JP2014226318A - 超音波治療装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波振動子への負荷による超音波振動子の共振周波数の変化にかかわらず、超音波振動子を安定的に発振させて高い処置能力を発揮し続ける。【解決手段】超音波振動子４と、高周波の駆動電力を出力する電力供給部７１と、電力供給部７１に接続された１次巻線と超音波振動子４に接続された２次巻線とを有し、電力供給部７１から１次巻線に入力された駆動電力を２次巻線を介して超音波振動子４に供給するトランス７３と、超音波振動子４の無負荷時の共振周波数を含む所定の周波数範囲において超音波振動子４のインピーダンスが最小となる周波数を検出する周波数検出部６と、駆動電力の周波数を周波数検出部６によって検出された周波数に一致させるように電力供給部７１を制御する制御部８３とを備え、周波数検出部６が、トランス７３の２次巻線側において超音波振動子４に接続されている超音波治療装置１を提供する。【選択図】図２

Description

本発明は、超音波治療装置に関するものである。

従来、超音波振動子によって発生された超音波振動をプローブを介して患部に伝達することによって患部を治療する超音波治療装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。プローブと生体の組織との接触によって超音波振動子に負荷が加わると、超音波振動子の見かけの質量が増加することによって、超音波振動子の共振周波数が変化する。超音波振動子の共振周波数と該超音波振動子に供給される駆動信号の周波数とがずれると、超音波振動子は十分な効率で発振することができないため、超音波振動が減衰して処置能力が低下してしまう。

特許文献１には、この超音波振動子の共振周波数の変化に駆動信号の周波数を追従させるための制御方法として、超音波振動子のインピーダンスを利用する方法と、駆動信号の電圧および電流の位相差を利用する方法とが記載されている。前者の制御方法においては、超音波振動子のインピーダンスが極小となる周波数に、駆動信号の周波数を追従させている。後者の制御方法は、超音波振動子に供給される駆動信号の電圧および電流の位相差がゼロになるように、駆動信号の周波数を変化させる、いわゆるＰＬＬ制御である。

特開２００１−２１２５１４号公報

ところで、超音波治療装置には、通常、超音波振動子と、該超音波振動子を駆動するための駆動装置とを電気的に分離するために、駆動装置と超音波振動子とはトランスを介して接続されている。すなわち、特許文献１の装置は、実際には、トランスの１次側において駆動回路から出力される電圧および電流の大きさを用いて、超音波振動子のインピーダンスを算出する構成となっている。

ところが、超音波振動子のインピーダンスが急激に変化したとしても、このインピーダンスの急激な変化は、トランスの１次側においては緩やかな変化としてしか現れない。さらに、トランスの１次側においては、様々な要因によって電圧および電流の信号波形に歪みが生じやすい。したがって、前者のインピーダンスを利用した制御方法の場合には、超音波振動子の共振周波数の変化を正確に検知することが難しい。その結果、駆動信号の周波数を適切に制御することができず、超音波振動子の発振効率の低下を十分に抑制できないという問題がある。

一方、後者の位相同期を利用した制御方法の場合には、超音波振動子への負荷によって電圧信号に高調波が重畳されたり、信号の波形に歪みが生じたりすることがある。したがって、電圧および電流の位相差を常に正確に検出することが難しい。その結果、前者の制御方法と同様に、駆動信号の周波数を適切に制御することができず、超音波振動子の発振効率の低下を十分に抑制できないという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、超音波振動子への負荷による超音波振動子の共振周波数の変化にかかわらず、超音波振動子を安定的に発振させて高い処置能力を発揮し続けることができる超音波治療装置を提供することを目的とする。

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。
本発明は、超音波振動子と、該超音波振動子を超音波振動させるための高周波の駆動電力を出力する電力供給部と、該電力供給部に接続された１次巻線と前記超音波振動子に接続された２次巻線とを有し、前記電力供給部から前記１次巻線に入力された前記駆動電力を前記２次巻線を介して前記超音波振動子に供給するトランスと、前記超音波振動子の無負荷時の共振周波数を含む所定の周波数範囲において前記超音波振動子のインピーダンスが最小となる周波数を検出する周波数検出部と、該周波数検出部によって検出された周波数に基づき、前記駆動電力の周波数を前記周波数検出部によって検出された周波数に一致させるように前記電力供給部を制御する制御部とを備え、前記周波数検出部が、前記トランスの２次巻線側において前記超音波振動子に接続されている超音波治療装置を提供する。

