JP2858949B2 - コンピュータ制御スマート水晶体乳化方法およびその装置 - Google Patents

コンピュータ制御スマート水晶体乳化方法およびその装置

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明はコンピュータ制御スマート水晶体乳化装置に
関し、より詳細にはトランスジューサのニードル（針）
へのパワー供給を制御し、更にトランスジューサの先端
にかかる負荷に基づき吸引量を制御するコンピュータ制
御スマート水晶体乳化装置に関する。
発明の背景および概要 眼の手術は複雑でかつデリケートな方法である。一般
的な眼の手術のうちの一つとして白内障部分の摘出法が
ある。現在許容されている白内障摘出方法には、水晶体
乳化法を含めて数種の方法がある。水晶体乳化方法はそ
れ自体新しいものではないが、現在行われている方法に
は多くの問題がある。
水晶体乳化法では通常の人の聴覚で聞くことのできる
レンジを越えた周波数レンジ内の一連の周期的機械的振
動である超音波信号を発生させている。この超音波信号
はこの用途のため現在入手できる装置内で20〜100キロ
ヘルツの間の周波数レンジ内である電気信号で駆動され
るトランスジューサにより発生されている。一般にこの
トランスジューサ機構は圧電素子または磁歪素子から成
る。
超音波信号により生じたエネルギーはトランスジュー
サに取り付けられたニードル（針）により人のレンズ体
に伝えられる。一般的にこのニードルはチタンまたはス
テンレススチールの不活性合金から製造される。超音波
エネルギーが一度人のレンズ体に伝えられると、この超
音波エネルギーは白内障部分を破砕し、乳化する。この
レンズ体の核部分が破砕されれば、これを眼から除去し
なければならない。これを行うため超音波ニードルは中
空になっており、中空領域に吸引システムが接続され、
破砕された粒子を除去するようになっている。更に、安
定性すなわち圧力を維持するために平衡塩溶液も注入さ
れ、振動中のチタン製ニードルのまわりにスリーブを介
してこの注入が行われる。
米国特許第4,223,676号には、かかる水晶体乳化ユニ
ットの一例が示されている。現在の水晶体乳化手術では
外科医はトランスジューサへのパワー設定値を固定する
固定水晶体乳化モードまたはパワーペダルにより水晶体
乳化パワーを変更できるリニアモードのいずれかを選択
できる。固定モードでは水晶体乳化ユニットはペダルを
踏んだり踏まなかったりすることに応じて水晶体乳化ユ
ニットがオン、オフされる。パワー設定値は、予めセッ
トする。リニアモードでは、ペダルの踏み込み量に応じ
てトランスジューサへのパワー量すなわち超音波エネル
ギーが変わる。この手術中の吸引量は、予めセットす
る。最近導入された水晶体乳化法の第３モードは、乳化
パワーを固定し、フットペダルに応じて吸引量を変える
ようになっている。
本発明の発明者は、これらの従来の手術の問題を認識
した。これを完全に理解するには、人の眼のレンズ体の
構造を考察する必要がある。第１図は、層100として表
されている外側の微細な透明組織すなわち莢膜を有する
人のレンズ体を略図で示している。この内側には、皮質
102として知られている軟質組織があり、これは移行層1
04を囲んでいる。レンズ体の核部分は106として示され
ている硬質の圧縮されたレンズ体となっている。本発明
の発明者は、これらの軟質の外側の皮質層ではほとんど
吸引は不要であるが、より硬質の移行層ではそれより多
くの吸引が必要であり、最も硬い核層では更に多くの吸
引が必要であることに気づいた。しかしながら、最も硬
質の核層の外側により硬度の低い移行層があり、更に外
側に軟質の皮質がある。眼の手術中の複雑さの大部分
は、水晶体乳化により生じるものではなく、乳化に関連
して過度の吸引により生じるもので、このような過度の
吸引により、後部（外側）のレンズ体（カプセル）の莢
膜を貫通する「パンチスルー」が生じる。レンズ体の中
心は、外側の軟質の皮層よりも多くの（吸引および乳
化）エネルギーを必要とするので、この「パンチスル
ー」は特に危険であり、よってより高いエネルギーレベ
ルおよび高吸引レベルとなると、パンチスルーが生じる
可能性が大きくなる。
眼の手術では、莢膜の前面に開口を形成し、まず軟質
の皮質に水晶体乳化ニードルを挿入する。この時、ニー
ドルは軟質皮質内で最小の負荷を受ける。次第に硬質に
なっている核内にニードルが進入するにつれて、機械的
負荷が増す。核を通過した後は、これまでの過程と逆に
なり、機械的負荷が急速に小さくなる。本発明の発明者
は、この点で吸引制御がクリチカルであることを発見し
た。すなわち、この時に過度の吸引が行われると、背後
の莢膜が破壊されてしまうことがある。しかしながら、
これらの層の相対的硬度を測定することはこれまでは依
然として外科医の観察で、かつマニュアルによる技能と
