JP3986088B2 - 自己初期設定モータ制御を有するモータ制御外科手術のシステム - Google Patents

Description

この発明は一般的にはモータ駆動外科手術システムに関し、特に、全ディジタルモータ制御外科手術システムの要素の相対位置を制御するシステムに関する。
例えば、関節鏡視下切削装置に用いられるブラシレスモータの回転速度を制御するディジタル式速度制御システムは、現在よく知られている。
これらのブラシレスモータ制御装置は、通常、外科手術アセンブリィに適応され、米国特許出願の第４２０，２４３号と第１３５，２９７号およびそれらに引用された米国特許第５，２７０，６２２号に開示されているような全ディジタル式の優れた特徴を有するシステムを用いている。それらはモータ電機子の回転速度と位置に対して優れた制御を与え、モータとアセンブリィ間の適当なギヤ減速を介して外科手術アセンブリィを正確かつ厳密に制御することができる。そのようなディジタル制御システムは、通常ブラシレスモータを用いる従来のアナログ式制御システムを進歩させるものである。
しかしながら、これらのモータのすべてにおいて、内部で外科手術部材が固定ハウジングに対する回転駆動外科手術部材の相対的な位置、および特に、例えば外科手術装置の先端における切削開口の相対的な間隙については知られていない。この観点においては、ブラシレス（全ディジタル式）およびブラシモータの両方とも、開口の性質が制御システムに知らされておらず、特に外科手術装置の離脱可能な回転尖頭の回転可能部分とそれを収容する固定ハウジング間において制御システムに知らされた一定の関係を維持する方法がないという点で、同じ難点を有する。しかしながら、同時係属米国特許出願第４２０，２４３号においては、モータ位置に対する実質的な制御が行われている。実際には、モータは開口が完全に開いた位置でくり返し停止することができる。
従って、この発明の目的は、駆動される外科手術部材の回転部分に対する制御とそれによる切削とを改良することであり、とくに、医師が関節鏡視下切削装置の効率と効果および切削工程の進行精度を改善することができる装置を提供することである。
この発明の一般的な目的は、特に、制御される関節鏡視下切削装置に関して、ブラシレスモータの制御における技術の状態を前進させることである。
この発明の他の目的は、改良された切削効果、精度および応答反復性を有する全ディジタルモータ制御方式の外科手術切削装置を提供することである。
この発明の他の目的は、外科手術処置において特別の応用性を有する、改良されたモータ制御システムを提供することである。
この発明のさらに他の目的は、モータ駆動される外科手術用具を正確に反復して制御する方法と装置である。
従って、この発明によれば、電機子付きモータを含んだハンドピースを有し、少なくとも１つの外科手術装置と共に駆動するようにした外科手術システムであり、ハンドピースは外科手術装置を受入れて駆動するようになっており、外科手術装置はハンドピースにより連続する位置を通じて駆動され、外科手術システムは、外科手術装置の駆動を制御するコントローラと、コントローラに電気的に接続された起動スイッチと、コントローラに電気的に接続された正逆転モードスイッチとを備え、コントローラは正逆転モードスイッチによる要求があるときに、正逆転モードにおける外科手術装置の動作を起動スイッチの作動に応じて開始させ、さらにコントローラは動力供給下の失速状態に応じて外科手術装置の駆動動作の方向を反転させる外科手術システムを提供するものである。
これらの目的と以後明白になるその他のものを達成するために、この発明は、ブラシレスモータ用全ディジタル外科手術制御システムを採用している。そのシステムは、所望のモータの作動を表わす指令信号を供給するディジタル信号プロセッサを備えることができる。プロセッサ又はコントローラは、モータ駆動の各相に対して、外部制御信号に応じて、電機子を回転させるディジタル整流信号を生成する。制御信号により確定されたデューティサイクルを有するディジタルパルス幅変調信号が電機子の回転速度を制御する。
そのシステムはスイッチング要素、例えばマルチ−フェイズブリッジ（multi-phase bridge）を、コントローラとのディジタル通信において、さらに備えることができる。そのブリッジは、パルス幅変調信号の期間に継続してオン状態となるディジタル２状態制御信号を、各相に対し、各整流信号および各パルス幅変調信号に応じて生成するよう作動する。
