JP2506563B2 - 電気外科手術装置 - Google Patents

電気外科手術装置

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、患者の手術部位の組織を破砕及び吸引する
外科手術用ハンドピースに使用されている超音波発生用
トランスデューサを駆動するための電気装置と、その装
置の電気回路内の電子制御ループとに関する。より詳し
くは、本発明は、フィードバック制御を利用して振動周
波数を機械的共振周波数に維持しつつ超音波外科手術装
置を駆動するための装置に関する。本発明は更に、振幅
を制御するための手術に関すると共に、動作を監視し
て、システムのパラメータがアナログ制御ループにおけ
る限界を超えたときに正常動作を回復するためのディジ
タル・インターフェースにも関する。本発明は更に、そ
の装置の組織選択性を制御するための手段も提供する。
超音波振動を利用した外科手術装置を用いて不都合な
組織を正確に且つ安全に破砕して吸引除去できるように
なったことから、様々な価値ある手術方法が開発され
た。当初は、この外科手術吸引法は、例えば米国特許第
3589363号が開示しているように、白内障で混濁した組
織を破砕及び除去するために適用されていた。その後、
手持式装置から超音波エネルギを印加することによって
細かな制御を行ないつつ組織を１層ずつ選択的に除去し
て行くことが好都合な、例えば神経外科手術をはじめと
する特殊な幾つかの外科手術にも、同様の手術法が適用
されるようになり、それによって大きな成功が得られて
いる。
当業界において公知の装置のうちに、振幅が略々一定
で周波数が約20ないし約30キロヘルツから約40ないし約
50キロヘルツまでという振動特性を有する連続振動を発
生するようにした装置がある。米国特許第4063557号、
同4223676号、及び同4425115号には軟組織の除去に適し
た装置が開示されており、その装置は特に、血液を含ん
でいて非常に弾性的に変形し易い組織を除去するのに適
したものである。また、その装置は、外科医が組織の破
砕及び除去を行なおうとする際には連続運転することが
でき、通常、その装置の操作は、足踏式スイッチで行な
われている。
手術部位の組織を超音波で破砕し、その手術部位から
組織の破片及び体液を吸引除去するようにした公知の装
置の１つに、米国、コネチカット州、スタンフォードに
所在のValleylab,Inc.社が製造及び販売している「CUSA
model System 200 Ultrasonic Aspirator」という超音
波吸引装置がある。この装置については更に米国特許第
4827911号を併せて参照されたい。この種の超音波吸引
装置では、縦方向に振動させている、その装置の先端チ
ップ部を組織に接触させると、その先端チップ部が、穏
やかに、選択性をもって、しかも正確に組織を破砕し
て、その組織を除去することができる。この独創的な外
科手術装置の数々の利点のうちの幾つかを列挙するなら
ば、腫瘍摘出手術の際に健康な組織を損傷することが殆
どないこと、破砕後に血管だけを残すことが可能である
こと、組織の治癒が早まること、周囲の組織の縁部を焦
がしたり引き裂いたりしないこと、健康な組織に対して
最小限の引張力しか作用させないこと、それに、組織の
破砕及び除去を選択的に制御するための触覚による優れ
たフィードバックが可能なこと等がある。
超音波破砕装置を使用する外科手術法の多くは、組織
の切断や手術部位の止血を行なうための補助的な装置を
必要としている。例えば深部凝固によって大体積の組織
を乾燥させる乾燥法や、スプレー凝固によって組織の表
面を乾燥させる高周波法等には止血が必要である。
米国特許第4931047号並びに同5015227号は、超音波振
動を利用した外科手術のための破砕吸引装置に止血機能
を付加した装置を開示している。その装置は、凝固能力
と、組織の破砕及び吸引を、周囲の組織に僅かな外傷し
か与えずに行なえるように強化した破砕吸引機能との、
両方の機能を効果的に提供するものである。
米国特許第4750488号、並びに、同米国特許の２件の
継続特許である米国特許第4750902号及び同4922902号に
は、超音波による破砕と、吸引と、焼灼とを組み合わせ
て利用するようにした、方法及び装置が開示されてい
る。
ツールの先端チップ部の超音波振動で組織を破砕する
装置では、破砕効率並びにエネルギ利用効率を最適化す
るために、超音波振動発生用トランスデューサを共振周
波数で動作させることが望まれる。そのトランスデュー
サが、圧電性結晶体トランスデューサである場合には、
そのトランスデューサの振動周波数は、その振動を発生
させる電気駆動信号の周波数に等しい。動作効率が最大
になるのはそのトランスデューサを、そのトランスデュ
ーサの共振周波数で振動させるときである。しかしなが
ら、例えば温度、熱膨張量、それに負荷インピーダンス
等の動作パラメータが変化すると、共振周波数は偏移す
る。従って、偏移する共振周波数を追跡するために、駆
動信号の周波数を制御して変化させる必要がある。
米国特許第4750488号が開示している回路は、周波数