されていた。しかしながら、外科医が配慮することは他
に多くあり、吸引量を正しく変えるのに充分速く反応す
ることもできなかった。
本発明の発明者は、軟質の核よりも硬質の核のほうが
より多くのエネルギーを消費し、超音波チップにかかる
インピーダンス、特に機械的インピーダンスをより多く
変えることを認識した。本発明によれば、この差はマイ
クロプロセッサへ送られ、手術中の組織の硬度に応じて
吸引システムを変更する。これにより、「パンチスル
ー」の事故が減少する。人の反射運動によってこれまで
行っていたよりも速く手術組織の硬度の自動チェックお
よび吸引量の自動調節が可能となったからである。従来
技術にはかかるシステムの記載はない。これを行う一つ
の方法としては、例えば刺激への応答を検出するセンサ
を使用して組織の機械的インピーダンスを検出する方法
があった。
本発明の一般的な特徴は、軟質の組織は短ストローク
または低速度を必要とし、硬質組織は長ストロークおよ
び高速度を必要とすることを本発明の発明者が認識した
ことである。人の眼を含む組織の機械的インピーダンス
は密度ρおよび音速Ｃの関数で表される。このインピー
ダンスは通常は抵抗性成分RCおよびリアクタンス性成分
XLを有している。柔軟なすなわち変形可能な組織は主に
駆動力に対して抵抗性インピーダンスを与え、非柔軟性
すなわち変形不能な組織は主にリアクタンス性インピー
ダンスを与える。換言すれば、軟質の組織のほうが抵抗
性がより高く、硬質の組織のほうがリアクタンス性がよ
り高くなる。
圧電ハンドピースから機械的インピーダンスを検出す
る一つの方法として、駆動電圧および電流を読み出す方
法がある。ゼロ位相差が軟質組織上で抵抗性負荷を示す
場合、大きさのみならず位相をモニタする。位相差が大
きくなれば硬質組織上ではリアクタンス性負荷が示され
る。別の方法では、無負荷のハンドピースの共振周波数
でよい基準点に対し、負荷のかかったハンドピースの基
準点周波数を測定する。トランスジューサを半波長の直
線バーとして形成すれば、その共振周波数は純粋な抵抗
性負荷に対しては変化せず、次の方程式に従って決定で
きる。
ここで、ｆは作動周波数であり、ｃはバー内の音速で
あり、ｘはバーの長さである。純粋なリアクタンス性負
荷に対しては共振周波数は次の方程式によって決定され
る。
ここで、XLはリアクタンス性負荷であり、Z0はバーの
特性インピーダンスである。トランスジューサが変位を
増幅するようステップホーンタイプとして製造されてい
れば、共振周波数は抵抗性またはリアクタンス性負荷の
いずれに対しても変化する。第14図に２つの部品1050お
よび1052を有する代表的なステップホーンデバイスを示
す。部品1050および1052の長さＸは互いに等しいが、面
積はＮ倍（Ｎは10より大）異なっている。
このタイプのデバイスに対しては共振周波数は次の方
程式に従って決定される。
ここでＸは第14図に示された長さであり、Z0は第15図
に示したようなトランスジューサ材料の特性インピーダ
ンスである。部品1052はインピーダンスZ0を有するが、
部品1050は特性インピーダンスＮ×Z0を有する。純粋な
リアクタンス性負荷に対しては共振周波数は下記の方程
式によって決定できる。
これら方程式は一般的なもので、例にすぎず、異なっ
たニードル／トランスジューサ装置では別の方程式を使
用できる。
これまで手術プロセスを自動化しようとするため、従
来技術では多くの試みがなされてきた。米国特許第4,22
3,676号はかかる試みの一つであり、これまで述べたタ
イプの超音波吸引器を述べている。この特許のコラム８
では手術中に周波数が変動することを認めており、パワ
ーの供給量を一定に維持するためこの特許はシステムの
実際のパラメータおよび予想パラメータをモニタするこ
とを教示している。これら２つのパラメータの差はフィ
ードバックループ内でフィードバックされ、振動機のス
トロークレベルを制御している。従ってシステムのパワ
ーを制御しているが、吸引量を制御することは教示され
ておらず、このシステムには依然として「パンチスル
ー」のような問題は残されている。
同じように、米国特許第3,964,487号は電気カッティ
ング装置のインピーダンスをモニタし、このインピーダ
ンスをフィードバックして供給するパワー量を決定する
構造を教示している。この装置は吸引量を制御すること
を教示していないので、「パンチスルー」の問題を解消
していない。
同様に、米国特許第4,126,137号は電子手術ユニット
に対する駆動量をセットするため、組織のインピーダン
スを検出することを教示している。
米国特許第4,024,866号は眼の手術用の吸引導管内の
吸引量を制御することを教示している。コラム７の第24
行以下に過度の吸引量を防止するため吸引量の上限を設
けたことを教示している。これは上限を設けているがユ
ーザーがシステム内で良好に制御し、良好にフィードバ
