターの断面図である。 図４は、本発明の一つの態様に係る、測定された圧力特性を特定し且つ閾値及びピークを含む模範的な圧力波形の図である。 図５は、本発明の一つの態様に従ったフィードバック制御ステップを示す模範的なモデルの図である。 図６は、本発明の一つの態様に従って、記憶された動作パラメータに対する調整を決定するための模範的なステップを示すフローチャートの図である。 図７は、本発明の別の態様に従ったフィードバック制御ステップを示す模範的なモデルの図である。

本明細書に包含され且つ本明細書の一部を構成する添付の図面は本発明のいくつかの実施形態を示し且つ記述と共に本発明の原理を説明するのに役立つ。
以下、本発明の模範的な実施形態が詳細に参照され、本発明の例が添付の図面において示される。可能な限り、同一の又は同様の部分を参照するのに同一の参照番号が複数の図面に亘って使用される。

本開示は、眼科手術を行うための硝子体切除術用カッターを含む手術システムを対象とする。手術システムは、個々の部品公差又は個々の部品劣化に起因する不一致（inconsistency）による動作におけるずれ（deviation）を検出して補償するのにフィードバック制御を使用するように配置されて構成される。特に、フィードバック制御は、個々の部品公差、変動、及び所望の特性からの全体的なずれに対するシステムの全体的な感度を低下させることができる。このアプローチは、広範な重要部品公差に適応することができ、且つ、部品の経年劣化又は温度のような不利な環境効果による変化又は変動を補償することができる。フィードバック制御を使用すると、システムは、動作パラメータが許容範囲の外側にあるときを特定し、且つ、動作パラメータを許容範囲内に戻すように修正するのに制御法則を使用するように配置されて構成される。このことによって、特定の部品の寿命を延ばして、患者に対してより低い費用をもたらしつつ、より一貫した切断動作、ひいてはより予測可能な手術がもたらされる。

図１は一つの模範的な実施形態に係る硝子体切除術用機械を示し、硝子体切除術用機械は概して１００で表される。機械１００はベースハウジング１０２と関連付けられた表示スクリーン１０４とを含み、関連付けられた表示スクリーン１０４は、硝子体切除術の処置の間、システムの動作及び性能に関するデータを示す。機械は硝子体切除術用カッターシステム１１０を含み、硝子体切除術用カッターシステム１１０は、硝子体切除術用カッター１１２を含み、且つ、公差、部品の摩耗、又は他の要因によって生成される機械的な不一致による動作における変動を補償すべくフィードバック制御を提供するように構成される。

図２は、一つの模範的な実施形態に係るフィードバックを提供する硝子体切除術用カッターシステム１１０の図表である。図２では、カッターシステム１１０は、硝子体切除術用カッター１１２、空気圧力源２０２、調整可能な指向性オンオフ型空気圧アクチュエータ２０４、圧力トランスデューサ２０６、２０８、マフラー２１０及び制御器２１６を含む。見られうるように、様々な部品は、流路又は流れラインを表す線に沿って互いと流体連通している。

硝子体切除術用カッター１１２は、図２に示されるように、第１ポート２１２及び第２ポート２１４を有する空気圧駆動式カッターである。硝子体切除術用カッター１１２は、第１ポート２１２及び第２ポート２１４を通して交互に空気圧力を受容することによって動作する。図３は、数字１１２によって参照される模範的な硝子体切除術用カッターの断面図を示す。カッター１１２は、その基本部品として、外側切断チューブ３００、内側切断チューブ３０２、及び往復運動する空気駆動式ピストン３０４を含み、全ての部品はハウジング３０６によって部分的に覆われる。ハウジング３０６は、カッターの近位端部において、（図２にも示される）第１空気供給ポート２１２及び第２空気供給ポート２１４と一つの吸引ポート３１０と共に端部材３０８を含む。

模範的なカッター１１２は、外側切断チューブ３００における組織受容吸引ポート（図示せず）を越えて内側切断チューブ３０２を移動させることによって動作する。内側切断チューブ３０２及び外側切断チューブ３００は、内側チューブが組織受容ポートを開き且つ閉じるように往復運動するので、剪刀の作用と同様な剪断作用を使用して組織を切断する。チューブ間の密な嵌合によって、内側切断チューブ３０２が組織受容吸引ポートを開くとき、硝子体材料が内側切断チューブと外側切断チューブとの間の空間内に引き込まれることが防がれる。

