JP2821175B2

JP2821175B2 - 超音波治療装置

Info

Publication number: JP2821175B2
Application number: JP1105289A
Authority: JP
Inventors: 達也久保田; 一也肘井; 友尚桜井; 敏彦鈴田
Original assignee: Olympus Optic Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1989-04-25
Filing date: 1989-04-25
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2013-11-05
Also published as: JPH02283363A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、たとえば体内の結石を破砕、除去する装
置や、外科手術的に組織を乳化、切除したりする超音波
メスなどの超音波治療装置に関する。

［従来の技術］従来、外科手術用の超音波メスや、経内視鏡的に体内
の結石を破砕する器具、あるいは超音波加工装置などに
使用されている超音波振動子は、その基本共振周波数、
もしくはその近傍にて駆動することが望ましい。その一
例として、特開昭48−79613号公報に記載のトランスジ
ューサ制御回路がある。このトランスジューサ制御回路
は、超音波振動子への印加電圧とそこを流れる電流の位
相を比較し、駆動信号の周波数を共振周波数と一致、も
しくはごく近傍となるように制御するものである。同様
な従来例として、特開昭52−150008号公報にて開示され
る自動周波数追尾型超音波発振器、特開昭56−7669号公
報にて開示される超音波発振回路などがある。

一般に、超音波振動子は、その共振周波数の近傍にお
いて、第８図に示すような等価回路となる。すなわち、
超音波振動子は、コンデンサC,コイルL,抵抗Ｒの直列回
路と制動容量Cdとの並列回路として表わされる。

第９図に、上記直列回路を共振させた際の周波数特性
を示す。この図からも明らかなように、インピーダンス
|Z|は共振周波数frで最低となる。また、その時の振動
子に印加した電圧と上記直列回路を流れる電流との位相
差θは、０である。

通常、超音波振動子は、その共振点で駆動することに
より効率の良い電気−振動エネルギ変換を行う。しか
し、共振周波数frは、超音波振動子に加わる負荷、駆動
状態、振動子ごとのバラツキなどによって微妙に変動す
る。そのため、共振点を検出し、それを追尾するように
駆動信号の周波数を制御する必要がある。この場合、上
記共振点は、電圧−電流位相差を検出することにより求
められる。

ここで、共振点について説明する。共振周波数frは、
次のように表わされる。

すなわち、共振周波数frとは、第８図の等価回路にお
いて、コイルＬとコンデンサＣとが直列共振し、そのイ
ンピーダンスが０となる周波数である。この時の振動子
の等価回路を第10図に示す。振動子に流れ込む電流
は、次のように表わされる。

＝▲▼＋▲▼ …（２）ここで、▲▼は制動容量Cdに流れる電流、▲
▼は直列共振部分に流れる電流、つまり抵抗Ｒに流れる
電流である。

第11図に電流▲▼，▲▼の関係を示す。この
特性図は、周波数を変化させた時の振動子に流れる電流
の実数部irと虚数部idの変化を示すものである。

振動子において、電気エネルギが振動エネルギに変換
される部分は、抵抗Ｒの部分である。この場合、抵抗Ｒ
に流れる電流▲▼が大きい程、振動エネルギは大き
くなる。

ここで、振動子に負荷が加わると、この抵抗Ｒが変動
する。一方、制動容量Cdは振動子における圧電素子の機
械的結合性の静電容量であるから、ほとんど変動しな
い。このため、第11図において、電流▲▼は変化し
ないが、電流▲▼は変化することがある。しがっ
て、振動子に流れる共振時の電流の印加電圧に対する
位相差Δθは負荷によって変動することになる。

そこで、上記電流▲▼の影響をなくすために、第
12図に示すように、振動子に並列に次式のようなインダ
クタLdを接続することが考えられている。

Ld＝Ｌ・C/Cd …（３）このようにすると、共振点において、インダクタLdと
制動容量Cdとが並列共振を起こす。したがって、共振点
における振動子のインピーダンスは、第13図に示すよう
に、見掛け上、抵抗Ｒのみとなる。このため、共振点で
は、電流▲▼＝０となり、振動子に加わる負荷がど
のような値であっても、＝▲▼ …（４）となる。この結果、第14図に示すように、電圧に対する
電流の位相差Δθを常に０とすることができる。

第15図は、前記第12図の構成による振動子の、共振周
波数fr近傍の周波数特性を示すものである。これは、コ
イルＬとコンデンサＣとによる直列共振の特性と、イン
ダクタLdと制動容量Cdとによる並列共振の特性とを組み
合わせたものである。