そのシステムは、モータが回転するとき電機子の位置を表わす位置検出信号を生成するためにコントローラとディジタル通信を行う要素をさらに備える。そのコントローラは、位置検出信号を処理するために作動して、実際の電機子回転速度を表わすディジタル信号を生成する。
１つの観点においてこの発明は、モータが定期的に自動的に反転する正逆転モード（oscillatory mode）の終り又は、連続モードの切削周期の終りのいずれかにおいてモータを制止つまり停止させ、外科手術装置の駆動位置が既知で特定の位置、例えば開口の開放位置で停止することを特徴とする。
この発明によれば、モータの駆動動作が正逆転（oscillate）する、つまりモータがまずある方向に駆動され、その後他の方向に駆動される作動モードが、連続作動モードに加えて提供20される。この作動モードでは、システムは、方向が反転する正逆転又は反転停止位置を選択的に追加する。好ましくは、作動において、コントローラはモータを所定時間一定方向に回転させ、その許容時間の終了した後に、駆動中の外科手術部材が所定の又は選択された正逆転停止位置に到達したときに方向を反転させる。
このようにして、外科手術装置は、外科手術装置の末端の開口が既知の、開放，閉鎖又は部分的開放特性を有する既知の位置で、常に起動および／又は反転するように制御することが可能になる。
この発明は、コントローラが例えば関節鏡視下の外科手術において組織又は他の物質を切除するために用いられる時、システムに対する効率と信頼性の両方を向上させる、外科手術切削装置の反復する正確な作動を都合よく提供する。
外科手術制御システムは、切除用および／又は流体制御用のモータ駆動外科手術切削ブレード（blade）の中に組織を引き込むための特殊な応用性を有する。
従って、この発明は、少なくとも１つの外科手術装置と共に作動するようにした外科手術システムに関し、その外科手術システムはモータを含むハンドピースを有し、そのモータは電機子を備えて外科手術装置を支持して駆動するようになっている。その外科手術装置は、ハンドピースにより少なくとも正逆転モードで駆動されてもよい。そのシステムは、外科手術装置の駆動を制御するコントローラと、モータ駆動の相対的位置を少なくとも表わす電気信号を生成するモータ内のセンサと、モータが相対的位置信号に応答することとを特徴とし、モータは、モータの駆動相対的位置に対するモータ駆動の現在位置、つまり、装置を既知の状態にしておくためにモータ外科手術装置の起動／停止位置をコントローラに識別させる位置識別子、を識別するための相対的位置電気信号に応答する。停止スイッチはコントローラに電気的に接続可能であり、コントローラは、停止スイッチの操作に応じて外科手術装置の駆動動作を実質的に開放位置で停止させる。
この発明はコントローラに電気的に接続された起動スイッチを特徴とし、コントローラはその起動スイッチに応答して外科手術装置の駆動動作を正逆転モードで作動させる。コントローラはさらに、正逆転モードの立上がり又はそのモードの期間における失速状態（モータ速度がゼロでモータ印加電圧が最大に設定された状態）に対応し、コントローラはその失速状態が検出されると、できるだけ速くモータの方向を反転させる。好ましい実施態様においては、この発明は、失速状態が検出されたときはいつでも回転方向を連続的に反転することを特徴とすることができる。このようにして、周期的な速度の比率が実質的に増大し、装置の開口をきれいにすることを助ける。
この発明の特性と見なされる新しい特徴は、特に添付のクレームに記述されている。しかしながら、この発明それ自体の構成と作動方法および付加的な目的や効果は、添付図に関連して読取られる特定の実施態様についての次の説明から最もよく理解されるであろう。
図１はこの発明による全ディジタル式速度・位置制御システムの概略のブロック図である。
図２は図１のシステムの特定の実施態様の詳細なブロック図である。
図３はコントローラの作動の一部を表わすフローチャートである。
図４はコントローラの作動の他の部分を表わすフローチャートである。
図５はこの発明によるコントローラの作動のさらに他の部分を表わすフローチャートである。
図５Ａは正逆転モードにおけるコントローラの作動の特定の部分を表わすフローチャートである。
図６はこの発明のシステムを用いた外科手術処置の概略ブロック図である。
図７は外科手術用具の斜視図である。
図８は図７の断面図である。
図９はこの発明によるコントローラの作動の他の部分のフローチャートである。
図１０はこの発明によるホール効果スイッチの出力を表わす。
図１１〜１３はクローズドループ作動法の異なる実施態様の概略図である。