動作の一つの例では、空気圧力が第１ポート２１２において増加せしめられると、ピストン３０４が下に移動して内側切断チューブ３０２を外側切断チューブ３００に対して動かし、このことによって、外側切断チューブ３００の組織受容吸引ポートが閉じられる。このことによって、組織受容吸引ポート内に吸引されていた幾らかの硝子体材料が切断される。第１ポート２１２において圧力を排気し且つ第２ポート２１４において圧力を増加させると、ピストンが上に移動して組織受容吸引ポートを開くので、組織受容吸引ポートは切断されるべき新しい硝子体材料を吸い込むことができる。一つの模範的なカッターの動作が米国特許第５１７６６２８号明細書にかなり詳細に記述され、この明細書は参照によって本明細書の一部を構成する。他の模範的なカッターは、組織受容ポートを開き且つ閉じるためのピストンの代わりに、可撓性を有するダイアフラムを含む。しかしながら、交互の空気圧力によって駆動される往復運動作用を有するあらゆるカッターが、本明細書に開示されたシステムと共に使用されることに適しうる。いくつかの例では、硝子体切除術用カッター１１２は１分当たり約５０００カットを提供するように設計されるが、より高い比率及びより低い比率の両方も考えられる。

図２に戻ると、示される例では、硝子体切除術用カッターシステムのオンオフ型空気圧アクチュエータ２０４は標準的なオンオフ四方弁である。一般的に知られているように、空気圧アクチュエータは、図２の例において描かれた二つのオンオフ位置のうちの一方の位置にアクチュエータを移動させるように動作するソレノイドを有する。ここで、空気圧アクチュエータ２０４は第１ポート２１２に空気圧力を提供し且つ第２ポート２１４から空気圧力を排気すべく所定の位置に位置する。この位置では、空気圧力が、圧力源２０２からオンオフ型空気圧アクチュエータ２０４を通って第１ポート２１２へ通ることができ、第１ポート２１２において硝子体切除術用カッターに空気動力を提供する。これと同時に、第２ポート２１４における空気圧力が、オンオフ型空気圧アクチュエータ２０４を通ってマフラー２１０へ通ることができ、マフラー２１０において大気に排出される。他の位置では、オンオフ型空気圧アクチュエータ２０４によって、空気圧力が、圧力源２０２から第２ポート２１４へ通り、第２ポート２１４において硝子体切除術用カッター１１２に空気動力を提供することが可能となる。これと同時に、第１ポート２１２における空気圧力が、オンオフ型空気圧アクチュエータ２０４を通ってマフラー２１０へ排気されることができ、マフラー２１０において大気に排出される。オンオフ型空気圧アクチュエータは、以下に更に説明されるように、制御器２１６から動作信号を受信するように構成される。

動作時に、空気圧力は圧力源２０２から第１ポート２１２と第２ポート２１４とへ交互に向けられて硝子体切除術用カッター１１２を動作させる。オンオフ型空気圧アクチュエータ２０４はその二つの位置の間を非常に速く往来して空気圧力を第１ポート２１２と第２ポート２１４とに交互に提供する。

単一の空気圧アクチュエータ２０４を有して示されるが、他の実施形態は二つの空気圧アクチュエータを含み、各空気圧アクチュエータは二つのポート２１２、２１４の各々に関連付けられる。これら実施形態は記述された態様と同様に動作し、アクチュエータは制御器２１６から動作信号を独立して受信するように構成される。

圧力トランスデューサ２０６、２０８はそれぞれの第１ポート２１２と第２ポート２１４とにおいて空気圧力レベルを検出するように動作する。これら圧力トランスデューサ２０６、２０８は、圧縮された空気圧力レベルを検出し且つ検出された圧力レベルを表すデータを制御器２１６に伝達することができる標準的な圧力トランスデューサでありうる。

異なる実施形態では、制御器２１６は、例えばＰＩＤコントローラ、ロジック機能を行うように構成された集積回路、又はロジック機能を行うマイクロプロセッサである。制御器２１６は、メモリと、メモリ内に記憶されたプログラムを実行することができるプロセッサとを含むことができる。いくつかの実施形態では、メモリは、硝子体切除術用カッター１１２の特定のデューティサイクル又は切断率についての他のパラメータのうち、最小の閾値圧力、特定の所望の時間長さ及び所望のピーク圧力を記憶する。