本発明によれば、電力供給部からトランスを介して超音波振動子へ駆動電力が供給されることによって、超音波振動子が発振し、発生された超音波振動が、超音波振動子から直接または他の部材を介して組織に与えられることによって、組織が治療される。

ここで、超音波振動子が、直接または他の部材を介して組織と接触することによって負荷を受けると、超音波振動子の共振周波数が変化する。この共振周波数の変化に伴い、超音波振動子のインピーダンスが最小となる周波数が変化する。すなわち、周波数検出部によって検出される周波数は、負荷によって変化した超音波振動子の共振周波数となる。制御部は、周波数検出部によって検出された共振周波数の変化に追従するように、駆動電力の周波数を補正する。

この場合に、周波数検出部は、トランスの２次巻線側において超音波振動子の正確なインピーダンスを得ることができるので、超音波振動子４の共振周波数の変化が感度良く検出される。その結果、制御部によって制御される駆動電力の周波数が、超音波振動子の共振周波数の変化に正確に追従する。これにより、超音波振動子への負荷による超音波振動子の共振周波数の変化にかかわらず、超音波振動子を安定的に発振させて高い処置能力を発揮し続けることができる。

上記発明においては、前記周波数検出部が、前記所定の周波数範囲の各周波数における前記超音波振動子のインピーダンスを測定するインピーダンス測定器を備え、該インピーダンス測定器が、周波数を、前記超音波振動子の無負荷時の共振周波数またはその近傍の周波数から漸次低下させながら、前記超音波振動子のインピーダンスを測定してもよい。
このようにすることで、通常、超音波振動子の共振周波数は、負荷を受けることによって低下するので、負荷によって変化した共振周波数を、確実にかつ効率的に検出することができる。

また、上記発明においては、前記電力供給部から前記超音波振動子に供給された前記駆動電力の周波数と、前記周波数検出部によって検出された周波数との差分が、所定の時間にわたって継続して所定の正常範囲を逸脱した場合に、または、前記インピーダンス測定器によって測定された前記インピーダンスの、前記周波数の低下量に対する変化量が、所定の閾値よりも大きい場合に、異常を検知する異常検知部を備えていてもよい。
このようにすることで、超音波振動子やその周辺の部材に異常が発生した場合には、超音波振動子のインピーダンスの周波数特性に顕著な異常が現れる。このインピーダンスの周波数特性を利用することによって、異常を高感度に検出することができる。

また、上記発明においては、前記電力供給部は、前記異常検知部によって異常が検知された場合に、前記超音波振動子への前記駆動電力の供給を停止してもよい。
このようにすることで、何らかの異常が発生した場合に、迅速に超音波振動子の発振を停止させることができる。

また、上記発明においては、前記異常検知部によって異常が検知されたことをユーザに通知する通知部を備えていてもよい。
このようにすることで、異常の発生をユーザに迅速に認識させることができる。

本発明によれば、超音波振動子への負荷による超音波振動子の共振周波数の変化にかかわらず、超音波振動子を安定的に発振させて高い処置能力を発揮し続けることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る超音波治療装置の全体構成を示す外観図である。 図１の超音波治療装置の内部構成を示すブロック図である。 図２のインピーダンス検出部の構成の一例を示す回路図である。 超音波振動子が有するインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。 図２のインピーダンス検出部の電気的接続を示す回路図である。 図１の超音波治療装置による駆動電力の制御方法を示すフローチャートである。

以下に、本発明の一実施形態に係る超音波治療装置１について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る超音波治療装置１は、図１および図２に示されるように、超音波振動子４を内部に有する超音波処置具（以下、単に処置具という。）２と、該処置具２にケーブル９，１０を介して接続され、超音波振動子４に高周波の駆動電力を供給するとともにこの駆動電力を制御する制御ユニット３とを備えている。