この発明は、モータ、ここではブラシレス３相ＤＣモータの速度制御および特に開示したこの発明の目的とする相対位置の制御システムに関して例示される。図１を参照すると、この発明の全ディジタルモータ制御システムは、回転電機子１２を備えたブラシレス３相ＤＣモータ１０を有する。そのモータは電機子の周りに設けられ電機子の位置を検出する複数の従来のホール効果センサ１４を有する。
そのシステムは、好ましくはフィリップス社でＮｏ．８７Ｃ５５２として製造された集積回路チップからなるディジタル信号プロセッサ、つまりコントローラ１６を備える。コントローラ１６は、コネクタ１７ａと１７ｂをそれぞれ介してモータ１０と足踏みスイッチ（図示しない）とに接続される。コントローラ１６は、ライン１９と２０（図２）からの増速および減速信号に基づいて所望の電機子速度を表わす内部ディジタル速度信号を生成する。プロセッサ（つまりコントローラ）１６は、後述するように、ホール効果素子からライン２２を介して得られる信号から実際の電機子速度を表わすモータ出力速度を決定する。
電源が投入されると、コントローラ１６はソフトウェアプログラムを実行する。コントローラ１６は、電機子を回転させるために協働する６つ１組の整流信号、つまり図示した４極ブラシレスモータの各相について２つの信号を生成する。とくに、例示される実施態様のコントローラは、６つの整流ビットパターンの表を有するルックアップテーブルをそのプログラム中に備え、各パターンは電機子用の個別の指令を、ホール効果素子からの信号により決定される電機子の角度位置の関数として表わす。整流信号は３相ブリッジ回路を介して、またブリッジ駆動回路２４（図２参照）を任意に介して供給されて処理され、それによって、３つの位置制御信号、つまりモータ駆動の各相について１つの信号がライン２７を介してモータ１０へ出力される。（ホール効果センサ１４は電機子の回転を検出し、２状態のホール効果信号を生成し、それに応じてコントローラ１６は整流信号を生成する。）
コントローラ１６のこの点については、図３の動作フローチャートに示される。整流信号の生成がブロック２８により示される。ホール効果センサの読取りがブロック３０により示される。新しい状態がブロック３２で格納される。コントローラ１６が電機子の物理的な反転が生じたことを認識すると（ブロック３４）、反転入力指令が与えられ（ブロック３６）、そして次の整流ビットパターンがモータへ出力される（ブロック３８）。反転が生じない場合には、整流ビットパターンはブロック３６を通ることなく送られる。その後、タコメータ（ＴＡＣ）信号を生成する内部カウンタと、後述する位置レジスタとがインクリメントされる（ブロック４０）。その後、コントローラは割込みから復帰する。（図示した４極（３組）モータに対して、ビットパターンは３０度の電機子機械的回転毎に変化する。）タコメータ信号は処理され前述の速度信号を生成する。
図４を参照すると、コントローラ１６はまた、所望の速度値に応じてＰＷＭレジスタをロードすることにより、電機子回転速度に依存するデューティサイクル（又はパルス幅）を有するディジタルパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成する。（ブロック４２）例示した実施態様のＰＷＭ信号は４２．５マイクロ秒の固定されたＰＷＭ周期を有する。ＰＷＭ信号は高と低の状態を有する。コントローラはＰＷＭ信号の期間を０〜４２．５ｍｓから決定し、電気子速度を好ましく決定する。この方法では、ＰＷＭ信号のデューティサイクルは０〜１００％の間で制御される。
図１と図２に示すように、ＰＷＭ信号はブリッジ駆動回路２４に供給され、ブリッジ駆動回路は当該技術分野で公知の３相ブリッジ２６用のスイッチング信号を生成する。ブリッジ２６は、前述のモータ制御信号を各相に対して順番に生成し、各モータ制御信号はオン状態とオフ状態を有する。
前述のようにホール効果センサは、相対的位置信号を生成してコントローラへ返送し、コントローラではその信号の変化が、その変化の発生時に蓄積される。タコメータカウンタから生じるカウントがコントローラ１６によって処理されてタコメータ信号を生成し、タコメータ信号はプロセッサ１６によりディスプレイ５１に伝送されモータの実際の回転速度を表示する。
図６は通常の新しい外科手術処置、例えば関節鏡検査又は腹腔鏡検査の構成を示す概略ブロック図である。患者の処置される関節又は他の領域が６２で示されている。
