JP2014108326A

JP2014108326A - 超音波処置装置

Info

Publication number: JP2014108326A
Application number: JP2012265672A
Authority: JP
Inventors: Masaya Toda; 雅也戸田
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2014-06-12

Abstract

【課題】共振周波数と反共振周波数の幅の狭い超音波振動子の長時間にわたる連続駆動を可能として、長時間にわたる処置を行う。
【解決手段】超音波振動により処置対象部位を処置する先端部９と、駆動周波数で変動する駆動電圧を加えることにより先端部９を振動させる駆動用圧電素子１０と、該駆動用圧電素子１０に絶縁部材７を介して隣接配置され、駆動用圧電素子１０により発生した振動を電圧信号に変換する検出用圧電素子１２と、駆動用圧電素子１０に供給する駆動電圧の駆動周波数を設定する周波数設定部１４と、検出用圧電素子１２により検出された電圧信号と駆動電圧との位相差を算出する位相差算出部１７と、該位相差算出部１７により算出された位相差に基づいて周波数設定部１４を制御する周波数制御部１８とを備える超音波処置装置１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波処置装置に関するものである。

従来、超音波メスのような超音波処置装置の超音波振動子は、供給する電流と電圧の位相差が一定となるように位相同期によって駆動されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許第４２６６７１２号公報

しかしながら、超音波振動子は自己振動による発熱や外部の温度によって駆動周波数がずれやすく、共振周波数と反共振周波数の幅が狭いために、位相同期によって長時間駆動し続けることができないという不都合がある。共振周波数と反共振周波数の幅が狭い超音波振動子を位相同期によって駆動しようとする場合、位相同期のスキャンレンジを広くしなければならず、電源を投入してから超音波振動子が振動するまでに遅れが生じてしまい、安定した駆動をすることができないという不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、共振周波数と反共振周波数の幅の狭い超音波振動子の長時間にわたる連続駆動を可能として、長時間にわたる処置を行うことができる超音波処置装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、超音波振動により処置対象部位を処置する先端部と、駆動周波数で変動する駆動電圧を加えることにより前記先端部を振動させる駆動用圧電素子と、該駆動用圧電素子に絶縁部材を介して隣接配置され、前記駆動用圧電素子により発生した振動を電圧信号に変換する検出用圧電素子と、前記駆動用圧電素子に供給する駆動電圧の駆動周波数を設定する周波数設定部と、前記検出用圧電素子により検出された電圧信号と前記駆動電圧との位相差を算出する位相差算出部と、該位相差算出部により算出された位相差に基づいて前記周波数設定部を制御する周波数制御部とを備える超音波処置装置を提供する。

本態様によれば、駆動用圧電素子に駆動周波数で変動する駆動電圧を加えることにより、先端部を振動させて処置対象部位を処置することができる。この場合に、駆動用圧電素子には、絶縁部材を介して検出用圧電素子が隣接配置されているので、駆動用圧電素子の振動が検出用圧電素子に伝達され、検出用圧電素子からは振動に応じた電圧信号が出力される。そして、検出用圧電素子から出力された電圧信号と駆動電圧との位相差が位相差算出部によって算出され、周波数制御部が算出された位相差に基づいて駆動用圧電素子に入力する駆動電圧の駆動周波数が制御される。その結果、発熱等によって超音波振動子の共振周波数がずれても、そのずれた共振周波数を追尾するように駆動周波数が制御されるので、長時間にわたって安定した駆動を行うことができる。

上記態様においては、前記周波数制御部が、前記位相差算出部により算出された位相差を目標位相差に近づけるように駆動周波数を制御してもよい。
このようにすることで、共振周波数と反共振周波数の幅の狭い超音波振動子において、共振周波数がずれても常に共振周波数での振幅の高い安定した振動を得ることができる。

また、上記態様においては、前記周波数制御部により駆動周波数を制御しても、所定時間にわたって目標位相差までの位相差が所定の閾値以上である場合にこれを報知する報知部を備えていてもよい。
このようにすることで、制御不能の場合を報知部によって外部に報知し、適正な処置ができない状態で作動し続けることを防止することができる。

また、上記態様においては、前記駆動用圧電素子、前記検出用圧電素子および前記絶縁部材が、振動方向に積層して配置されていてもよい。
このようにすることで、駆動用圧電素子、検出用圧電素子および絶縁部材を一体的に構成することができる。