いくつかの実施形態では、制御器２１６は、測定された圧力が上記の記憶された閾値圧力よりも高い時間の量を追跡するタイミング関数を提供するように構成される。制御器２１６はオンオフ型空気圧アクチュエータ２０４及び圧力トランスデューサ２０６、２０８と通信する。以下に記述されるように、制御器２１６は、圧力トランスデューサ２０６、２０８から受信されたフィードバックに基づいて空気圧アクチュエータ２０４の動作を制御するように構成される。

図４は、特定のデューティサイクルにおける圧力波を表す模範的な波形４００である。中央線よりも上の圧力は第１ポート２１２において第１圧力トランスデューサ２０６によって検出された圧力を表し、中央線よりも下の圧力は第２ポート２１４において第２圧力トランスデューサ２０８によって検出された圧力を表す。

波形４００は、入力データであり且つ制御器２１６内に記憶される最小閾値圧力（Ｐ０、Ｐ１）を含む。これら最小閾値圧力（Ｐ０、Ｐ１）は、組織受容ポートを完全に開き又は閉じるように硝子体切除術用カッターを動作させるべく満たされ又は超えられなければならない閾値圧力である。硝子体切除術用カッターが所望の切断率又はデューティサイクルで動作するように、空気圧ポート２１２、２１４における実際の圧力（ｐ０、ｐ１）は、所望の切断率又はデューティサイクルに相当する所望の時間の長さ（Ｔ０、Ｔ１）の間、最小の閾値圧力（Ｐ０、Ｐ１）を超えなければならない。このことは、図３における模範的な硝子体切除術用カッター１１２を参照して以下に記載される。

動作時に、圧力トランスデューサ２０６は第１ポート２１２において実際の圧力（ｐ１）を測定する。組織受容ポートを閉じるように図３における空気圧ピストン３１４を一方の方向に作動させるべく、実際の圧力（ｐ１）は、図４に示される最小閾値圧力（Ｐ１）を満たし又は超えなければならない。最小閾値圧力（Ｐ１）が満たされず又は超えられなければ、空気圧ピストン３０４は、図３におけるカッターの外側切断チューブ３００における組織受容ポートを完全に閉じるのに十分なほど動くことができない。加えて、システムは、実際の圧力（ｐ１）が最小閾値圧力（Ｐ１）以上である時間の長さを制御することによってデューティサイクルを制御する。閾値圧力（Ｐ１）以上である時間が変化するので、切断率又はデューティサイクルも変化する。

同様に、圧力トランスデューサ２０８は第２ポート２１４における実際の圧力（ｐ０）を測定する。組織受容ポートを開くように図３における空気圧ピストン３０４を反対の方向に作動させるべく、実際の圧力（ｐ０）は最小閾値圧力（Ｐ０）を満たし又は超えなければならない。その結果、最小閾値圧力（Ｐ０）が満たされなければ、図３におけるカッター内の組織受容ポートは部分的にのみ開かれうる。さらに、上述のように、実際の圧力（ｐ０）は、所望の切断率又はデューティサイクルに相当する所望の時間の長さ（Ｔ０）の間、最小の閾値圧力（Ｐ０）を満たし又は超えるべきである。

従来のシステムでは、初期公差によるアクチュエータ特性の変動又は時間に亘る劣化及び摩耗によって、アクチュエータの性能が低下し、又はアクチュエータが完全に開き又は完全に閉じることが妨げられることさえある。

しかしながら、本システムでは、制御器２１６は、測定された実際の圧力（ｐ０、ｐ１）がそれぞれの最小閾値圧力（Ｐ０、Ｐ１）よりも高い実際の時間（ｔ０、ｔ１）を測定し且つ追跡することによって部品公差及び部品変動を補償するように構成される。実際の時間（ｔ０、ｔ１）を所望の時間（Ｔ０、Ｔ１）と比較することによって、制御器２１６は、カッターのデューティサイクルを調整すべく、オンオフ型空気圧アクチュエータ２０４に送信される制御信号を修正するのに使用可能な差又はマージンを算出することができる。このことは、オンオフ型空気圧アクチュエータ２０４に送信される信号を調整すべきかどうかを決定する制御法則に基づいてなされることができる。このことは、オンオフ型空気圧アクチュエータ２０４のためにフィードバック制御を発生させて使用する以下の模範的な方法を参照してより明らかになる。