第１カニューレ６４はその領域に導入され塩水源に付設される。ポンプ６６は関節内に、例えば０〜１５０mmHg規格の陽圧を維持する。ビデオカメラと光源６８もまた、その領域を観察してテレビジョンモニタ（図示しない）に画像を表示するためにカニューレに接続される。外科手術用具をその先端に備えた第２カニューレ７０もまた、領域６２へ導入される。その用具は、ここではモータ駆動装置７２を有する手持ちサイズの切削具である。塩水，血液および切りくずがカニューレ７０の中空部およびホース７４を介してその領域から除去され、ポンプハウジング６６に設置されたピンチバルブ７６へ流れ、ピンチバルブ７６はその領域からの流れの調整を助長することができる。その後、排出物は廃棄物収集器７８と、１５０〜７６０mmHgの圧力を通常維持する真空源８０へ排出される。カニューレ７０とホース７４との間には、外科手術用具の残りの部分７５が存在する。
領域６２の圧力が一定に保持されることは、このような処置において重要なことである。関節の機械的寸法が常に変化し、関節が漏洩状態にあって不安定で密封されない容積を表わす場合に、関節領域でこれを維持することは特に困難である。外科医が外科手術システムを操作して、真空源への接続を開閉し液流で組織の小片を除去するとき、速やかに真空度を変化することができる。外科手術領域における圧力が一定であるということは、良好な外科手術処置にとって不可欠である。特に重要なことは、圧力が過大にならないことである。というのは、これが患者を傷付けることになるからである。一定の圧力は、領域６２に流れ込む塩水の速度に対する正確な制御と密接に関係する。ポンプ速度の微小な変化によって圧力がきわめて大きく変化する。この発明の制御システムによれば、実質的に一定の圧力が、非常に精度よく維持されることが見出された。これは、ポンプのパルス駆動モータにより特に達成されたものであり、そこでは駆動パルスデューティサイクルが変化可能で、従って回転周波数も１ＲＰＭの何分の一から例えば１０００ＲＰＭまで変化可能となっている。外科手術領域への通常の流速は０．０〜２．５リッター／分である。
図７は外科手術装置の一部、つまりブレード（blade）アセンブリィの部分切欠き分解斜視図であり、これはカニューレ７０の先端に見られる。ブレードアセンブリィの固定中空チューブ８２は先端８４の近傍に通常、切削部８６と呼ぶ開口を有する。回転可能な内部ブレード８８は、これも中空チューブであるが、その先端領域９０に鋭利なエッジ９１を有する切断表面を備える。内部ブレードはモータで駆動され、モータアセンブリィに固定されたチューブ８２の内部で回転する。真空源は中央の穴を介して液体や切りくずを吸引して除去する。
内部ブレードは通常一定速度で駆動され、連続一方向モード又は正逆転モードのいずれかで回転する。内部ブレードはモータ１０に対応して切削器７２の中のモータで駆動される。内部ブレードに与えられるトルクを正確に制御することが望ましい。というのは、もしトルクが過大であると、内部ブレード８８の回転するチューブ内に捕捉される、例えば、骨や金属の小片又は他の破片によって、内部ブレードそれ自体やチューブ８２又はカニューレ７０が粉砕され、その結果、患者の関節の中に切りくずをまき散らすかも知れない。その場合、その切りくずを除去しなければならないが、それは容易な仕事ではない。また、結果としてその領域に外傷を与えることになる。この発明の制御システムは、そのようなトルク制御を提供するものである。
上述のように、この発明のシステムは、電圧つまり電気的駆動エネルギー、例えば特定のデューティサイクルを有する一連のパルスをブラシレスモータに印加する。タコメータは、上記のようにモータ電機子の実際の速度を計測し、所望の電機子回転速度を、駆動モータのホール効果センサ波形（図１０）から得られる実際の出力速度と比較する。もし、対象物が外科手術装置の内部に張り付くと、モータは通常さらに多くのパワーを必要とするので、平均電圧および／又は平均電流が大きくなるようにデューティサイクルの増大を要求する。このソフトウェアはモータの実際の速度をモータ指令速度と比較し、もし速度が印加電圧に対して低過ぎる場合には、コントローラはデューティサイクルを減少させる（これに対応して平均電圧又は電流を下げる）。これによってトルクが低下し内部ブレード８８又はチューブ８２の破損が避けられる。その時、外科医はカメラ６８を介してカニューレの先端の状態を観察し、もし何かが張り付いていると、塩水の流量を増大するか又は装置を操作して詰まりを除去するかも知れない。このような状況では、開口が開放した状態で装置を停止させることもまた、望ましいことである。次に述べるように、この発明は、それが始めからシステムにプリセットされておればこの状態を達成させるものである。また、外科医は、必要に応じてその用具を変更することもできる。
