JP2020174930A - 医療装置 - Google Patents

Abstract

【課題】チップの振動形態が1つの振動モードに限られた動作ではなく、多様なチップの振動動作を行うことができる歯科用超音波振動治療装置を提供することを目的とする。【解決手段】課題を解決するためには、チップを装着したハンドピースのもつ固有振動数成分2つ以上を重複した電流・電圧波形を、チップを装着したハンドピースに入力し駆動する。この時、重複されている全ての固有振動数成分それぞれについて周波数追尾する機能を有しており、負荷によって共振周波数が変化した際もそれに追尾し、常に共振周波数成分を持った電流・電圧を出力する。これをチップを装着したハンドピースに供給するよう構成すれば良い。【選択図】図２

Description

本発明は、医療装置である超音波ハンドピースに関する。

従来から、歯科や外科で用いられる医療装置において、チップと、それを装着し、先端を振動させるための圧電素子(アクチュエータ)を備えたハンドピースと、それらを駆動させるための発振部及び制御部を有する歯科用超音波振動治療装置（以下、医療装置）が、特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示されている医療装置は、装着しているチップごとに共振周波数を検出して、この検出値に基づきチップの種類に応じて、駆動共振周波数が自動的に設定され、かつ、自動的に装着されたチップの種類に応じたパワーでチップを駆動するものである。
このように、チップごとに共振周波数を検出して、これに基づき駆動周波数を設定するので、装着されたチップに適したパワーで、チップを駆動することができる。

特開昭６２−１１４５５０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の医療装置は、1つの固有周波数でのみチップを振動させるので、単位時間当たりのチップの往復回数や振動時のチップの先端が描く軌跡は、１つの固有周波数で決定する。また、振動モードについても1つの固有振動が持つ振動モードでのみ振動することとなる。つまり、チップの振動形態が１つに限られてしまい、多様な振動形態を提供することが難しいという課題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためのものであり、装着したチップを、多様な形態で振動動作させることができる医療装置を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するためには、医療装置において、超音波振動子と、超音波振動子の振動により振動するチップを有するハンドピースと、超音波振動子に発振出力を出力する駆動部と、駆動部を制御する制御部と、チップの共振周波数を検出する共振周波数検出部と、超音波振動子の出力値を検出する出力検出部を有する本体を備え、共振周波数検出部は、チップの２つ以上の共振周波数成分を検出すると共に、共振周波数成分に係る電気信号を前記制御部に出力し、出力検出部は、超音波振動子の電圧値や電流値を検出すると共に、これらの検出値に係る電気信号を前記制御部に出力し、制御部は、共振周波数検出部の検出値において、２つ以上の共振周波数成分に基づき生成した周波数制御信号を前記駆動部に出力し、駆動部は、前記周波数制御信号に基づき、出力波形を生成して前記振動子へ出力するように構成すれば良い。

本発明によれば、装着したチップを、多様な形態で振動動作させることができる医療装置を提供することが可能となる。

実施の形態１に係る医療装置Ｍの概略図 実施の形態１に係る医療装置Ｍのブロック図 チップを取り付けた振動子の固有振動数を示すグラフ 図３の固有振動数１で駆動した時の電流及び電圧波形を示すグラフ 図３の固有振動数２で駆動した時の電流及び電圧波形を示すグラフ 固有振動数１と固有振動数２の周波数成分を重複した時の電流、電圧波形を示すグラフ 図６に示す電流及び電圧で駆動した時のチップ速度のFFTグラフ 医療装置Ｍの動作フローを示す図 複数の振動モードを重複した場合のチップ先端の動作例

（実施の形態）
実施の形態について、図１〜図９を参照して説明する。
図１は、実施の形態１に係る医療装置Ｍの概略図である。図２は、実施の形態１に係る医療装置Ｍのブロック図である。図３は、ハンドピースにチップを取り付けた状態で測定したチップの固有振動数を示したグラフである。図３において、横軸を周波数［ｋＨｚ］、縦軸をインピータンス［Ω］とする。