図５は、例えば公差積み上げ又は摩耗で生じうる部品変動による誤差を減らすべくフィードバック制御を発生させて使用するための模範的な制御ループ５００を示す。フィードバック制御の模範的な方法が制御ループ５００を参照して記述される。

使用時に、システム１１０は、特定の切断率及び／又はデューティサイクルを設定する医療供給者から入力データを受信する。このことは、機械１００における入力装置を使用してなされることができ、硝子体切除術用カッター１１２において入力データを制御することによって入力されてもよい。入力の例は、デューティサイクルを調整すべくカッターハンドルを圧搾することと、キーボード、マウス、ノブ、又は他の公知の入力装置を使用してスクリーン上の選択を介して入力することとを含みうる。いくつかの例では、設定は、デフォルト値又は予めプログラムされた値を使用してシステム内に予め記憶される。その後、システムは、初期化されてその特定の設定で動作し、且つ、カッター１１２を空気圧で作動させるべくオンオフ型空気圧アクチュエータ２０４を制御する。入力データ又は予め記憶されたデータに基づいて、制御器２１６は、硝子体切除術用カッターにおける組織受容ポートを完全に開き且つ閉じるように各ポートにおいて満たされ又は超えられなければならない最小閾値圧力（Ｐ０、Ｐ１）を表すデータを記憶する。

フィードバック制御は差圧センサ５０２において始まる。上述された例を参照すると、差圧センサ５０２は第１圧力トランスデューサ２０６及び第２圧力トランスデューサ２０８を表す。しかしながら、他の実施形態では、他の圧力センサの構成が使用され、いくつかの実施形態では、単一の圧力センサのみが含まれる。本明細書に開示された例に戻ると、フィードバック制御は、差圧センサ５０２が第１ポート２１２及び第２ポート２１４において実際の空気圧力（ｐ０、ｐ１）を検出すると始まる。差圧センサ５０２は、機械１００において空気圧流ラインに物理的に関連付けられ、カッター１１２自体の上に位置し、又は、第１ポート２１２及び第２ポート２１４における圧力を表し若しくは示す圧力を検出できる限り、他の場所に配設されてもよい。

差圧センサ５０２は第１ポート２１２及び第２ポート２１４における実際の圧力（ｐ０、ｐ１）を示すデータをアナログ信号として出力する。この例では、アナログ・デジタルコンバータ（ＡＤＣ）５０４がアナログ信号をデジタル形式に変換する。ＡＤＣ５０４は、図５では分離した要素として示されるが、差圧センサ５０２と物理的に関連付けられ、制御器２１６の一部であり、又は差圧センサ５０２と制御器２１６との間に配置されてもよい。

また、いくつかの実施形態では、ＡＤＣ５０４は、測定された圧力（ｐ０、ｐ１）が予め記憶された最小閾値圧力（Ｐ０、Ｐ１）を満たし又は超える実際の時間の長さ（ｔ０、ｔ１）を追跡する態様で構成される。これら最小閾値圧力（Ｐ０、Ｐ１）は、カッターにおける組織受容ポートを完全に開き又は完全に閉じるのに必要とされる圧力を表す。このため、実際の時間の長さ（ｔ０、ｔ１）は、組織受容ポートが完全に開き又は完全に閉じる実際の時間の長さを示す。実際の時間の長さ（ｔ０、ｔ１）は単一の切断サイクルについてであり又は複数の切断サイクルに亘って平均化されてもよい。その後、ＡＤＣ５０４は実際の時間の長さ（ｔ０、ｔ１）を出力する。いくつかの実施形態では、制御器２１６はＡＤＣ５０４の代わりに時間を追跡する。

図５では、その後、デジタル信号は、制御器２１６において実行可能な計算モジュール（summing module）５０８による処理のために有意義なデータを提供すべく、当該技術分野において公知な態様でデジタルフィルタ５０６によってフィルタリングされる。計算モジュール５０８は、組織受容ポートが完全に開いている時間と、組織受容ポートが完全に閉じている時間との両方についての時間の長さにおいて誤差又はマージン（ｅ０、ｅ１）を検出するように構成される。これは、選択された切断率及び／又はデューティサイクルについての所望の時間の長さ（Ｔ０、Ｔ１）と比較された実際の時間の長さ（ｔ０、ｔ１）に基づく。これらは多数のサイクルに亘って平均化されてもよい。マージン（ｅ０、ｅ１）を決定するための一つの模範的なプロセスが以下に説明される。