制御ループを含んでおり、その周波数制御ループは、圧
電性トランスデューサへの電圧入力と電流入力とに比例
する２つの信号を加え合わせて得たフィードバック信号
に応じて動作するようにしたものである。
米国特許第4965532号が開示している超音波トランス
デューサ駆動回路は、周波数制御手段を含んでおり、そ
の周波数制御手段は、第１位相検出信号と第２位相検出
信号とに応じて変化するフィードバック制御信号を利用
するようにしたものである。
本発明によって明らかになったことは、圧電性トラン
スデューサに機械的に結合したフィードバック用の圧電
性結晶体を含んだ独創的な制御ループを用いることによ
って、効率的な周波数制御が行なえるということであ
る。
米国特許第4012647号は、周波数を同調させた回路の
中にフィードバック用の圧電体結晶体を使用し、その回
路から発生される、フィルタを通過した信号によって、
超音波システムの駆動信号を制御するということを開示
している。この米国特許が開示しているシステムは、外
科手術装置ではなく、また、超音波振動子と、増幅器
と、同調用インダクタンスとを組み合わせた上で、フィ
ードバック用の結晶体から増幅器の入力へフィードバッ
クをかけることによって、発振回路を構成している。こ
れに対して本発明の新規な回路では、制御ループの一部
に、電圧制御発振器（VCO）を組み込んでいる。また、
フィードバック用の圧電性結晶体からのフィードバック
信号をこの制御ループへ入力して、この制御ループに増
幅器を駆動させている。この新規な回路の利点は、この
回路は機械的共振周波数を追跡する際に電気的相互作用
を伴わないということにある。
フィードバック制御ループを備えた超音波外科手術装
置の動作時に頻繁に発生する問題の１つに、その制御ル
ープが、目標としている共振周波数にではなく、その近
くの不都合な周波数に同調してしまう傾向を示すという
ことがある。
この問題が実際に発生するか否かは、システムの周波
数スペクトルと、制御ループの特性とにかかっている。
制御ループの減衰が小さ過ぎると、動作の開始時や負荷
の急変時の大きな過渡オーバーシュートのために、駆動
周波数が、近くの別の周波数へ変化させられてしまう。
制御ループが近くの不都合な周波数に同調してしまう傾
向は、その制御ループのオーバーシュートが大きいほ
ど、また、同調してしまうその近くの周波数が近接して
いるほど強く現れる。
要求性能の点で、また製造時のばらつきのために、純
粋にアナログ式の構成で上述の不都合を生じることのな
い制御システムを製造することは困難である。更に、超
音波振動子の製造に関する困難な問題の１つに、材料及
び製造工程のばらつきのために、共振周波数にばらつき
が生じるということがある。超音波振動子の共振周波数
にばらつきがあると、制御ループの動作中の誤差信号の
大きさが大きくなる。そして、上述の不都合が発生する
確率は、誤差信号の大きさに正比例して上昇する。
本発明によって明らかになったことは、次のようなシ
ステムを用いることによって上述の不都合を回避し得る
ということであり、そのシステムとは、マイクロプロセ
ッサを用いたシステムであって、アナログ制御ループに
相互作用的に結合しており、また、動作を監視してシス
テムのパラメータがアナログ制御ループの限界をこえた
ときに正常動作を回復するための、ディジタル・インタ
ーフェースを提供するシステムである。
発明の概要 本発明によれば、組織の破砕及び吸引のための外科手
術用ハンドピースの超音波発生用圧電性結晶体トランス
デューサを駆動するための電気装置が提供され、この装
置は、増幅器に直列に接続した電圧制御発振器と、フィ
ードバック用圧電性結晶体から位相比較器及びループ・
フィルタを介して前記電圧制御発振器へ接続している第
１電子制御ループとを備えており、前記フィードバック
用圧電性結晶体は、前記トランスデューサに機械的に結
合していて前記トランスデューサの実際の振動周波数の
関数であるフィードバック信号を発生するようにしてあ
り、前記位相比較器は、前記フィードバック信号の位相
と駆動信号の位相とを比較して、該駆動信号を前記トラ
ンスデューサの共振周波数に維持する制御信号を発生す
るようにしてあり、前記増幅器は電圧源増幅器であっ
て、該電圧源増幅器の出力部を、同調用インダクタを並
列に接続した前記圧電性結晶体トランスデューサに接続
してあることを特徴とする装置である。
好ましくは、前記ハンドピースに圧電性結晶体トラン
スデューサを収容するようにし、該トランスデューサ
を、トランスデューサとしての作用を及ぼし得るように
して、先端チップ部を有するツールに連結し、該トラン
スデューサが、本発明に係る装置から供給される電気駆
動信号によって活動化されたならば、前記ツールの前記
先端チップ部を超音波振動させ、それによって、該先端
チップ部が外科手術部位の組織を破砕し得るようにし、
また更に、前記ハンドピースが、破砕された組織を前記
外科手術部位から除去するための吸引手段を備えている
ようにするのが良い。
前記圧電性結晶体トランスデューサには同調用インダ
クタを並列に接続して回路網を形成してあり、この回路
網は、前記トランスデューサの動作周波数に対応した共