図４は、図３の固有振動数１でチップを振動させた時の電流及び電圧波形である。図５は、図３の固有振動数１０でチップを振動させた時の電流及び電圧波形である。図６は、図４の固有振動数１と図５の固有振動数２の周波数成分を重複して駆動した時の電流及び電圧波形である。
図４〜図６におて、横軸を時間［μＳ］、縦軸を電圧［Ｖ］と電流［ｍＡ］とする。尚、図中において、電圧と電流を波形を指し示す記載は、電圧は「Ｖｏｌｔａｇｅ」、電流は「Ｃｕｒｒｅｎｔ」としている。
図７は、図６に示す状態の時のチップ速度のFFTグラフである。図７において、横軸を周波数［ｋＨｚ］、縦軸を速さ［ｍ／ｓ］とする。図８は、医療装置Ｍの動作フローである。尚、図中において速さは「Velocity」と示している。

図９は、複数の振動モードを重複した場合のチップ先端の動作例である。図９（ａ）において、ある周波数の縦方向の振動モードを持った固有振動Ａを表わす。図９（ｂ）において、固有振動Ａよりも高い周波数で横方向に振動モードを持った固有振動Ｂを表わす。図９（ｃ）において、固有振動Ａと固有振動Ｂを重複することによる振動の状態を表す。尚、図９において、描かれている図は、チップの先端が描く軌跡である。

医療装置Ｍは歯科用超音波振動装置であり、歯科分野において歯科治療における、歯垢もしくは歯石の除去、インプラント体の清掃、歯の切削、歯の根管の拡大・洗浄もしくは清掃、異物等の除去、根管充填材料等の充填、歯科修復物の接着の強化、歯周組織の切開もしくは除去、また、口腔外科手術における骨切削、骨整形に用いられる。この様な医療装置Ｍは、超音波ハンドピース１０（以下、ハンドピース１０）と本体２０とフットコントロール３０を有する。

図１を参照すると、ハンドピース１０には、外殻を構成するケース１１の内部に超音波振動子１２と、超音波振動子１２の振動を伝達する振動伝達部１３が設けられている。そして、ハンドピース１０の内部から外部にリード線１４が導出している。リード線１４は、本体２０に接続する。
超音波振動子１２（以下、振動子１２）は、このリード線１４により、後述する駆動部２８と出力検出部２６と共振周波数検出部２７と電気的に接続している。

次に、ハンドピース１０の先端部分には、チップ１５が振動伝達部１３に対して固定されることで設けられている。このように、チップ１５が振動伝達部１３に固定されることで、振動子１２の振動が振動伝達部１３を介してチップ１５に伝達される。
このように各部が構成されているので、振動子１２が動作している状態のときに、チップ１５を治療等の対象部位に接触させることで、歯石の除去や歯牙の切削を行うことができる。

次に、図２を参照して本体２０及びフットコントロール３０を説明する。
本体２０は、ハンドピース１０を動作制御するコントローラーとなる部位である。
本体２０は、制御部２１と電源部２２と表示部２３と操作部２４と記憶部２５と出力検出部２６と共振周波数検出部２７と駆動部２８を備える。
制御部２１は、マイコンやＣＰＵのような演算装置を含む回路と、その上で実行されるソフトウェアにより構成されている。この様な制御部２１は、あらかじめ記憶されているソフトウェアや出力検出部２６や共振周波数検出部２７や操作部２４からの入力に基づき、表示部２３や駆動部２８を制御するものである。

本実施の形態の場合、制御部２１は、出力検出部２６の検出値に基づき振動子１２へ出力を決定し、駆動部２８へ出力制御信号を出力する。また共振周波数検出部２７の電流電圧波形の位相差検出値に基づき、電流波形と電圧波形の位相同期を行い、発振周波数の決定し、駆動部２８へ周波数制御信号を出力する。
これにより、制御部２１は、駆動部２８を制御して、振動子１２を適切な振動状態にする。振動状態とは、振動時の周波数や振幅である。位相同期は、重複させる共振周波数それぞれについて行うことができる。