一つの例では、計算モジュールは単純な計算算出を使用してマージン（ｅ０、ｅ１）を定める。これらの例が以下に提供される。
ｅ０＝ｔ０−Ｔ０＝（実際の時間）−（所望の時間）
ｅ１＝ｔ１−Ｔ１＝（実際の時間）−（所望の時間）

マージンｅ０は一方のアクチュエータ位置におけるマージンを表す。例えば、アクチュエータ位置は、硝子体切除術用カッター１１２上で組織受容ポートを開くように空気圧力を提供する位置である。マージンｅ１は反対のアクチュエータ位置におけるマージンを表す。例えば、反対のアクチュエータ位置は、硝子体切除術用カッター１１２上で組織受容ポートを閉じるように空気圧力を提供する位置である。いくつかの実施形態では、マージンは複数のサイクルに亘って採られた平均値に基づく。

いくつかの実施形態では、計算モジュール５０８は、二つの位置における二つのマージン間の非対称性を表すＥを算出する。このことは以下の式を使用してされうる。
Ｅ＝ｅ１−ｅ０

算出されたマージン（ｅ０、ｅ１）に基づいて、制御器２１６は、空気圧アクチュエータ２０４を制御するのに使用されるデューティサイクルデータを変更すべきかを決定すべく制御法則５１０を使用する。本明細書において数字６００によって参照される一つの模範的な制御法則が図６を参照して説明される。図６における制御法則６００はステップ６０２において開始する。

ステップ６０４において、制御法則は、マージンｅ０及びマージンｅ１が両方とも０以上であるかどうかを問い合わせる。イエスである場合、その後、システムは、実際の圧力（ｐ０、ｐ１）が最小閾値圧力（Ｐ０、Ｐ１）以上である実際の時間の長さ（ｔ０、ｔ１）が所望の時間の長さ（Ｔ０、Ｔ１）以上であるので、正確に動作する。従って、デューティサイクル及び切断率は変更を必要とすることなく、クエリーはステップ６０６において終了する。代替的に、いくつかの実施形態では、必要であれば、システムは、より正確な動作を提供すべく制御器２１６を使用してデューティサイクルを増加させ又は減少させるためのループ誤差として非対称性Ｅを更に使用してもよい。

ステップ６０４において答えがノーである場合、制御法則は、ステップ６０８において、ｅ０が０以上で且つｅ１が０未満であるかを問い合わせる。イエスの場合、その後、システムは、空気圧アクチュエータ２０４を制御することによって空気圧力がポート２１４に向けられる時間の量を増加させるべくループ誤差としてＥを使用してステップ６１０においてデューティサイクルを訂正する。デューティサイクルを訂正することは、特定のデューティサイクルについてタイミング信号を発生させるのに使用される記憶された動作データを調整し又は更新することを含むことができる。その後、制御法則はステップ６０６において終了する。

ステップ６０８において答えがノーである場合、その後、システムは、ステップ６１２において、ｅ０が０未満であり且つｅ１が０以上であるかを問い合わせる。イエスの場合、その後、システムは、空気圧アクチュエータ２０４を制御することによって空気圧力がポート２１２に向けられる時間の量を増加させるべくループ誤差としてＥを使用してステップ６１４においてデューティサイクルを訂正する。その後、制御法則はステップ６０６において終了する。

ステップ６０８、６１０では、アクチュエータが開かれる時間の量を増加させ又は減少させるべきかを決定する。いくつかの実施形態では、非対称性Ｅは増加又は減少の量を表す。他の実施形態では、算出されたマージン（ｅ０、ｅ１）は増加又は減少の量を表す。

ステップ６１２において答えがノーである場合、このとき、ステップ６１６において示されるように、ｅ０及びｅ１は両方とも０未満である。このため、システムは、デューティサイクルの訂正が状態を訂正するのに不十分であるので、故障状態（fault condition）を入力する。ステップ６１６における斯かる状態の潜在的な原因は圧力源の低い圧力であり、圧力源の低い圧力は、カッター１１２内の組織受容ポートを完全に開き又は完全に閉じるための最小閾値圧力を満たすのに不十分な振幅をもたらす。斯かる状態の別の潜在的な原因は、切断率が、現在の動作パラメータにおいてシステムによって維持されうる切断率よりも高いことである。