振周波数を持ち、前記電圧源増幅器から実際の負荷への
結合を最適化している。圧電性結晶体は電圧によって制
御されるデバイスであるため、前記電圧源増幅器に前記
同調用インダクタを並列に接続することの利点は、圧電
性によって駆動される振動子の制御をより直接的に行な
えるということである。また好適実施例においては、前
記電圧源増幅器の出力部に小さな抵抗値の抵抗を直列に
接続して更に安定性を高めている。この好適実施例は、
従来用いられていた同調用インダクタを直列に接続した
構成と比べれば顕著な進歩であり、なぜならば、インダ
クタンスによる位相遅れが存在しないために応答が迅速
化されているからである。
本発明は更に、以上に記載した種類の装置であって、
更に第２制御ループを備えた装置を提供するものであ
る。その第２制御ループは、前記トランスデューサの振
動振幅を検出して振幅信号を発生する手段と、該振幅信
号を操作者が調節可能なコマンド信号と比較する手段
と、前記振幅信号のレベルが前記コマンド信号のレベル
と等しくなるように前記駆動信号を必要に応じて調節す
ることにより、負荷が変動しても振動の振幅が所望の動
作振幅に維持されるようにす手段とを含んでいる制御ル
ープである。
前記第２制御ループは、RMS−ACフィードバック信号
をDCへ変換するコンバータを含んでいるものであること
が好ましい。
本発明は更に、１つないし複数の電子制御ループを監
視して、該電子制御ループに制御されている動作の実行
中に発生するエラー状態を検出し且つそのエラー状態に
応答するための制御システムを提供するものでもある。
その制御システムは、アナログ−ディジタル・コンバー
タとマルチプレクサとに結合したマイクロプロセッサを
備えており、各々の前記電子制御ループからの出力を前
記マルチプレクサに入力するようにしてあり、該マルチ
プレクサからの出力を前記コンバータにおいてディジタ
ル形式に変換して入力ディジタル信号を発生させ、該入
力ディジタル信号を前記マイクロプロセッサの中で処理
することにより、適当なアルゴリズムをもって応答して
エラー状態を修正するようにしてある制御システムであ
る。
以上に述べた制御システムが特に適している用途は、
本発明に係る装置に含まれている前述の第１制御ループ
等の、周波数制御ループの監視に使用するという用途
や、本発明に係る装置に含まれている前述の第２制御ル
ープ等の、増幅利得制御ループの監視に使用するという
用途であるが、ただし、好適実施例においては、それら
第１制御ループと第２制御ループとの両方を監視するた
めにその制御システムを使用している。この好適実施例
については、以下に添付図面の図１を参照しつつ、更に
具体的に説明する。
本発明は更に、以上に説明した種類の装置であって、
しかも超音波外科手術吸引装置に組織選択性を付与する
ための手段を含んでいる装置を提供するものであり、そ
の手段は、前記増幅利得制御ループの出力部に接続した
制限回路を含んでおり、該制限回路を介して操作者が前
記増幅利得制御ループの最大誤差信号出力に調節を施し
て制限を加えることができるようにしたものである。
従って、好適なハンドピースの一例を挙げるならば、
圧電性結晶体トランスデューサを含んでおり、該トラン
スデューサを、トランスデューサとしての作用を及ぼし
得るようにして、先端チップ部を有するツールに連結し
てあり、該トランスデューサは、電気駆動信号によって
活動化されたならば、前記ツールの前記先端チップ部を
超音波振動させ、それによって、該先端チップ部が外科
手術部位の組織を破砕し得るようにしてあり、更に、破
砕された組織をその外科手術部位から除去するための吸
引手段を備えたハンドピースである。また、前記トラン
スデューサと前記フィードバック用結晶体とは、電気的
に絶縁したハウジングの中に収容し、様々な動作を選択
して起動させるためのスイッチ手段をそのハウジングに
取付けて、そのハンドピースを手で操作し得るものとす
ることが好ましい。
図面の簡単な説明 これより添付図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に
説明して行く。添付図面については以下のとおりであ
る。
図１は、本発明の一実施例に係る制御ループを模式的
に示した図、 図1Aは、図１の２つの点Ａの間の変更回路部分を示し
た図、 図２は、動作を監視してシステムのパラメータがアナ
ログ制御ループの限界を超えたときに正常動作を回復す
るためのステップを示したアルゴリズムの図、 図３は、位相同期ループの誤差をチェックしてその誤
差を「０」にするために必要な調節を施すステップを示
したアルゴリズムの図、 図４は、本発明の装置と共に使用する好適なハンドピ
ースの一例を示した部分断面側面図、 図５は、図４の５−５線に沿った正面断面図、 図６は、図４の６−６線に沿った背面断面図、そし
て、 図７は、前記ハンドピースの上面図である。
発明の詳細な説明 添付図面の図１に示した装置は電圧制御発振器（VC
O）１を含んでおり、このVCO1は、電力増幅器２を介し
て駆動用圧電性結晶体３を正弦波状発振電圧で駆動して
いる。この発振電圧は、電圧源増幅器である電力増幅器