図８は内部ブレードを挿入した図７のカニューレの断面図である。この発明における切断エッジ９１を有する内部ブレード８８は、一方向に回転した、後他方向に回転する、つまり正逆転するように駆動されてもよい。例えば、このシステムは内部ブレードを０．６秒間時計方向に、０．６秒間反時計方向に駆動し、その後この駆動をくり返すことができる。内部ブレード本体８８が一方向に、その後他方向に回転するので、開口８６に入り込んだ組織は切断され、それから内部中空穴９２を通じての真空源の作用と塩水の流れとによって除去され、最終的にホース７４へ送り込まれる。
正逆転動作は回転内部ブレードに限定されるものではなく、ドリル，円形やすり，回転メスおよび全範囲のモータ駆動用具に使用できることは理解されることである。
この発明によれば、上述のように、内部ブレード８８は、連続動作モード又は正逆転動作モードのいずれの動作モードにおいても、既知の位置において起動および停止することも望ましいことである。連続モードにおいて、内部ブレードは一方向に動作を開始し、使用者の制御により動作を終了するが反転することはない。このモードにおいては、内部ブレードは同じ位置において、例えばその開口および切断エッジが、つまり実質的に、切削部８６におけるチューブ８２の末端の開口と整列するときに、起動と停止を行うことが望ましい。従って、内部ブレードの起動と停止時の制御が行われることが望ましく、それによって開口が開放されたままとなって真空源とその結果としての溶液の流れが外科手術処置の領域を継続的にきれいにするようにしてもよいし、また、これらの位置が任意に決定されて開口が閉鎖又は部分的に開放されてもよい。同様に、外科手術装置の動作を毎回同じ位置で開始することを可能にすることによって、外科医は、切除する組織のタイプ，位置および量をほぼ正確に予言することが可能となる。
開口が同じ状態にあるとき、つまり好ましくは開放され、ことによると閉鎖され又はその中間の位置にあるように、方向の反転が常に行われるということは、上記の正逆転動作モードにおいても好都合であり、特に外科医にとって有役である。従って、これにより、回転動作が瞬間的に停止したために組織が切削できない場合に例えば、正逆転工程中に廃出物が関節から全く回収されないことや、廃出物の多少又は全体の流れが反転中に関節から回収されることになる。反転が既知のおよび予想通りの方法で行われることを確実に予想できるということは、上記の外科手術装置に実質的な利点を与える。この発明によれば、コントローラは上記の開口制御を次の方法で行うことができる。
図２と図９のフローチャートとの両方を参照すると、この発明の好ましい実施態様において、コントローラ１６はオープンループ様式で作動する。つまり、コントローラは所望の起動と停止動作が行われる位置を学習し、駆動モータからライン２２を介して得られるホール効果信号と、コントローラにプログラムされているモータの特性およびモータ電機子軸と最終出力軸１２との間を連結するギヤ減速機構についての情報とに基づいてその箇所から外科手術装置の駆動部分の位置を追跡する。この発明の例示された実施態様において、モータは４極（３相モータ）で５：１のギヤ減速機構を有し、出力軸１２の１回転に対してモータ１０の電機子は５回転を必要とする。
最初の操作時に、使用者又は外科医は、外科手術装置を駆動してその末端の開口を正しい箇所に位置付ける（ブロック１０）。これは増速スイッチ１１２を設けることによって効果的に行われる。このスイッチは、１つの実施態様においては、作動時に、モータをゆっくり駆動させて内部ブレードを移動させ、その内部ブレード自体をチューブ８２の開口と正しく整列させる。これによって、上述のように、開放，閉鎖又は部分開放の開口が提供される。とくにこの発明の実施態様において、スイッチ１１２は、モータが正転又は逆転のいずれかに駆動できるようにスイッチ１１３により補足される。モータが所望の位置に設定されると、第３スイッチ１１４が操作され、コントローラのメモリをその位置に設定する（ブロック１１６）。これによってコントローラ１６のメモリカウンタがクリアされ、そのメモリカウンタはその後ホール効果スイッチのライン１０２，１０４，１０６のいずれかの状態が変化する毎にインクリメントされる。
この発明の好ましい実施態様においては、スイッチ１１２と１１３（又は、もしあればその足踏みスイッチ）は同時に押される。それに応じて、コントローラは内部ブレードを駆動し、所望の位置でスイッチが放されると、コントローラはメモリカウンタを「ゼロ」にリセットするが、これが、その所望の起動−停止位置に対応する。