ックできるようユーザーを助けるものではない。
図面の簡単な説明 添付図面を参照して、以下本発明の上記およびそれ以
外の特徴について述べる。
第１図は人の眼の略図を示す。
第２図は眼を横断する際に必要な代表的な吸引量を示
す。
第３図は本発明の第１実施例のブロック図を示す。
第４図はこの第１実施例の作動のフローチャートを示
す。
第５図は音声発生器を使用して外科医の手術を助ける
本発明の第２実施例のブロック図を示す。
第６図は第２実施例の作動のフローチャートを示す。
第７図は本発明の第３実施例の構造を示す。
第８図はこの作動のフローチャートを示す。
第９図および第10図はアーモンドおよびピーナッツ
「M ＆ M（商標）」内の特性に対する特性曲線をそれぞ
れ示す。
第11図は本発明の第４実施例のブロック図を示す。
第12図はこの第４実施例の作動のフローチャートを示
す。
第13図は本発明の第５実施例のブロック図を示す。
第14図は代表的な水晶体乳化ニードルを示す。
好ましい実施例の説明 次に、添付図面を参照して現時点で好ましい実施例に
ついて詳細に説明する。第３図は本発明の第１実施例を
示す。トランスジューサ300は、人の眼のレンズ体304に
接触するようになっている水晶体乳化ニードル302に取
り付けるよう示されている。電源306によりトランスジ
ューサ300に供給されるパワー（電力）、およびそのと
きの電圧および電流がモニタ308によりモニタされる。
モニタ308は電圧および電流をモニタし、アナログ信号
を発生する。このアナログ信号はアナログ／デジタル変
換器によりデジタル信号に変換され、マイクロプロセッ
サ312に入力される。マイクロプロセッサ312は、市販さ
れているどんなタイプのものでもよい。マイクロプロセ
ッサには電源制御装置316と同じように吸引制御装置314
も接続されている。これら装置は、ダイアル式のボリュ
ームまたは通常の外科医が踏むフットペダルのいずれか
で構成でき、それぞれ所望する吸引量およびパワーを表
示するコマンド信号を発生するようになっている。マイ
クロプロセッサ312は、吸引ユニット318を制御するアナ
ログ信号を電源306内で発生する。
マイクロプロセッサは第４図のフローチャートに従っ
て作動するので、このフローチャートに基づき吸引ユニ
ット318および電源306を制御する。ステップ400で、モ
ニタ308からの電圧および電流を検出し、ステップ402で
この電圧と電流との比を計算し、この比を変数Ｔとして
記憶する。この変数は、瞬間的な吸引量と変化する水晶
体乳化ニードルの負荷との関連を表し、少なくとも２つ
のフォームで表示できる。
まず第１に、超音波トランスジューサにより消費され
る電力とこのトランスジューサに作用するニードルの機
械的運動との間には正の相関性が確立していることを認
識しなければならない。従って、トラッキングインピー
ダンス（入力電圧／入力電流）は、 インピーダンス＝電圧x1/電流 Ｚ＝Vx1/I となる。
これを計算するのに乗算器を用いることもできる。負
荷変化により制御システムがパワーおよび吸引レベルに
影響することにより、種々の方法で補償できる。この方
法とは異なり、一つの乗算器を用いるだけで目標パワー
レベルと実際の消費パワーとの差を直接測定することも
できる。すなわち、 パワー＝電圧ｘ電流 ｐ＝Xx1 である。
本明細書では、パワーレベル（Ｖ＊Ｉ）およびV/Iの
双方を上位概念として「インピーダンス」と称す。
ステップ404は、現在の変数Ｔを計算し、これより変
数Ｔの先の値（ここではTpと称す）を引き、次にＴ−Tp
が値Ｎよりも大きいか否かを判別するテストを行う。Ｔ
−TpがＮより大であれば、このことは現在の組織のイン
ピーダンスが先のインピーダンスよりも大きいこと、従
って現在の組織は先の組織よりも硬いことを意味してい
る。従って、ステップ404でのテストの結果が肯定的で
あれば、吸引レートをN1、パワーをN2だけ増加するステ
ップ406を実行する。次にステップ408へ進み、次のサイ
クルの準備のためにロケーションTpにＴの現在値を記憶
する。
ステップ404での結果が否定的で、ＴとTpとの差がＮ
よりも大きければ、ステップ410で第２テストを実行す
る。ステップ410で、Tpの値が現在値がＴよりもＮの大
きさだけ大きいかどうか判断する。そうでなければ再び
ステップ408に移る。従ってＴとTpとの差が値Ｎより小
さければ、吸引力またはパワーを変更する。
TpがＴよりもＮより大きい量だけ大きければ、このこ
とは先の時間のインピーダンスは、現在のインピーダン
スよりも大きいことを意味している。従って、ステップ
412で吸引力を値N1だけ減少し、パワーを値N2だけ減少
する。次のステップ420および422は、吸引制御装置314
および電源制御装置316の例にそれぞれ従うものであ
る。これらの値が増加すると、先に述べたアルゴリズム