２の出力から駆動用圧電性結晶体３へ供給されており、
駆動用圧電性結晶体３にはインダクタ４を並列に接続し
てある。インピーダンス整合用変成器Ｔを付加した構成
とすることもできる（図1A）。更には、安定性を得るた
めに、小さな抵抗値の抵抗Ｒを電力増幅器の出力に接続
しても良い（図1A）。VCOの出力の発振周波数はそのVCO
の入力へ供給される電圧の大きさに応じて決まる。VCO
の周波数範囲の中点は、システムが正常動作をしている
ときに周波数がその点にくることが予期される点に設定
すべきであり、また、その周波数範囲は、システムの通
常使用時に周波数が変化する範囲をカバーするように設
定すべきである。
駆動用圧電性結晶体３は、VCOから供給される正弦波
状発振電圧に応答してその発振電圧の周波数と同じ周波
数で振動し、その結果、超音波振動アセンブリの全体が
その周波数で振動することになる。
超音波振動アセンブリはフィードバック用結晶体５を
備えており、このフィードバック用結晶体５も超音波振
動アセンブリと共に振動する。圧電性結晶体に応力を加
えると、それに応答して圧電性結晶体は、加えられた応
力に比例した電圧を発生する。こうして発生する電圧
は、超音波振動アセンブリがどのように振動しているの
かを表わす指標になる。振動アセンブリの変位の大きさ
は、フィードバック用結晶体の両面の間に発生する電圧
のレベルで表わされる。振動アセンブリが所与の周波数
で正弦波状に振動しているときには、フィードバック用
結晶体から得られる電圧信号は、その周波数の正弦波に
なる。振動アセンブリの振動の共振周波数は、振動アセ
ンブリを駆動するために必要な電力が最小になる周波数
に他ならない。共振周波数は、駆動信号の正弦波とフィ
ードバック信号の正弦波との間の位相差が90度になるこ
とによって、判別することができる。
駆動信号６とフィードバック信号７との２つの信号
は、位相比較器８の夫々の入力へ供給されている。この
位相比較器８の出力９は、正弦波信号である駆動信号
と、同じく正弦波信号であるフィードバック信号との間
の、位相角のコサインを与えるものである。
駆動用結晶体の共振周波数がVCOの中心周波数と一致
していれば、VCOは駆動用結晶体をその共振周波数で駆
動する。この場合、位相比較器へフィードバックされ
る、駆動信号とフィードバック信号との間の位相角は90
度になり、従って、ループ・フィルタ10と、後述する増
幅器11とを介してVCOへ供給される電圧は「０」ボルト
になり、そのためVCOは、振動アセンブリをその共振周
波数で駆動し続けることになる。
負荷が加わったためにその共振周波数が急変したなら
ば、２つの正弦波信号の間の位相角はもはや90度ではな
くなる。位相比較器の出力は90度以外の別の角度のコサ
インとなり、それはもはや「０」ではない。VCOは、こ
れを検知して（位相比較器の出力は利得増幅器11を介し
てVCOへ供給されている）、出力周波数を偏移させ、そ
の偏移の大きさは、位相比較器から出力された信号に利
得増幅器11の利得を乗じた積に比例した大きさであり、
その偏移の方向は、駆動信号とフィードバック信号との
間の位相角を90度へ復帰させるような方向である。位相
角が90度へ復帰すべく90度という値へ近づいて行くにつ
れて、位相角のコサインは「０」へ復帰すべく「０」と
いう値へ近づいて行く。位相角が90度へ近付けるだけ近
付き、そしてそれに伴って、VCOへ供給されている電圧
が、VCOの中心周波数とは異なった、新たな共振周波数
と一致した周波数での発振を維持するのに充分な電圧レ
ベルになった時点で、その系は平衡状態に達する。尚、
増幅器の利得を大きくするほど誤差は小さくなる。
振動系が機械的なものである場合には、その振動系の
振動の周波数ないし振幅が変化しようとするときにその
変化の速度を抑制しようとする慣性が存在するために、
問題は更に複雑になっている。振動アセンブリの先端チ
ップ部へ急に負荷が加わって、振動アセンブリの共振周
波数を変化させることがあり得る。位相比較器８はこれ
に応答して、増幅器11を介してVCOへ、周波数を修正さ
せる電圧を供給する。この増幅器の利得が過大である
と、VCOは駆動周波数を、機械的な振動系である振動ア
センブリが対応し得る変化速度の限度を超えた速い速度
で変化させようとする。振動アセンブリが、共振する適
切な周波数に達したときには、VCOは既にその周波数を
通り過ぎて幾分オーバーシュートしている。そのためル
ープは、今度は逆方向へ修正しようとして再びオーバー
シュートし、以後、同じことを繰り返す。システムが安
定であれば、オーバーシュートは各サイクル毎に小さく
なって行き、最終的に収束する。一方、システムが不安
定であれば、オーバーシュートは各サイクル毎に小さく
なることはなく、一定の大きさのままで発振を続ける
か、或いは各サイクル毎に大きくなって、最終的にシス
テムは、近くの別の周波数に同調するか、或いは損傷す
ることになる。
位相比較器８、この位相比較器８の出力９、利得増幅
器11、及びVCO1から成るループは、位相同期ループ（PL
L）を構成しており、この位相同期ループの部分を、図
中に破線12で囲って示した。
振幅を制御するために、第２の制御ループ13を備えて