電源部２２は、制御部２１や駆動部２８やその他の部位に電力を供給する部位であり、電源コード２２ａにより外部の電源に接続する。
表示部２３は、医療装置Ｍの動作状態を表示する部位であり、液晶表示機やＬＥＤ等の発光などの手段により構成されている。そして表示部２３は、制御部２１に接続しており、制御部２１により動作を制御されている。

操作部２４は、使用者が医療装置Ｍを使用する際に、各種動作の設定を行う部位である。使用者が行う設定として、例えば、振動子１２の出力を調整したり、振動子１２の動作モードを選択したりする。動作モードの選択とは、重複する共振周波数の選択を含み、ユーザーが任意に設定する形態でも、予め設定されている振動モードを読み込む形態でもよい。
この様な操作部２４は、複数の機械的なスイッチ（例えば、タクタイルスイッチ）や静電容量スイッチ、ボリュームなどから構成されており、各スイッチの出力は制御部２１に入力する。

記憶部２５は、制御部２１と接続しており、操作部２４から入力された設定情報や出力検出部２６から入力された情報や共振周波数検出部２７から入力された情報を記憶する部位である。また、チップの動作モードに関する情報を予め記憶させておくことも可能である。記憶部２５に記憶された情報は、制御部２１で読み出し、適宜、各部の動作制御に用いられる。

出力検出部２６は、振動動作中の振動子１２の電圧値や電流値を検出するものであり、トランジスタやオペアンプなどの能動回路、電流・電圧検出用トランス、抵抗、コンデンサ、インダクタなどの受動回路で構成されている。出力検出部２６は、検出したこれらの値に係る電気信号を制御部２１に出力する。
尚、出力検出部２６は、検出値に基づき振動子１２に作用する負荷の値を求めて、これを制御部２１に出力する形態でもよい。

共振周波数検出部２７は、振動伝達部１３に設けられたチップ１５の共振周波数を検出する部位であり、検出した共振周波数成分に係る電気信号を制御部２１に出力する。図３に示すように、チップ１５を装着した振動子１２は、複数の固有振動数（１，２，３・・・）を有している。
共振周波数検出部２７は、振動子１２から返ってきた電流・電圧波形の位相差を検出する。通常、チップ１５を取り付けた振動子１２が共振する周波数で駆動している場合、電流と電圧の位相差は０であるが、チップ１５の先端に負荷を与えた場合、チップ１５を装着した振動子１２の共振周波数が変動し、駆動している周波数との共振周波数に差が生じる。

この場合、電流と電圧に位相差が生じる。共振周波数検出部２７は、この位相差を検出する。２つ以上の共振周波数成分を含んだ電流・電圧波形を振動子１２に出力する場合、それぞれの周波数成分において位相差を検出する。
この時、異なる共振周波数成分ごとに電流・電圧波形を分解し、それぞれにおいて位相差を検出しても良い。共振周波数検出部２７は、その差分を電気信号として制御部２１に出力する。

駆動部２８は、発振回路を備え、制御部２１からの出力制御信号に基づき、必要なエネルギーである駆動電圧と駆動電流を振動子１２に供給する。つまり、駆動部２８は、制御部２１からの周波数制御信号に基づき、図６のように複数の共振周波数成分を重複した電流、電圧の出力波形を生成し、チップ１５の振動に適した発振出力を振動子１２に出力する。
これにより、図７のように、生成した電流、電圧波形に含まれる複数の周波数でチップ１５を駆動することができる。

次に、フットコントロール３０は、使用者が足で操作することで、チップ１５の振動動作のＯＮ／ＯＦＦや注水部（図示せず）を操作して治療対象に向けて注水を行うものである。この様なフットコントロール３０は、動作ボタン３１が備えられ、制御部２１に電気的に接続する。
この場合、接続コード３０aのように有線で接続されている。また、フットコントロール３０と制御部２１の接続は、無線通信を用いて接続しても良い。

使用者が動作ボタン３１を操作することによる出力は、制御部２１に入力される。制御部２１は、動作ボタン３１を操作することによる信号に基づき駆動部２８を制御して、振動子１２を動作又は停止させて、チップ１５の動作をコントロールする。
同様に、制御部２１は、動作ボタン３１を操作することによる信号に基づき注水部（図示せず）を制御して、注水の開始又は停止をコントロールする。