に従って適当な部品ｉへのパワーも増加する。
トランスジューサが受けるインピーダンスに従って、
パワーおよび吸引力の制御ができるようにする特定の構
造および方法のステップは、従来技術では全く教示も、
示唆もされていないので、従来技術に対して完全に新規
となっている。第５図に本発明の第２実施例を示すが、
この図では同じ番号は同じ要素を示す。この本発明の第
２実施例は、上記モニタシステムの他に、外科医が手術
をしている間に外科医に呼びかけできる音声発生モジュ
ール500を使用する。
現在の水晶体乳化ユニットは、視覚ディスプレイとオ
ーディオフィードバックを有する。視覚ディスプレイ
は、装置が取っているモード、例えばフットペダルポジ
ション、洗浄のみのモード、洗浄兼吸引モード等を表示
できる。オーディオフィードバックは、切り替え、例え
ばビープ音またはクリック音をユニットごとで異なるよ
うにしてもよい。
しかしながら、水晶体乳化手術を最初に学んでいる外
科医にとって、これらのサウンドはいずれも極めて紛ら
わしい。かかる外科医は他に集中すべきことが多く、更
にフットペダルをどこで踏むのか、正確に何が起きてい
るかを認識する上で更に混同することが多い。本発明の
第２実施例は、市販の音声発生装置を用いてこのような
混同の回避を助けることができる。
本発明のこの実施例によれば、音声発生ユニット500
は市販の音声発生チップおよびオーディオ装置で構成し
てもよいし、または例えば適当なプロセッサによりアク
セスできる一連のテープすなわち記録トラックでもよ
い。かかる装置は、当技術分野では周知であるのでこれ
以上説明しない。この装置は第６図のフローチャートに
従って作動する。第６図は第４図と多くの共通要素を有
し、ＶおよびＩおよび値Ｔを検出するステップ600で開
始する。ステップ602はＴがTpよりも値Ｎだけ大きいか
どうかを判別する。大きければ吸引力およびパワーを増
し、更に音声発生器500を附勢し、「組織の硬度は増加
中」と発音させる。ステップ606はTpはＴよりも所定量
だけ大きいかどうか判別する。大きければ吸引力を下
げ、組織の硬度は減少中であると発音させることにより
ステップ608を実行する。ステップ610は吸引制御装置ま
たは電源制御装置が変わったかどうかを判別し、変わっ
ていればその変化を発音する。例えば、フットペダルが
ポジション１にあると「洗浄」と発音し、ポジション２
にあると「洗浄および吸引」と発音される。発音器は
「水晶体乳化は10％に固定」または「水晶体乳化は15％
に増加」と発音するようにしてもよく、フットペダルま
たは同様の装置を変更する際、発音器はインクリメント
しながら新しい値を発音できる。
このようにすることにより、外科医は極めて困難な手
術の際に集中力を維持できる。
第８図のフローチャートおよび第７図を参照して、ス
マート水晶体乳化システムのための第３の実施例を説明
する。このシステムを成功裏に作動させる鍵は２つあ
る。すなわち第１は外科医はトランスジューサの負荷パ
ワーおよび吸引基準レベルの双方を独立して制御してい
ることである。第２は自動制御システムパワーモニタお
よびパワーおよび吸引力補償機構の双方によって吸引シ
ステムの補償と電力補償用のドライブ信号とをリンクさ
せることにより、外科医によるトランスジューサの制御
を正確に改善している点である。
電源716はトランスジューサ700にある周波数で電圧お
よび電流を与え、ニードル702は人のレンズ体704に接触
し、組織の層の密度に応じて変化する機械的負荷を受け
る。外科医はパワーレベル制御装置720および吸引レベ
ル制御装置708により基準パワーレベルおよび基準吸引
レベルをそれぞれ設定する。電源716はパワーレベル指
令およびパワーレベル補償指令（電圧、電流または周波
数調節）に応答する。これら指令はモジュール720およ
び718からそれぞれ発生される。ニードル702にかかる可
変機械的負荷は基準パワーレベル指令からの異なるパワ
ー量を消費する可変電気負荷としてトランスジューサ70
0を介して表される。このパラメータの検出は本明細書
では機械的インピーダンスと称す。
パワーモニタ712はトランスジューサ700からの負荷電
圧および電流を検出し、パワーを計算する。トランスジ
ューサのパワー消費量はパワー比較モジュール714へ送
られ、この比較モジュールは実際のトランスジューサの
パワーとパワー指令からの独立した基準レベルとの差を
出力する。パワー補償モジュール718はトランスジュー
サのパワー消費量が外科医からの独立した指令をトラッ
キングするよう電源716に適当な電気調節量を送る。
このシステムの安全性を改善したユニークな特徴は吸
引補償モジュール710にパワー補償ドライブ信号（パワ
ー補償出力）を印加した結果得られたものである。吸引
補償モジュール710の出力は、吸引システムのタイプに
応じた真空力またはフローまたはその双方の調節量であ