いる。このループ13は自動利得制御ループ（AGC）であ
る。操作者は、振動させる先端チップ部に必要な振動振
幅をコマンド入力14で設定する。フィードバック用結晶
体から返されてくる正弦波７を、RMS−DCコンバータ15
によって、その正弦波の振幅の関数であるDCレベルへ変
換するようにしている。この信号16が、続いて加算ノー
ド17へ供給され、この加算ノード17の出力18は、フィー
ドバック信号とコマンド入力14との間の差を表わす誤差
信号であり、この誤差信号18が誤差増幅器19へ供給され
ている。誤差増幅器19はその出力に、加算ノード17への
２つの入力14及び16の間の差に比例した信号を発生す
る。信号20は、駆動用圧電性結晶体３を駆動している電
力増幅器２の出力である駆動信号の振幅を制御してい
る。以上のシステムが平衡状態にあるときには、上述の
２つの入力14及び16の間に最小限の大きさの差が存在し
ており、ただしその差の大きさは、20におけるレベル
を、駆動用結晶体を駆動し得るレベルにし、また、14と
16との間のこの最小限の差を発生させる信号をフィード
バック用結晶体からフィードバックさせることができる
だけの、充分な大きさになっている。利得を大きく設定
すれば誤差を小さくできるが、不安定になるのを避ける
ためには利得に安全率を見ておく必要がある。
超音波吸引装置の特徴の１つに、ある特定の種類の組
織だけを、それに隣接する別の種類の組織には殆どない
し全く影響を与えることなく破砕して吸引する、組織選
択性という特徴がある。外科手術の種類によっては、組
織選択性を備えていることが望ましいような外科手術も
あり、また、組織選択性の低い破砕能力を発揮すること
が望まれる外科手術もある。
本発明によって判明したところによれば、AGCが供給
する駆動信号の最大振幅を制限回路21で変化させること
によって、この組織選択性を強めたり弱めたりすること
ができる。
マルチプレクサ22はその入力として、自動利得制御ル
ープ（AGC）13の誤差信号23と、PLLの誤差信号24とを受
け取っている。このマルチプレクサ22の出力はアナログ
−ディジタル・コンバータ25へ供給されており、このア
ナログ−ディジタル・コンバータ25の出力は、マイクロ
プロセッサ（μＰ）26へ供給されている。マイクロプロ
セッサ26の出力信号27は、中心周波数調節装置28へ供給
されており、この装置28の出力はVCO1へ供給されてい
る。マイクロプロセッサ26の第２の出力信号29は、切り
換え装置30へ供給されており、この出力信号29によっ
て、コマンド入力が、「０」または小振幅の基準点31
と、操作者が設定した振幅設定点32との間で切り換えら
れるようにしている。
このシステムが通常の動作をしているときのその動作
を、図２のアルゴリズムに示した。先ずAGCループの誤
差信号23をポーリングして、その誤差信号のレベルをチ
ェックする（33）。その差の大きさが所定値よりも大き
かったならば（＞Ａ）（34）、それは、システムがスト
ール状態にあることを表わしている。ストール状態と
は、実際の振動の振幅がコマンド入力14に対応した振幅
よりもはるかに小さくなっており、従って、加わってい
る負荷が過大であることが表わされており、そのために
制御ループが、近くの望ましくない周波数に同調してい
るか、或いは、その他の何らかのエラー状態になってい
る状態である。ストール状態にあることが表わされてい
なければ、ポーリング（33、34）を反復して実行し、こ
の場合には、PLLは正常に動作し続けることができる。
一方、ストール状態にあることが表わされていたなら
ば、PLLの誤差をチェックする（35）。PLLの誤差が異常
に大きかったならば（＞Ｂ）（36）、それは、近くの望
ましくない周波数に同調してしまっていることを表わし
ている。
ストール状態にあることが表わされていて、しかも、
PLLの誤差が所定値以下であったならば（＞Ｂ）（3
7）、以下のアルゴリズムを実行する。先ずマイクロプ
ロセッサ・システム26の中のタイマを、修正作業に費や
すことを許されている最大時間にセットする（38）。こ
のアルゴリズムのこの部分でマイクロプロセッサ・シス
テム26が実行する対話動作は、適当な聴覚手段、視覚手
段、触覚手段、ないしはその他の伝達手段を用いて、操
作者に対して、超音波外科手術装置のハンドピースに加
わっている圧力が過大であるということを表示すること
である（39）。マイクロプロセッサは、圧力がゆるめら
れたか否かを知るためのポーリング（40、41）と、タイ
マを調べて前述の時間が超過したか否か知るためのポー
リング（42、43）とを、反復して実行する。ストール状
態が解消したならば、マイクロプロセッサは、タイマを
クリアし（44）、更に、前述の操作者への伝達手段をク
リアして（44）、ポーリング（33、34）の実行へ戻る。
一方、ストール状態が解消されないうちに、タイマをチ
ェックした際に（42）制限時間を超過したことが分かっ
たならば（43）、システムの動作を停止させて、それ以
上の操作を禁止する（45）と共に、前述の伝達手段によ
ってそのエラー状態を操作者へ告知する（45）。AGCル