従来の共振点を追尾する方法では、振動子に加わる電
圧の位相θｖと、振動子に流れ込む電流の位相θｉとを
検出し、位相比較器で両者の位相差を求め、その位相差
に応じて駆動信号の周波数を制御することにより、常に
位相差を一定の値とする位相ロックループ（PLL）を用
いている。すなわち、インダクタLdを接続した駆動系に
おいては、位相差Δθが常に０となるような周波数追尾
を行うことになる。このような、周波数追尾回路の従来
例を第16図に示している。

この周波数追尾回路では、電圧制御発振器（VCO）５
の出力が、波形整形回路６、電圧制御増幅器（VCA）
７、パワーアンプ８、マッチング回路10を介して超音波
振動子１に印加される。この超音波振動子１には、イン
ダクタ（Ld）２が並列に接続されている。VCA7の利得
は、マッチング回路10の出力により出力制御回路９を介
して制御される。マッチング回路10からは、電圧位相θ
ｖと電流位相θｉとが出力される。これらは、位相比較
器３およびローパスフィルタ（LPF）４を介して、VCO5
に制御電圧として供給される。この場合、上記位相比較
器３、LPF4およびVCO5により、位相ロックループ（PL
L）が構成されている。

ところで、上記のように使用される超音波振動子は、
第17図に示すように、種々の共振点f₁,f₂,…,fnを有す
る。通常は、上記種々の共振点の中から、第18図に示す
ように、振動子部が半波長共振を示す共振点の周波数fr
にて駆動されるようになっている。この共振点の周波数
frは、振動子Ｓの形状により決定されるものである。し
たがって、１つの振動子Ｓに対して、振動子部が半波長
共振を示す共振点は１つとされている。なお、第18図
（ａ）には振動子Ｓの一例を、また第18図（ｂ）にはそ
の振動子Ｓの半波長共振時の振幅の変位を示している。

ところが、超音波治療装置では、振動子を上記したよ
うな共振点の周波数frで駆動しても、治療する部位の病
巣の硬さや腺維などの違いにより、組織に作用する振動
の伝達効率が減衰される場合がある。このため、治療を
効率良く行えないことがあった。

そこで、治療の部位に応じた適切な共振点で駆動でき
るように、いくつかの超音波振動子を用意するようにし
ている。このため、従来の超音波治療装置においては、
超音波振動子の種類が増え、操作が繁雑になるという欠
点があった。また、超音波振動子を駆動するための回路
も増加されるため、装置全体が複雑化するといった欠点
があった。

［発明が解決しようとする課題］上記したように、治療の部位に応じて、常に適切な駆
動が行えるように複数の超音波振動子を用意している従
来の超音波治療装置では、超音波振動子の種類が増え、
操作が繁雑になるばかりか、超音波振動子を駆動するた
めの回路も増加されるため、装置全体が複雑化するとい
った欠点があった。

そこで、この発明は、どのような治療部位について
も、１つの超音波振動子によって効率良く治療を行うこ
とができ、操作性および駆動効率の良い超音波治療装置
を提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］上記の目的を達成するために、この発明の超音波治療
装置にあっては、超音波振動子に印加される電圧と流れ
る電流との位相差にもとづいて、前記超音波振動子の駆
動周波数を制御する複数の共振点追尾用の位相ロックル
ープと、前記複数の共振点追尾用の位相ロックループの
うち、少なくとも１つ以上の位相ロックループを選択し
て前記超音波振動子を駆動する駆動回路と、この駆動回
路による前記超音波振動子の駆動を適切な形態に制御す
るための出力制御回路とから構成されている。

［作用］この発明は、上記した手段により、１つの超音波振動
子を種々の共振点で単独に、もしくは種々の共振点で同
時に駆動することが可能となるため、種々の治療部位に
応じた適切な治療が行えるようになるものである。

［実施例］以下、この発明の一実施例について図面を参照して説
明する。

第１図は、この発明の第１の実施例の要部の構成を概
略的に示すものである。

第１図において、１は超音波振動子であり、電気エネ
ルギを振動エネルギに変換するものである。この超音波
振動子１は複数の共振点f₁,f₂,…,fnを有している。

２は、超音波振動子１の位相補正用のインダクタ、つ
まり超音波振動子１の制動容量のキャパシタンスを相殺
するためのものである。このインダクタ２は、上記超音
波振動子１に並列に接続されている。