る。
パワーについては外科医は吸引システム706の出力
（真空力および流量）を制御する吸引制御装置708によ
り独立して入力を制御する。全システムは第８図のフロ
ーチャートが示すような簡単な制御プログラムに従うよ
うになっている。補償モジュールにより誘導される変更
は、負荷パワーが外科医からの独立したパワーレベルを
トラッキングするよう強制する。更に吸引量の変化量は
外科医からの独立した吸引レベルコマンドに加えられ
る。このように外科医は手術中にわたって制御を維持す
る。
第８図のフローチャートはステップ800におけるトラ
ンスジューサの負荷およびパワーの検出を示している。
ステップ800の次にはパワーが基準Prよりも小さくなる
か大きくなるかを判断するためのステップ802および808
における判別が続く。現在のパワーP1がPrよりも小さけ
れば、ステップ804でより密度の大きい組織層が認識さ
れ、ステップ804の後にステップ806において吸引量を増
加し、負荷パワーを増加することが続く。ステップ808
において負荷P1がPrよりも大きいと認識された場合、ス
テップ810で組織層の密度が小さくなったことが認識さ
れ、ステップ810の後で812における吸引量を減少させる
ことが続く。ステップ814で組織密度の相対的変化があ
るかどうかが判別され、その後814において負荷パワー
または吸引量の無変更が続く。
機械的インピーダンスおよび共振周波数の変化は手術
中に水晶体乳化ニードル302が接触する材料の硬度の関
数で表されることを立証する実験がこれまでに実行され
ている。第９図は実際の実験によって得られた負荷のか
かった水晶体乳化ニードルおよび無負荷の水晶体乳化ニ
ードルの機械的インピーダンス対周波数スペクトルを示
す。このスペクトルが眼の硬化したレンズ体のシミュレ
ータとして堅いアーモンドを用い、±２ボルトで励起し
たヒューレットパッカード社のインピーダンスアナライ
ザを用いて測定した。第９図は負荷を変えた場合の位相
およびインピーダンス変化を示す。約28.875KHZおよび5
9.5KHZで２つの共振ピークが観察された。本発明者はこ
れら２つのピーク点は圧電駆動クリスタル（結晶体）の
基本電気機械共振点に対応していると考える。またこれ
ら２つのピーク点はクリスタルの長手方向および横方向
の圧電係数に起因するもので有り得る。
第10図に示した第２のインピーダンススペクトルはチ
ョコレートで被覆したピーナッツM ＆ M（商標）キャン
ディを用いてシミュレートした場合の硬度の影響の変化
を示している。低い周波数および高い周波数の共振ピー
ク点に対する２つの共振ピーク点のシフト周波数はそれ
ぞれ約1KHZおよび375HZである。このことは、チョコレ
ートで被覆されたM ＆ Mピーナッツキャンディ内のピー
ナッツを決定できることにより、このシステムが実用可
能であることを示している。作動中、位相角（共振周波
数）、機械的インピーダンスおよび組織の硬度の関係を
示すマップを作成する。このマップは手術中に生じる組
織の特性を観察しながら得られる第９図および第10図に
示されているようなグラフから作成できる。
水晶体乳化ニードルが異なる硬度の負荷を受ける際
に、インピーダンス変化および周波数シフト量も測定で
きるが、ハイレベルの励起（110ボルト）条件下で大き
な電気ノイズにより生じたこれら変化を識別することは
困難となり得ることがわかっている。±２ボルトのよう
な低レベルの励起条件下ではインピーダンスおよび周波
数シフト量はより容易に観察できるが、実際規模でこれ
を検出するのは先の実施例よりもより特殊な技術が必要
である。
この低レベル方法を実行するため、本発明の第４実施
例は圧電すなわち磁気歪クリスタルを駆動する大電圧か
らの電気的な干渉を受けることなく、負荷硬度の検出手
段となる固体マイクロセンサを加えることにより材料の
硬度変化を検出している。第11図はこの方法を使用した
構造の一般的ブロック図を示している。第11図の基本変
形例には先のすべての実施例の原理を加えることができ
ると解される。
第11図は第４実施例に従って構成された負荷検出用の
改良された構造体を示す。この第４実施例は２つの力ト
ランスジューサ1000および1002を含む。力トランスジュ
ーサ1000はマイクロプロセッサ312の制御により電源306
により駆動される駆動力トランスジューサであり、この
第１力トランスジューサ1000への電圧励起により水晶体
乳化ニードル302の伸縮が生じる。吸引器308および流体
供給器1003も設けられている。第11図は第３図から第８
図のいずれかに示された補助構造体も含むことができる
と解されるが、理解を容易にするため簡単に示してあ
る。被動素子1002は電気的および機械的組み合わせ回路
の共振周波数で応力が加えられるセパレートの圧電クリ
スタル1006を含み、この目的のため水晶体乳化ニードル