ープの誤差が所定値を超えており（34）、それと同時に
PLLループの誤差も所定値を超えている（36）という状
況は、システムが、近くの望ましくない共振周波数に同
調してしまったことを表わしている。この状況を解消す
るための１つの方法は、超音波外科手術装置にそれまで
加わえられていた圧力を完全に解消させ（46）、タイマ
を設定し（47）、そして、AGCループのためのコマンド
入力を「０」31へ切り換えることである。
スイッチ30を介してAGCループのコマンド入力14へ
「０」ボルト31を供給することによって、振動を停止さ
せる。続いて超音波発生器に、蓄えられていたエネルギ
を発散させるための充分な時間を与える（48）。スイッ
チ30を操作してコマンド入力を操作者設定レベル32へ復
帰させる（49）。超音波発生器に、定常状態の振動振幅
レベルを得るための充分な時間を与える（49）。誤差レ
ベルを再度チェックすると共に（50、51、52、53）、タ
イマを再度チェックする（54）。即ち、エラー状態が持
続していたならば（51）、タイマをチェックする（5
4）。このアルゴリズムのこの部分は、エラー状態が解
消されるか、或いはタイマ値が超過する（55）かの、い
ずれかになるまで反復して実行する。タイマ値が超過す
る（55）より前に、エラー状態が解消されたならば（5
0、51、52、53）、タイマをクリアし（56）、そしてこ
のアルゴリズムは、PLLの中心周波数の調節（図３参
照）を実行する（57）。このPLL誤差修正アルゴリズム
を実行し、前述の伝達手段をクリアし、更にタイマをク
リアしたならば（56）、超音波発生器は通常動作へ復帰
する。一方、タイマ値が超過したならば（55）、超音波
発生器をディスエーブルし（58）、そして更に、前述の
伝達手段を介して、操作者へエラー・メッセージを表示
する（58）。
図２に（57）で表わした動作は、例えば、図３に例示
したアルゴリズム等によって規定される動作である。同
図のアルゴリズムでは、先ず最初にポーリング（59、6
0）を行なって、振動が起動されたか（61）否か（62）
を判定する。振動の開始時には、操作者が設定したコマ
ンド入力に指示されている振幅レベルと実際の振幅レベ
ルとの間の差を、AGCループの誤差信号のレベルから判
定する（63）。その誤差信号が「０」でなければ（6
4）、それは、負荷が加わった振動状態にあることを表
わしており、そのためこのアルゴリズムは、通常動作
（65）へ進む。一方、その誤差信号が「０」であったな
らば（66）、PLLループの誤差信号をチェックして、PLL
ループの誤差が「０」であるか否かを判定する（67）。
そして、その誤差が「０」であったならば（68）、アル
ゴリズムは通常動作（69）へ進む。一方、その誤差が
「０」でなかったならば（70）、その誤差の方向を判定
した上で（71、72）、VCOに対する調節量を適切な方向
へインクリメントし、即ち、より高い周波数へのインク
リメント（73）と、より低い周波数へのインクリメント
（74）との、該当する方を実行する。ループのセトリン
グ・タイムが経過した後に（タイムアウトの後に）（7
5）、再びその誤差のチェックを行なう（67）。以上の
ことを、その誤差が「０」になるまで（68）反復して実
行し、その誤差が「０」になったならばシステムを通常
動作へ復帰させる（69）。
添付図面の図４〜図７に例示したハンドピースはハウ
ジング110を備えたものであり、このハウジング110は、
電気絶縁性を有するプラスチック材料で製作することが
好ましい。このハウジングは、その中に圧電性結晶体ト
ランスデューサを収容しており、そのトランスデューサ
は、複数のリング形の圧電性結晶体を重ね合わせた積層
体111を含んでいる。それら結晶体の各々は隣接する結
晶体に機械的に結合しており、それら結晶体の各々が、
その結晶体の両側に設けた互いに逆極性の電極を介して
交流電力で付勢されるようにしてある。また、互いに同
一の極性の複数の電極106を単一の部材として形成する
ことにより、ハンドピースの内部の配線の本数を低減さ
せている。トランスデューサの後端には、フィードバッ
ク用圧電性結晶体112を設けてある。フィードバック用
圧電性結晶体112は、このトランスデューサの駆動用結
晶体に機械的に結合しており、それら駆動用結晶体と共
通に接地してある。フィードバック用結晶体は更に、フ
ィードバック信号をハウジングの後端の電気接点へ伝達
するための電気配線（不図示）に接続した突出電極を備
えており、フィードバック信号はその電気接点から更に
コネクタを介して制御回路に接続されている。駆動用結
晶体とフィードバック用結晶体とを含めたこの圧電性結
晶体アセンブリの全体は、絶縁セラミックス部材108と
絶縁スリーブ109とで、前部ドライバ107及び後部ドライ
バ132から電気的に絶縁されている。駆動用結晶体と、
フィードバック用結晶体と、それらに付随する夫々の電
極とは、それらの内側と外側との両方を、ポリマー製の
コーティングによって電気的に絶縁してあり、それによ
って、結晶体における絶縁破壊、並びに絶縁用セラミッ
クス部材108における絶縁破壊を防止している。
トランスデューサは更に、組織の切断ないし乾燥に使