また、動作ボタンとは別に注水ON/OFFボタンが設けられていたり、フットコントロール３０に注水量調整ボタンを設け、そのボタン操作にて、注水部（図示せず）を制御し注水量を調整する機能を備えていても良い。
同様に、フットコントロール３０に出力調整ボタンを設け、そのボタン操作にて、制御部２１を制御し振動子１２への出力を調整する機能を備えていても良い。

（動作）
次に、以上のように構成された医療装置Ｍの動作について、図８を参照して説明する。尚、図８は、医療装置Ｍの動作開始から振動子１２を一定の振動で振動し続けるようになるまでの動作フローである。
また、ここで説明するのは、負荷が変動しても振動子１２の振動が一定となるように制御する通常モードでの動作である。

まず、操作部２４の電源スイッチをＯＮすると、制御部２１が動作を開始する（ステップＳ１）。使用者は、操作部２４を操作して、チップ１５の発振出力を設定する。操作部２４からの設定に係る出力は、制御部２１に入力される（ステップＳ２）。尚、設定された発振出力が大きいほど、チップ１５は振幅が大きく振動する。

そして、使用者が操作部２４を操作して振動子１２の振動動作を開始の入力をする（ステップＳ３）と、制御部２１は、共振周波数検出部２７を制御して、伝達部１３にチップ１５が接続されたハンドピース１０の共振周波数を検出する（ステップＳ４）。ここで検出する共振周波数は、1つの共振周波数のみならず、高次の共振周波数を含め複数の共振周波数を検出する。共振周波数検出部２７は、検出した共振周波数に係るデータを制御部２１に出力する。

制御部２１は、チップ１５を取り付けた振動子１５の共振周波数検出値に基づき、この共振周波数でチップ１５を取り付けた振動子１２が振動するように、周波数制御信号を駆動部（発振回路）２８に出力する（ステップＳ５）。このとき、振動子１２に流れる電流値の大きさは、使用者が設定した発振出力に基づき設定される。

ここで、制御部２１は、図６に示すような電流及び電圧波形のような駆動部２８に出力する周波数制御信号を設定する際に、共振周波数検出部２７が検出したチップ１５を取り付けた振動子１２の複数の共振周波数の内、２つ以上を重畳して設定する。そして、制御部２１は、この設定した周波数制御信号を駆動部２８に出力する。
つまり、制御部２１は、共振周波数検出部２７の検出値において、２つ以上の共振周波数成分に基づき生成した周波数制御信号を駆動部２８に出力する。

本実施の形態の場合、例えば、図３に示す固有振動数１の成分を持った図４に示す電流及び電圧波形と、図３に示す固有振動数２の成分を持った図５に示す電流及び電圧波形を重複することで、図６に示す合成波を形成する。
これを振動子１２に入力することでチップ１５の振動は、図７に示すように２つの共振を持った振動が得られる。つまり、制御部が２つの共振周波成分を重複した周波数制御信号を駆動部２８に出力することで、振動子１２の振動状態を制御する。
そして、駆動部２８により振動子１２の振動が開始（ステップＳ６）された後は、制御部２１は、出力検出部２６の出力に基づき、設定した状態で振動子１２が振動し続けるように、振動子１２に流れる電流が一定となる制御をする（ステップＳ７）。

また、制御部２１は、上記の通り生成した周波数制御信号で、接続された振動子１２とチップ１５が振動し続けるように制御する。
具体的には、使用時にチップ１５に対して、切削対象に接触して負荷が作用すると、振動子１２のインピータンスが増加し、振動子１２に流れる電流値が低下する。制御部２１は、この電流値の低下を補うように、より電流が振動子１２に流れるように、電圧値を上昇させる制御を行う。
つまり、負荷が増加するほど振動子１２に電流が流れにくくなるので、制御部２１は、設定された電流値を維持するように、負荷の大きさに合わせて電圧を上昇させ、流れる電流を安定させる制御を行う。