故障状態が入力されると、システムは、システムが動作状態にないことを可聴信号、可視信号又は触覚信号で医療供給者に通知することができる。一つの模範的な実施形態では、故障状態を初期化する前に、システム１１０は、圧力源の圧力を増加させるべく空気圧力源２０２を制御するように努めてもよい。この実施形態では、圧力源の圧力が十分に増加せしめられると、その後、システムは制御法則の開始に戻ってもよい。圧力源の圧力を増加させることが不可能である場合、その後、故障状態が誘発されうる。

別の模範的な実施形態の場合、圧力が十分に増加せしめられることができない場合、システムは、所望のデューティサイクルを実現するために切断率を減少させる必要があることをユーザに表示で促してもよい。切断率に対するあらゆる変更をユーザの指示において手動で又は自動的に行うことができる。制御法則はステップ６０６において終了する。

図５に戻ると、デューティサイクルが訂正を必要とするかどうかを決定するのに制御法則５１０を使用した後、必要であれば、システムは（ｕ０、ｕ１）として訂正値を出力する。その後、この訂正値（ｕ０、ｕ１）は、実際の圧力（ｐ０、ｐ１）が最小閾値圧力（Ｐ０、Ｐ１）よりも高い実際の時間（ｔ０、ｔ１）に所望の時間（Ｔ０、Ｔ１）をより厳密に整合させるべく、記憶されたデューティサイクル制御データ５１２を更新するのに使用される。いくつかの例では、このことは、所望の時間を追跡し且つ所望の時間を所望の切断率又はデューティサイクルに関連付ける、制御器のメモリ内に記憶されたテーブルを更新することによって行われる。

更新されたデューティサイクルデータを使用して、システムは、空気圧アクチュエータ２０４を制御するための制御信号を発生させる。ここで、空気圧アクチュエータは、使用されるタイプ及び数によって異なることがあるので、空気圧マニフォールド５１６によって表される。その後、この方法は、生じうる所望の値からのずれを連続的に検出して訂正するように繰り返されてもよい。

別の実施形態では、システム１１０は、最小閾値圧力よりも高い状態であった実際の時間をモニタリングすることなく、検出された圧力のみに基づいてフィードバックを提供する。図７は、この代替的な制御ループの動作の例を示す。多くの点において、図７における代替的な実施形態は、図５において上述された実施形態と同様である。差についてのみ詳細に記述する。

制御ループ７００は上述された制御ループと同様の態様で動作し、ここで、システムは、特定の切断率及び／又はデューティサイクルを設定する医療供給者からの入力データを受信する。入力データ又は予め記憶されたデータに基づいて、制御器２１６は、所望のデューティサイクル又は切断率に相当する時間の長さの間、硝子体切除術用カッター上で組織受容ポートを完全に開き且つ閉じるべく各ポートにおいて満たされなければならないピーク圧力（ＰＫ０、ＰＫ１）を表すデータを記憶する。ピーク圧力は、波形の先端において示される最大圧力を表す。

ここで、フィードバック制御は差圧センサ７０２において始まる。差圧センサ７０２は、第１ポート２１２及び第２ポート２１４において実際の圧力（ｐｋ０、ｐｋ１）を示すデータをアナログ信号として出力する。ＡＤＣ７０４がアナログ信号をデジタル形式に変換する。この実施形態では、ＡＤＣは実際の検出されたピーク圧力（ｐｋ０、ｐｋ１）を特定する。圧力トランスデューサ２０６、２０８のそれぞれのポート２１２、２１４について、圧力トランスデューサ２０６、２０８によって特定された最大圧力が存在する。

その後、デジタル信号は、制御器２１６において実行可能な計算モジュール７０８による処理のために有意義なデータを提供すべく、当該技術分野において公知の態様でデジタルフィルタ７０６によってフィルタリングされる。計算モジュール７０８は、所望のピーク圧力（ＰＫ０、ＰＫ１）と実際のピーク圧力（ｐｋ０、ｐｋ１）との間の誤差又はマージン（ｅ０、ｅ１）を検出するように構成される。この例では、計算モジュールは、単純な計算算出を使用してマージン（ｅ０、ｅ１）を決定する。これらは以下に提供される。
ｅ０＝ｐｋ０−ＰＫ０＝（実際のピーク圧力）−（所望のピーク圧力）
ｅ１＝ｐｋ１−ＰＫ１＝（実際のピーク圧力）−（所望のピーク圧力）