超音波振動子４は、圧電体および内部電極を交互に積層してなる積層体と、該積層体の中心を圧電体および内部電極の積層方向に貫通するボルトと、積層体の両側においてボルトに締結されて積層体を両側から締め付けるナットとを備えるボルト締めランジュバン型振動子である。符号５は、基端が超音波振動子４に固定されたプローブである。

処置具２には、制御ユニット３から超音波振動子４への駆動電力の供給の開始および停止を指示するためのハンドスイッチ２ａが設けられている。ユーザによってハンドスイッチ２ａがＯＮ操作されると、制御ユニット３からケーブル９を介して駆動電力が供給されることによって超音波振動子４が超音波振動を発生し、その超音波振動がプローブ５を伝わって該プローブ５の先端部が振動する。これにより、プローブ５の先端部と接触している組織に摩擦熱を発生させ、組織を凝固または切開することができるようになっている。
なお、処置具２として、超音波振動子４の先端に設けられたホーンを直接組織に接触させる方式のものを採用してもよい。

また、処置具２は、超音波振動子４のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部（周波数検出部、インピーダンス測定器）６を備えている。インピーダンス検出部６は、超音波振動子４の無負荷時の共振周波数を含む所定の周波数範囲において、超音波振動子４のインピーダンスが最小となる周波数ｆ＿ｍｉｎを検出する。

図３は、インピーダンス検出部６の構成の一例を示す回路図である。図３に示されるように、インピーダンス検出部６は、一般に自動平衡ブリッジと呼ばれる回路を備えている。具体的には、インピーダンス検出部６は、超音波振動子４に測定電流Ｉを供給する電源６１と、反転入力端子（−）が超音波振動子４に接続されるとともに非反転入力端子（＋）が接地されたオペアンプ６２と、該オペアンプ６２の反転入力端子（−）と出力端子との間に接続された帰還抵抗６３と、電源６１の出力電圧Ｖｉｎおよびオペアンプ６２の出力電圧Ｖｏｕｔが入力される演算器６４とを備えている。

この自動平衡ブリッジにおいて、超音波振動子４のインピーダンスＺと、電源６１の出力電圧Ｖｉｎと、オペアンプ６２の出力電圧Ｖｏｕｔと、帰還抵抗６３の抵抗値Ｒｓとの間には、次の関係式が成立する。
Ｚ＝Ｖｉｎ×Ｒ／Ｖｏｕｔ

すなわち、帰還抵抗６３によりオペアンプ６２の出力端子から反転入力端子（−）に負帰還が作用することによって、反転入力端子（−）の電圧（図中、点Ｐにおける電圧）は常にゼロになる。また、オペアンプ６２の入力インピーダンスが十分に大きいために、超音波振動子４を流れた測定電流Ｉは、ほぼ全て帰還抵抗６３に流れ込む。その結果、超音波振動子４に加わる電圧は、電源６１の出力電圧Ｖｉｎと略同一になり、オペアンプ６２からの出力電圧Ｖｏｕｔは、超音波振動子４を流れる電流Ｉと帰還抵抗６３の抵抗値Ｒｓとの積になる。よって、上記関係式が導かれる。

演算器６４は、電源６１およびオペアンプ６２の出力電圧Ｖｉｎ，Ｖｏｕｔを検出し、これら２つの出力電圧Ｖｉｎ，Ｖｏｕｔと、既知の抵抗値Ｒｓとから、上記関係式に基づいて超音波振動子４のインピーダンスＺを算出する。

ここで、電源６１は、測定電流Ｉの周波数を掃引する。演算器６４は、各周波数における超音波振動子４のインピーダンスを検出および記憶することによって、超音波振動子４のインピーダンスの最小値Ｚ＿ｍｉｎとこれに対応する周波数ｆ＿ｍｉｎとを検出する。

具体的には、電源６１は、図４に示されるように、出力電圧Ｖｉｎの周波数を、所定の初期値ｆ１から、ｆ２、ｆ３、ｆ４、…と漸次低下させる。通常、超音波振動子４のインピーダンスの最小値Ｚｍｉｎは、超音波振動子４の無負荷時の共振周波数か、またはそれよりも低い周波数において現れる。したがって、初期値ｆ１は、超音波振動子４の共振周波数またはその近傍の周波数に設定される。