11a,11b,〜,11nは、超音波振動子１に印加される電圧
と流れる電流との位相差にもとづいて、上記超音波振動
子１の駆動周波数を制御する共振点追尾用の位相ロック
ループ（以下、PLLと略記する）である。これらの各PLL
11a,11b,〜,11nは、超音波振動子１の電圧−電流位相差
を検出する位相比較器（PHASE DETECTOR）３、位相比較
器３からの検出信号を積分して直流の制御電圧を発生す
るローパスフィルタ（以下、LPFと略記する）４、LPF4
からの制御電圧により発振周波数が変化する電圧制御発
振器（以下、VCOと略記する）５によってそれぞれ構成
されている。

ここで、上記各PLL11a,11b,〜,11nは、超音波振動子
１の種々の共振点f₁,f₂,…,fnにそれぞれ対応して設け
られている。すなわち、上記PLL11aは、たとえば超音波
振動子１をその１番目の共振点f₁で駆動するためのもの
である。また、たとえばPLL11bは上記振動子１をその２
番目の共振点f₂で駆動するためのものであり、…、PLL1
1nはｎ番目の共振点fnで駆動するためのものである。

13は、選択手段である。この選択手段13は、上記PLL1
1a,11b,〜,11nの個々の出力を単独に、または複数の出
力を同時に選択できるようになっている。

12は、選択手段13からの出力に応じて上記超音波振動
子１を駆動する駆動回路である。この駆動回路12は、超
音波振動子１の振幅を一定化するための電圧制御増幅回
路（以下、VCA（Voltage Controled Amplifier）と略記
する）７と、VCA7からの出力信号を超音波振動子１の駆
動に必要な電力まで増幅するパワーアンプ８とから構成
されている。この駆動回路12の出力（パワーアンプ８の
駆動出力）は、後述するマッチング回路部を介して超音
波振動子１に送られるようになっている。

９は、出力制御回路である。この出力制御回路９は、
定振幅動作のために超音波振動子１に供給される電流値
ｉにより上記VCA7を制御するものである。

10は、マッチング回路部である。このマッチング回路
部10は、パワーアンプ８の駆動出力を効率良く振動子１
に伝えるインピーダンス・マッチング回路を備えてい
る。また、マッチング回路部10は、各PLL11a,11b,〜,11
nにそれぞれ対応させて、出力の大きさを表す、たとえ
ば電流値ｉと電圧の位相信号θｖおよび電流の位相信号
θｉを取出すマッチング回路を備えている。このマッチ
ング回路部10では、取出した電流値ｉを上記出力制御回
路９を介してVCA7に供給し、電圧の位相信号θｖおよび
電流の位相信号θｉをそれぞれ対応するPLL11a,11b,〜,
11nに供給するようになっている。すなわち、取り出し
た電圧位相信号θｖおよび電流位相信号θｉのうち、超
音波振動子１の１番目の共振点f₁に関する電圧位相信号
θv₁および電流位相信号θi₁をPLL11aに供給するように
なっている。また、２番目の共振点f₂に関する電圧位相
信号θv₂および電流位相信号θi₂をPLL11bに、…、ｎ番
目の共振点fnに関する電圧位相信号θvnおよび電流位相
信号θinをPLL11nにそれぞれ供給するようになってい
る。

このような構成において、選択手段13によって選択さ
れたPLL11a,11b,〜,11nのVCO5…からの出力が、VCA7、
パワーアンプ８、マッチング回路部10を介して超音波振
動子１に印加される。これにより、超音波振動子１に
て、電気エネルギが振動エネルギに変換される。

この時、上記VCA7では、超音波振動子１の振幅を一定
に保つため、駆動電流が一定に制御される。このVCA7の
利得は、マッチング回路部10の出力（電流値ｉ）により
出力制御回路９を介して制御される。

また、パワーアンプ８では、上記VCA7からの出力信号
が超音波振動子１を駆動するに十分な電力まで増幅され
る。

マッチング回路部10では、上記パワーアンプ８からの
出力が超音波振動子１に伝えられる。また、電流値ｉと
電圧位相信号θｖおよび電流位相信号θｉがそれぞれ取
出される。そして、この取出された電流値ｉは出力制御
回路９に供給される。また、取出された電圧位相信号θ
ｖおよび電流位相信号θｉ、つまり超音波振動子１の各
共振点f₁,f₂,…,fnに対するそれぞれの電圧位相信号θv
₁,θv₂,…，θvnおよび電流位相信号θi₁,θi₂,…，θi
nは、それぞれ対応するPLL11a,11b,〜,11nに供給され
る。すなわち、取出された電圧位相信号θv₁および電流
位相信号θi₁は、それぞれPLL11aに供給される。同様に
して、電圧位相信号θv₂および電流位相信号θi₂はPLL1
1bに、…、電圧位相信号θvnおよび電流位相信号θinは
PLL11nにそれぞれ供給される。