再び、マージンｅ０、ｅ１は、各々、異なるアクチュエータ位置におけるマージンを表す。これらアクチュエータ位置は、硝子体切除術用カッター１１２上で組織受容ポートを完全に開き又は完全に閉じるように空気圧力を提供するアクチュエータ位置でありうる。計算モジュール７０８は、Ｅ、すなわち上述された同じ式を使用して二つの位置における二つのマージン間の非対称性を算出する。
Ｅ＝ｅ１−ｅ０

算出されたマージン（ｅ０、ｅ１）に基づいて、制御器２１６は、空気圧アクチュエータ２０４を制御するのに使用されるデューティサイクルデータを変更すべきかを決定すべく制御法則７１０を使用する。この実施形態では、制御法則は、図６を参照して記述された制御法則と同じである。

デューティサイクルが訂正を必要とするかどうかを決定するのに制御法則７１０を使用した後、必要であれば、システムは（ｕ０、ｕ１）として訂正値を出力する。その後、この訂正値（ｕ０、ｕ１）は、所望のピーク圧力（ＰＫ０、ＰＫ１）を実際の圧力（ｐｋ０、ｐｋ１）により厳密に整合させるべくデューティサイクル７１２を更新するのに使用される。

更新されたデューティサイクルデータを使用して、システムは、オンオフ型空気圧アクチュエータ２０４で空気圧マニフォールド７１６を制御するために制御信号を発生させる。その後、この方法は、生じうる所望の値からのずれを連続的に検出して訂正するように繰り返されうる。

このフィードバック制御は、個々の部品公差、変動、及び所望の特性からの全体的なずれに対するシステムの全体的な感度を減少させるのに使用されることができる。このアプローチは、工場での較正を必要とすることなく、広範な重要部品公差に適応することができ、且つ、部品の経年劣化、又は温度のような不利な環境効果の結果としての変化を補償し続ける。

本明細書と本明細書に開示された本発明の実施例とを考慮すると、本発明の他の実施形態が当業者にとって明らかであろう。明細書及び例が単なる例示としてみなされ、本発明の真の範囲及び思想が以下の特許請求の範囲によって示されることが意図されている。

Claims (19)