演算器６４は、各周波数ｆｎ（ｎ＝１，２，３，…）における超音波振動子４のインピーダンスＺｎ（ｎ＝１，２，３，…）を測定および記憶する。そして、演算器６４は、周波数ｆｎにおけるインピーダンスＺｎと、その次に測定された周波数ｆｎ＋１におけるインピーダンスＺｎ＋１とを比較し、Ｚｎ＜Ｚｎ＋１の関係が満たされたときに、Ｚｎを最小インピーダンスとして検出し、これに対応する周波数ｆｎを周波数ｆ＿ｍｉｎとして検出する。これにより、周波数ｆ＿ｍｉｎが、確実にかつ効率的に検出される。演算器６４は、検出した周波数ｆ＿ｍｉｎを、ケーブル１０を介して制御ユニット３内の周波数比較部８１に出力する。

制御ユニット３は、図２に示されるように、処置具２とケーブル９を介して接続され、超音波振動子４に駆動電力を供給する駆動回路７と、処置具２とケーブル１０を介して接続され、駆動電力の駆動周波数ｆ＿ｏｕｔを制御する高周波制御回路８とを備えている。

駆動回路７は、順番に直列に接続された、電力発生部（電力供給部）７１と電力増幅部７２とトランス７３とを備えている。
電力発生部７１は、高周波制御回路８から入力される制御信号（後述）に応じて駆動周波数ｆ＿ｏｕｔを設定する。そして、電力発生部７１は、設定された駆動周波数ｆ＿ｏｕｔを有する駆動電力を発生するとともに、その駆動周波数ｆ＿ｏｕｔを高周波制御回路８内の周波数比較部８１に出力する。電力発生部７１は、制御信号の内容が変更される度に、駆動周波数ｆ＿ｏｕｔを再設定する。
電力増幅部７２は、電力発生部７１から出力された駆動電力を増幅する。

トランス７３は、図５に示されるように、電力増幅部７２に接続された１次巻線７３１と、ケーブル９を介して超音波振動子４およびインピーダンス検出部６に接続された２次巻線７３２とを有している。トランス７３は、電力増幅部７２と処置具２との間で直流電力が流れることを防ぎつつ、電力増幅部７２から１次巻線７３１に入力される駆動電力を、２次巻線７３２およびケーブル９を介して超音波振動子４へ伝達する。図５において、符号１１は、インピーダンス整合コイルを示している。

高周波制御回路８は、周波数比較部８１と、異常検知部８２と、周波数制御部（制御部）８３と、通知部８４とを備えている。
周波数比較部８１は、電力発生部７１から入力された駆動周波数ｆ＿ｏｕｔと、インピーダンス検出部６から入力された周波数ｆ＿ｍｉｎとを比較し、これら２つの周波数ｆ＿ｏｕｔ，ｆ＿ｍｉｎの差分Δｆを計算し、算出された差分Δｆを周波数制御部８３に出力する。

異常検知部８２は、周波数比較部８１によって算出された差分Δｆを監視し、この差分Δｆが、所定の時間にわたって継続して所定の正常範囲から逸脱したときに、異常を検知する。処置具２が正常に動作している場合、差分Δｆは、十分に小さく、例えば、１０Ｈｚ以下の範囲で変動する。一方、プローブ５にひびが入るなどの異常が処置具２に発生している場合、差分Δｆは大きくなる。したがって、異常検知部８２は、例えば、差分Δｆが、１分間にわたって継続して１００Ｈｚ以上であったときに、異常を検知し、異常の発生を示す異常検知信号を周波数制御部８３および通知部８４に送る。

周波数制御部８３は、駆動電力の駆動周波数ｆ＿ｏｕｔを指示する制御信号と、電力発生部７１を作動させるための電力とを、電力発生部７１に出力する。ここで、周波数制御部８３は、最初に、超音波振動子４の共振周波数またはその近傍の周波数を指示する制御信号を出力する。次に、周波数制御部８３は、周波数比較部８１から差分Δｆを受け取ると、この差分Δｆに基づいて制御信号の内容を変更する。すなわち、駆動周波数ｆ＿ｏｕｔを差分Δｆだけシフトさせる制御信号を出力する。以下、周波数制御部８３は、周波数比較部８１から受け取った差分Δｆに基づき、駆動周波数ｆ＿ｏｕｔを差分Δｆだけシフトさせる制御信号を電力発生部７１に出力する。これにより、電力発生部７１は、インピーダンス検出部６によって検出される周波数ｆ＿ｍｉｎが変化したときに、この周波数ｆ＿ｍｉｎの変化に駆動周波数ｆ＿ｏｕｔが追従するように駆動周波数ｆ＿ｏｕｔの再設定を繰り返す。