このように、複数のPLL11a,11b,〜,11nからの出力を
選択手段13で選択することにより、超音波振動子１をそ
れぞれの共振点f₁,f₂,…,fnで単独に、もしくは複数の
共振点f₁,f₂,…,fnで同時に駆動することができるよう
になっている。

第２図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、超音波振動子１を
種々の共振周波数（共振点f₁,f₂,fn）にて駆動、たとえ
ばPLL11a,11b,〜,11nからの単独出力でそれぞれ駆動し
た際の、振動子１の振幅の周期の違いを示すものであ
る。

第３図は、種々の共振周波数を合成した際の、超音波
振動子１の振幅の一例を示すものであり、同図（ａ）に
はパルス的な合成による例を、同図（ｂ）には基本振動
と高調波振動との合成による例を示している。

このような構成によれば、選択手段により超音波振動
子の種々の駆動形態を選択することができるため、１つ
の超音波振動子を治療部位に応じた最適な振幅の形態に
て駆動可能となる。この結果、切除や吸引などを、１つ
の超音波振動子により効率良く行えるようになるもので
ある。

第４図は、この発明の第２の実施例の要部の構成を示
すものである。この実施例においては、前記第１の実施
例に示されたPLL11a,11b,〜,11nの後段に遅延回路14を
設けている。すなわち、PLL11a,11b,〜,11nの各発振出
力を、遅延回路14によって遅延させた後、選択手段13に
供給するようにしている。

このような構成によれば、第５図（ａ）に示すよう
に、たとえば振幅の＋方向の成分のみを取出すこともで
きる。

また、第５図（ｂ）に示すように、振幅を打ち消した
りすることも可能である。この場合、振幅は発生しなく
ても、エネルギの伝達は行われる。このため、振動エネ
ルギが熱エネルギに変換されることになる。このような
場合には、他の止血器具と、上記選択手段13による選択
および遅延回路14の設定変更のみにより、治療部位にお
ける止血を行うことができる。

第６図は、この発明の第３の実施例の要部の構成を示
すものである。この実施例では、超音波振動子１に、パ
ワーMOSFETなどのスイッチング素子を用いたスイッイン
グ式の駆動回路20が接続されている。この場合、上記ス
イッチング式駆動回路20により、スイッチング出力制御
手段を内蔵した方式の駆動ブロック（電源部）21が構成
される。

スイッチング式駆動回路20は、電圧位相および電流位
相検出回路を備えている。このスイッチング式駆動回路
20は、検出した電圧位相信号θｖおよび電流位相信号θ
ｉを、それぞれ対応する各PLL11a,11b,〜,11nに供給す
るようになっている。

上記PLL11a,11b,〜,11nのそれぞれの後段には、電流
位相信号θｉの位相を補正するための位相器22a,22b,
〜,22nが設けられている。すなわち、各PLL11a,11b,〜,
11nの電圧位相信号θｖに対する出力は、そのまま選択
手段13に供給される。しかし、PLL11a,11b,〜,11nに入
力された電流位相信号θｉは、それぞれ90゜位相が反転
される。このため、電流位相信号θｉに対する各PLL11
a,11b,〜,11nの出力は、各位相器22a,22b,〜,22nを介し
て選択手段13に供給される。

選択手段13は、各PLL11a,11b,〜,11nの個々の出力を
単独に、もしくは複数の出力を同時に選択してスイッチ
ング式駆動回路20に供給する。

上記したような構成において、一般に、超音波振動子
１をスイッチング駆動、たとえば第７図（ａ）に示すよ
うな方形波形の電圧Ｖで駆動すると、方形波形には高調
波成分が多く含まれているので、電流位相波形iaは第７
図（ｂ）に示すように歪んだものとなる。

通常、デジタル回路では、上記のような波形から基本
的周波数成分frを取出すのは困難であるが、各PLL11a,1
1b,〜,11nはアナログ式の位相比較器３を有するので、
第７図（ｃ）に示すような電流位相波形ibが容易に取出
せる。