302に機械的に結合されている。このような機械的な結
合によりこの第２圧電クリスタルは第２力トランスジュ
ーサ1000の第１圧電クリスタル1008と機械的に平行とな
っており、この方向へのニードル302の移動を検出する
ようになっている。ニードル302は大サージ電圧により
移動されるが、このサージ電圧は測定にノイズを生じさ
せることがある。しかしながら、補助クリスタル1006は
駆動電圧よりもニードルの移動によって移動される。こ
のような圧縮および解放によりクリスタルの公知の特性
に従って圧電クリスタルの圧縮量に比例した電圧が発生
される。従ってマイクロプロセッサ312はクリスタル100
0に与えられるパワー（このパワーはニードル302に送ら
れ、これをドライブする）の量を表示する電圧だけでな
く、クリスタルの収縮量に関連した電圧も得る。こと被
動素子1002は水晶体乳化ニードル上に乗っているので本
発明者はこの素子のことを「ボニー」素子と呼んでい
る。
第２検出素子1002は、機械的な応力を電圧または電流
に変換するような位置に設置されている。これら素子は
応力／速度が最大となる節点または応力／速度が最小と
なる腹点に設置できる。これら２つの検出素子が誤差を
キャンセルするよう差動構成で使用されるとき、これら
センサによって発生される信号はトランスジューサの特
性方程式に従う。トランスジューサとしてインピーダン
スを連続的にモニタする方法もあれば、第１パルス周期
は検出周期として使用し、次の周期は作動周期として使
用するようなパルスでトランスジューサを作動する方法
もある。検出周期中はトランスジューサのパワーはキャ
ビテーションが生ぜずトランスジューサの損失が最小と
なるレベルまで下げる。
吸引量は流量および真空レベルの関数として定義さ
れ、これらの一方またはその双方を制御できる。
この構造体は第12図のフローチャートに従って作動さ
れる。第12図のフローチャートは本発明の作動を示すも
のであるが、この作動は多少変える必要が生じることが
あると解される。しかしながらこのような改良は第９図
および第10図を参照してこれまで述べたシミュレーショ
ンを繰り返せば、当業者には容易に行うことができるも
のである。第９図および第10図では、アーモンドおよび
M ＆ Mキャンディをそれぞれ使用していたが、制御が必
要となる正確な特性をより良好にシミュレートするた
め、カットオフのための実際の値は死体から摘出した実
際の人の眼または動物を用いている。第12図はマップを
得るステップ1200でスタートしている。しかしながらこ
のマップは予め測定し記憶しておかなければならず、一
般には第９図および第10図のグラフと同じようにプロッ
トすることによって得られる。第９図および第10図のシ
ミュレーションは硬度が変化する種々の市販されている
食品材料を用いて行ったが、このシステムのための実際
のマップは死体からの実際の人の眼または同等物を用い
て良好に作成される。かかる眼について第９図および第
10図に示したシミュレーションと同様なシミュレーショ
ンを行い、かかる材料の共振周波数のみならず機械的イ
ンピーダンスの双方を示す特性図を１次元または２次元
のマップとして記憶しなければならない。このマップは
ステップ1200で得られる。
実際のフローチャートはニードルの移動量を検出する
ステップ1202で開始する。この実施例ではこのニードル
の検出移動量は圧電クリスタル1006からの電圧（この電
圧はニードルの移動量に比例している）をモニタするこ
とにより測定される。ニードルへ送られるパワー量はス
テップ1202で測定される。ステップ1204はクリスタル10
02からの電圧を受け、現在のニードル位置を表示する現
在の電圧と先のニードル位置、先の電圧との差としてニ
ードル移動量を測定する。ステップ1206では1202で検出
されたパワーとステップ1204で検出されたニードル移動
量との比例度に従ってニードルに与えられた機械的イン
ピーダンスを検出する。この機械的インピーダンスはリ
ニア係数またはそれ自体パワーまたは移動量に依存する
重みづけ係数によって重みづけしてもよい。例えば、パ
ワーがどれだけ高くなっても材料は所定の最大量しか反
応できないので、パワーが大きくなった場合機械的イン
ピーダンスを別の比にしてもよい。この機械的インピー
ダンスは現在の値として記憶する。ステップ1208ではス
テップ1204で測定された現在のニードル移動量に基づい
て現在の共振周波数を計算する。この計算は種々の方法
で行うことができるが、複数の最新の測定値を測定し、
これら値について高速フーリエ変換を行って現在の周波
数成分を決定するのにそのうちの最も簡単な方法が用い
られる。次に、現在の機械的インピーダンスおよび現在
の共振周波数を用いてマップのアドレスを決め、手術中
の眼の部分を検出する。この好ましい実施例では、眼の