また、周波数制御部８３は、異常検知部８２から異常検知信号を受け取ったときに、電力発生部７１への電力および制御信号の送信を停止する。これと同時に、通知部８４が、異常検知部８２から異常検知信号を受け取り、異常が検知されたことをユーザに通知する。通知部８４は、例えば、アラーム音を出力するか、または、図示しないディスプレイに警告表示を出力することによって、異常の発生をユーザに通知する。

次に、このように構成された超音波治療装置１の作用について説明する。
本実施形態に係る超音波治療装置１を用いて患部を治療するには、ユーザは、処置具２を体内に挿入し、プローブ５の先端を患部に接触させる。この状態で、ユーザは、ハンドスイッチ２ａをＯＮ操作することによって、制御ユニット３から超音波振動子４への駆動電力の供給を開始させる。

図６は、制御ユニット３による駆動電力の駆動周波数ｆ＿ｏｕｔの制御方法を示すフローチャートである。
まず、周波数制御部８３から電力発生部７１へ、駆動周波数ｆ＿ｏｕｔとして超音波振動子４の共振周波数またはその近傍の周波数を指示する制御信号と、電力とが送られる（ステップＳ１）。これにより、電力発生部７１から超音波振動子４への駆動電力の供給が開始され（ステップＳ２）、超音波振動子４が発振し、発生された超音波振動がプローブ５を介して患部に伝達される。患部においては、超音波振動による摩擦熱が発生し、患部が凝固または切開される。

ここで、プローブ５が組織と接触することによってプローブ５を介して超音波振動子４に負荷が加わると、この負荷の大きさ応じて超音波振動子４の見かけの質量が変化し、超音波振動子４の共振周波数が変化する。通常、超音波振動子４の共振周波数は、見かけの質量の増加によって低下する。

インピーダンス検出部６は、超音波振動子４のインピーダンスが最小となる周波数ｆ＿ｍｉｎ、すなわち、負荷によって変化した超音波振動子４の共振周波数を検出し、検出された周波数ｆ＿ｍｉｎを周波数比較部８１に送る（ステップＳ３）。周波数ｆ＿ｍｉｎは、周波数比較部８１において、超音波振動子４に供給されている駆動電力の駆動周波数ｆ＿ｏｕｔと比較され、周波数ｆ＿ｍｉｎと周波数ｆ＿ｏｕｔとの差分Δｆが周波数制御部８３に送られる（ステップＳ４）。周波数制御部８３においては、差分Δｆを用いて、周波数ｆ＿ｏｕｔを周波数ｆ＿ｍｉｎに一致させるような制御信号が生成されて電力発生部７１へ送られる。これにより、電力発生部７１から超音波振動子４に供給される駆動電力の駆動周波数ｆ＿ｏｕｔが、変化した周波数ｆ＿ｍｉｎに補正される（ステップＳ５）。以上のステップＳ３からステップＳ５は、ハンドスイッチ２ａがＯＦＦ操作されるまで（ステップＳ６，Ｓ７）繰り返される。

なお、図６のフローチャートには示されていないが、もし、ステップＳ４において算出された差分Δｆが、所定の時間にわたって継続して所定の正常範囲から逸脱した場合には、異常検知部８２によって異常が検知され、超音波振動子４の超音波振動が停止されると同時に通知部８４によって異常の発生がユーザに通知される。

この場合に、本実施形態によれば、インピーダンス検出部６は、超音波振動子４と同じくトランス７３の２次巻線７３２側に接続されており、超音波振動子４の実際のインピーダンスを直接検出する構成となっている。したがって、超音波振動子４のインピーダンスの変化がインピーダンス検出部６によって高い感度で検出され、周波数ｆ＿ｍｉｎも正確に検出される。