こうして求めた電流位相波形ibは、位相器22a,22b,
〜,22nによって位相が補正され、第７図（ｄ）に示すよ
うな電流位相波形icとなって選択手段13に供給される。

以下の動作は、第１の実施例と同様である。

この第３の実施例によれば、スイッチング方式の効率
の良い駆動回路とすることができる。このため、第１の
実施例に比して、電源部の小型・軽量化が図れる。

上記したように、選択手段により１つの超音波振動子
に対する種々の駆動周波数が選択できる。このため、１
つの超音波振動子を、その治療部位に応じた適切な振幅
形態にて駆動できるようになる。これにより、組織の乳
化の切除などを行う場合において、たとえば血管の多い
部位については振幅を小さくすることで血管を傷付ける
ことなく組織のみを切除することも可能である。また、
結石の破砕や除去などを行う場合においては、たとえば
振幅を大きくし、さらに矩形波的な振幅を加えることで
より容易に治療可能となる。

また、振動子が１つで済み、いくつもの振動子を用意
する必要が無くなるため、操作性の向上が図れる。

なお、上述の実施例においては、第２の実施例と第３
の実施例とをそれぞれ独立に構成するようにしたが、た
とえば第２の実施例で用いた遅延回路と第３の実施例で
用いたスイッチング式駆動回路とを組み合わせるように
しても良い。このように構成することで、第２の実施例
における効果と第３の実施例における効果とが同時に実
現可能となる。

その他、この発明の要旨を変えない範囲において、種
々変型実施可能なことは勿論である。

［発明の効果］以上、詳述したようにこの発明によれば、どのような
治療部位についても、１つの超音波振動子によって効率
良く治療を行うことができ、操作性および駆動効率の良
い超音波治療装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第７図はこの発明の一実施例を示すもので、
第１図はこの発明の超音波治療装置における第１の実施
例の要部の構成を概略的に示すブロック図、第２図は超
音波振動子を種々の共振周波数にて駆動した際の振幅の
周期の違いを示す図、第３図は超音波振動子を複数の共
振周波数にて同時に駆動した際の振幅の一例を示す図、
第４図はこの発明の第２の実施例の要部の構成を概略的
に示すブロック図、第５図は第２の実施例における超音
波振動子の振幅の一例を示す図、第６図はこの発明の第
３の実施例の要部の構成を概略的に示すブロック図、第
７図は第３の実施例における動作を説明するために示す
図であり、第８図乃至第18図はそれぞれ従来技術とその
問題点を説明するために示すもので、第８図は一般的な
超音波振動子の等価回路を示す図、第９図は第８図にけ
る超音波振動子の周波数特性を示す図、第10図は共振時
の超音波振動子の等価回路を示す図、第11図は第10図に
おける超音波振動子の周波数特性を示す図、第12図は制
動容量の影響をなくすための回路を示す図、第13図は第
12図の共振時の回路図、第14図は第13図における回路の
周波数特性を示す図、第15図は第12図における回路の周
波数特性を示す図、第16図はPLLを用いた超音波振動子
の駆動回路のブロック図、第17図は超音波振動子の副共
振点を説明するために示す図、第18図は超音波振動子の
振動子部の形状と半波長共振時の振幅の変位との関係を
説明するために示す図である。１……超音波振動子、２……インダクタ、３……位相比
較器、４……LPF、５……VCO、７……VCA、８……パワ
ーアンプ、９……出力制御回路、10……マッチング回路
部、11a,11b,〜,11n……PLL、12……駆動回路、13……
選択手段、14……遅延回路、20……スイッチング式駆動
回路、21……駆動ブロック、22a,22b,〜,22n……位相
器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴田敏彦東京都渋谷区幡ケ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (56)参考文献特開平２−99049（ＪＰ，Ａ) 特開平２−116359（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) A61B 17/22 330 A61B 17/36 330 B06B 1/06

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波振動子に印加される電圧と流れる電
流との位相差にもとづいて、前記超音波振動子の駆動周
波数を制御する複数の共振点追尾用の位相ロックループ
と、前記複数の共振点追尾用の位相ロックループのうち、少
なくとも１つ以上の位相ロックループを選択して前記超
音波振動子を駆動する駆動回路と、この駆動回路による前記超音波振動子の駆動を適切な形
態に制御するための出力制御回路とを具備したことを特徴とする超音波治療装置。