用する高周波電力を前部ドライバ107へ伝達するための
電気配線（不図示）に接続した突出電極133を備えてい
る。
トランスデューサの前端にはリング形のフランジ部11
3を形成してあり、このフランジ部113をゴム製の接着部
材114の中に装着した上で、その装着部材114を、ハウジ
ングの内面と鋼製ワッシャ115との間に挟持している。
トランスデューサの後端は、振動吸収接続部材を介して
接点板116に取付けてあり、この接点板116は、ハウジン
グ110の内部に、気密状態が得られるようにして接着し
てある。
駆動用圧電性結晶体からの電気配線と、フィードバッ
ク用圧電性結晶体からの配線とは、ハウジングの後端に
備えた夫々の電気接点部材117（図６）に接続してい
る。それら電気接点部材は、コネクタ118をハウジング
に接続したときに、そのコネクタ118に備えられている
それら電気接点部材に対応した形状の夫々のソケット部
材と電気的に接続する。夫々の電気配線は、一方では超
音波発生器に接続しており、他方ではコネクタ118の後
端に結合したケーブル120を介して制御回路に接続して
いる。コネクタ118の複数のＯリング133は、洗浄液と、
吸引液と、その他のハンドピースの外部の液体とを、互
いに分離し、且つ、電気接点から隔離している。コネク
タ118をハンドピースに接続するときには、超音波発生
用電力配線、フィードバック用配線、電気外科処置用高
圧配線、吸引用チューブ、及び洗浄用チューブが一度に
接続される。この構造によって、ハンドピースを、ケー
ブル類とは別に滅菌処理することができるようにしてい
る。
トランスデューサの前端には中空のツール121を取付
けてあり、このツール121は、このツールをトランスデ
ューサで超音波振動させているときに組織を破砕するこ
とができる先端チップ部を備えている。ツール121の基
端部には、ねじを切ってあり、また、その基端部の近傍
の外周部122を六角形に形成してあるため、トランスデ
ューサの前端のフランジ部113に取付けた前部プレート
に形成した対応するねじ部に、このツールを螺着するこ
とができる。前部プレートの周囲に位置するワッシャ12
4は、前述のゴム製の接着部材114に当接しており、これ
らの装着用プレートとワッシャとの組合せによって、ト
ランスデューサの前端部近傍に液密の封止構造を形成し
ている。この封止構造は、ハウジングのうちのトランス
デューサ及びトランスデューサに付随する電気部品を収
容している部分に洗浄液等が侵入するのを防止するため
に重要なものである。
洗浄液には多くの場合食塩水が使用され、その洗浄液
は、導管部126の内面とツール121の外面との間に形成さ
れている流路125を通ってツールの先端チップ部へ供給
される。洗浄液は、ハウジングの図中下方の部分に延在
している連通管路127から流路125へ流入するようにして
あり、この連通管路127へは、コネクタ118に接続したチ
ューブ（不図示）を介して外部の貯留槽から洗浄液が供
給されるようにしてある。
ツール121を中空の形状に形成してあるのは、破砕し
た組織を手術部位から吸引するためである。吸引を行な
う際には通常、この中空のツールを介して、そして更に
チューブ128（図５及び図６）を介して吸い込むように
し、チューブ128は、ハウジングの中を軸方向に延在し
て、コネクタから外部へ延出している。
洗浄液として使用する液体は導電性を有する液体であ
ることがあり、その場合には、その洗浄液が、前述の前
部ドライバに印加されている高周波電力と同じ電位を持
つことがある。それゆえ操作者の安全のために、取外し
自在な接続部には充分な絶縁距離を確保する必要があ
る。かかる事情により、前述の導管部126は、関連法規
によって要求されている絶縁表面距離が得られるよう
に、ハウジング110を覆う形状に設計してある。同様
に、コネクタ118も、必要な絶縁表面距離が得られるよ
うに、ハウジング110を覆う形状に形成するようにして
も良い。
図面に例示した実施例では、ハンドピースは、その動
作を手で操作する方式のものにしてあり、ハウジングに
スイッチ・モジュール129を取付けてある。図示のモジ
ュールは２個のスイッチを装備しており、それらスイッ
チはハウジングの中の回路板に電気的に接続していて、
それらスイッチによってハンドピースの動作を操作する
ようにしている。尚、本発明の装置に使用するハンドピ
ースは、手で操作するスイッチを３個以上備えたものと
することもでき、また、足踏式スイッチによってその動
作を操作するものとしても良いことを理解されたい。

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】組織の破砕及び吸引のための外科手術用ハ
    ンドピースの超音波発生用圧電性結晶体トランスデュー
    サを駆動するための電気外科手術装置において、 増幅器に直列に接続した電圧制御発振器と、フィードバ
    ック用圧電性結晶体から位相比較器及びループ・フィル
    タを介して前記電圧制御発振器へ接続している第１電子
    制御ループとを備えており、前記フィードバック用圧電
    性結晶体は、前記トランスデューサに機械的に結合して