この部分を検出するステップ1210は、現在手術中の眼の
部分を示すナンバーを出力する。例えばナンバー１は核
を意味し、ナンバー２はレンズ体を意味する、等であ
る。ステップ1212はパワー出力および吸引量および流体
制御量を調節し手術中の眼の部分に従う。パワーを測定
する態様はマップを作成する態様に類似する。実際のモ
デルを使用する場合、パンチスルーを生じさせ、許容し
得る値を容易に測定できる。従ってこの実際のモデルは
どのパラメータ出力がどの程度の手術に対応しているか
を決定するのに使用できる。
当然ながら、上記フローチャートでは多くの変更が可
能であると解すべきである。例えばフローチャートは機
械的インピーダンスおよび共振周波数の双方を使用する
旨を説明しているが、眼の中の現在の位置を探すには一
つのパラメータだけで充分であるので、共振周波数また
は機械的インピーダンスの一方の２次元マップも使用で
きると解すべきである。また、本発明の技法は人の眼内
の手術に特に関連しているが、これら技法は他の多くの
器官または他のどの器官における手術にも使用できる旨
を強調すべきである。
第13図は第４図の実施例とは別の本発明の第５実施例
を示す。この第５実施例はニードルが受ける負荷の共振
周波数特性を検出するのに少なくとも一つの固体加速度
計を使用している。第13図はニードルに対して使用され
るすべての補助構造体を除くことにより簡略化されてお
り、駆動クリスタル1008および機械的にリンクされた加
速度計1020しか示していない。このようにマイクロプロ
セッサ312は加速度計からの情報だけでなくクリスタル1
008に送られるパワーの量を示す情報も受ける。加速度
計は種々の異なるソースから一般的に得られるものであ
り、第13図の第５実施例は第12図のフローチャートを参
照して説明した実施例と同じように作動する。要約すれ
ば、加速度計はニードルがいかに高速で加減速し、より
硬質の材料に衝突したとき、構造体がより大きい負荷に
より低速で加減速度することを検出し、よって材料の硬
度を自動検出するよう使用される。これと対照的に力メ
ータはニードルが動いた量によりニードルが受けている
力の大きさを測定している。このようにニードルにかか
る力を検出することにより機械的インピーダンスを測定
できる。
以上で、わずか数例の実施例しか詳細に示していない
が、当業者であれば本発明の利点から逸脱することなく
実施例について多くの変形が可能であることは理解でき
よう。これらすべての変形は次の請求の範囲に含まれる
ものである。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) A61F 9/007 A61B 17/36 330

Claims (21)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】人の眼を手術するための吸引ポートを含む
    超音波トランスジューサ用制御システムであって、 超音波トランスジューサの受ける負荷の変化をモニタす
    るための手段と、 前記負荷の変化に基づいて吸引量を制御すると共にトラ
    ンスジューサに対する負荷が増加した時は吸引量を自動
    的に増加するように変更し、負荷が低下した時は吸引量
    を自動的に減少するように変更するための手段とから成
    る超音波トランスジューサ用制御システム。
  2. 【請求項２】前記モニタ手段は超音波トランスジューサ
    の電気的インピーダンスをモニタする請求の範囲第１項
    記載の制御システム。
  3. 【請求項３】前記インピーダンスモニタ手段は、前記イ
    ンピーダンスを表示する値を得るよう前記超音波トラン
    スジューサにより使用される電流と超音波トランスジュ
    ーサにより使用される電圧とを乗算するための手段を含
    む請求の範囲第２項記載の制御システム。
  4. 【請求項４】前記吸引制御手段は前記負荷変化量が所定
    量よりも大きくなった時に限り前記吸引量を増加し、前
    記負荷変化量が所定の負の値よりも小さくなった時に限
    り前記吸引量を減少する請求の範囲第１項記載の制御シ
    ステム。
  5. 【請求項５】前記吸引制御手段は吸引量を増加した時前
    記超音波トランスジューサに印加されるパワーも増加
    し、吸引量を低下した時前記超音波トランスジューサに
    印加されるパワーも減少する請求の範囲第４項記載の制
    御システム。
  6. 【請求項６】前記吸引制御手段は吸引量を増加した時前
    記超音波トランスジューサに印加されるパワーも増加
    し、吸引量を低下した時前記超音波トランスジューサに
    印加されるパワーも減少する請求の範囲第１項記載の制
    御システム。
  7. 【請求項７】前記負荷が変わった時はいつもメッセージ
    を表示する音声を発生するための音声発生モジュールを