本発明によれば、共振周波数と反共振周波数の幅の狭い超音波振動子の長時間にわたる連続駆動を可能として、長時間にわたる処置を行うことができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る超音波処置装置を示す全体構成図である。図１の超音波処置装置の駆動部の分極方向を示す図である。図１の駆動部を構成する駆動用圧電素子および電極を示す分解斜視図である。図１の超音波処置装置の駆動電圧および検出電圧の波形例を示すグラフである。図１の超音波処置装置の変形例を示す図である。

本発明の第１の実施形態に係る超音波処置装置１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る超音波処置装置１は、図１に示されるように、装置本体２と、該装置本体２を制御する制御部３とを備えている。

装置本体２は、超音波振動させられる先端部４と、該先端部４を超音波振動させる駆動部５と、該駆動部５により発生された振動を検出する検出部６と、該検出部６と駆動部５とを電気的に絶縁する絶縁板７と、検出部６よりも基端側に配置される基端部８とを備えている。
先端部４は、例えば、先端に向かって先細になる円錐台状に形成され、ステンレス鋼等の高剛性材料からなるフロントマスを構成している。先端部４の先端には、組織Ａを切断するメスのような処置具９が取り付けられるようになっている。

駆動部５は、図３に示されるように、中央に貫通孔１０ａを有する複数、例えば４枚のリング板状の圧電セラミックからなる駆動用圧電素子１０を積層状態に配置するとともに、各駆動用圧電素子１０間にリング状の電極１１を挟むことにより構成されている。図３において符号１１ａは電極１１を外部配線に接続するための接続部である。

複数の駆動用圧電素子１０および電極１１は、積層されることによって円柱状に形成され、貫通孔１０ａを貫通する高張力鋼からなるボルトとナット（図示略）とを締結することによって各駆動用圧電素子１０に厚さ方向に圧縮応力が加えられている。

各駆動用圧電素子１０は、図２に示されるように、厚さ方向に隣接するものが、厚さ方向に互いに反対方向に分極処理されている。これにより、高い電気機械結合係数が得られ、縦効果縦振動モードで振動させられるようになっている。
電極１１は、図３に示されるように、各駆動用圧電素子１０の片面に印刷されることにより構成され、該電極１１を同じ側に配置して駆動用圧電素子１０を複数積層することにより、駆動用圧電素子１０の両側に電極１１が配置されるようになっている。

各駆動用圧電素子１０の両側の電極１１には極性の異なる電圧が供給されるように、同じ極性の電圧が供給される電極１１は、それらの接続部１１ａが相互に接続されることにより、並列に接続されている。

検出部６は、中央に貫通孔（図示略）を有するリング板状の圧電セラミックからなり、駆動用圧電素子１０と略同等の形状を有する検出用圧電素子１２と、該検出用圧電素子１２の両端面に配置される電極１３とを備えている。駆動部５の作動によって検出用圧電素子１２が変形させられることにより発生する電圧を電極１３間に現れる電位差によって検出することができるようになっている。
検出用圧電素子１２の分極方向は、図２に示される方向に限定されるものではなく、厚さ方向のいずれの方向でもよい。

絶縁板７は、例えば、アルミナ等の絶縁体により構成されている。
基端部８は、例えば、円柱状に形成され、ステンレス鋼等の高剛性材料からなるバックマスを構成している。

制御部３は、駆動部５の電極１１および検出部６の電極１３にそれぞれ接続され、検出部６により検出される検出電圧に基づいて駆動部５に供給する駆動電圧を制御するようになっている。
さらに具体的には、制御部３は、駆動部５の電極１１に接続された周波数発生器１４および電力増幅器１５と、検出部６の電極１３に接続された振動検出器１６と、周波数発生器１４により発生された駆動電圧と振動検出器１６により検出された検出電圧との位相差を算出する位相比較器１７と、該位相比較器１７により算出された位相差に基づいて、該位相差が一定となるように周波数発生器１４により発生する周波数を制御する周波数調節器１８とを備えている。

周波数調節器１８は、例えば、位相比較器１７により算出された位相差Δθが、０°＜Δθ≦１０°の場合には、周波数発生器１４により発生された駆動電圧の周波数をΔｆ＝０．１Ｈｚ増加させ、１０°＜Δθ≦２０°の場合には、Δｆ＝１Ｈｚ増加させ、２０°＜Δθ≦５０°の場合には、Δｆ＝５Ｈｚ増加させ、５０°＜Δθの場合にはΔｆ＝１０Ｈｚ増加させるようになっている。