図１０を参照して、ホール効果スイッチから得られる信号を観察すると、電機子の完全な１回転に対応する電気的周期の７２０度毎に１２の状態変化が生じることがわかる。従って、出力軸１２の完全な１回転に対して６０の状態変化がモータセンサによりライン２２を介して与えられる。従って、コントローラにおいては、カウンタが設けられ６０を法としてモータ回転方向に対応してカウントを増減させ、そして、コントローラのソフトウェアは、一度セットされるとモータは「ゼロ」のカウントに対応する箇所で停止しなければならないことを認識する。従って、ブロック１１６でコントローラメモリが（ゼロに）セットされた後、連続回転又は正逆転動作がブロック１１８において開始される。連続回転動作モードでは、モータは第１方向（正転又は逆転）に駆動し、前述のように停止指令が与えられるまで駆動し続ける。
この発明の好ましい実施態様において、モータの操作は足踏みスイッチ（図示しない）を押すことによって開始され、足踏みスイッチを放すことは、コントローラにモータ１０の回転を終了させることを指令するスイッチとして作用する。これはブロック１２０に示されている。しかしながら、コントローラは停止指令の発生を認識した後もモータの回転を継続し、予め設定された条件で、この実施態様ではカウンタにおけるゼロのカウントに対応して停止させる。これはブロック１２２に示される。しかしながらブロック１２４に示されるように、モータの回転速度が所定のしきい値よりも大きい場合には、この発明の好ましい実施態様によれば、まずそのしきい値（例えば、１０００ｒｐｍ）より低い速度まで減速され、それからブロック１２６において所定位置に停止するよう制御される。これは特にブラシレスモータに関して生じることで、例えばステッピングモータではありそうもないことである。というのは、ブラシレスモータはモータ駆動の慣性が電機子の回転を助長するように作られているからである。
この発明の例示された実施態様では、制御ループは、非同期の位置誤差制御ループとして作動する。この制御方法は一般的に操作が単純であるが、同期制御および／又は速度誤差制御ループからなる他の方法が用いられてもよいし、また、ある状況においては起動−停止位置における停止精度が改良されてもよい。
モータ電機子の位置の検知精度は、ライン２２を介して状態が変化する周波数によって決定され、この例示された実施態様では（モータの減速機１２７の５：１のギヤ減速比を考慮して）出力軸の１回転毎に６０の状態変化が生じるので、ライン２２を介しての状態変化は外科手術装置が６度回転する毎に生じるものと決定することができる。（図１０も参照）従って、モータ停止精度は、他の誤差を無視すると、ほぼプラス・マイナス６度（１回転３６０度を６０で割ったもの）である。
このオープンループ制御モードでは、ギヤ減速比が、１／〔電機子１回転当りのホール効果の状態変化の数〕（この例示実施態様では１／１２）の正確な倍数でなければならない値「ａ」を有することも重要である。そうでない場合には、駆動される部材の位置がすべりを生じ、その結果、外科手術装置の駆動部材の起動−停止位置および後述の反転位置における位置決めにおいて誤差を招くことになる。
この発明の好ましい実施態様において、図５を参照すると、上述したようにモータとコントローラは都合よく正逆転モードにおいて作動することができる。この発明の好ましい実施態様におけるこのモードにおいては、使用者は第２位置、つまりモータの反転が開始する正逆転モード反転位置を設定することができる。図５を参照すると、作業者又は外科医は、まず、外科手術装置の駆動部材を位置決めし、例えば、駆動部材を外科医が反転させたい適当な開口位置にする。これはブロック１３０に示される。その位置が（前述のようにスイッチ１１２を用いて）セットされると、コントローラメモリがセットされその位置を記録する。なお、反転位置は、起動−停止位置がセットされた後にセットされるので、通常反転位置は起動−停止位置以外の位置となる。電機子位置を反転位置について追跡するために、コントローラは別の追跡カウンタを使用できる。また、起動−停止追跡カウンタが使用できる。（反転位置に対する省略時の値が起動−停止位置である）。その値はコントローラにより記録され、記録されると外科手術装置は予め記録された起動−停止位置まで戻る。これはブロック１３２に示されている。別のスイッチ１３４が正逆転モードの反転位置を記録するために使用される。しかしながら、付表Ａの好ましいソフトウェアによれば、コントローラが正逆転動作モードにある場合には、スイッチ１１２と１１３を同時に開閉する上述の手順を用いて内部ブレードを所望の位置まで移動させ、それらのスイッチを放したときにその位置を正逆転追跡カウンタに格納することができる。