    いて前記トランスデューサの実際の振動周波数の関数で
    あるフィードバック信号を発生するようにしてあり、前
    記位相比較器は、前記フィードバック信号の位相と駆動
    信号の位相とを比較して、該駆動信号を前記トランスデ
    ューサの共振周波数に維持する制御信号を発生するよう
    にしてあり、前記増幅器は電圧源増幅器であって、該電
    圧源増幅器の出力部を、同調用インダクタを並列に接続
    した前記圧電性結晶体トランスデューサに接続してあ
    り、 更に第２制御ループ（13）を備えており、該第２制御ル
    ープは、前記トランスデューサの振動振幅を検出して振
    幅信号を発生する手段と、該振幅信号を操作者が調節可
    能なコマンド信号と比較する手段と、前記振幅信号のレ
    ベルが前記コマンド信号のレベルと等しくなるように前
    記駆動信号を必要に応じて調節することにより、負荷が
    変動しても振動の振幅が所望の動作振幅に維持されるよ
    うにする手段とを含んでいることを特徴とする電気外科
    手術装置。
  2. 【請求項２】前記圧電性結晶体トランスデューサを、ト
    ランスデューサとしての作用を及ぼし得るようにして、
    先端チップ部を有するツールに連結してあり、該トラン
    スデューサは、駆動信号によって活動化されたならば、
    前記ツールの前記先端チップ部を超音波振動させ、それ
    によって、該先端チップ部が外科手術部位の組織を破砕
    し得るようにしてあり、前記ハンドピースが、破砕され
    た組織を前記外科手術部位から除去するための吸引手段
    を備えていることを特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】前記電圧源増幅器の出力部に小さな抵抗値
    の抵抗を直列に接続して更に安定性を高めていることを
    特徴とする請求項１記載の装置。
  4. 【請求項４】前記第２制御ループが、RMS−ACフィード
    バック信号をDCへ変換するコンバータを含んでいること
    を特徴とする請求項１記載の装置。
  5. 【請求項５】前記第２制御ループの出力部に制限回路を
    接続してあり、該制限回路を介して操作者が該第２制御
    ループの最大誤差信号出力に調節を施して制限を加える
    ことによって組織選択性が得られるようにしてあること
    を特徴とする請求項１記載の装置。
  6. 【請求項６】組織の破砕及び吸引のための外科手術用ハ
    ンドピースの超音波発生用圧電性結晶体トランスデュー
    サを駆動し、監視し、制御するための電気外科手術装置
    において、 増幅器に直列に接続した電圧制御発振器と、フィードバ
    ック用圧電性結晶体から位相比較器及びループ・フィル
    タを介して前記電圧制御発振器へ接続している第１電子
    制御ループとを備えており、前記フィードバック用圧電
    性結晶体は、前記トランスデューサに機械的に結合して
    いて前記トランスデューサの実際の振動周波数の関数で
    あるフィードバック信号を発生するようにしてあり、前
    記位相比較器は、前記フィードバック信号の位相と駆動
    信号の位相とを比較して、該駆動信号を前記トランスデ
    ューサの共振周波数に維持する制御信号を発生するよう
    にしてあり、前記増幅器は電圧源増幅器であって、該電
    圧源増幅器の出力部を、同調用インダクタを並列に接続
    した前記圧電性結晶体トランスデューサに接続してあ
    り、 更に、第２制御ループを備えており、該第２制御ループ
    は、前記トランスデューサの振動振幅を検出して振幅信
    号を発生する手段と、該振幅信号を操作者が調節可能な
    コマンド信号と比較する手段と、前記振幅信号のレベル
    が前記コマンド信号のレベルと等しくなるように前記駆
    動信号を必要に応じて調節することにより、負荷が変動
    しても振動の振幅が所望の動作振幅に維持されるように
    する手段とを含んでおり、 更に、前記第１制御ループ及び前記第２制御ループを監
    視して、それら制御ループに制御されている動作の実行
    中に発生するエラー状態を検出し且つそのエラー状態に
    応答するための制御システムを備えており、該制御シス
    テムは、アナログ−ディジタル・コンバータとマルチプ
    レクサとに結合したマイクロプロセッサを含んでおり、
    各々の前記制御ループからの出力を前記マルチプレクサ
    に入力するようにしてあり、該マルチプレクサからの出
    力を前記コンバータにおいてディジタル形式に変換して
    入力ディジタル信号を発生させ、該入力ディジタル信号
    を前記マイクロプロセッサの中で処理することにより、
    適当なアルゴリズムをもって応答してエラー状態を修正
    するようにしてある、 ことを特徴とする電気外科手術装置。
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