さらに、制御部２１は、チップ１５に作用する負荷が低下し、振動子１２に流れる電流値が大きくなると、電圧値を下げ電流値が低下するように制御する。つまり、制御部２１は、電圧値を調整することで、電流値を一定に保つ制御を行う。
さらに、使用時にチップ１５に対して、切削対象に接触して負荷が作用すると、接続された振動子１２とチップ１５の共振周波数が変動する。制御部２１は、接続された振動子１２とチップ１５が常に共振周波数で振動するように制御する。
このように、駆動部２８は、制御部２１によって決定された出力、周波数制御信号を基に振動子１２への出力波形を生成し出力する。

以上のように医療装置Ｍを制御することで、使用者が設定した出力で、チップ１５が振動し続けるように動作制御される。尚、本実施の形態において、制御部２１と出力検出部２６と共振周波数検出部２７を別々の部位として説明しているが、これらを１つの制御部として構成してもよい。
この場合、例えば、制御部２１は、チップ１５に負荷が作用している状態、及び、負荷が作用していない状態の振動子１２の電圧波形と電流波形の位相差を検出し、両者の位相を合わせる機能を有する。
これにより、チップ１５に負荷が作用することによるチップ１５の固有振動数の変動に、電流波形と電圧波形の周波数変化が追従し、振動子１２への出力電圧波形と出力電流波形は、常に、チップ１５の共振周波数と同じ周波数成分で出力される。

（作用・効果）
以上のように医療装置Ｍを構成することで、次のような作用及び効果を奏する。
制御部２１は、複数の共振周波数成分を重複して生成した周波数制御信号を駆動部２８に出力してチップ１５の振動を制御することにより、複数の速度往復を持ったチップ１５の動きを実現することができる。

また、チップ１５は、共振周波数ごとに振動モードが異なる。そのため、複数の共振周波数成分の波形を重複して振動させることで、例えば、図９に示すように、ある共振周波数の縦方向の振動モードを持った固有振動Aと、それよりも高い周波数で横方向の振動モードを持った固有振動Bを重複することにより、チップ先端を「８」の字を描くように振動させることが可能となる。

このように、複数の共振周波数を出力波形に重複し振動させることで、多様な振動形態を提供することができる。これにより、使用用途に合わせたチップの動きを選択することが出来、切削効率、洗浄効率の向上が期待できる。

Ｍ 医療装置
１０ ハンドピース
１１ ケース
１２ 超音波振動子
１３ 振動伝達部
１４ リード線
１５ チップ
２０ 本体
２１ 制御部
２２ 電源部
２３ 表示部
２４ 操作部
２５ 記憶部
２６ 出力検出部
２７ 共振周波数検出部
２８ 駆動部
３０ フットコントロール
３１ 動作ボタン

Claims (2)

1. 超音波振動子と、前記超音波振動子の振動により振動するチップを有するハンドピースと、
   前記超音波振動子に発振出力を出力する駆動部と、前記駆動部を制御する制御部と、前記チップの共振周波数を検出する共振周波数検出部と、前記超音波振動子の出力値を検出する出力検出部を有する本体を備え、
   前記共振周波数検出部は、前記チップの２つ以上の共振周波数成分を検出すると共に、前記共振周波数成分に係る電気信号を前記制御部に出力し、
   前記出力検出部は、前記超音波振動子の電圧値や電流値を検出すると共に、これらの検出値に係る電気信号を前記制御部に出力し、
   前記制御部は、前記共振周波数検出部の検出値において、２つ以上の共振周波数成分に基づき生成した周波数制御信号を前記駆動部に出力し、
   前記駆動部は、前記周波数制御信号に基づき、出力波形を生成して前記振動子へ出力することを特徴とする医療装置。
2. 前記超音波振動子の電圧値や電流値を検出すると共に、これらの検出値に係る電気信号を前記制御部に出力する出力検出部を備え、
   前記制御部は、前記電圧値を調整することで、前記電流値を一定に保つことを特徴とする請求項１に記載の医療装置。

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