正逆転モードの動作は、その後スイッチ１３６を操作することにより実行できる。スイッチ１３６を操作すると、モータは第１方向に回転を開始し、例示された実施例においては、ある決められた長さの時間その回転を続ける。他の実施態様においては回転数がセットされるが、好ましい実施態様では、例えば１秒未満、好ましくは約０．４秒の回転された時間を用いる方が良いと考えられる。正逆転動作が開始されると、ブロック１３８に示すように、外科手術装置の回転方向はその期間が時間切れになるまで同方向を続ける。これはブロック１４０に示される。時間切れが生じた後も、コントローラはモータのその回転方向を継続させ、正逆転反転位置に達すると、方向の反転を行う。これはブロック１４２に示されている。その後、時間切れのタイマーが例えば０．６秒にリセットされ、ブロック１４４に示すように停止指令が与えられない場合にはシステムは再循環する。時間切れカウンタがカウント中に、停止指令がブロック１４６に示すように与えられた場合には、システムは時間切れループから抜け出して、（上述のように回転速度がしきい値を越えない場合に）次の反転の起動−停止位置で回転を終わらせる。これはブロック１４８に示されている。
この発明の好ましい実施例によれば、図５Ａを参照すると、外科手術装置は開口を部分的又は全体的に開いた状態で停止したとき、除去すべき組織又は骨を包むように配置される。十分に開いた開口は図７と図８に示されている。しかしながら、正逆転運動を始める前に、前述のように反転位置がブロック３３０においてセットされ、ブロック３３２において記録される。システムは、その後、正逆転モードに置かれ、動力がブレードに印加され、ブロック３３８において正逆転動作を開始する。正逆転モードにおいて、この発明の好ましい実施態様によれば、ブレードは毎秒約２．５回正逆転し、開口の中の物質を除去してきれいにする。
開口内の物質の量が性質のいずれかによって、モータが失速するような情況では、その失速状態がコントローラにより、ブロック４００と４０２で感知される。失速状態は、モータに印加可能な限界の電圧を印加しても（ブロック４０２）回転速度がゼロ（ブロック４００）である状態として定義される。この情況下では、ブロック１４０において時間切れ例えばモータ回転方向が反転するまでの０．４秒を待つよりむしろ、モータは直ちに反転駆動され開口を開いて適切な切断動作を行うために全回転力が印加される（なお、ゼロ速度のこの条件のもとでは、逆起電力は発生しない）。
これによってモータによるブレードの反転が速くなり、失速状態が継続する場合には、この発明の例示される実施態様においては例えば毎秒約１２．５回の速度でモータ回転方向の反転が継続されることになる。高速で積極的なモータ回転方向の反転は、図５に関連して説明したステップ１４０，１４２，１４４，１４６に示されるように開口がきれいになってシステムが正常な周期的な時間制御状態に復帰するか、停止指令が与えられるまで継続する。
外科手術の処置中のいつでも、新しい外科手術装置がモータに導入されるか又は医師が起動−停止又は反転位置のリセットを望む場合には、図５，５ａおよび９に関連して上述した手順をくり返すことが必要となる。その後、システムの操作は上述したように進められる。
図１１を参照すると、外科手術装置２００に接続されたモータ１０が示され、そこではマグネット２０１が、回転駆動される外科手術部材、ここでは内部ブレード８８、の基端の外周に埋込まれている。ホール効果受信素子２０２が外科手術システム用の絶対参照点を決定するためにモータのハンドピース内に埋込まれている。従って、コントローラはホール効果受信スイッチ２０２から電気信号を受けとることができ、内部ブレードがホール効果受信スイッチ２０２に対向する位置にある時点を正確に決定できる。この実施態様では、クローズドループ法の好適な使用により、コントローラはホール効果スイッチつまり受信素子２０２からの信号を用いて、オープンループ法に関連して上述のように得られた信号を補うと共にチェックする。これには２つの理由がある。第１は、医師が起動／停止位置又は反転位置のいずれかのように、ホール効果スイッチ受信器２０２に対して内部ブレードの基端のマグネット２００が整列するように開口を設定することを望まないかも知れない。（事実、装置が一方向の位置が指示されない場合、これによって整列はふぞろいになる。）第２には、この実施態様では１つのマグネットしか設けられておらず、電流仕様のブラシレスモータを「直ちに」停止させることは困難であるため、実際の終止点が定まらないばかりでなく、マグネットによって示される点と異なり、実際、その終止点は受信器２０２の近くをマグネットが通過する時点におけるモータの回転速度の関数となる。