したがって、患部の治療中にプローブ５と組織との接触およびその強さに応じて超音波振動子４の共振周波数が変化したとしても、駆動周波数ｆ＿ｏｕｔが、超音波振動子４の共振周波数の変化に正確に追従し、その結果、超音波振動子４は、常に高効率で安定して発振し続ける。これにより、処置具２の高い処置能力を安定して発揮し続ける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、異常検知部８２が、差分Δｆに基づいて異常を検知することしたが、これに代えて、インピーダンス検出部６によって検出されたインピーダンスＺｎの変化量に基づいて異常を検知してもよい。

例えば、異常検知部８２は、演算器６４によって測定されたインピーダンスＺｎとその直前に測定されたインピーダンスＺｎ−１との差分ΔＺｎが、インピーダンスＺｎ−１の１０倍よりも大きい場合に（すなわち、ΔＺｎ＞１０×Ｚｎ−１を満たすときに）、異常を検知する。プローブ５にひびが入るなどの異常が処置具２に発生した場合、差分ΔＺｎが、急激に大きくなる。したがって、異常検知部８２は、上記の条件が満たされる場合に、異常を検知し、異常の発生を示す異常検知信号を周波数制御部８３および通知部８４に送る。このようにしても、処置具２の異常を高い感度で迅速に検出することができる。

１ 超音波治療装置
２ 超音波処置具
２ａ ハンドスイッチ
３ 制御ユニット
４ 超音波振動子
５ プローブ
６ インピーダンス検出部（周波数検出部）
６１ 電源
６２ オペアンプ
６３ 帰還抵抗
６４ 演算器
７ 駆動回路
７１ 電力発生部（電力供給部）
７２ 電力増幅部
７３ トランス
７３１ １次巻線
７３２ ２次巻線
８ 高周波制御回路
８１ 周波数比較部
８２ 異常検知部
８３ 周波数制御部（制御部）
８４ 通知部
９，１０ ケーブル
１１ インピーダンス整合コイル

Claims (6)

1. 超音波振動子と、
   該超音波振動子を超音波振動させるための高周波の駆動電力を出力する電力供給部と、
   該電力供給部に接続された１次巻線と前記超音波振動子に接続された２次巻線とを有し、前記電力供給部から前記１次巻線に入力された前記駆動電力を前記２次巻線を介して前記超音波振動子に供給するトランスと、
   前記超音波振動子の無負荷時の共振周波数を含む所定の周波数範囲において前記超音波振動子のインピーダンスが最小となる周波数を検出する周波数検出部と、
   該周波数検出部によって検出された周波数に基づき、前記駆動電力の周波数を前記周波数検出部によって検出された周波数に一致させるように前記電力供給部を制御する制御部とを備え、
   前記周波数検出部が、前記トランスの２次巻線側において前記超音波振動子に接続されている超音波治療装置。
2. 前記周波数検出部が、前記所定の周波数範囲の各周波数における前記超音波振動子のインピーダンスを測定するインピーダンス測定器を備え、
   該インピーダンス測定器が、周波数を、前記超音波振動子の無負荷時の共振周波数またはその近傍の周波数から漸次低下させながら、前記超音波振動子のインピーダンスを測定する請求項１に記載の超音波治療装置。
3. 前記電力供給部から前記超音波振動子に供給された前記駆動電力の周波数と、前記周波数検出部によって検出された周波数との差分が、所定の時間にわたって継続して所定の正常範囲を逸脱した場合に、異常を検知する異常検知部を備える請求項１または請求項２に記載の超音波治療装置。
4. 前記インピーダンス測定器によって測定された前記インピーダンスの、前記周波数の低下量に対する変化量が、所定の閾値よりも大きい場合に、異常を検知する異常検知部を備える請求項２に記載の超音波治療装置。
5. 前記電力供給部は、前記異常検知部によって異常が検知された場合に、前記超音波振動子への前記駆動電力の供給を停止する請求項３または請求項４に記載の超音波治療装置。
6. 前記異常検知部によって異常が検知されたことをユーザに通知する通知部を備える請求項３から請求項５のいずれかに記載の超音波治療装置。

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