このように構成された本実施形態に係る超音波処置装置１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る超音波処置装置１を用いて組織Ａを処置するには、先端部４の先端に取り付けた処置具９を組織Ａに接触させつつ、駆動部５を駆動させ、先端部４を介して処置具９を振動させることにより、組織Ａの切断等の処置を行うことができる。

処置具９が組織Ａに接触していない状態では、駆動電圧と検出電圧との位相差は、図４に示されるように、９０°（目標位相差）に維持されており、処置具９の先端は最大振幅で共振させられている。一方、処置具９が組織Ａに接触すると、処置具９に組織Ａとの間の摩擦抵抗が作用する結果、処置具９の振動周波数が小さくなる。すると、位相比較器１７により算出される、検出電圧と駆動電圧との位相差が大きくなる。

制御部３は、位相比較器１７で算出された位相差に基づいて、位相差が大きい場合には周波数発生器１４により発生する駆動電圧の周波数を大きく増加させ、位相差が小さい場合には周波数を小さく増加させる。これにより、処置具９に組織Ａが接触して摩擦抵抗が増大しても、常に共振周波数の近傍で処置具９を振動させることができ、処置具９の処置能力を一定に維持することができるという利点がある。

すなわち、従来のように共振周波数と反共振周波数の幅の狭い振動子を備える超音波処置装置では、組織Ａが処置具９に接触することで振動子の共振周波数がずれた場合には、駆動できなくなるのに対し、本実施形態に係る超音波処置装置１によれば、周波数を追尾して、常に共振周波数近傍で処置具９を振動させることができ、長時間にわたって安定した処置を行うことができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、駆動用圧電素子１０を４枚積層することとしたが、これに代えて、２枚以上の任意の枚数積層してもよい。また、検出用圧電素子１２を駆動用圧電素子１０の積層方向と同方向に積層配置したが、これに代えて、図５に示されるように、基端部８の側面に密着させて配置してもよい。これにより、駆動用圧電素子１０の積層方向に超音波処置装置１の長さ寸法が長くなり過ぎることを防止することができる。

また、制御部３の周波数調節器１８が、位相比較器１７から出力された位相差に基づいて周波数発生器１４から出力する駆動電圧の周波数を調節する方法の一例を例示したが、これに限定されるものではなく、Ｐ制御、ＰＩ制御あるいはＰＩＤ制御等の任意の制御を行ってもよい。また、一定時間にわたる上記制御の結果、目標とする位相差に達しない場合に、これを報知する報知部（図示略）や駆動部５による処置具９の振動を停止させる手段を備えていてもよい。報知部としては、音や音声、光、画面表示等の任意の手法を採用することができる。

１超音波処置装置
４先端部
７絶縁板（絶縁部材）
９処置具（先端部）
１０駆動用圧電素子
１２検出用圧電素子
１４周波数発生器（周波数設定部）
１７位相比較器（位相差算出部）
１８周波数調節器（周波数制御部）

Claims

超音波振動により処置対象部位を処置する先端部と、
駆動周波数で変動する駆動電圧を加えることにより前記先端部を振動させる駆動用圧電素子と、
該駆動用圧電素子に絶縁部材を介して隣接配置され、前記駆動用圧電素子により発生した振動を電圧信号に変換する検出用圧電素子と、
前記駆動用圧電素子に供給する駆動電圧の駆動周波数を設定する周波数設定部と、
前記検出用圧電素子により検出された電圧信号と前記駆動電圧との位相差を算出する位相差算出部と、
該位相差算出部により算出された位相差に基づいて前記周波数設定部を制御する周波数制御部とを備える超音波処置装置。
前記周波数制御部が、前記位相差算出部により算出された位相差を目標位相差に近づけるように駆動周波数を制御する請求項１に記載の超音波処置装置。
前記周波数制御部により駆動周波数を制御しても、所定時間にわたって目標位相差までの位相差が閾値以上である場合にこれを報知する報知部を備える請求項１または請求項２に記載の超音波処置装置。
前記駆動用圧電素子、前記検出用圧電素子および前記絶縁部材が、振動方向に積層して配置されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波処置装置。