1. 空気圧アクチュエータのためのフィードバック制御を有する手術システムであって、
   空気圧力源と、
   切断機構、第１空気圧入力ポート及び第２空気圧入力ポートを有する硝子体切除術用カッターと、
   前記第１空気圧入力ポート及び第２空気圧入力ポートのうちの一方に空気圧力を向けるように構成された空気圧アクチュエータと、
   前記第１空気圧入力ポートに設置され且つ該第１空気圧入力ポートにおいて実際の圧力を検出するように構成された第１圧力トランスデューサと、
   前記第２空気圧入力ポートに設置され且つ該第２空気圧入力ポートにおいて実際の圧力を検出するように構成された第２圧力トランスデューサと、
   前記第１圧力トランスデューサ、第２圧力トランスデューサ及び空気圧アクチュエータと通信する制御器であって、該第１圧力トランスデューサ及び第２圧力トランスデューサから通信されたデータに基づいて該空気圧アクチュエータの作動タイミングを変更するように構成された制御器と
   を具備する、手術システム。
2. 前記制御器が、前記第１ポート及び第２ポートにおける圧力が閾値圧力よりも高い時間の量を追跡するように構成される、請求項１に記載の手術システム。
3. 前記閾値圧力が、前記硝子体切除術用カッターにおける切断機構を作動させるのに必要とされる圧力に相当する、請求項２に記載の手術システム。
4. 前記制御器が、前記追跡された時間の量を、所望のデューティサイクルに相当する所望の時間の長さと比較するように構成される、請求項２に記載の手術システム。
5. 前記制御器が、前記時間が前記閾値長さの時間よりも短いと、前記空気圧アクチュエータが前記第１入力ポートに空気圧力を向ける時間の量を増加させるように構成される、請求項４に記載の手術システム。
6. 前記制御器が、前記時間が前記閾値長さの時間よりも長いと、前記空気圧アクチュエータが前記第１入力ポートに空気圧力を向ける時間の量を減少させるように構成される、請求項４に記載の手術システム。
7. 前記制御器が、複数のサイクルに亘って測定された時間を平均化することによって、前記第１ポート及び第２ポートにおける圧力が閾値圧力よりも高い時間の量を決定するように構成される、請求項１に記載の手術システム。
8. 前記制御器が、メモリ内に記憶された前記アクチュエータについての設定を調整することによって前記作動タイミングを修正するように構成される、請求項１に記載の手術システム。
9. 前記制御器が、前記第１圧力入力ポート及び第２圧力入力ポートにおける実際の圧力が閾値圧力レベルよりも低いと、故障状態を作動させるように構成される、請求項１に記載の手術システム。
10. 空気圧アクチュエータのためにフィードバック制御を使用して手術システムを制御する方法であって、
    硝子体切除術用カッターにおいて第１圧力入力ポート及び第２圧力入力ポートのうちの一方に空気圧力を選択的に向けるステップと、
    前記第１圧力入力ポートにおける実際の圧力を第１圧力トランスデューサで検出するステップと、
    前記第２圧力入力ポートにおける実際の圧力を第２圧力トランスデューサで検出するステップと、
    前記第１圧力トランスデューサ及び第２圧力トランスデューサによって検出された実際の圧力に基づいて前記空気圧アクチュエータの作動タイミングを修正するステップと
    を含む、方法。
11. 前記硝子体切除術用カッターにおいて切断機構を作動させるのに必要とされる圧力に相当する、予め記憶された閾値圧力にアクセスするステップと、
    前記第１空気圧ポートにおける実際の圧力が前記閾値圧力以上である実際の時間の長さを追跡するステップと
    を含む、請求項１０に記載の方法。
12. マージンを決定すべく、前記追跡された時間の長さを、所望の切断率又はデューティサイクルに相当する所望の時間の長さと比較するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 制御法則を使用して前記マージンを評価するステップと、
    前記決定されたマージンに基づいて動作精度を改善すべくデューティサイクルテーブルを更新するステップと
    を含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記空気圧力を検出するステップと前記作動タイミングを修正するステップとが手術処置中に起こる、請求項１０に記載の方法。
15. 所望のピーク圧力を記憶するステップと、
    誤差又はマージンを決定すべく、前記検出された実際の圧力を前記所望のピーク圧力と比較するステップと
    を更に含む、請求項１０に記載の方法。
16. 前記空気圧アクチュエータの作動タイミングを修正するステップが、
    前記時間が所望の時間の長さよりも短いと、前記空気圧アクチュエータが前記第１入力ポートに空気圧力を向ける時間の量を増加させるステップと、
    前記時間が前記所望の時間の長さよりも長いと、前記空気圧アクチュエータが前記第１入力ポートに空気圧力を向ける時間の量を減少させるステップと
    を含む、請求項１１に記載の方法。
17. 複数のサイクルに亘って測定された時間を平均化することによって、前記第１ポート及び第２ポートにおける圧力が閾値圧力よりも高い時間の量を決定することを更に含む、請求項１１に記載の方法。
18. 空気圧アクチュエータのためのフィードバック制御を有する手術システムであって、
    空気圧力源と、
    切断機構、第１空気圧入力ポート及び第２空気圧入力ポートを有する硝子体切除術用カッターと、
    前記第１空気圧入力ポート及び前記第２空気圧入力ポートのうちの一方に空気圧力を向けるように構成された空気圧アクチュエータと、
    前記第１空気圧入力ポートに設置され且つ該第１空気圧入力ポートにおいて圧力を検出するように構成された第１圧力トランスデューサと、
    前記第２空気圧入力ポートに設置され且つ該第２空気圧入力ポートにおいて圧力を検出するように構成された第２圧力トランスデューサと、
    前記第１圧力トランスデューサ、第２圧力トランスデューサ及び空気圧アクチュエータと通信する制御器であって、実際の測定データに基づくパラメータデータを、記憶された所望のデータと比較して、前記パラメータデータ及び記憶されたデータに基づいてマージンを算出し、且つ、特定のデューティサイクルについて記憶された動作パラメータを修正して、前記空気圧アクチュエータへの通信のために前記修正された動作パラメータに基づいて制御信号を発生させるように構成された制御器と
    を具備する、手術システム。
19. 前記空気圧アクチュエータが第１空気圧アクチュエータ及び第２空気圧アクチュエータであり、前記第１空気圧アクチュエータが前記第１空気圧ポートに空気圧力を向けるように構成され、前記第２空気圧アクチュエータが前記第２空気圧ポートに空気圧力を向けるように構成される、請求項１８に記載の手術システム。

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