クローズドループ法は、オープンループ法に加えて上述した追加制御を提供するために用いることができる。
図１２を参照すると、クローズドループ法の第２の実施態様において、回転マグネット２１０が２１２においてモータ駆動軸１２に埋込まれている。対応するホール効果受信スイッチ２１４はモータのハンドピース内に配置され、モータ制御用の正確な参照点を確立する。しかしながらこの実施態様では、外科手術装置を受入れる駆動シャフトが、駆動軸マグネット２１０に対して部材（開口）を正しく規定するために駆動部材に対して唯一の方位を持たなくてはならない。この実施態様は図１１の実施態様に関連して上述した同じ分解能の問題をこうむるものである。
図１３を参照すると、クローズドループ法の第３の実施態様において、外科手術装置の内部駆動部材の回転部分に埋込まれ、存在するホール効果スイッチ２２２と既に存在する素子タイプの感知マグネット２２４とに整列する単一の変調要素、つまりマグネット２２０は、固定チューブ部材８２に対して駆動回転部材の絶対的な位置決めを行うためのコントローラ用の他の方法を提供することができる。しかしながら、図１１と図１２に関連して例示される実施態様に対して、この実施態様もまた、クローズドループ又はオープンループ技術のいずれかによって解決できる同じ分解能の問題をこうむる。
外科手術装置の駆動部材の固定部材に対する停止および起動位置と周期的反転位置を制御するこの発明の他の実施態様は、当業者に明白であろう。その実施態様は、例えば静止状態を監視して制御する複雑なアルゴリズムを設計すること、ここに説明した好ましいブラシレスモータに対して高トルクステッピングモータを用いること、およびシステムのトルクを増大する他の方法を含むかも知れない。これらおよびこの発明の他の実施態様は次の請求の範囲の範囲内で当業者に明白であろう。
この発明のブラシレス３相ＤＣモータ用全ディジタル速度制御システムにおいて具体化して例示および説明したが、種々の変形や構造的変更はこの発明の精神から離れることなくなされるので、この発明を、説明した細部に限定するものではない。

Claims (4)

1. 電機子付きモータを含んだハンドピースを有し、少なくとも１つの外科手術装置と共に駆動するようにした外科手術システムであり、ハンドピースは外科手術装置を受入れて駆動するようになっており、外科手術装置はハンドピースにより連続する位置を通じて駆動され、外科手術装置は固定部材と駆動部材とを備え、固定および駆動部材は駆動部材がハンドピース内のモータによって駆動されるとき協働して組織を切断するように配置され、外科手術装置は固定部材に対する駆動部材の位置によって完全解放，完全閉鎖又は部分開放できる可変開口をその末端に備え、
   外科手術システムは、
   外科手術装置の駆動を制御するコントローラと、
   コントローラに電気的に接続された起動スイッチと、
   コントローラに電気的に接続された正逆転モードスイッチとを備え、固定部材に対して特定の関係を有する駆動部材の停止位置が、コントローラに対して定義され、
   コントローラは正逆転モードスイッチによる要求があるときに、正逆転モードにおける外科手術装置の動作を起動スイッチの作動に応じて開始させ、さらに
   コントローラは動力供給下の失速状態に応じて外科手術装置の駆動動作の方向を反転させるように構成され、正逆転モードが方向を反転する外科手術装置の正逆転反転位置を定義し、失速状態が生じない時には、正逆転モードにおいて正逆転反転位置においてのみモータ方向を反転し、システムが正逆転モードにあるときには停止指令に応じて前記停止位置でモータが停止させるようになっていることを特徴とする外科手術システム。
2. コントローラは、失速状態が検知される度に、駆動動作の方向を反転させるようになっている請求の範囲第１項記載の外科手術システム。
3. コントローラはモータ電機子のゼロ速度を検出することにより失速状態を検知するようになっている請求の範囲第２項記載の外科手術システム。
4. 失速正逆転モードにおいて、モータが毎秒約１２サイクルで正逆転するようになっている請求の範囲第２項記載の外科手術システム。

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