    更に含む請求の範囲第１項記載の制御システム。
  8. 【請求項８】人の眼に対する手術を可能とするための装
    置であって、 眼に加えられた超音波によって生じた粒子を人の眼から
    除去するための吸引手段を含む眼に超音波を加えるため
    の手段と、 前記超音波印加手段および前記吸引手段の状態をモニタ
    するための手段と、 前記超音波印加手段および前記吸引手段のうちの少なく
    とも一方の変化を表示する音声を発生するための手段
    と、 前記超音波印加手段の受ける負荷の変化をモニタするた
    めの手段と、 前記負荷の変化に基づいて前記吸引手段により発生され
    る吸引量を制御するための手段を含む装置。
  9. 【請求項９】前記モニタ手段は前記超音波手段に印加さ
    れる電圧を検出するための手段と、前記超音波手段に印
    加される電流を検出するための手段と、前記電圧と前記
    電流とを乗算して前記負荷を表示する値を得る手段とを
    含む請求の範囲第８項記載の装置。
  10. 【請求項１０】人の眼を手術するための装置であって、 前記眼のある領域を手術するための手段と、 前記眼の手術中に前記領域を吸引するための手段と、 前記眼の前記領域の硬度が変わっているかどうかを判断
    するための手段と、 前記硬度が所定量よりも大きく変化した時前記吸引手段
    により生じる吸引量を自動的に変えるための手段とから
    成る人の眼を手術するための装置。
  11. 【請求項１１】前記手術手段は超音波トランスジューサ
    である請求の範囲第10項記載の装置。
  12. 【請求項１２】前記硬度検出手段は前記超音波トランス
    ジューサの電気的インピーダンスを測定するための手段
    を含む請求の範囲第11項記載の装置。
  13. 【請求項１３】前記硬度の変化を表示する音声を発生す
    るための音声発生手段を更に含む請求の範囲第10項記載
    の装置。
  14. 【請求項１４】前記吸引量は真空量および吸引流量の少
    なくとも一方を含む請求の範囲第１項記載のシステム。
  15. 【請求項１５】前記モニタ手段は負荷の機械的インピー
    ダンスをモニタし、前記負荷変化を決定する請求の範囲
    第１項記載の制御システム。
  16. 【請求項１６】吸引ポートを含み、人体の一部を手術す
    るための外科用トランスジューサのための制御システム
    であって、 負荷の機械的インピーダンスをモニタし、外科用トラン
    スジューサの受ける負荷の特性変化を測定する手段と、 前記機械的インピーダンスに基づき前記トランスジュー
    サの作動特性を制御するための手段とから成る外科用ト
    ランスジューサ用制御システム。
  17. 【請求項１７】前記外科用トランスジューサに結合され
    ており、トランスジューサの移動量を測定するための固
    体マイクロセンサと、前記移動量および前記トランスジ
    ューサに供給されたパワーから機械的インピーダンスを
    計算するための手段を更に含む請求の範囲第16項記載の
    システム。
  18. 【請求項１８】前記固体センサは前記外科用トランスジ
    ューサに機械的に結合された圧電素子である請求の範囲
    第17項に記載の装置。
  19. 【請求項１９】前記センサは加速度計である請求の範囲
    第17項記載のシステム。
  20. 【請求項２０】人体の一部の手術を可能とするための装
    置であって、前記人体の一部の機械的インピーダンスと
    手術中に前記機械的インピーダンスに対して用いるべき
    特性との間のマップを記憶するためのメモリ手段と、 前記人体の一部に対する手術を行うことができる所定の
    特性を有するトランスジューサと、 前記トランスジューサに結合され前記トランスジューサ
    の移動量を検出するための機械式センサと、 前記トランスジューサに与えられるパワー量を検出し前
    記パワー量および前記移動量に基づいて機械式インピー
    ダンスを計算し、前記機械式インピーダンスを用いて前
    記マップのアドレスを指定し、前記手術を表示する情報
    を得て前記情報を使用して前記トランスジューサを制御
    する処理手段とから成る人体の一部の手術を可能とする
    ための装置。
  21. 【請求項２１】前記マップは前記人体の一部の種々の部
    分の共振周波数も記憶しており、前記処理手段は現在の
    共振周波数を計算するための手段と前記機械的インピー
    ダンスと共に共振周波数を使用して前記特性を決定する
    ための手段とを更に含む請求の範囲第20項記載のシステ
    ム。
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